Чтение онлайн

Начиная с 1956 года в Свентокшиских горах проводят эксперименты, которые реконструируют производственный процесс: добычу руды на кострах (для удаления влаги, обогащения и частичного сжигания вредных примесей, например серы); получение древесного угля углежжением в штабелях; строительство печи и сушку ее стен; разжигание печи и непосредственную плавку; разработку ствола шахты и выемку железной кубки; проковку железной кубки.

В 1960 году на одной из самых известных стоянок (Нова Сбупя) был открыт Музей древней металлургии, неподалеку от которого ежегодно, начиная с 1967 года, в сентябре демонстрируется для широкой публики технология доисторической металлургии. Такая демонстрация начинается с доставки руды из шахты в металлургический комплекс, в котором на разных уровнях размещены железоплавильные печи. Здесь руда размельчается молотами и сушится. Сушка и обогащение руды происходят в обжиговых сооружениях. Такое устройство имеет форму штабеля, образуемого слоями дров, переложенными рудой. Штабель поджигается одновременно со всех сторон. После сгорания высушенную, обожженную и обогащенную руду складывают в кучу, откуда ее берут для загрузки. В окрестностях комплекса находится также рабочее место угольщиков, где показывается производство древесного угля — закладка и возведение штабеля, выжигание, разборка штабеля, транспортировка угля на открытый склад, измельчение и, наконец, использование в печи. Затем следует разогрев печи, монтаж и закладка мехов. Персонал комплекса составляют десять работников — шахтеров, металлургов, угольщиков и подсобных рабочих, которые ведут плавку и одновременно готовят к эксперименту вторую печь. Плавка продолжается выемкой железной губки из пода, причем предварительно шахту не обходимо разбить.

В 1960 году польские и чешские специалисты объединили свои усилия и стали совместно проводить металлургические эксперименты. Они построили две восстановительные печи по образцам римской эпохи. Одна была аналогом типа печи из Свентокшиских гор, вторая соответствовала археологической находке в Лоденицах (Чехия). Для плавки были использованы гематитовая руда и буковый уголь в пропорции один к полутора и один к одному и слабое воздушное дутье. Систематически контролировали и измеряли приток воздуха, температуру и восстановительные газы. Во время эксперимента на аналоге польской печи, которая имела углубленный под и разные шахтные надстройки — высотой в 13, 27 и 43 см, ученые обнаружили, что плавильный процесс сосредоточился у горловин обеих противоположных фурм, где образовались подвижный шлак и губчатое железо (от 13 до 23 процентнов железа и лишь около одного процета металлического железа в каплях в составе нижнего шлака). Температура вблизи фурм достигала 1220–1240 °C.

Подобным же образом процесс протекал и во время опытов в лоденицкой печи; лиш9ь вид шлаковых и железных образований был иной. Температура вблизи фурмы составляла 1360 °C. И в этой реплике была получена железная крица со следами науглероживания. Железная кубка образовывалась всегда у горловин фурм, в то время как более легкий шлак протекал сквозь ее поры в под на слой древесного угля. Эффективность в обоих случаях не превышала 17–20 процентов.

Дальнейшие опыты были нацелены на выяснение уровня славянского металлургического производства VIII столетия, остатки которого сохранились в комплексах, открытых в Желеховицах у Уничова в Моравии. Речь шла прежде всего о том, чтобы определить, можно ли было в таких печах изготавливать сталь. Что касается выхода железа и эффективности печи, то это представляло второстепенный интерес, ибо проводившиеся в ходе эксперимента многочисленные измерения неблагоприятно влияли на процесс плавки.

Печи желеховицкого типа — замечательные устройства остроумной конструкции. Их форма позволяла проводить качественное наполнение завалкой. Опыты показали, что металлурги при плавке могли изготовлять древесный уголь сами. Топливо нужно было закладывать в печь малыми порциями, в противном случае появлялась опасность заблокировать узкое шахтное отверстие вплотную над подом печи. Бесспорным преимуществом обладали легкоплавкие железные руды, но печи желеховицкого типа были в состоянии восстанавливать и гематиты, и магнетиты. Предварительный обжиг руды не представлял сложности и был, по всей вероятности, в любом случае выгодным. Сантиметровый размер кусков руды был оптимальным.

Завалка образовывала плавящийся конус в поду печи, и засыпавшийся следом материал потом автоматически транспортировался к полости за фурмой, где образовывался эпицентр жала в котором продукт предохранялся от реоксидирования нагнетаемым воздухом.

Важным параметром является объем нагнетаемого в печь воздуха. Если дутье недостаточно, температура слишком низкая. Больший объем воздуха ведет к значительной потере железа, переходящего в шлак. Оптимальный объем вдуваемого воздуха, составлял для желеховицкой печи 250–280 л в минуту.

Далее экспериментаторы обнаружили, что при определенных условиях можно даже в примитивных отдельных печах получить высокоуглеродистую сталь и, следовательно, нет нужды в последующем науглероживании. Во время опытов на желеховицком комплексе археологи отметили тот факт, что все печи снабжены за фурмой раковиной. Это пространство они гипотетически приняли за камеру для нагревания и науглероживания крицы, которая там накапливалась сразу после плавки. Высказанную гипотезу они проверили в реплике желеховицкой печи. После шестичасовой плавки гематитовой руды с угля крицу нагрели в восстановительной среде в задней полости печи. Температура в камере составила 1300 °C. Продукт извлекли из печи при красно-белом калении. Шлак протекал через поры губчатой железной массы. Продукт содержал наряду с чистым железом железо науглероженное.

Во время новгородской археологической экспедиции в 1961 и 1962 годах были проведены экспериментальные плавки железа в реплике древнерусской надземной шахтовой печи X–XIII веков, хорошо известной как по археологическим, так и по этнографическим источникам. Учитывая то обстоятельство, что просушка печи из глины — а именно из нее были сделаны оригиналы — затянулась бы на несколько недель, экспериментаторы использовали при ее изготовлении сырье глиняные блоки. Зазоры между ними заполнили смазкой из глины и песка. Внутренность печей обмазали приблизительно сантиметровым слоем глины с песком. Печь имела цилиндрическую форму диаметром 105 см и высотой 80 см. Шестидесятисантиметровая домница была размещена в центре, цилиндра. Диаметр верхнего отверстия составлял 20 см, пода — 30 см. В нижней части печи экспериментаторы сделали отверстие размером 25х20 см, которое служило для нагнетания воздуха и выпуска шлака. Контроль за режимом внутри печи проводился через два диоптера в стенке, через которые были введены части измерительной аппаратуры. Дутье проводили новейшим способом — электромотором, мощность которого привели в соответствие с параметрами, достигавшимися кузнечными мехами. Двадцатисантиметровая фурма была опять репликой старого типа, изготовленной из смеси глины и песка. Пе6чь сохла три дня при нормальных погодных условиях.

Для плавок использовали по большей части болотную руду с весьма высоким содержанием железа (около 77 процентов), а в двух случаях и гипергенную руду, которую дробили до величины грецкого ореха. Перед завалкой руду высушили, а часть даже около получаса обжигали на огне. Плавка началась с разогрева печи сухими сосновыми поленьями с естественной тягой в течение двух часов. Потом домницу вычистили и под покрыли тонким слоем угольной пыли и колотого угля. Затем последовала установка фурмы и обмазка всех щелей глиной. Дутье начали, когда шахта была полностью заполнена через дымовое отверстие древесным углем. Спустя пять — десять минут сосновый уголь разгорелся, и через полчаса треть его сгорела. Пустое пространство, образовавшееся в верхней части шахты, было заполнено шихтой, состоявшей из угля и руды. Когда шихта осела, в образовавшуюся пустоту добавили еще порцию. Всего было проведено семнадцать опытных плавок.

Из завалки, состоявшей из 7 кг руды и 6 кг древесного угля, получили 1,4 кг губчатого железа (20 процентов) и 2,55 кг шлака (36,5 процентов). Масса древесного угля ни в одной из плавок не превышала массы руды. Плавки, проведенные при повышенных температурах, давали меньший объем железа. Дело в том, что при более высоких температурах в шлак переходило большее количество железа. Серьезное влияние на качество и эффективность плавки оказывала помимо температурного режима точность выбора оптимального момента для выпуска шлака. При слишком раннем либо, наоборот, слишком позднем выпуске шлак поглощал окислы железа, и это вело к меньшему объему выхода продукции. При высоком содержании окислов железа шлак становился вязким и поэтому хуже вытекал и отделался от губчатого железа.

Значение новгородских экспериментов особенно велико потому, что во время некоторых из них удалось выпустить шлак. Плавка длилась от 90 до 120 минут. В этом типе печи можно было за один цикл обработать до 25 кг руды и получить более 5 кг железа. Восстановленное губчатое железо осаждалось не непосредственно на дне печи, а несколько выше. Получение металлического чугуна из этого продукта представляло собой дальнейшую самостоятельную и сложную операцию, связанную с новым нагревом. И эти эксперименты подтвердили гипотезу о том, что и в обычных восстановительных печах при определенных условиях происходит науглероживание железа, то есть получается сырьевая сталь. В восстановительных печах, где процесс протекал без выпуска шлака, был получен конгломерат, которые состоял из губчатого железа (верхней части), шлака (в нижней части) и остатков угля. Отделение губчатого железа от шлака обыкновенно проводилось механическим способом.

В последнее время археологи обнаружили в Моравском Красе, в районе города Бланско, множество следов древней металлургической деятельности — поды печей, обломки, стен, фурм, кусковую породу, — датируемых X столетием. В модели одной из печей с карманообразным подом был проведен эксперимент, который показал, что в таком устройстве также могла производиться науглероженная стал и что губчатое железо спекается на уровне фурмы, и потому его невозможно обнаружить под шлаковыми слитками.