Металлургия средневековой
Европы В то время как на Востоке успешно развивали технологию
тигельной плавки высококачественной стали из природно - легированных руд, на Западе
происходило постепенное освоение других металлургических технологий. Как
известно, во 2-й половине 1-го тысячелетия лидерство в политической жизни Европы
принадлежало викингам, франкам и государствам, располагавшимся в Альпийском регионе.
Рассмотрев историю Древнего мира, мы уже знаем, что политическая гегемония с древнейших
времен базировалась на металлургическом фундаменте.
Ландшафт
как важнейший металлургический ресурс В раннем Средневековье
сама природа способствовала развитию технологий металлургии железа в Скандинавии
и Альпийском регионе. В этих регионах были в достатке легкодоступные богатые железные
руды. Сначала их извлекали непосредственно на поверх-ности земли, а по мере истощения
открытых месторождений железную руду стали добывать из штолен — горизонтальных
или наклонных горных выработок. Такое ведение горной добычи особенно
широко практикова-лось именно в Альпах, где распространенным видом геологической
структуры являются «горсты», т.е. поднятые по разломам участки земной коры, богатые
рудами металлов. В Европе горсты образуют вершины с крутым обрывистым
южным склоном и пологим северным с максимальной высотой 1000—1300 метров над уровнем
моря. Классическими примерами горстов являются горы Гарц, что на территории современных
Германии, Австрии и Италии, Вогезы на северо-востоке Франции, Рудные в Чехии и
Германии. Помимо залежей руд цветных и черных металлов, горсты располагают
лесистыми ущельями и быстрыми горными потоками. Таким образом, в распоряжении
средневековых металлургов находились богатые ресурсы качественной древесины для
выжига угля и мощные потоки воды для приведения в действие водоналивных колес. Однако
широкое использование дутьевых средств началось в конце тысячелетия, а до этого
металлурги использовали, главным образом, естественное движение воздуха. И в этом
виде ресурсов Скандинавия и Альпы предоставляли металлургам необходимые возможности. Север
Европы часто называют страной ветров, возможно, наи-более образно это отношение
к природе Скандинавии и арктичес-ких архипелагов выразил великий французский романист
Виктор Гюго, который писал: «...Северные фьорды и архипелаги - это царство ветров.
Каждый глубоко врезающийся в побережье залив, каждый пролив между многочисленными
островами превращается в поддувальный мех... Постоянным движением воздуха
отличается и Альпийский реги-он, особенно его древнейшая металлургическая провинция
- Штирия. Таким образом, средневековый металлург, работавший с крупнейшими агрегатами
своего времени, должен был быть специалистом-«ландшафтоведом», т.е. должен был
уметь подобно мореплавателю, управ-ляющему кораблем, «поймать ветер», чтобы извлечь
железо из руды.
Сыродутные и «каталонские»
горны
И в Скандинавии, и в Альпах в VII-VIII вв.
стали строить сыродутные горны высотой больше человеческого роста, причем увеличение
высоты агрегата происходило очень интенсивно и к концу тысячелетия печи строились
высотой до 5 метров. Какова же причина такого изменения конструкции агрегата?
Из-начальное стремление к повышению производительности печи дало «побочный» эффект,
который неожиданно превзошел первоначальные ожидания средневековых мастеров. Дело
в том, что с увеличением высоты горнов в них стали существенно улучшаться условия
теплооб-мена между опускающимися сверху железорудными материалами и поднимающимся
снизу, от фурм, восстановительным газом (окси-дом углерода). Можно сказать, что
в печи появилось «дополнительное» тепло. В результате стали более полно проходить
как реакции восстановления железа из оксидов, так и науглероживания свежевосстановленного
железа. Таким образом, получаемая крица стала более равномерной по химическому
составу, в ней повысилось содержание железа, а само железо стало более насыщеным
углеродом. Рис. 1. Каталонский горн, снабженный
водотрубной возду-ходувкой (тромпой). 1 - пробка,
расположенная в верхнем водном резервуаре и предназначенная для регулирования
потока воды в нижний резервуар; 2 - отверстия для всасывания
воздуха, выполненные в трубе под углом 40-45" к горизонту; 3
- труба, служащая для создания пото-ка воды между верхним и нижним резер-вуарами; 4
- слив воды из нижнего резервуара; 5 — патрубок для отвода
воздушного ду-тья к фурменному устройству; 6 - коническая
фурма, изготовлявшаяся, как правило, из красной меди; 7
— железная руда; 8 — формирующаяся железная крица; 9
— железистый шлак; 10- канал для выпуска шлака из горна
В вышеупомянутых печах так же, как и в сыродутных
горнах, производимым продуктом оставалась твердая крица, но в связи с развитием
в агрегате процессов теплообмена их можно отнести и к категории шахтных печей,
которыми считаются появившиеся позднее домницы, доменные и ваграночные печи. «Двойственная»
природа обсуждаемых скандинавских и альпийских средневековых печей нашла отражение
в их названиях. В Скандинавии такие печи назывались «осмундскими» (от «осмунд»
- крица), в Альпийском регионе высокие сыродутные горны получили название «штюкофены»
(от немецких слов «штюк» — крица и «офен» - печь) в отличие от обычных сыродутных
горнов, за которыми закрепилось название «реннофен» - печь с «бегущим» шлаком.
Но о штюкофенах и осмундских печах речь пойдет чуть позже. Итак, увеличение
высоты металлургического агрегата, приме-нявшееся в конструкции штюкофенов и осмундских
печей, было лишь одним из направлений увеличения интенсивности его работы. Собственно
производительность процесса экстракции железа из руды во все времена определялась
интенсивностью подачи в печь дутья. В раннем Средневековье был разработан
еще один способ по-вышения производительности сыродутного горна, который заклю-чался
в разработке конструкции низкой, но интенсивно работаю-щей печи, постоянно подгружаемой
шихтой. По пути создания такого горна пошли металлурги Юго-Западной Европы: в
X—XI вв.: здесь была разработана технология плавки железа в горнах, получивших
название «каталонских». Каталонские горны появились сначала в испанских,
а затем и во французских Пиренеях. Современники выделяли три модифи-кации этих
агрегатов: собственно каталонский горн — самый круп-ный по размерам и производительности,
а также наваррский и бискайский горны несколько меньших размеров. Длина горнов
составляла от 0,6 до 1,2 м, ширина — от 0,6 до 1,0 м и глубина -0,5-0,8 м.
Таким
образом, объем рабочего пространства пиренейских горнов составлял всего лишь 0,3—0,9
м3, что в 5-10 раз меньше объема штюкофенов. И, тем не менее, они практически
не уступали своим высоким «собратьям» в производительности. (Необходимо отметить,
что каталонский горн применялся только для заводского производства металла в средневековых
Испании и Франции.)* На каждом железоделательном заводе устраивалось
не менее 10 каталонских горнов. Они располагались вдоль одной общей стены, которая
строилась со стороны реки, где устраивались водоналивные колеса, приводящие в
действие дутьевые мехи. Эта стена называлась «заводской». К ней примыкали «фурменная»
и «противофурменная» стены. В фурменной стене под углом около 40° к уровню земли
устанавливалась коническая, слегка сплюснутая фурма из красной меди длиной около
20 и диаметром 2—3 дюйма. Противофурменная стена устанавливалась со значительным
наклоном наружу и выполнялась с изогнутым сводом. В лицевой стене предусматривались
два отверстия для ломов и выпуска шлака, а также специальное устройство для установки
«шесточной» железной доски, которая меняла угол наклона для регулирования загрузки
в горн шихтовых материалов. С особой ответственностью строили дно горна.
Его выполняли из цельного огнеупорного камня (гранита, песчаника или слю-дяного
сланца). Верхнюю сторону камня тщательно обрабатывали, добиваясь, чтобы она была
гладкой и немного вогнутой. Камни служили от 3 месяцев до полугода. Под камнем
на старом мель-ничном жернове устраивалась «постель» из дробленого шлака и глины.
Трубы над горном не было: выходом для образующихся газов служило отверстие в крыше
заводского помещения. Перед началом процесса горн тщательно чистили от
остатков предыдущей плавки, затем засыпали древесный уголь до уровня фурмы и уплотняли
его. На плотную «постель» древесного угля насыпали кусковую руду (как правило,
это был бурый железняк), располагая ее по противофурменной стене. Дополнительные
порции древесного угля размещали около фурменной стены. В ходе плавки,
по мере выгорания угля и плавления руды, в горн вводили их новые порции, причем
отсутствие жестких требований к газодинамическим параметрам шихтовых материалов
позволяло использовать руду мелких фракций. Из рудной пыли делали смоченные водой
комки, которые и загружали в горн. Периодически из горна выпускали шлак, пробивая
специально предусмотренные для этого отверстия. Вообще же контакт крицы с железистым
шлаком приносил существенную пользу, поскольку позволял перевести в шлак большую
часть фосфора, присутствие которого в готовом металле существенно снижало его
качественные характеристики. Наиболее сложной являлась операция «опускания
руды в горн», для выполнения которой между противофурменной стеной и рудой вставляли
лом и, действуя им как рычагом, подвигали нижние слои руды к фурме. Сигналом к
окончанию процесса служил белый цвет пламени, который указывал на начало окисления
железа крицы. Обыч-ная длительность плавки достигала 5—6 часов. Таким образом,
за сутки успевали произвести 3—4 крицы массой 100—150 кг. После прекращения подачи
дутья с крицы сгребали покрывающие ее шихтовые материалы и в отверстие в лицевой
стене вставляли лом, а второй лом опускали в горн сверху. Действуя ломами как
рычагами, крицу вынимали из горна по пологой выгнутой противофурменной стене. В
эпоху позднего Средневековья при нормальном ходе процесса извлечение железа из
руды в крицу достигало 60-70% при расходе древесного угля 3-3,5 кг на 1 кг крицы.
Получался низкоуглеродистый металл (менее 0,5% углерода). Содержание оксида железа
в шлаке было существенно ниже, чем при применении обычных сыродутных горнов: оно
составляло 35—40%. Каждый каталонский горн обслуживался бригадой из 8 человек.
В состав бригады входили мастер, его помощник, следивший за работой воздуходувной
техники, два плавильщика, обеспечивавшие процесс производства крицы, молотовой
мастер с помощником, рабочий, готовивший шихтовые материалы к плавке, и весовщик,
осуществлявший контроль за хранением, расходованием материалов и ведавший учетом
готовой продукции. Несмотря на кажущуюся простоту конструкции,
каталонские горны находились в эксплуатации и после появления доменных печей,
с которыми они конкурировали в Испании вплоть до середины XIX в. Секрет «долгожительства»
каталонских горнов объясня-ется применением для их обслуживания начиная с XVII
в. мощных водотрубных воздуходувок, или так называемых «тромп». Тромпа была изобретена
итальянским инженером Джанбатиста делла Портой, и обеспечивала не только интенсивную,
но и равномерную подачу дутья в металлургический агрегат.
Штюкофены
и осмундские печи
Теперь более подробно рассмотрим работу штюкофенов
и осмун-дских печей. Отметим, что конструкция агрегатов была очень похожей, а
основные различия заключались во внешнем «оформлении»: осмундские печи, как правило,
заключались в деревянные срубы, а конструкция штюкофенов усиливалась снаружи каменной
кладкой. Печи строили многогранного сечения, чаще всего в виде двух четырехгранных
призм с общим большим основанием. Использова-лась одна фурма, которая устанавливалась
горизонтально в нижней части печи таким образом, что ниже нее располагались лишь
отверстия для выпуска из печи шлака. Перед началом плавки внутреннее
пространство печи обмазывали огнеупорной глиной и набивали угольным порошком.
Затем производили «обжигание горна», которое заключалось в прогреве кладки путем
сжигания дров и некоторого количества древесного угля. После этого печь наполовину
загружали порцией древесного угля, перемешанного с небольшим количеством легкоплавкой
железной руды. В результате плавления этой первой, или «задувочной», шихты стенки
нижней части печи покрывались своеобразным защитным слоем — «гарнисажем». Только
после такой длительной подготовки агрегата переходили собственно к процессу плавки. Шихту
готовили тщательно: куски руды, представлявшей собой красный или бурый железняк
с содержанием железа около 50%, дробили до крупности гороха или лесного ореха;
древесный уголь, требования к качеству которого непрерывно возрастали, измельчали
до размера грецкого ореха. Оба компонента шихты отделяли от мелких частиц и пыли
вручную. Печь наполовину заполняли древесным углем, а затем загрузку руды и угля
производили последовательно горизонтальными слоями толщииой не более 10—12 см.
После воспламенения древесного угля в нижней части печи, где проходила
реакция неполного горения углерода угля до монооксида углерода (СО), достигалась
температура 1400—1450°С. На верху печи, на колошнике (название его происходит
от слова «колоша», т. е. мера твердого сыпучего материала) температура отходящих
газов, состоящих, в основном, из СО и азота, составляла 700-900°С. Вот почему
отходящий газ при взаимодействии с кислородом воздуха воспламенялся и непрерывно
горел в течение всей плавки. Основным механизмом восстановления железа из оксидов
была их реакция с твердым углеро-дом, поэтому содержание СО2, образующегося при
восстановлении железа монооксидом углерода, в отходящих газах было ничтожным. Главной
составляющей шлака, как и в обычных сыродутных горнах, был фаялит. Шлак содержал
45—50% монооксида железа, 25—35% кремнезема, 4-6% глинозема, до 5% извести и магнезии
и до 15% монооксида марганца. Кроме того, в шлаке в значительных количествах присутствовали
щелочи, фосфор (иногда более 1%) и сера. Железистые шлаки отличаются высокой жидкоподвижностью,
поэтому они легко вытекали из печи через отверстия в стенках, расположенных несколько
ниже уровня фурмы. Присутствие в рудах монооксида марганца, взаимодействовавшего
с кремнеземом, облегчало восстановление железа и уменьшало его потери в ходе плавки. В
результате плавки получался металл с низким содержани-ем кремния (менее 0,05%),
марганца (менее 0,5%) и фосфора (менее 0,01%). Содержание углерода в различных
участках крицы колебалось в широких пределах от 0,05 до 1,5%. Как известно, температура
плавления низкоуглеродистого железа, составлявшего основную массу крицы, достигает
1480—1520°С, поэтому крица получалась твердой. Однако с повышением высоты печей
и улучшением условий теплообмена содержание углерода в крице увеличивалось, и
с начала 2-го тысячелетия ее часто извлекали из штюкофенов оплавленной. Плавка
продолжалась 4—6 часов, после чего раскаленную добела крицу клещами извлекали
через пролом в передней стенке горна. Пролом делался в месте установки фурмы,
что позволяло одновременно производить контроль состояния и при необходимости
замену сопла дутьевого устройства. В крице оставались включения угля и шлака,
составлявшие до 10% ее массы, поэтому ее уплотняли деревянными молотами, а затем
тщательно проковывали кузнечным молотом для удаления шлака из мелких пор. Потери
железа со шлаком и в результате отбраковки попрежнему оставались высокими и могли
достигать половины от количества железа, попавшего в печь с рудой. Всего за сутки
с учетом постоянного ремонта печи успевали произвести 2—4 крицы. Высоким
был и расход древесного угля: непосредственно на про-цесс экстракции железа из
руды он составлял 3-4 кг на 1 кг «сырого» железа, еще столько же топлива требовалось
сжечь при переработке сырца в товарный продукт. С учетом того, что при производстве
древесного угля масса продукта составляла не более 15% от массы дров, общий расход
высококачественной древесины на производство 1 кг железа достигал почти 50 кг.
Потребность в древесном угле была столь высока, что к концу тысячелетия пришлось
существенно усовершенствовать технологию его производства: от архаичного способа
выжига в ямах перешли к более производительной и экономичной технологии получения
продукта в кучах диаметром свыше 3 метров. Штюкофены и осмундские печи
обеспечивали самый высокий температурный уровень термических процессов раннего
Средневеко-вья. Температура продуктов плавки (крицы и шлака) в них гарантированно
достигала 1400°С, но условия науглероживания металла в печах все же еще не позволяли
получать в них чугун. Нужен был еще один шаг, еще некоторое увеличение высоты
агрегата, чтобы получить новое качество и новый продукт процесса, а именно высокоуглеродистый
сплав — чугун. Этот шаг был сделан после появления печей шахтного типа - «домниц»
(русское название) или «блауофенов» (немецкий термин) в начале XIV в. То
обстоятельство, что именно металлургическая индустрия обеспечивала наивысшие температуры
в Средневековой промышленности, было хорошо известно современникам. У многих народов
в это время появляются легенды о металлургах — пове-лителях огня (пламени). Возможно,
один из наиболее поэтических образов средневеко-вой металлургии железа создан
великим Гете в поэме «Фауст», где главный герой обращается к верным слугам темных
сил — воронам — со следующим напутствием: «...Летите к кузнице подгорной,
/Где гномы день и ночь, упорно, /Железо на огне куют. /Трудолюбивый этот люд /Уговорите
дать нам пламя, /Невыразимое словами, /Каленья белого предел...»
При
некоторой условности поэтических форм необходимо отметить, что автор точно указывает,
что кузница (в данном случае - штюкофен) располагается именно в горной местности,
именно в такой кузнице производится раскаленная крица - материал с самой высокой
в то время температурой. Рис. 2. Характерная конструкция
штюкофена или «высокого» горна. * Монополия
на производство железа высокого качества была необходима эти странам, в то время
активно осуществлявшим создание единых государств из многочисленных феодальных
княжеств. Испания и Франция имели мощных внешних врагов, препятствовавших объединению
государств: Испания осуществляла реконкисту (освобождение из-под многовекового
арабского влияния), а Франция боролась за лидерство в регионе с Бургундским герцогством,
на территории которого располагались Вогезы - важнейшая металлургическая провинция
средневековой Европы. П. И. Черноусов
кандидат технических наук доцент Московского государственного
института стали и сплавов. |