Ландшафт как важнейший металлургический ресурс

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.

 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.