Давно ли люди гибнут за металл и как именно закалялась сталь

Размещено на http://www.allbest.ru/

Давно ли люди гибнут за металл и как именно закалялась сталь



Содержание

Предисловие

Часть 1. История металлургии, известная и не очень

Часть 2. Черная металлургия



Предисловие

Изучая историю, мы, на самом деле, изучаем самих себя, стараясь найти ответы на извечные вопросы, которые задавали себе люди во все времена: кто мы? откуда? и где наши корни? И нам вовсе не хочется довольствоваться лишь неясными предположениями, нас интересует достоверная информация. И в этой связи, история, как наука, оперирующая исключительно фактами, имеет для нас первостепенное значение, ведь именно она может дать достоверные ответы на эти главные для всех нас вопросы. А история человечества это, прежде всего, - история человеческой деятельности, то есть - те следы, которые оставил человек на Земле, следы сознательного изменения окружающей среды и, вместе с этим, и себя самого.

И что бы ни являлось для нас свидетельством этой самой деятельности: искусственное изменение ландшафта, постройки, предметы быта или письменные источники, нас, прежде всего, интересует даже не то, что конкретно сделано, а как, когда и зачем это сделано? Ведь именно понимание этого и определяет наше место в мире.

И каждый раз, рассматривая какую-нибудь древнюю постройку или даже вполне обычный предмет, мы задаем себе вопросы: как это изготовлено? из какого материала? при помощи каких технологий? и какими инструментами? металл древний человеческий металлургия

И это далеко не новость. Именно вопрос об использовании человеком тех или иных инструментов и лег в основу общепринятой классификации исторических периодов, делящих весь отрезок древней истории на "каменный", "бронзовый" и "железный" века, согласно тому, из какого материала были, преимущественно, изготовлены инструменты, используемые людьми того времени.

Принято считать, что поначалу, люди пользовались лишь каменными орудиями труда, потом, каким-то совершенно случайным и необъяснимым образом, они научились выплавлять медь и, как-то сразу, догадались соединить ее с оловом, получив бронзу. Так "каменный" век сменился веком "бронзовым", на том прогресс человечества замер на несколько тысячелетий и, по сути, особо ничего интересного не происходило, до тех пор, пока люди не научились обрабатывать железо, перейдя, таким образом, от "бронзового" века - к "железному".

Он-то и дал настоящий толчок развитию человечества! Потому что, как только человечество вступило в фазу "железного" века, оно сразу же стало более развитым, как общественно, так в области ремесел и сельского хозяйства, и именно повсеместное применение железных орудий заложило основу нашего современного мира.

И, при этом, никого, почему-то, совершенно не смущает тот факт, что не только цивилизации Древнего Египта, Месопотамии или Индии, достижениями которых мы не устаем восхищаться, но и сама Древняя Греция и даже великий и ужасный Рим, так же относятся именно к эпохе пресловутого "бронзового" века!

А, вот в раннем европейском средневековье, как раз, использовались, преимущественно, железные орудия труда! Выходит, что этот исторический период нам следует отнести к "более прогрессивному" "железному" веку. И это притом, что само раннее европейское средневековье являлось периодом, вошедшем в историю под не слишком привлекательным термином "темные века", по причине того, что после распада Римской империи, в которой эти территории являлись отдаленными окраинами, там практически остановилась вся культурная жизнь и хозяйственная деятельность, а общественные институты перестали существовать.

Выходит, что Рим, давший нам структуру государственного управления, судопроизводства, общественных институтов, урбанизацию, практически современный календарь, основы индустриализации и даже современные удобства в городских домах, по уровню развития мы должны считать более примитивным, чем полудикое общество европейских народов "темных веков", лишь только потому, что в Риме больше использовались бронзовые орудия, а в средневековой Европе - железные.

И так ли, на самом деле, важно: какой именно металл служил сырьем в производстве инструментов, когда мы говорим об истории вообще? И почему в развитых государствах древнего мира люди могли строить высокотехнологичные сооружения и сложнейшие ирригационные каналы, писать труды по астрономии, математике и, той же химии, что лежит в основе самого металлургического процесса, но так и не додумались до того, что железо - это тоже металл, причем хороший и полезный и не начали его использовать? А в средневековой Европе, где, не то о науках никто почти не знал, но даже и письменных источников, практически не было, взяли и легко эту задачу решили!

И вопросов тут куда больше, чем ответов. И, чтобы, наконец, докопаться до истины, нам нужно не исходить из традиционной градации исторических периодов на "металлические" эпохи, принимая объяснение правильности подобного разделения на веру, а постараться разобраться в самом главном: как именно развивался процесс металлообработки. И тогда мы сможем точно определить для себя: на сколько правомерны эти наши многочисленные вопросы.

Давайте же попробуем проследить весь путь человека и металлов, отмечая, какие именно металлы были известны в древнем мире, как они добывались и обрабатывались, что и каким образом из них изготовляли, а так же, в каких еще сферах человеческой жизни применялись металлы.



Часть 1. История металлургии, известная и не очень

На протяжении всей своей истории, человечество неразрывно связано с металлами. Металлы окружают нас повсюду и, наверное, нет такой сферы человеческой деятельности, в которой бы полностью отсутствовали металлы.

И так было всегда, но так ли хорошо мы знаем: когда именно началась история взаимоотношений человека и металла? В основном, понимание этих взаимоотношений у каждого из нас складывается на почве общеизвестных хрестоматийных догматов деления человеческой истории на "каменный", "бронзовый" и "железный" века, согласно тому, какими орудиями труда преимущественно пользовались люди, жившие в то время. Интересно: а почему наш сегодняшний мир никто не именует "алюминиевым веком", "веком пластмассы", "веком полупроводников" или "силиконовым веком"?

Интересный факт: всю историю человечества разделил в 1816 году на три этапа - "каменный", "бронзовый" и "железный" века, датский коммерсант и известный филантроп Христиан Юргенс Томсон (1788 - 1865), бывший практически полнейшим дилетантом в археологии, который на досуге изучал древнюю историю человечества, пользуясь сведениями об известных в то время находках. Только в конце XIX века французский химик Пьер Бертло предположил, что, возможно, некоторые изделия из меди изготовлены ранее самых старых бронзовых изделий, на основании чего некоторые археологи начали говорить о "медном" или "меднокаменном" веке на стыке каменного и бронзового веков.

Удивительно то, что крайне непрофессиональная "томасовская" градация исторических эпох существует по сей день, несмотря на то, что практически всем историкам (а уж тем более металловедам!) давно ясно, что, судя по всему, все основные рабочие металлы человечество осваивало параллельно.

Но вернемся к традиционно принятой градации. Так ли уж жестко располагаются границы этих исторических эпох, разделяющие их между собой? Оказывается, нет! И фактов, подтверждающих это, мягко говоря, условное деление, уже накоплено так много, что давно бы впору его отменить совсем, но делать этого никто не спешит. А почему? Да потому, что подобная градация является краеугольным камнем современной исторической парадигмы, рисующей медленное, четкое и очень линейное развитие общества от пещерного человека к современным достижениям нашей цивилизации.

А как же факты? О них попросту мало говорят или не говорят вовсе, но, как говорится, "шила в мешке не утаишь", а факты - вещь упрямая…

В своей книге "Тайны планеты", Ричард Маршалл приводит множество свидетельств наличия подобных фактов явного несоответствия традиционной общеисторической парадигмы тому, что реально имеет место быть:

"Время от времени глубоко в земле люди находят предметы, которые заставляют ученых всерьез задуматься об истории развития человечества и истории появления на нашей планете разумных существ…

…Доктор Вилбар Барроус, возглавляющий геологический факультет колледжа Бэри (штат Кентукки), оповестил в 1928 году общественность о факте обнаружения им человеческих следов в каменноугольном песчанике. Это были следы обуви - длиной 24 и шириной 15 сантиметров. Даже с помощью новейшей аппаратуры обнаружить фактов гравировки, вырезания или искусной штамповки внутри или вокруг следов не удалось Возраст горы, где находились отпечатки, геологи оценивают в 240 миллионов лет.

В 1927 году в каньоне Фишер (штат Невада) каменотес наткнулся на окаменевшую искусно сделанную, дважды прошитую кожаную подошву. Породе, где была обнаружена удивительная находка, - от 160 до 195 миллионов лет.

В 1851 году некий Хирам де Витт из Массачусетса, работая на прииске в Калифорнии, случайно уронил кусок породы, который при падении разбился на несколько частей. Внутри одного из них де Витт обнаружил два пятисантиметровых гвоздя.

Они были немного ржавые. Но изогнутые и имели безупречные шляпки, - рассказывал удивленный американец. При этом, судя по всему, гвоздям этим уже давно "стукнуло" более сотни тысяч лет…

…С 1786 по 1788 год вблизи небольшого городка Окс-эн-Прованс, что во Франции, начались большие разработки. Ведь именно отсюда в большом количестве во французскую столицу доставлялся известняк, шедший на перестройку знаменитого Дворца Правосудия.

В котловане, из которого добывали строительный материал, каменные пласты перемежались со слоями песка и глины. К тому моменту, когда рабочие добрались до одиннадцатого пласта, им пришлось вгрызться в землю на расстояние до 15-ти метров.

Начав как обычно очищать известняк от песка, они натолкнулись на куски каменных колонн и фрагменты наполовину сделанной опоры - внешне очень похожей на ту, которую французы сами использовали при выкапывании грунта. Землекопы стали осторожно двигаться дальше и, к своему удивлению, обнаружили старинные монеты неизвестной цивилизации, окаменелую рукоятку молотка и куски других окаменелых деревянных инструментов. Наконец они подобрались к большому деревянному верстаку Подобно остальным обнаруженным предметам, он также был окаменелым и раскололся от прикосновения на мелкие части. Когда осколки собрали, рабочие смогли убедиться, что внешне верстак сильно напоминает те, которыми пользовались они сами. Таким образом, предполагаемый склад античных столяров или каменщиков, содержащий орудия труда, которые использовались во Франции, в конце XVIII столетия оказался спрятанным на глубине 15 метров в известняке? Ведь возраст известняка превышал 150 миллионов лет!

…Половинка гвоздя, частично врезанного в каменную глыбу, была обнаружена в Шотландии в 1845 году во время разработки карьера. Эту находку до сих пор считают одной из самых удивительных в археологии Сэр Дэвид Бревстер, который делал доклад, заявил, что оставшаяся часть гвоздя - величиной 2,5 сантиметра - осталась замурованной в камне и защищена слоем гравия.

Другое аналогичное сообщение из Шотландии утверждает, что рабочий, участвовавший в разработке участка неподалеку от Ривер Твид, в 1844 году обнаружил кусок золотой нити, врезанный скалу на глубине 2,4 метра."

Можно по-разному относиться к данным, изложенным в книге Ричардом Маршаллом, но о подобных находках существуют и другие свидетельства и их уже собралось очень и очень много.

Исследуют подобные окаменелости преимущественно энтузиасты, среди которых встречается довольно много и профессионалов, занимающихся этим делом, что называется "для души", так как официально подтвердить свою причастность к подобной работе они не имеют возможности, из страха за свою карьеру и репутацию.

Согласно мнению многих этих энтузиастов, находки являются прямым доказательством посещения Земли пришельцами с других планет. В качестве подтверждения такой версии приводится событие, имевшее место в нашей стране.

Речь идет о статье журналиста Хартвига Хосдорфа под заголовком "Сенсационная находка в России", которая была опубликована в журнале "Античные небеса":

"В 1991-1993 годах золотоискатели на небольшой реке Нарада, в восточной части Уральских гор, наткнулись на необычные объекты, главным образом спиралевидной формы. Размер этих предметов колеблется от 3 сантиметров (максимальный) до 0,003 миллиметра. К настоящему моменту этих таинственных поделок найдено более тысячи штук, в различных районах Урала - на берегах рек Нарада, Кожим, Балбаная. Большинство из них располагалось на глубине от З до 12 метров.

Спиралеобразные объекты состояли из различных металлов крупного размера - из меди, а маленькие и очень маленькие - из вольфрама и молибдена (вольфрам - металл, используемый в сплавах стали, для защиты их от коррозии, в вооружении и в броне летательных аппаратов).

В настоящее время загадочные объекты изучаются в исследовательских институтах Москвы, Санкт-Петербурга и Сыктывкара, а также Хельсинки. После точного измерения микроскопических предметов стало ясно, что размеры спирали подчиняются соотношению так называемого золотого сечения.

Часть исследователей считают, что загадочные окаменелости подтверждают строки Книги Книг - Библии о том, что в незапамятные времена на нашей планете существовали разумные люди. Эти исследователи опираются на результаты экспедиции, которая обнаружила на одном из пластов в каньоне Палакси Ривер в Техасе отпечатки трехпалых лап динозавра и следы человека, пересекающие их. Более того, видно, что на один из человеческих следов впоследствии наступила лапа динозавра".

Но мы так немного увлеклись. И, хотя в приведенных выше примерах неоднократно упоминается об изделиях из металлов (и даже тугоплавких!), которые находят в окаменелостях, эти сведения были здесь приведены автором для того, чтобы лишний раз подчеркнуть, что все далеко не так однозначно, как представляет нам традиционная историческая парадигма. И, если хотя бы один из приведенных выше фактов на самом деле имеет место быть (а авторы в этом не сомневаются), то это уже повод для радикального пересмотра всей истории человечества!

Но, в рамках данного исследования, мы постараемся сосредоточить свое внимание исключительно на роли металлов в жизни человека, тем более что на этом примере очень легко проследить: на сколько традиционная точка зрения о поступательном развитии технологий от "каменного" века к "железному", с длительной промежуточной остановкой в веке "бронзовом" соответствует реальным историческим фактам.

Итак, начнем. Наше исследование посвящено истории металлургии, но что же это такое? Согласно определению, "металлургия - это добывание металла из его природных руд и вторичного сырья, с изменением их состава, свойств, структуры и придания им определенной формы".

Как мы уже говорили, с металлом человек познакомился много тысячелетий тому назад. По имеющимся сведениям, примерно за 92 века до н.э. народности, населявшие территорию Анатолии (азиатскую часть современной Турции), уже изготовляли изделия из меди, найденной как в самородном виде, так и вплавляемой из местных малахитовых пород.

Древнейшие золотые изделия относятся, по меньшей мере, к шестому тысячелетию до н.э., а изделия из метеоритного железа - примерно к третьему-четвертому тысячелетию до н.э.

Считающиеся сегодня наиболее древними отливки, обнаружены археологами на территории Анатолии, Месопотамии, Ирана, датируются V - IV тысячелетием до н.э., а спустя несколько веков, технологии литья была освоена народами, населявшими Кавказ, северную Африку, Европу.

Технология литья по выплавляемым моделям была известна еще в Древнем Шумере (ХХVI век до н. э), Древней Индии (ХХХ век до н. э), Древней Греции и Этрурии (VI век до н. э) Владели ею древние племена, населявшие экваториальную Африку (IV - ХII век н. э). Литье в кокиль скифы применяли около двух с половиной тысячелетий тому назад. Греческие литые бронзовые украшения по сей день считаются образцами совершенства и подражания.

Однако с исчезновением культур угасало искусство литья. Кроме того, в древнем мире ремесленники старались держать в секрете особенности освоенной технологии, она передавалась, как правило, по наследству. И нередко последний в династии уносил с собой в могилу секреты ремесла.

Характерным примером служит булатная сталь. Древнеиндийские мастера выплавляли ее еще за 13 веков до н.э., но потом секрет был утрачен. Позднее булатные клинки изготавливали в Персии, Сирии, Египте, а в середине века - в Дамаске, но вновь с течением времени технология была утеряна. И только в середине прошлого века русский металлург П.П. Аносов раскрыл этот секрет, что позволило воспроизводить уникальные изделия из булатной стали. Но об этом чуть позже.

Согласно общепринятому положению (некоей общей "договоренности" традиционных историков между собой), считается, что металлургия железа возникла примерно полторы тысячи лет назад, хотя даже они, пусть и с большой неохотой, но, все же, отмечают, что железо известно человеку около семи тысяч лет, с нового каменного века.

А ведущие специалисты, в области металловедения прямо говорят о том, что пока точно никому неизвестно, когда и где возникла металлургия железа. Да и только ли железа?

Принято считать, что сначала, почему-то, люди научились выплавлять чистую медь (!), а уж только потом додумались, что это - не вполне функционально и экономично и "изобрели" бронзу, что, по мнению историков, напрямую свидетельствует о поступательном пути прогресса человечества.

Но давайте зададимся простым вопросом: что легче получить - чистый металл или металл, загрязненный различными примесями? Если мы берем, к примеру, металлический лом, который уже состоит из остатков неких изделий, металл которых изначально не содержал в себе никаких примесей, то наша задача, по сути, сводится лишь к тому, чтобы постараться произвести переплавку его таким образом, чтобы особо не ухудшить качество металла.

Но! Когда мы говорим о древней металлургии, мы, прежде всего, имеем в виду получение металлов из руды, то есть - из породы, а, как известно, в породах, как раз, металл практически никогда не встречается в чистом виде! Исключения, конечно же, есть, но они весьма специфичны и реки, да и поговорим мы о них чуть позже.

И проблема тут не только в том, что в месторождениях металлы содержатся, преимущественно, в виде окислов, с большим содержанием примесей других соединений, но и так же и в том, что большая часть месторождений металлов являются полиметаллическими, что означает присутствие в руде сразу нескольких видов металлов.

У нас на Урале, к примеру, много самых различных руд, в том числе и полиметаллических, и совершенно не удивительно, что там, вначале, научились выплавлять то, что проще получить - мышьяковую бронзу. И только потом и значительно позже, научились разделять бронзу на медь и другие легирующие металлы.

Если инки располагали крупнейшими медными месторождениями, то они, естественно, сразу начали выплавлять медь, качество которой, то есть - состав самих сплавов в различных медных изделиях инкской культуры, так же резко отличается, в зависимости от того, какое именно сырье использовал в своей работе древний мастер. То же самое можно сказать и о металлургии золота, серебра, свинца, олова и других металлов древности.

Б.А. Шевченко, в своей книге "Как возникла металлургия железа" подробно рассматривает этот вопрос:

"Примерно 40-33 тысяч лет назад древние мастера в районе Курской магнитной аномалии (КМА) открыли способ получения корольков (5-10 грамм) чистого железа. Это была, даже по сегодняшним меркам, передовая технология прямого восстановления железа.

На территории КМА наши предки в 8-3 тысячелетии до н.э. изобрели и использовали домницу (или сыродутный горн ютановского типа), позволяющую получать железо из руды в почти "промышленных" масштабах - до 10-15 кг за одну плавку…

... необходимо учесть две аксиомы археологов, с которыми практически никто из них не спорит:

1. Новые технологии появляются там, где много необходимого для этих технологий сырья.

2. Новые технологии являются "побочным продуктом" более древних технологий.

…Основные залежи железа КМА находятся на глубине 60 метров и более, но было известно несколько выходов сильно окисленной руды на поверхность. Кроме того, на склонах оврагов, а в некоторых местах и на поверхности почвы довольно часто встречаются железосодержащие минералы, в частности конкреции лимонита, марказита и, значительно реже, конкреции пирита. То есть железосодержащего сырья у наших предков было более чем достаточно.

…Более древняя технология - это получение минеральной краски - гематит (охра, кровавик) - в Костенках она в большом количестве применялась в ритуале захоронения некоторых (?) соплеменников. Археологами раскопаны богатые могилы, дно которых и кости скелета были обильно посыпаны охрой. Чем выделялись эти люди от остальных соплеменников? Возможно, это были вожди племени или шаманы, или …?

Вопрос - новая гипотеза (рожденная при подготовке этого варианта статьи) - не от нас ли пришел метод изготовления мумий из тел фараонов в Древнем Египте (4-3 тысячелетие до н. э), когда труп фараона обертывался кусками материала, обильно пропитанного охрой, а между слоями материала укладывались в строго определенном порядке пластинки гематита?

Заметим, что в небольших количествах эта минеральная краска также использовалась гончарами для росписи сосудов перед обжигом, а также древними художниками для росписи стен пещер.

Краску получали путем прокаливания в кострах железосодержащих конкреций, на что указывают находки археологами в остатках древних кострищ обожженных конкреций лимонита, причем, внутри двух из них археологи обнаружили небольшие корольки чистого железа. Заметим, что марказит и пирит при длительном нагреве становятся лимонитом и далее - охрой.

Корольки железа в обожженных конкрециях появлялись не всегда, а только в некоторых случаях. Для древних ремесленников это было великое чудо, которое скорее подтверждало святость или величие того человека, которого необходимо было захоронить. Они, пожалуй, в те далекие времена и не догадывались, что создают новую технологию - металлургию железа и закладывают основы того самого "железного века", который появится через много тысяч лет и в котором живем и мы, их далекие потомки - люди начала XXI века.

На территории КМА нет месторождений меди и других цветных металлов. Находки меди и бронзы единичны и найденные изделия и слитки изготовлены только из привозного металла (Урал, Кавказ, Карпаты). Создается впечатление, что древние жители этого региона из каменного века шагнули сразу же в железный век. Вернее железный век у них начался еще тогда, когда повсеместно царствовал век камня.

Уточним, что минеральные красная и коричневая краски, полученные из руд железа, использовались людьми для художественных нужд еще 15-20 тысяч лет назад. В это время были написаны все известные фрески каменного века: бизоны Альтамирской пещеры (Испания), олени пещеры Фон-де-Гом (Франция), мамонты Капской пещеры (Россия, Сибирь), антилопы, быки и охотники пещеры Тассили (Алжир).

Теперь - второе утверждение. В окрестностях села Ютановка историком А.Г. Николаенко найдено более 30 домниц, предположительно конца каменного - начала бронзового века. Даже при однократном использовании этих домниц, можно было получить около 400 кг железа. Оценки историка показывают, что, с учетом числа домниц, площадок для дробления железной руды и складских помещений, этот "металлургический комбинат" конца каменного века ежегодно мог производить более 430 тонн железа.

По данным 35-летних исследований группы краеведов "Алан" (А.Г. Николаенко) в IV-X веках нашей эры основным занятием жителей оскольской долины была черная металлургия. Причем древние металлурги использовали передовую технологию прямого восстановления железа. В окрестностях нынешнего Старого Оскола найдено более двух десятков мест, где осуществлялось древнее металлургическое производство. Интересно, что одно из таких мест было обнаружено и на территории нынешнего Оскольского электрометаллургического комбината при его строительстве.

Кроме того, учтем, что археологи, при раскопках Чатал-Хююке в Малой Азии, нашли несколько небольших криц железа, которые отнесли к 6 тысячелетию до н.э.

…В окрестностях Старого Оскола в могильниках бронзового века (3-2 тыс. лет до н. э) археологи нашли первые изделия из железа, так называемые "прошивки" - примитивные швейные иглы. А из королька железа массой несколько грамм, пожалуй, только иглу и можно было выковать.

Гончары Старого Оскола в древности также расписывали глиняную посуду минеральной краской, которую получали путём обжига конкреций лимонита. При нашей разборке остатков древнего гончарного горна (XVII - XVIII века) на Казацкой слободе Старого Оскола была найдена в его топке обожжённая конкреция лимонита. Технология получения минеральной краски для раскраски гончарных изделий путем обжига железосодержащих конкреций существовала в нашей местности вплоть до конца ХVIII века.

Планировали заняться "практической археологией", то есть воспроизвести в современных условиях древнюю технологию получения минеральной краски. Думали собрать 10-15 кг различных железосодержащих конкреций, загрузить их в топку, напоминающую гончарный горн, долго (4-6 часов) прокаливать их на небольшом огне, а затем попытаться за счет концентрации естественного дутья ветра максимально поднять температуру в топке. До загрузки и после остывания все конкреции проверить металлодетектором на наличие чистого железа. Основная цель таких экспериментов - попытаться получить хотя бы несколько корольков чистого восстановленного железа. Окрестности Старого Оскола находятся на водоразделе Днепра и Дона (260-280 м выше уровня моря). Здесь часто дуют сильные ветры постоянного направления, и этим можно будет воспользоваться при проведении эксперимента.

Рассказал об этой идее доценту МИСиС Малышевой Т.Я., а она говорит, что не стоит делать того, что уже давно сделано. Открывает учебник по металлургии железа на странице с диаграммой "железо-кислород" и говорит, что в предельно упрощенном виде лимонит (Fe2O3 * n H2O, он же гетит, гидрогетит, бурый железняк) при длительном прокаливании при температуре до +2000?C теряет кристаллическую воду и превращается в гематит (Fe2O3), который и является минеральной краской. При дальнейшем прокаливании гематит превращается в магнетит (Fe3O4), который в свою очередь, может либо сразу восстановиться до чистого железа, либо, пройдя через стадию (FeO). Для восстановления железа температуры восстановительного пламени простого костра (600-700?С) будет недостаточно, в гончарном горне (800-1000?С) есть небольшая вероятность получения чистого железа, но если процесс будет идти в топке с дутьем, то можно обеспечить температуру до 1100?-1300?С, необходимую для восстановления железа.

В местной газете нашел ряд интересных фактов. Средневековое арабское историко-географическое описание "Худуд-ал-Алем" свидетельствует, что в долине реки Рось (древнее название р. Оскол) находился город Арта (Арт), где "убивают всех иностранцев, когда они попадают туда. Там производятся клинки для мечей и мечи, которые можно перегнуть надвое, но если отпустить, то они возвращаются в прежнее состояние". Местонахождение этого города археологами до сих пор точно не установлено, но с военной точки зрения, как мне кажется, более удобного места, чем место расположения нынешнего города Старого Оскола найти трудно.

Если обобщить все вышеперечисленные факты, то можно с большой уверенностью утверждать, что: район КМА - это одно из первых мест на Земле, где зародилась металлургия железа…

…Из статьи А.Г. Николаенко в местной печати узнал, что он в 1995 году образец металла из домницы ютановского типа передал для исследования в лабораториях Оскольского электрометаллургического комбината. Анализы показали, что кроме железа в этом образце присутствовали: марганец, никель, хром, молибден, титан, цинк и другие присадки. Специалисты ОЭМК сделали вывод, что более полутора тысяч лет назад оскольские ремесленники владели секретом выплавки легированной стали, то есть "булата", как говорили в древности. Затем его секрет был надолго утерян. Почему в выводах специалистов звучит срок полторы тысячи лет?

Потому что, видимо, им так сказали в свое время профессора в МИСиС. Заряд психологической инерции, полученный в процессе обучения, является наиболее мощным, и бороться с ним тяжело.

В заключении специалистов ОЭМК есть фраза, которая у меня вызывает большие сомнения - "владели секретом выплавки легированной стали". Можно подумать, что наши ремесленники заказывали в Германии никелевый блеск, предупреждая, что в нем не должны быть примеси кобальта, а с острова Эльба (Италия) им привозили цинкродохрозит и так далее, для того, чтобы легировать полученное на месте железо и выплавить легированную сталь? Я думаю, что все было значительно проще (еще одна гипотеза). Наши предки выплавляли металл из того, что можно было легко найти "под ногами". И этот металл - уж такое было сырье - оказывается, был легированной сталью, о чем эти мастера даже и не догадывались. И эту гипотезу просто проверить - необходимо исследовать кусочки металла из различных ютановских домниц. Если везде будет лигированная сталь примерно одного состава, то прав я, если нет, то правы сотрудники ОЭМК и наши предки действительно владели способом легирования сталей. Но тогда появится много новых вопросов, которые потребуют более или менее правдоподобных объяснений".

Интересная деталь: в Центральной Африке зарождение металлургии имело свои особенности. В джунглях и саваннах экваториальной Африки почти нет залежей меди, поэтому местные народы, в своем историческом развитии, попросту пропустили такой "важнейший", с точки зрения историков этап развития общества и становления цивилизации, как "бронзовый век". Век металла тут начинался с железа.

При археологических раскопках в Центральной Африке были обнаружены плавильные печи и шлак. Это дало основание предположить, что примитивная выплавка железа здесь велась уже, как минимум, в самом начале II тысячелетия до н.э., но разве то, что центральноафриканские народы напрямую шагнули из "каменного" века в "железный" сделало представителей их более цивилизованными и индустриально развитыми, чем, к примеру, народы средиземноморья, так долго задержавшиеся в "бронзовом" веке?

Б.А. Шевченко, в своей книге "Как возникла металлургия железа", касаясь роли метеоритного железа в истории, пишет: "Есть достоверные свидетельства использования метеоритного железа. Полярная экспедиция Росса в 1818 году нашла большой железный метеорит на берегу бухты Мельвиль, от которого эскимосы с большим трудом отделяли небольшие куски железа и делали из них ножи и наконечники гарпунов".

Что лишний раз свидетельствует нам, по меньшей мере, о четырех вещах.

1. Не только в Центральной Африке, но и в районах крайнего севера, при полном отсутствии медных месторождений, люди с большим успехом и преспокойно миновали в своем развитии период, именуемый традиционными историками "бронзовым веком", перейдя сразу же в век "железный".

2. Ни в одном, ни в другом случае, этот "качественный", по мнению историков скачек в "технологиях обработки металлов" не повлек за собой ни экономического, ни культурного роста и даже не создал соответствующую социальную базу для развития самих народов, способную привести к образованию их государственности.

3. Технологические предпочтения в обработке металлов никак не связаны с развитием сельского хозяйства и, в частности, с земледелием, что является краеугольным камнем теории деления исторического периода на "каменный", "бронзовый" и "железный" века. Так как, народы Центральной Африки заняты, преимущественно, скотоводством, а эскимосы вообще сельским хозяйством никогда не занимались; их традиционные промыслы - охота и рыболовство.

4. Даже такие не слишком технологически развитые народы могли с успехом заниматься металлообработкой, причем, используя для этого, зачастую, железо-никелевое сырье (метеоритное железо у эскимосов), требующее довольно сложных условий производства и высокой температуры плавления. Заметим, что в распоряжении эскимосов, при всем этом, даже не было достаточного количества горючих материалов!

Далее Б.А. Шевченко продолжает: "В конце XIX века одна из экспедиций Роберта Пири на север Гренландии нашла огромный железный метеорит (весом около 34 т) вблизи мыса Йорк. Из этого железа эскимосы много лет изготавливали ножи и орудия труда. Этот метеорит сейчас хранится в Нью-Йоркском Музее естественной истории.

Обратим внимание на то, что оба этих случая относятся к тому времени, когда даже эскимосы знали, что такое железо, умели его отделять от монолита и обрабатывать при помощи ковки. Так что говорить о массовом производстве железных изделий из метеоритов задолго до появления металлургии железа не приходится.

В заключении хотелось бы отметить, что в настоящее время публикуется много материалов, заставляющих в корне переосмыслить историю цивилизации.

В вечной мерзлоте Енисея найдены керамические фигурки гипертрофированных женщин (археологи их называют "венеры"), возраст которых около 60 тысяч лет. А в Костенках найдены похожие фигурки, вырезанные из бивня мамонта, но они значительно моложе.

На реке Яна на севере Якутии найдены наконечники для копий из бивней мамонта и из рога шерстистого носорога. Этим находкам более 30 тысяч лет. Ранее считалось, что в Арктике человек появился 14 тысяч лет назад.

На правом берегу Лены в 140 км от Якутска найдены каменные орудия труда, возраст которых не менее 2,5 миллионов лет, что значительно старше (или "моложе") любой африканской стоянки.

Находки американца А. Маршак говорят о том, что уже более 30 тысяч лет назад был известен довольно точный лунный календарь. А россиянин Б. Фролов оценивает возраст найденных им на Байкале лунных календарей в 100 - 40 тысяч лет.

Многие считают родиной металлургии железа Хеттское государство, загадочно появившееся в Малой Азии примерно в III тысячелетии до нашей эры. Конец II, начало III тысячелетия до н.э. было временем "великого переселения народов".Ч. Айтматов описывал переселение киргизов на юг и запад с Енисея на Северный Тянь-Шань. Если формально такой же крючок нанести на карту по направлению к хеттскому государству, то его начало будет где-то примерно в районе КМА. Нужно анализировать и сравнивать из этих мест другие сохранившиеся предметы материальной культуры - керамику, орудия труда. А это - пока наметка еще одной гипотезы, возможно раскрывающей еще одну тайну древности".

Часть 2. Черная металлургия

Так уж исторически сложилось, что наиболее значительную роль в истории человечества сыграло железо, которое и по сей день является основой нашего технического потенциала и экономического процветания. Поэтому с исследования его истории мы и начнем.

"Черной металлургией" называется процесс производства изделий из железа, в виду применения в нем большого количества угля, обеспечивающего насыщение сплавов углеродом, для придания конечным изделиям большей прочности и антикоррозийности.

Общие сведения

Железо - химический элемент с атомным номером 26 в периодической системе, обозначается символом Fe (лат. Ferrum), один из самых распространенных в земной коре металлов.

Железо - типичный металл, в свободном состоянии - серебристо-белого цвета с сероватым оттенком, ковкий, с высокой химической реакционной способностью, быстро коррозирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

Чистый металл пластичен, различные примеси, в частности, углерод, повышают его твердость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую "триаду железа" - труппу трех металлов (железо Fe, кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.

Температура плавления: +1539?С.

Для железа характерен полиморфизм, он имеет четыре кристаллические модификации: до +769°C существует б-Fe (феррит) с объемноцентрированной кубической решеткой в температурном интервале 769 - 917°C существует в-Fe, который отличается от б-Fe только параметрами кристаллической решетки и магнитными свойствами в температурном интервале 917 - 1394°C существует г-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решеткой выше +1394°C устойчив д-Fe с объемоцентрированной кубической решеткой

По кристаллохимическим свойствам ион Fe2+ близок к ионам Mg2+ и Са2+ - другим главным элементам, составляющим значительную часть всех земных пород. В силу кристаллохимического сходства железо замещает магний и, частично, кальций во многих силикатах. При этом содержание железа в минералах переменного состава обычно увеличивается с уменьшением температуры.

Важнейшая геохимическая особенность железа - наличие у него нескольких степеней окисления. Железо в нейтральной форме - металлическое - слагает ядро земли, возможно, присутствует в мантии и очень редко встречается в земной коре. Закисное железо FeO - основная форма нахождения железа в мантии и земной коре. Окисное железо Fe2O3 характерно для самых верхних, наиболее окисленных, частей земной коры, в частности, осадочных пород.

В земной коре железо распространено достаточно широко - на его долю приходится около 4,1% массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало - в кислых и средних породах.

Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70% Fe), магнитный железняк (магнетит, FeFe2O4, Fe3О4; содержит 72,4% Fe), бурый железняк или лимонит (гетит и гидрогетит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH2O), а также шпатовый железняк (сидерит, карбонат железа (II), FeCO3; содержит около 48% Fe). Гетит и гидрогетит чаще всего встречаются в корах выветривания, образуя так называемые "железные шляпы", мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озерах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые, или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe (3PO4) 2·8H2O, образующий черные удлиненные кристаллы и радиально-лучистые агрегаты.

В природе также широко распространены сульфиды железа - пирит FeS2 (серный или железный колчедан) и пирротин. Они не являются железной рудой - пирит используют для получения серной кислоты, а пирротин часто содержит никель и кобальт.

Содержание железа в морской воде - 1·10-5 - 1·10-8% железа.

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe2O3) и магнетита (Fe3O4).

Основные степени окисления железа: +2 и +3.

При хранении на воздухе при температуре до +200°C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближенно ее химическую формулу можно записать как Fe2О3·хН2О.

С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe2О3, при сгорании в чистом кислороде - оксид Fe3О4. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeO. При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближенную формулу которого можно записать как FeS.

Железо при нагревании реагирует с галогенами. Так как FeF3 нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200 - 300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeCl3. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr3. При нагревании FeCl3 и, особенно, FeBr3 отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода образуется иодид Fe3I8.

При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe3N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe2P и Fe3P, с углеродом, образуя карбид Fe3C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi.

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с оксидом углерода (II) СО, причем образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe (CO) 5. Известны также карбонилы железа составов Fe2 (CO) 9 и Fe3 (CO) 12. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава (з5-С5Н5) 2Fe.

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность. С соляной и разбавленной (приблизительно 20% -й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа (II):

Fe + 2HCl > FeCl2 + H2^;

Fe + H2SO4 > FeSO4 + H2^.

При взаимодействии железа с приблизительно 70% -й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):

2Fe + 4H2SO4 > Fe2 (SO4) 3 + SO2^ + 4H2O.

Оксид железа (II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe (ОН) 2. Оксид железа (III) Fe2O3 слабо амфотерен, ему отвечает еще более слабое, чем Fe (ОН) 2, основание Fe (ОН) 3, которое реагирует с кислотами:

2Fe (ОН) 3 + 3H2SO4 > Fe2 (SO4) 3 + 6H2O.

Гидроксид железа (III) Fe (ОН) 3 проявляет слабо амфотерные свойства, он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Fe (ОН) 3 + 3КОН > К3 [Fe (ОН) 6].

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа (III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причем в осадок выпадает Fe (OH) 3.

Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe + 2FeCl3 > 3FeCl2.

При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):

4FeCl2 + O2 + 2H2O > 4Fe (OH) Cl2.

Из солей железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора - двойной сульфат аммония и железа (II) (NH4) 2Fe (SO4) 2·6Н2О.

Железо (III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe (SO4) 2 - железокалиевые квасцы, (NH4) Fe (SO4) 2 - железоаммонийные квасцы и т.д.

При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) - ферраты, например, феррат (VI) калия K2FeO4. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа (VIII).

Для обнаружения в растворе соединений железа (III) используют качественную реакцию ионов Fe3+ с тиоцианат-ионами SCN-. При взаимодействии ионов Fe3+ с анионами SCN - образуется ярко-красный роданид железа Fe (SCN) 3. Другим реактивом на ионы Fe3+ служит гексацианоферрат (II) калия K4 [Fe (CN) 6] (желтой кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe3+ и [Fe (CN) 6] 4 - выпадает ярко-синий осадок берлинской лазури:

4K4 [Fe (CN) 6] + 4Fe3+ > 4KFeIII [FeII (CN) 6] v + 12K+.

Реактивом на ионы Fe2+ в растворе может служить гексацианоферрат (III) калия K3 [Fe (CN) 6] (красная кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe2+ и [Fe (CN) 6] 3 - выпадает осадок турнбулевой сини:

3K3 [Fe (CN) 6] + 3Fe2+ > 2KFeII [FeIII (CN) 6] v + 6K+.

Интересно, что берлинская лазурь и турнбулева синь - две формы одного и того же вещества, так как в растворе устанавливается равновесие:

KFeIII [FeII (CN) 6] - KFeII [FeIII (CN) 6].

Производство

Железо - один из самых используемых металлов, на него приходится до 95% мирового металлургического производства и основным компонентом сталей и чугунов - важнейших конструкционных материалов. Оно может входить в состав сплавов на основе других металлов - например, никелевых.

Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространенным является доменный процесс.

Первый этап производства - восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000°C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха. В печи углерод кокса окисляется до монооксида углерода (угарного газа) кислородом воздуха:

2C + O2 > 2CO^.

В свою очередь, угарный газ восстанавливает железо из руды:

3CO + Fe2O3 > 2Fe + 3CO2^.

Флюс добавляется для извлечения нежелательных примесей из руды, в первую очередь силикатов, таких, как кварц (диоксид кремния). Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Против других примесей используют другие флюсы. Действие флюса: карбонат кальция под действием тепла разлагается до оксида кальция (негашеная известь):

CaCO3 > CaO + CO2^.

Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак:

CaO + SiO2 > CaSiO3.

Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более легкий, чем железо, шлак плавает на поверхности и его можно сливать отдельно от металла. Шлак затем употребляется в строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.

В современном производстве излишний углерод и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используют и для выплавки легированных сталей.

Кроме доменного процесса, распространен процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельченную руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, содержащими водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями, как сера и фосфор - обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твердом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.

Химически чистое железо получается только электролизом растворов его солей.

Фазы железоуглеродистых сплавов

Феррит (твердый раствор внедрения C в б-железе с объемно-центрированной кубической решеткой).

Аустенит (твердый раствор внедрения C в г-железе с гранецентрированной кубической решеткой).

Цементит (карбид железа; Fe3C метастабильная высокоуглеродистая фаза).

Графит стабильная высокоуглеродистая фаза.

Структуры железоуглеродистых сплавов

Ледебурит (эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит).

Мартенсит (сильно пересыщенный твердый раствор углерода в б-железе с объемно-центрированной терагональной решеткой).

Перлит (эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита)

Сорбит (дисперсный перлит)

Троостит (высокодисперсный перлит)

Бейнит (устар: игольчатый троостит) - ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа.

Сталь.

Сталь (польск. stal, от нем. Stahl) - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержание углерода в котором не превышает 2,14%, но не меньше 0,02%. Углерод придает сплавам железа прочность и твердость, снижая пластичность и вязкость.

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино - и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении - для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении - релаксационной стойкостью.

Конструкционная сталь (до 0,8% C)

Инструментальная сталь (до ~2% C)

Нержавеющая сталь (легированная хромом)

Жаростойкая сталь

Жаропрочная сталь

Высокопрочная сталь

Чугуны.

Малая прочность и хрупкость обычного чугуна объясняются тем, что в нем образуются крупные включения углерода в виде графита. Все попытки размельчить эти включения и равномерно распределить по всему металлу ни к чему не приводили, пока не догадались добавить в чугун немного ферросилиция - сплава железа с кремнием; тогда сразу началось энергичное измельчение графита. Чугун по своей прочности приблизился к низким сортам углеродистой стали. Но при этом у него оставалась все та же хрупкость.

Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит).

Серый чугун (графит в форме пластин).

Ковкий чугун (графит в хлопьях).

Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов).

Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит).

При переделе чугуна в сталь, выплавленного в доменной печи, из него окислением удаляют почти весь углерод и весь кремний. Могут добавляться в качестве легирующих элементов марганец, никель или хром. В настоящее время основным способом переработки чугуна, выплавляемого в доменной печи, стал кислородно-конвертерный процесс, хотя кое-где еще применяется мартеновский процесс. Важной особенностью производства стали является относительная легкость ее повторного использования.

Металлолом, содержащий олово или медь, нежелателен в производстве стали, поскольку эти трудноудаляемые металлы ухудшают механические свойства стали.

Легирующие элементы обычно добавляют в сталь в виде ферросплавов. Ферросплавы содержат значительные количества железа, которое служит носителем легирующих элементов. К наиболее важным ферросплавам относятся ферромарганец (такой, как шпигель, или зеркальный чугун), необходимый для всех сталей; ферросилиций, применяемый для получения сталей со специальными магнитными свойствами и для раскисления сталей, выплавляемых в электропечах; феррохром и феррованадий. Никель добавляется в виде беспримесного металла.

...