Горное дело и металлургия железного века

Первые железные предметы, которыми люди стали пользоваться в глубокой древности, были сделаны из метеоритного железа. Изделия из железа земного происхождения, обнаруженные в Ираке, были выполнены в 3 тысячелетии до н. э. Их нетрудно отличить, так как в метеоритном железе содержится 9-10 процентов (по весу) олова, которое отсутствует в земном.

Метеоритное железо обрабатывали, как и медь, путем свободной ковки, после чего оно приобретало нужную форму и одновременно упрочнялось (наклепывалось), а после отжига на огне вновь приобретало пластичность. Не случайно шумеры считали, что оно происходит с неба, и называли железо «небесной медью». Одно из самых древних железных изделий, относящихся к 4-му тысячелетию до н. э., является ожерелье, выполненное из прокованных полосок метеоритного железа.

Первыми начали выплавлять железо из руд в достаточном количестве и были, соответственно, основателями черной металлургии халибы, жившие в Закавказье около 1500 г. до н. э. Месторождения железных руд встречались значительно чаще, чем других металлов, поэтому наладить производство железа, особенно в лесистых районах, где не было проблемы с древесным углем, оказалось проще и оно постепенно стало вытеснять медь и бронзу.

Вначале руду для выплавки железа добывали открытым способом из земли, потом со дна водоемов (болотную, озерную руду). Со временем эти запасы исчерпались и стал использоваться подземный способ разработки, который ранее применялся для добычи камня.

Возросший спрос на металлы стимулировал распространение подземной добычи руды и развитие горного дела. В современном понимании горное дело — это отрасль науки и техники, охватывающая процессы извлечения (добычи) из земных недр полезных ископаемых открытым и подземным (шахтным) способом, а также их первичную переработку.

Для разработки глубоко залегающих пластов стали создаваться шахты с выходящими на поверхность наклонными или вертикальными стволами (штольнями), соединяющимися подземными галереями (штреками). Глубина шахтных стволов постоянно увеличивалась и стала достигать 130 м. Естественно, что при столь глубоких разработках уже нельзя было обойтись без деревянных креплений, предотвращающих опасность обрушений. Таким образом, шахты по своей конструкции стали приближаться к современным.

Вентиляции в шахтах тогда еще не было, а для освещения использовались глиняные светильники. Поступающая вода удалялась с помощью специальных водоотводных галерей, ведрами, водочерпальными колесами, а также с помощью винтовых насосов («архимедова винта»).

Для разработки часто применялся «огневой способ», состоящий в нагревании породы с помощью костра и быстром охлаждении поливом водой. При этом руда растрескивалась, а затем разрушалась с помощью забивки в трещины сухих деревянных клиньев, которые при намокании создавали огромные расклинивающие усилия. Как известно, этот способ ранее использовался для откалывания каменных глыб в каменоломнях, в частности при строительстве египетских пирамид. Выломанные куски руды затем разрушались с помощью ручного рудничного инструмента (молота, кайла или кирки). Измельченная порода выгребалась заступами и лопатами.

Подъем руды по наклонным штрекам производился в мешках (рюкзаках) за плечами или на тачках, по вертикальным — с помощью лестниц, а также в бадьях с помощью воротов. Руда, доставленная вручную «на гора»,

перебиралась (обогащалась), обжигалась и подготовлялась к плавке. Для выполнения этой нечеловечески трудной работы широко использовался труд рабов, прикованных навечно к своим орудиям.

Условия труда рабов и других категорий рудокопов были нечеловечески тяжелыми. Рабы, спущенные в рудники и прикованные к своим киркам или тачкам, обычно считались обреченными на подземный труд до смерти.

Добытая руда измельчалась, обжигалась и готовилась к плавке.

Впервые, по всей вероятности, железо было получено случайно, в результате ошибочного использования железной руды вместо медной.

Первый и самый древний процесс получения железа из руд в виде крицы назывался сыродутным. Он возник во втором тысячелетий до н. э„ и просуществовал вплоть до 14 в., пока не был вытеснен кричным переделом. Многократной проковкой выплавленной крицы получали мягкое, хорошо поддающееся сварке железо. Но широкое практическое применение оно получило лишь тогда, когда научились его науглероживать и производить закалку полученной стали.

Для производства сыродутного железа смесь железной руды с древесным углем (шихту) засыпали в глиняный горн или в обычную яму, плотно закрывали, поджигали, а затем раздували, используя вначале естественную тягу, а позднее искусственное дутье. Температура в такой примитивной печи не превышала 1100— 1350°С и была недостаточной для полного расплавления железа, которое происходило при 1530°С. Поэтому удавалось добиться лишь его восстановления и получить тестообразную пористую массу, так называемое губчатое железо, или крицу, загрязненную примесями. Для удаления примесей крица подвергалась 5-6-кратной проковке, в результате чего получалось мягкое сварочное железо.

Было обнаружено, что при неоднократном нагревании железа в древесном угле с тщательной проковкой после каждого нагревания и в результате закалки в воде оно становилось тверже меди и бронзы — так появились сварка и закалка железа.

В 1580 до н. э. в Египте появились первые искусственные воздуходувки, позволившие существенно повысить производительность сыродутного процесса. 1400 лет до н. э. способы получения сварного железа и поверхностной закалки стали получили распространение в Армении; 1000 лет до н. э. железо было освоено скифами Причерноморья и распространилось в Европе. В 9-7 вв. до н. э. железный век полностью вступил в свои права — началось повсеместное распространение металлургии железа и изготовления железных орудий и оружия.

Но даже к концу железного века железо не смогло полностью вытеснить бронзу, напротив, бронзовых изделий изготовлялось даже больше, чем железных. Дело в том, что сыродутный процесс получения железа был чрезвычайно длительным и трудоемким, а полученный при этом металл ценился дороже золота.

Большой вклад в распространение металлургии железа и металлообработки внесли воинственные кочевые племена монголов и туркменов с Востока, пришедшие с богатых рудами Алтайских гор и вооруженные прочным стальным оружием и доспехами. С 6-5 вв. до н. э. славились своими сортами стали многие районы Греции и Малой Азии, которые во времена Александра Македонского подразделялись на: лаконийскую — для изготовления сверл и напильников, лидийскую — для мечей и др. видов холодного оружия, синопскую — для плотницких инструментов и т. п. Лучшие сорта римских сталей содержали, как правило, больший процент углерода, чем греческие.

Славились своим мастерством обработки железа и своей сталью кельтские (галльские) племена, населявшие во второй половине первого тысячелетия до н. э. территорию Западной Европы. Для получения прочной, твердой и однородной стали кельтские кузнецы закапывали откованные из кричного железа полосы в землю и давали им проржаветь, а затем снова проковывали для удаления ржавчины, которая разрушала в первую очередь наиболее мягкие фракции железа.

Секреты науглероживания железа и получения из него твердой стали древние мастера держали в строжайшем секрете. Именно к таким, впоследствии утерянным секретам древности, и относится способ получения дамасской стали (булата), который был вновь открыт научным путем русским металлургом П.П. Аносовым. Этим искусством первыми овладели индийские металлурги, поэтому их холодное оружие из настоящей дамасской стали чрезвычайно ценилось в древности.

Необходимо отметить, что в Китае железный век наступил с некоторым запозданием, но зато там раньше научились получать чугун. С 4 в. до н. э. в усовершенствованных горнах с искусственным дутьем китайские мастера стали выплавлять чугун и наладили производство чугунных отливок. Там чугун был распространен гораздо шире и уже к 1-му тысячелетию до н. э. литейная техника у китайцев была доведена до высокого совершенства. В это же время в Китае был открыт способ получения стали науглероживанием железа путем помещения железных изделий в чугунный расплав. Но в те времена производство стали еще не обособилось в отдельную, самостоятельную отрасль металлургии.

Успешному решению проблемы производства чугуна в Китае способствовали следующие благоприятные факторы. Использование руды с высоким содержанием фосфора, имеющей пониженную температуру плавления, мощных поршневых воздуходувок, каменного угля вместо древесного, тигельного способа плавки, при котором руда и уголь не смешивались. С 2357 до н. э. в Китае путем кричного передела стали перерабатывать чугун в мягкое железо и сталь.

Высокая трудоемкость получения железа и изготовления из него стальных изделий делали их в 15-20 раз дороже бронзовых, поэтому новый материал вначале применялся исключительно для изготовления оружия. Из него выковывали мечи, кинжалы, наконечники копий, а также защитные доспехи (щиты, шлемы, панцири).

Позднее из железа стали производить металло- и деревообрабатывающие инструменты: резцы, пилы, напильники, сверла, проушные топоры, стамески, лезвия рубанков. В результате воины и охотники получили оружие, а ремесленники — инструмент, которые по прочности, твердости и режущим свойствам намного превосходили бронзовые, а тем более медные.

Освоение добычи и обработки железа стало великой технической победой, наложившей отпечаток на всю дальнейшую историю человечества.

Дата добавления: 2014-01-04