К 4. Глава 18 Появление металлургии

Металлургия (от др.-гр. ;;;;;;;;;;;; — добываю руду, обрабатываю металлы) — в первоначальном, узком значении — искусство извлечения металлов из руд.

На протяжении многих тысячелетий каменные орудия были основными инструментами, которые использовал человек. Мастера, обрабатывавшие камень, подобно скульпторам, видели в нем новые качества и, отсекая лишнее, создавали необходимые предметы. Конструирование изделий, которое развивалось на протяжении нескольких тысячелетий, требовало развития пространственного мышления и принципиально новых навыков изготовления составных орудий труда из нескольких деталей и соединительных элементов. Изготовление металлических изделий — это технология, которую невозможно было "подсмотреть" в природе! Это первая в истории цивилизации полностью искусственная технология. Как же человек научился получать и обрабатывать металлы? Давайте рассмотрим современную версию этого удивительного процесса.

По всей видимости, использование самородных металлов началось в эпоху мезолита, то есть несколько десятков тысяч лет назад. К этому времени умение искать, добывать и обрабатывать камни, а также изготавливать из них орудия труда и украшения стало обыденным делом для первобытного человека и превратилось в своеобразную индустрию. В процессе поиска камней, подходящих для изготовления новых изделий, человек обратил внимание на первые самородки металлов, по-видимому, медные, которые встречаются гораздо чаще, чем самородки благородных металлов — золота и серебра. Самородную медь и сегодня находят во многих регионах мира: в Малой Азии, в Индокитае, на Алтае и в Америке. До сих пор встречаются медные самородки массой несколько килограммов.

Наблюдение за тем, как самородки изменяют свою форму под ударами твердых камней, натолкнуло человека на мысль использовать их для изготовления мелких украшений путем холодной ковки. Ковка — это древнейший способ обработки металлов давлением, который был основан на навыках и опыте изготовления каменных орудий труда. Самородная медь, которую первобытные люди считали разновидностью камня, при ударах каменного молота не давала характерных для камня сколов, а изменяла свои размеры и форму без нарушения целостности материала. Это замечательное технологическое свойство "нового камня" стало мощным стимулом для поиска и добычи самородного металла и его использования человеком. Кроме того, было замечено, что ковка повышает твердость и прочность. Эволюция этого простейшего способа ковки привела к созданию прообраза кузнечного молота, снабженного рукояткой. Однако обработка металла холодной ковкой имела ограниченные возможности. Таким способом можно было придать форму лишь малым по величине предметам — булавке, крючку, наконечнику стрелы или шилу.

Больше возможностей для развития технологий металлообработки появились благодаря самородкам золота — металла, обладающего большей пластичностью, чем медь. Золото стало одним из ключевых элементов в становлении горно-металлургического производства цивилизации. Древнейшие украшения из золота, по-видимому, представляли собой обработанные холодной ковкой самородки, которые использовались в виде бусинок. Эти отшлифованные бусинки нанизывались на узкие полоски кожи или верёвки из растительных волокон, часто в сочетании с цветными камнями.

Технологии, разработанные для добычи золота из рудоносных жил, впоследствии применялись и к другим металлам. Золото стало первым металлом, из которого научились отливать изделия, получать проволоку и фольгу. По сути, все металлургические технологии, использовавшиеся в эпоху Древнего мира для обработки серебра, меди, свинца и олова, были изначально отработаны на золоте. Однако относительная мягкость этого материала не позволяла изготавливать из него оружие и инструменты.

Тем не менее, вплоть до 3-го тысячелетия до н. э., основой цивилизации оставался камень. Ранняя неолитическая техника характеризуется переходом к крупным каменным орудиям, появление которых было связано с развитием новых технологических приемов обработки камня — сверления, пиления и шлифования. Были изобретены составные, или «вкладышевые», орудия, в которых каменный материал использовался только для рабочей части, а рукояти изготавливались из дерева, рога или кости. Постепенно появился и развивался ремонт орудий труда по мере изнашивания их рабочей части. Возникли горные разработки, в которых для разрушения горных пород начали использовать огонь. Удивительным техническим достижением людей эпохи неолита стала добыча кремней в шахтах с вертикальным стволом глубиной до 10 м и короткими штреками. Таким образом, в начале неолитической революции люди обладали разнообразными знаниями о природных веществах и материалах, а также о методах их обработки.

Для освоения металлургической технологии извлечения металла из руды, требующей надежного обеспечения высоких температур, была необходима печь с искусственным дутьем. Впервые такие печи были созданы для гончарного производства. Таким образом, человек познакомился с рудными металлами во время обжига глиняных горшков. Происходил процесс восстановления металла из веществ, нанесенных на стенки гончарных изделий для их раскраски. Известно, что карбонаты меди — малахит и лазурит, сульфид ртути — киноварь, а также желтые, красные и коричневые железные охры представляют собой яркие минеральные краски, а нанесение цветных узоров на керамические изделия является одним из древнейших видов искусства.

Первым рудным металлом, освоенным человеком, стала медь. Древнейшими изделиями из рудной меди в настоящее время считаются булавки, шила, сверла, бусинки, колечки и подвески, найденные в поселениях Чайоню-Тепеси и Чатал-Хююке, расположенных на плоскогорье Конья в Турции. Эти находки датируются 8–7-м тысячелетием до н. э., однако, как это нередко случается со столь давними явлениями, их возраст не всегда может быть точно определён. С открытием горячей кузнечной обработки меди процессы производства медных изделий стали более распространёнными.

Разработка подземных рудных месторождений началась в IV тысячелетии до нашей эры. Шахтные выработки достигали глубины 30 метров и более. Для дробления горной породы использовали огонь, воду и деревянные клинья. Около разрабатываемого участка разводили костер, накаливали породу, а затем быстро охлаждали, обильно поливая водой. В образовавшиеся трещины вбивали деревянные клинья, которые также поливали водой. Разбухая, клинья раскалывали горную породу. Обломки рудной породы снова нагревали в пламени костра, резко охлаждали и дробили молотами прямо в шахтах. Раздробленную руду извлекали из шахт в кожаных мешках или плетеных корзинах. Затем её толкли в больших каменных ступах до размера гороха. Старейшие медные рудники были обнаружены на территории Месопотамии, Испании и Балканского полуострова. В эпоху античности одним из крупнейших месторождений меди стал остров Кипр, от его позднелатинского названия «купрум» произошло современное название меди как химического элемента.

Наиболее древним способом переработки медной руды была тигельная плавка. Руду смешивали с топливом и помещали в тигли, изготовленные из глины, перемешанной с костной золой. Размеры тиглей были небольшими, их высота составляла 12–15 см, в крышке предусматривались отверстия для выхода газов. В гончарных очагах достигалась температура (до 1100 °С), достаточная для получения меди. Впоследствии для выплавки меди стали устраивать ямные печи. В этом случае глиняный тигель с рудой и углем помещали в неглубокую яму с насыпанным поверх него слоем древесного угля. Особое значение имел выбор места плавки, которое должно было обеспечивать интенсивный приток воздуха в агрегат для раздувания огня и достижения необходимой температуры. В качестве топлива для выплавки металла древние металлурги применяли древесный уголь, плотные породы дерева и кости.

Количество меди, производимое в тиглях, было небольшим и составляло, как правило, несколько десятков граммов. Поэтому постепенно перешли к производству меди в ямах непосредственно из руды. Для этого медную руду, перемешанную с древесным углем, помещали в ямы глубиной до 30 см, дно которых было выложено камнями. Над слоем шихты насыпали еще некоторое количество древесного угля, а сверху укладывали ветви деревьев и небольшое количество земли таким образом, чтобы не препятствовать притоку воздуха внутрь кучи. Место плавки старались располагать на склонах холмов, чтобы использовать естественное движение воздуха. Таким был первый «промышленный» металлургический агрегат. По завершении плавки несгоревшее топливо убирали, а полученный металл дробили на удобные для использования куски. Это делалось сразу после затвердевания металла, так как на этой стадии медь особенно хрупка и легко разбивается на куски молотком. Для придания сырцовой меди товарного вида её подвергали холодной ковке.

При многих преимуществах медь имела очень существенный недостаток: медные инструменты быстро затуплялись. Износостойкость и другие свойства меди были не настолько высоки, чтобы медные инструменты и орудия могли полностью заменить каменные. Поэтому на протяжении меднокаменного века камень успешно конкурировал с медью, что и нашло отражение в названии эпохи. Решающий шаг в переходе от камня к металлу был сделан после изобретения бронзы.

В мире существует множество разновидностей бронз: свинцовая, сурьмяная, мышьяковая, никелевая, висмутная, бериллиевая и многие другие. Наиболее известной является оловянная бронза, и долгое время считалось, что именно она была первым медным сплавом, созданным человеком. Однако сегодня с уверенностью можно сказать, что самыми ранними бронзами были мышьяковые.

Минералы мышьяка, преимущественно сульфиды, часто встречаются в медных месторождениях. Они обладают ярким цветом и были известны человеку ещё в каменном веке. Сплав с небольшим содержанием мышьяка образовывался естественным образом уже в процессе производства меди. Вероятно, древние металлурги рано заметили положительное влияние минералов мышьяка на качество металла. Возможно, их добавление в шихту носило ритуальный характер. В некоторых регионах производство мышьяковых бронз началось ещё в V тысячелетии до нашей эры.

Предположение о том, что древние металлурги использовали реальгар и аурипигмент (разновидности мышьяка), было подтверждено многочисленными опытными плавками. Мастер не мог не заметить, что добавление этих минералов в шихту позволяет получить сплав лучшего качества. Изменяя пропорции используемых минералов, он мог создавать сплавы различных цветов и с превосходными механическими свойствами. Наличие мышьяка в бронзе в количестве до 6% значительно (более чем в два раза) повышает её прочность и твёрдость, улучшает ковкость в холодном состоянии, способствует получению более плотных отливок, а также увеличивает жидкотекучесть сплава. Таким образом, использование мышьяковой бронзы значительно упрощало процесс получения плотных отливок в рельефных литейных формах.

В древности цвет сплава имел немалое значение. При добавлении к меди 1–3% мышьяка образуется металл красного цвета, 4–12% — золотистого, а более 12% — серебристо-белых тонов. Из мышьяковой бронзы можно было создавать изделия, похожие на золотые и серебряные. Особенно часто этот приём использовался при изготовлении украшений: археологами были найдены литые бусы, подвески и кольца, содержащие до 30% мышьяка. Древнее оружие из бронзы никогда не содержит более 6% мышьяка.

В 3 тысячелетии до нашей эры бронзы производились в металлургических центрах практически повсеместно. Удивительно, но технология производства, способы литья орудий и оружия, а также внешний вид металлических изделий были схожи на всей огромной территории, несмотря на существование в её пределах различных земледельческих и скотоводческих культур.

Вслед за медью человечество начало использовать железо. Изначально люди применяли метеоритное железо. В III тысячелетии до нашей эры египтяне научились изготавливать из него качественное оружие, которое ценилось далеко за пределами Древнего Египта. Эти прочные клинки быстро стали известны как «небесные кинжалы». Однако процесс получения железа из руды и выплавки металла на его основе был гораздо сложнее. Считается, что технология была открыта хеттами примерно в 1200 году до нашей эры, что стало началом Железного века. Секрет добычи и обработки железа также стал основой могущества филистимлян.

Одним из самых древних способов получения железа был сыродутный процесс (от слов «дуть» и «сырой»). Печи для этого рыли прямо в земле, обычно на склонах рельефа. В небольшой горн с железорудной породой поступал сырой (холодный) воздух. На ранних этапах развития этого метода тяга была естественной, но позже ее заменили искусственной — воздух в печи стали нагнетать. Дно печей засыпали углем, сверху слоями клали руду и уголь. Стоит отметить, что при сыродутном процессе железо не столько плавилось, сколько «варилось», так как температура в печи была недостаточной для плавки — около 1200 градусов по Цельсию. В результате «вареное» железо в виде губчатой массы, напоминающей тесто, располагалось на дне печи. Эта масса обычно включала в себя многочисленные примеси и остатки угля (правда, в отдельных случаях шлаки отводили из печи по специальному желобу). Чтобы производить из такого субстрата какие-либо изделия, приходилось вначале извлекать из него посторонние примеси. Это делалось при помощи ковки — холодной и горячей.

Сыродутный процесс стал важным этапом в развитии черной металлургии. Эта технология постоянно улучшалась: совершенствовалось дутье и увеличивались размеры печей. Однако все эти улучшения не решали главную проблему: железо практически не содержало углерода, что делало его неспособным конкурировать с бронзой. Вещи из железа были недостаточно твердыми по сравнению с изделиями из бронзы. Именно поэтому железо в те времена использовалось в основном для изготовления украшений.

В Китае с давних времён существовали богатые традиции производства изделий из железа. Здесь, возможно, раньше, чем у других народов, научились получать жидкий чугун и делать из него отливки. До наших дней сохранились некоторые уникальные отливки из чугуна, изготовленные в первом тысячелетии до нашей эры, например, колокол высотой 4 метра и диаметром 3 метра, массой 60 тонн. Известны уникальные изделия металлургов древней Индии. Классическим примером является знаменитая вертикально стоящая Кутубская колонна в Дели массой 6 тонн, высотой 7,5 метра и диаметром 40 см. Надпись на колонне гласит, что она сооружена примерно в 380—330 годах до нашей эры. На колонне нет ржавчины!!!

Следы развития чёрной металлургии можно отследить во многих прошлых культурах и цивилизациях: в древних и средневековых королевствах и империях Среднего и Ближнего Востока, в Древнем Египте и Анатолии, Карфагене, Греции и Риме, Китае, Индии, Японии и многих других. Следует отметить, что многие методы, устройства и технологии металлургии были первоначально изобретены в Древнем Китае, а затем уже европейцы освоили это ремесло. Хотя последние исследования показывают, что римские технологии в области горной добычи и ковки были гораздо более продвинутыми, чем в Китае.

 

Железная колонна в Дели

Не обошла металургия и Новый Свет, в котором существовало несколько центров ранней металлургии. Первым металлом, с которым познакомились люди Америки, было золото. В Андах производили изделия из серебра. На территории современного Перу во второй половине II тысячелетия до нашей эры был получен сплав серебра с медью — тумбага, который стал невероятно популярен в Южной Америке. В Центральной Америке люди познакомились с металлом лишь в первом тысячелетии до нашей эры. Племена майя освоили ремесло получения металла только к VII веку нашей эры, но к этому времени их цивилизация уже подходила к своему закату.

Из-за неравномерного распределения металлических руд по разным географическим регионам мира выделились народы — производители и потребители металлов, которые зависели от их поставок. Таким образом, важнейшим следствием становления металлургии стало формирование международного разделения труда еще в доисторическую эпоху.

Рождение научной металлургии связывают с трудами Георгия Агриколы. Он создал фундаментальный труд «О металлах» в двенадцати томах. Первые шесть томов посвящены горному делу, седьмой — «пробирному искусству», то есть способам проведения опытных плавок, восьмой — обогащению и подготовке руд к плавке, девятый — способам выплавки металла, десятый — разделению металлов, а одиннадцатый и двенадцатый тома — различным устройствам и оборудованию.

А теперь самое интересное: на что были направлены усилия металлургического производства? Как вы думаете? На отливку и ковку металлических орудий труда в целях повышения производительности, как излагается в большинстве известных учебников, или же на что-то иное? Расчеты археологов показали, что уже с первых шагов горнометаллургического производства подавляющая доля его энергии была направлена на создание изделий, которые обслуживали символические сферы общественной жизни, — украшения, атрибуты власти и ритуальные предметы. Гигантская часть металла служила своеобразным свидетельством социальной значимости умерших и просто закапывалась. Таким образом, в течение нескольких тысячелетий металлы выполняли главным образом социальную, а не производственную функцию.