Железо: как его делали? Часть II — деревья для криц
На этой неделе мы продолжаем цикл о досовременном производстве железа и стали (I, II, III, IVa, IVb, дополнение). В прошлой части мы нашли железную руду, извлекли её из земли и провели первичную механическую подготовку: промыли, перебрали и раздробили. Теперь нам предстоит превратить камни, лишь содержащие металл, в настоящую массу металла. Для этого мы воспользуемся теплом и, что ещё важнее, химией:
Обратите внимание: всю эту статью мы потратим только на первые два этапа и доведём железную руду до крицы.
Предупреждение: при изготовлении этого железа пострадало очень, очень много деревьев.
Как всегда, если вам нравится прочитанное, поделитесь статьёй; если нравится очень, можете поддержать меня на Patreon. А чтобы узнавать о новых публикациях, подпишитесь на рассылку или следите за мной в Twitter (@BretDevereaux), где я также время от времени рассуждаю о древней истории, внешней политике и военном деле.
Но начнём с самого крупного ресурса во всём процессе — и по массе, и по объёму. Его требуется буквально на порядок больше всего остального. И это…
Деревья
Читателю простительно ожидать, что мы сразу перейдём к захватывающим печам, ревущему пламени и плавлению всего подряд. Но вся эта энергия должна откуда-то взяться, и главным её источником служила древесина. Разумеется, существовали и другие распространённые виды топлива. С ними наверняка часто экспериментировали и иногда применяли, но широкого использования они, по-видимому, не получили. Навоз, которым во многих безлесных областях готовили пищу и отапливали дома, насколько я понимаю, не даёт температуры, достаточной для обработки железа. У торфа, похоже, сходная проблема, хотя его, как и древесину, можно превратить в уголь. Я не нашёл ясных свидетельств того, что так поступали часто, но попробовать наверняка должны были.
Большинство людей, полагаю, предполагают, что металлурги топили каменным углём — именно его требуют многие игровые системы изготовления предметов. Проблема в том, что каменный уголь сначала нужно коксовать, чтобы получить пригодную для дела чистую массу углерода — кокс. Без такой обработки уголь и горит недостаточно жарко, и часто содержит много серы. Железо впитывает её, образуя плохой сплав: сера делает металл хрупким, заставляет ломаться вместо того, чтобы гнуться, и затрудняет сварку. Мы знаем, что римляне в Британии пробовали применять местный уголь именно потому, что анализ железа римского времени из Уилдерспула в Чешире обнаружил в нём серу, вероятно попавшую из найденного там угля.
Первые европейские сообщения об опытах по коксованию относятся к концу XVI века, однако по-настоящему успешным стал лишь метод Абрахама Дарби 1709 года. До этого каменный уголь, по-видимому, почти не применяли в европейском производстве железа, хотя им могли готовить пищу и отапливать жилища. В Китае развитие шло быстрее: есть свидетельства обработки железа коксом уже в XI веке. Но почти везде и почти всегда всё необходимое нам тепло давали деревья.
И, как мы увидим, деревьев требовалось очень много. При крупномасштабном производстве железа — прямо-таки ошеломляющее количество. Хорошая новость в том, что выбирать породу слишком придирчиво не приходилось. Древние авторы подробно рассуждают о лучших видах древесины для кораблей, копий, щитов или пик — соответственно пихте, кизиле, тополе или иве и ясене, если вам любопытно, — но к топливу относятся намного менее разборчиво. Сосну предпочитали постоянно: и Плиний (Естественная история, 33.30), и Феофраст (История растений, 5.9.1–3) называют её самой удобной, а Бухвальд (указ. соч.) отмечает её использование и в средневековой Скандинавии. Впрочем, каштан и пихта тоже считались подходящими, а археологи находят немало берёзового угля. Итак, деревья у нас есть — более или менее.
Леса и лесорубы
Плохая новость состоит в том, что древние источники часто очень интересуются деревьями — посвящают им целые книги, — но главным образом теми, из которых строили корабли и здания, делали мебель и оружие, то есть престижные изделия. Деревья как топливо их почти не занимают. Это различие отражено даже в латыни: строевой лес называли materia, а дрова — и, по-видимому, также древесину, которую большими партиями везли морем, — lignum. Первому источники уделяют много внимания, второму почти никакого. Стоит углубиться в заготовку и подготовку дров, как свидетельства почти полностью исчезают; остаются лишь редкие упоминания, что то или иное дерево хорошо подходит для выжига угля — важнейшего процесса, к которому мы скоро перейдём.
Фрагмент ассирийского рельефа из дворца Саргона II (правил в 722–705 годах до н. э.) в Дур-Шаррукине, ныне хранящегося в Лувре. Показана перевозка ливанских кедров — в данном случае явно строевого леса.
Поэтому рассмотреть людей, валивших леса, нам непросто. Средневековые «лесничие» заметнее, но, как и слово miner у Георгия Агриколы означало владельца рудника, средневековый лесничий, насколько я понимаю, был скорее управляющим: выдавал подряды, ловил браконьеров и так далее — своего рода шерифом в лесу, а не простым лесорубом.
Так кто же рубил деревья? Признаюсь, мне удалось найти очень мало сведений об общественном положении древних лесорубов. Во многих случаях они, вероятно, ничем не отличались от местных крестьян и прочих неквалифицированных сельских работников. Жители рядом с лесами явно рубили множество деревьев, расчищая поля, заготавливая топливо и дрова, поэтому основные навыки валки, вероятно, были широко распространены. По-латыни лесоруб назывался lignator, иногда caesor — «рубщик», причём рубить он мог дерево (lignorum caesores) или камень. Однако чаще всего слово встречается в военном контексте и обозначает солдат, которым поручили заготовить дрова, а не профессиональных лесорубов. Для Средневековья свидетельств несколько больше, и они тоже указывают, что деревья валили местные крестьяне (см. J. Birrell, «Peasant Craftsmen in the Medieval Forest», Agricultural History Review 17.2 (1969), pp. 91–107). Как мы увидим ниже, древесину на уголь часто заготавливали сами углежоги, о которых ещё пойдёт речь. На крупных предприятиях вроде Эльбы или Популонии какое-то разделение труда почти наверняка существовало, но скудные источники не позволяют понять его устройство.
Не всякую работу с деревом, конечно, выполняли столь же доступные работники. Древние лесорубы почти не видны, зато пильщики и плотники заметнее. Документы со строек Афин и Дельф показывают, что искусным пильщикам — судя по всему, им всегда помогал хотя бы один неквалифицированный работник — платили не меньше граждан-гребцов афинского флота, а иногда заметно больше. Английские фамилии Carpenter, Cooper, Fletcher, Bowyer, Turner, Sawyer и Wheeler показывают, что в средневековой Англии плотники, бондари, стрелоделы, лучники, токари, пильщики и колёсники были отдельными ремесленниками. Отсутствие фамилий, связанных собственно с валкой, дополнительно указывает, что тяжёлую работу выполняло главным образом сельское население. Следовательно, положение обычного лесоруба примерно соответствовало положению местного крестьянина, серва или мелкого земледельца — по большей части это и были одни и те же люди. Дальнейшей обработкой сваленного и очищенного от коры ствола могли заниматься специалисты, но для древесины, предназначенной на уголь, она была гораздо менее важна. Разумеется, уже в древности существовали и специализированные торговцы лесом. Их заметность, особенно в богатых древесиной регионах, говорит о возможности неплохо разбогатеть — хотя, как и большинство торговцев, до правящего слоя они почти никогда не поднимались. Однако торговали они, вероятно, строевым лесом: как мы вскоре увидим, древесину для угля далеко обычно не возили.
Ещё один фрагмент ассирийского рельефа из дворца Саргона II (правил в 722–705 годах до н. э.) в Дур-Шаррукине, ныне в Лувре. Здесь лес, вероятно, сплавляют по Тигру к сердцу Ассирии. Высококачественную строительную или корабельную древесину имело смысл везти далеко — Афины, как известно, импортировали корабельный лес из Македонии, — тогда как топливо брали поблизости. Но у меня была эта картинка, и я хотел её использовать.
Крупнейшие лесные угодья обычно принадлежали государству, хотя некоторую, как правило небольшую, роль играли и частные землевладельцы со своими лесами. В Македонии лесами владел царь. Он распоряжался поставками древесины и разрешал либо запрещал общинам в своих владениях пользоваться лесными ресурсами; по словам Миггса (указ. соч.), на Ближнем Востоке существовал тот же порядок. В римской Италии значительная часть лесов принадлежала государству, которое отдавало их заготовку подрядчикам. Миггс предполагает, что люди, именуемые saltuarii, могли следить за исполнением таких договоров — подобно упомянутым выше средневековым лесничим. Из позднеимперских римских законов известно, что saltuarii часто состояли и при крупных поместьях с лесами и пастбищами; возможно, владельцы точно так же отдавали свои леса в пользование по договору. В европейском Средневековье крупные леса тоже обычно принадлежали короне, однако Биррелл отмечает и значительную разработку частных лесов в Англии XIII века.
Практика лесозаготовки, по-видимому, почти не менялась на протяжении всей досовременной эпохи, хотя железные, а позднее стальные топоры заметно повысили производительность. Древние лесорубы пользовались обычными однолезвийными топорами; их головы были тяжелее, чем у боевых топоров, для которых характерны тонкие и лёгкие лезвия. Овидий (Метаморфозы, 8.775) пишет, что дерево, «расшатанное бесчисленными ударами топора», тянули канатами, вероятно направляя его падение. Тот же приём изображён на карнакском рельефе фараона Сети I (правил в 1290–1279 годах до н. э.), где валят ливанские кедры:
Плиний и Феофраст, рассуждая о древесине, придают большое значение времени рубки, но главным образом применительно к строительству и кораблестроению. Для печей, как ясно из дальнейшего, деревья рубили круглый год. Здесь важнее обрезка вершины и порослевое хозяйство — мы уже говорили о них раньше. У дерева срезали верхние ветви или ствол у земли, чтобы оно давало густую поросль сравнительно тонких ветвей, которые легко заготавливать. Из упоминания Проперция известно, что римляне так поступали; в Средневековье этот приём, по-видимому, широко применяли к деревьям на топливо — прежде всего для приготовления пищи и отопления, но, возможно, и для углежжения.
Древесный уголь
За одним исключением мы не можем сразу пустить древесину на переработку руды. Даже высушенное дерево содержит довольно много воды и летучих соединений. Вода замедляет горение и поглощает энергию, а летучие вещества сгорают не полностью, выделяя сажу и дым с углеродом, который мог бы гореть, останься он в очаге. Всё это ограничивает температуру: распространённые породы дерева часто дают не больше 800–900 °C, чего недостаточно для наших задач.
Проблему решает углежжение. Древесину нагревают в условиях, где ей не хватает воздуха, чтобы вспыхнуть и сгореть. Вся вода выкипает, а оставшееся твёрдое вещество превращается в куски почти чистого углерода, которые горят гораздо жарче — свыше 1150 °C, то есть до нужной нам температуры сыродутного горна. Кроме того, почти чистый уголь не содержит множества примесей, способных испортить железо, как это делает сера, обычная для каменного угля.
Поленница для углежжения, фотография из Википедии. В центре видна шахта для топлива.
Однако процесс этот непрост. Древесину нужно нагреть примерно до 300–350 °C — значительно выше температуры воспламенения, — но почти не давать ей гореть, лишая кислорода. Если впустить воздух, дерево превратит весь углерод в CO₂: среди прочего вы не уложитесь в норму выбросов и лишитесь как раз того углерода, ради которого делаете уголь. На практике поленнице требовалось немного кислорода, чтобы поддерживать горение и нужный жар, но не столько, чтобы вспыхнула древесина, и не настолько мало, чтобы огонь угас. От древности до Средневековья метод почти не менялся: Плиний (Естественная история, 16.8.23) и Феофраст (История растений, 5.9.4) описывают ту же систему, которую применяли в раннее Новое время.
Сначала дерево рубили и распиливали на поленья умеренного размера. Ветви удаляли; поленья должны были быть прямыми и гладкими, чтобы их можно было уложить очень плотно. Из них складывали коническую поленницу с пустой шахтой в центре. Иногда её частично заглубляли в землю, иногда сооружали прямо на поверхности — забавная особенность античных свидетельств состоит в том, что латинские авторы обычно представляют наземное углежжение, а греческие предполагают неглубокую яму. Затем поленницу покрывали глиняной оболочкой — углевыжигательной печью. Это было не постоянное сооружение: его возводили заново для каждой партии. Наконец, центральную шахту заполняли хворостом или щепой, которые служили запалом. Их поджигали, а шахту почти полностью перекрывали воздухонепроницаемым слоем земли.
Углежжение в процессе, фотография из Википедии. Древесина покрыта глиной, образующей непроницаемый слой и не пропускающей лишний кислород.
Топливо разгоралось и начинало поглощать кислород внутри печи: одновременно нагревало древесину и лишало её воздуха, нужного для самостоятельного горения. Углежог — по-английски collier, и прежде чем это слово стало означать шахтёра-угольщика, оно означало именно выжигателя древесного угля — следил за поленницей по дыму и определял степень горения по его цвету. Тёмный, закопчённый дым показывал, что процесс ещё не закончен; белый означал «чистое» горение и завершение карбонизации. Углежог мог пробивать или заделывать отверстия в оболочке, увеличивая либо уменьшая приток воздуха и добиваясь равновесия: кислорода достаточно, чтобы запал не погас, но недостаточно для настоящего возгорания поленьев. Карбонизация в достаточно крупной печи обычно занимала шесть-восемь дней. После остывания оболочку разбирали и извлекали кучу почти чистого углерода.
Готовая партия древесного угля, фотография из Википедии. По структуре он сильно отличается от современных магазинных брикетов: уголь очень рыхлый и легко крошится, поэтому его трудно перевозить далеко.
Обычный древесный уголь приходилось производить рядом с местом использования, поскольку рыхлая углеродная масса при дальней перевозке разрушалась. Современный уголь — например, для гриля — прессуют со связующим в брикеты: первоначально применяли мокрую глину, позднее дёготь или смолу, получая плотные и несыпучие кирпичики. Похоже, такую упаковку придумали в каменноугольной промышленности; свидетельств её применения к древесному углю в древности или Средневековье я не нашёл. Поэтому плавильное производство, поглощавшее поистине невероятные объёмы угля, приходилось размещать рядом с лесом. Сим и Ридж (указ. соч.) отмечают, что перевозка дальше пяти-шести километров разрушала уголь настолько, что он терял ценность; обычнее были расстояния менее четырёх километров. Возить необожжённое дерево тоже было невыгодно: при углежжении терялась бо́льшая часть массы, и перевозка сырой древесины оказывалась чудовищно неэффективной. Когда римские металлурги на Эльбе исчерпали местный лес, руду стали отправлять морем в Популонию на итальянском берегу, чтобы плавить ближе к источнику топлива.
Современные угольные брикеты, фотография из Википедии. Древний и средневековый уголь выглядел иначе: это была рыхлая крошащаяся масса, как на предыдущей фотографии.
Стоит оценить общую эффективность процесса. Современное углежжение результативнее и часто даёт выход до 40 % — это отношение массы готового угля к массе исходной древесины. В древности и Средневековье показатели были намного ниже. Сим и Ридж (указ. соч.) приводят отношение исходной массы к готовому углю от 4:1 до 12:1, то есть эффективность от 25 до 8,3 %, со средним значением около 7:1, или 14 %.
Мы можем примерно оценить и трудоёмкость. По данным Сима и Риджа, в оптимальных условиях опытный лесоруб за день заготавливает около одного корда древесины. Корд — мера объёма, но для большинства пород он соответствует примерно 4000 фунтам, или 1814 килограммам. Сооружение печи и переноска дров тоже занимали время. Одновременно можно вести несколько печей, но углежог должен постоянно оставаться при них и потому не может рубить лес, хотя на крупном предприятии ему помогали другие работники. Одиночке могло потребоваться восемь-десять дней, чтобы превратить один корд древесины примерно в 560 фунтов, или 254 килограмма, угля. Крупное предприятие с отдельными лесорубами и углежогами, ведущими несколько печей, могло сократить затраты до трёх-четырёх человеко-дней на корд и тем самым удвоить или утроить выпуск, но для этого требовалось намного больше работников. В целом источники показывают: получение достаточного количества угля для сколько-нибудь заметного производства железа было весьма трудоёмким делом.
Сложность процесса ясно показывает, что углежжение было особым ремеслом. Насколько плотно уложить поленницу — как правило, очень плотно, — сколько добавить запала, какого размера сделать сооружение и как определять степень карбонизации по одному лишь виду дыма, узнавали с опытом, вероятно начиная помощником или учеником. Иногда этим делом неполный год занимались крестьяне; углежоги явно происходили из местного сельского населения. Биррелл (указ. соч.) отмечает, что в документах XIV века по Инглвудскому лесу в Камберленде большинство разрешений на углежжение выдавалось на отдельные сезоны, а не на весь год: вероятно, у большинства углежогов были и другие занятия. Тем не менее фамилии и профессии Colier или collier, Askebrunner, Ashburner, а также латинские carbonarius и cinearius в английских источниках XIII–XIV веков подтверждают существование особого набора навыков, определявшего человека независимо от того, занимался он им время от времени или постоянно. Во многих случаях, как отмечает Биррелл, разрешения на выжиг угля — почти наверняка для помощников или слуг — получали кузнецы, владевшие местными кузницами.
Но при всём мастерстве углежоги, похоже, не пользовались уважением общества. Это было одинокое занятие: неделю или около того, пока поленница превращалась в уголь, за ней приходилось постоянно следить, проводя по много недель в лесу. Древние авторы почти не замечают углежогов — и Плиний, и Феофраст описывают процесс, не упоминая людей, которые его выполняли. Вероятно, элита относилась к ним с тем же презрением, что и ко многим особенно дурно пахнущим занятиям, например к кожевникам. В немецком языке сохранился странный след этой неприязни: Köhlerglaube, «вера углежога», означает слепую веру или преданность с отрицательным оттенком — якобы потому, что углежоги жили в лесу, а не ходили в церковь, и не могли постичь тонкостей собственной религии. В XIV веке углежоги, работавшие непосредственно на английского короля (Биррелл, указ. соч., с. 98, прим. 2), получали три пенса в день — приличную, но не выдающуюся плату (сопоставление средневековых заработков см. здесь). Выходит, умение углежога давало некоторую прибавку, но едва ли огромную.
Обжиг
Руда добыта, уголь готов, и мы почти можем приступить к плавке. Но сначала нужен последний этап подготовки — обжиг. Он решает две проблемы. Первая — вода. Даже сухая на вид руда почти наверняка удерживает внутри небольшое количество влаги. Перед воздействием крайне высокой температуры её нужно удалить: иначе вода поглотит энергию топлива, а маленькие водяные карманы внутри камня, нагретого выше 1200 °C, создадут неприятности. Заодно обжиг растрескивает большинство руд на мелкие куски, которые легче восстановить при плавке.
Вторая проблема — химическая, потому что железо мы вообще не собираемся плавить. Наши печи не нагреваются достаточно сильно; а даже если бы нагревались, расплавленное железо поглотило бы из топлива огромное количество ненужного нам углерода. Вместо этого мы будем восстанавливать железо, то есть заставим его химически измениться под действием жара. Поэтому химический состав руды чрезвычайно важен, и до плавки нужно устранить связанные с ним препятствия.
Хорошая новость: некоторые железные руды восстанавливаются сравнительно легко и непосредственно. Прежде всего это гематит и гидроксиды железа вроде лимонита и гётита, хотя два последних обычно содержат много воды, которую нужно удалить. Но есть ещё магнетит — тоже оксид железа, однако он восстанавливается заметно хуже гематита, — и сидерит с другими карбонатами, содержащими совершенно ненужный нам углерод. Во вмещающей породе могут встречаться следы серы или сульфидов железа, которые нам очень не нужны. Сера безусловно испортит готовое железо, поэтому до плавки от неё следует избавиться.
Допустим, мы нагреваем магнетит (Fe₃O₄) в среде с некоторым количеством кислорода. Происходит дальнейшее окисление — очень надеюсь, что правильно помню химию, — при котором 4Fe₃O₄ соединяются с одной O₂, самой обычной молекулой кислорода из воздуха, и образуют 6Fe₂O₃. Это уже знакомое вещество: гематит, Fe₂O₃, который вскоре легко восстановится в печи. Немного более сложная реакция удаляет докучливый углерод из карбонатных руд вроде сидерита (FeCO₃): углерод и кислород выделяются в виде углекислого газа, а остаётся наш добрый знакомый гематит Fe₂O₃. Насколько я понимаю, небольшое количество серы точно так же окисляется до диоксида серы — к счастью, газа, который благополучно покидает руду.
(Дополнение: читатели, лучше разбирающиеся в химии, указали, что гидроксиды железа — их всё равно приходится обжигать для удаления воды — тоже превращаются в гематит при реакции 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O. Выделившаяся вода, подобно влаге, заключённой в самой руде, выкипает во время обжига.)
Сам обжиг руды во многих отношениях менее интересен, чем химия, объясняющая, зачем он нужен. Это единственный этап, который обычно проводили на обычных дровах, как правило высушенных, а не на угле. Для обжига достаточно сравнительно низкой температуры — около 300–550 °C: лишь бы выкипела вода и начались химические реакции. В кирпичной печи складывали сухие дрова, сверху помещали железную руду и поджигали. Небольшое количество руды можно обжечь совсем просто — по ссылке есть фотографии; крупные партии требовали более тщательного распределения топлива и сырья.
Наконец мы можем перейти к выплавке в…
Сыродутном горне
Все прежние усилия приводят нас к досадной проблеме, из-за которой почти каждая киносцена «изготовления меча» неверна: железо плавится при 1538 °C. Это очень жарко. Чтобы нагреть до такой температуры всю массу руды и выплавить из неё железо, печь должна развивать около 2000 °C — неудивительно, что именно при такой температуре работают современные доменные печи. В этих условиях идёт множество химических реакций, а железо выходит жидким и отделяется от отходов — шлака. Проблем здесь две. Во-первых, расплавленное железо впитает огромное количество углерода и превратится в хрупкий, почти бесполезный передельный чугун. Во-вторых, до раннего Нового времени печи почти нигде в мире всё равно не могли достичь таких температур. Исключения в Китае и Индии мы обсудим в дополнении.
«Игра престолов», сезон 4, серия 1: меч Неда Старка расплавляют. В сцене очень многое неверно, но начнём с очевидного: небольшой угольный горн не способен даже приблизиться к жару, необходимому для плавления и литья железа — для литья температуру нужно заметно превысить. Кроме того, перед нами явно не железо. Расплавленное железо ослепительно, искряще-белое: цвет свечения определяется температурой, а к моменту плавления железо намного горячее обычного белого каления. Здесь почти наверняка алюминий. О прочей чепухе в подобных сценах Ллойд несколько лет назад снял отличное видео.
Итак, выплавить железо из руды мы не можем. Что, если вместо этого выплавить руду из железа? Это половина основного принципа работы сыродутного горна; вторая половина — химические реакции оксидов железа в богатой углеродом среде при сильном нагреве.
Современная реконструкция простого небольшого сыродутного горна, фотография из Википедии. Отверстие у основания предназначено для выпуска шлака и, возможно, извлечения готовой крицы.
Сыродутный горн — печь, которая производит крицу, губчатую массу почти чистого железа. Устроен он довольно просто: коническая шахта — иногда вместо неё низкая чаша — из сравнительно жаростойкого материала, например кирпича, камня или глины. У основания находятся одно или несколько отверстий, фурм, через которые снизу поступает воздух, а под шахтой — углубление для стекающего шлака или крупное отверстие, чтобы его выпускать. Некоторые печи, особенно чашеобразные и те, где шлак накапливался в углублении вместо выпуска, фактически были одноразовыми: ради извлечения крицы их разбирали. Здесь я сосредоточусь на более совершенных низкошахтных горнах с выпуском шлака. Как отмечает Тайлекот (указ. соч.), именно ими пользовались римляне и, насколько я могу судить, от них произошли позднейшие европейские средневековые сыродутные горны.
Описание звучит сложно, поэтому пора одной из моих фирменных скверных схем:
По Хили (указ. соч.).
Воздух, поступающий через фурмы — на схеме показана одна, но их часто было несколько, и воздух могли нагнетать мехами, — поддерживает горение угля. Чтобы понять, как это нам помогает, снова обратимся к химии.
Древесный уголь, почти чистая масса углерода, получает тепло и O₂ из воздуха и образует углекислый газ CO₂, выделяя ещё больше тепла. Оно нагревает сложенную сверху железную руду и остальной уголь, который вступает в ту же реакцию с первым встреченным кислородом. Но кислород быстро заканчивается — и это важно, — поэтому часть реакций образует монооксид углерода, CO. Очень горячий газ устремляется вверх сквозь руду. А монооксид углерода одинок: стоит поддать жару, и он начинает искать ещё один атом кислорода, чтобы стать углекислым газом. И надо же, в каком модном людном месте он оказался: кругом гематит Fe₂O₃, в котором полно свободного кислорода. Каждый одинокий CO хватает ещё одного кислородного партнёра для танца: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Газообразный CO₂ улетает из верхней части печи в небо — в отместку окончательно портить нам климат, — оставляя чистое металлическое железо. Этот процесс начинается уже примерно при 800 °C.
Но погодите! Восстанавливаемый гематит попал к нам не чистым, а внутри другой породы — пустой породы. Вот для чего нам нужен весь этот жар. Большинство примесей составляют кремнезём SiO₂ и глинозём Al₂O₃; от них тоже нужно избавиться. В современные печи добавляют флюс, обычно известняк, который охотно связывает эти соединения и выводит их из железа. По крайней мере в римскую эпоху роль флюса на стадии выплавки ещё не понимали; я не уверен, когда именно металлурги догадались применять известняк. Но работу может выполнить и железо: при достаточном нагреве 2FeO — оксид железа, которого благодаря описанным процессам у нас будет в избытке, — соединяется с SiO₂ и образует Fe₂SiO₄. Глинозём реагирует примерно так же, но его формулу мне никак не удалось найти. При этом заметная часть железа уходит на замену флюсу, ещё сильнее снижая эффективность. Новые шлаковые соединения плавятся примерно при 1150 °C, намного ниже температуры плавления железа.
Сыродутный горн раннего Нового времени — XVI век, De Re Metallica Георгия Агриколы; изображение из Википедии.
Наконец мы чего-то добились. Оксиды железа под действием монооксида углерода и сильного жара в основном превратились в чистое металлическое железо. Почти всё, что не было чистым железом, захватило немного нашего железа — досадно — или известняка, если мы его добавили, снизило свою температуру плавления и стало жидким. Шлак стекает к основанию горна, откуда его можно выпустить.
Когда уголь полностью прогорит, а вся руда восстановится, в печи останется губчатая масса металлического железа — с некоторым количеством шлаковых включений, но уже приемлемо малым. В отличие от доменной печи, дающей железо с очень большим содержанием углерода, наша крица содержит его крайне мало. Имевшийся углерод сгорел до монооксида, а затем окислился до диоксида и потому не задержался, чтобы раствориться в растущей железной крице. И это прекрасно: древние и средневековые технологии не позволяли эффективно обезуглероживать железо, то есть вытягивать углерод обратно, а потому слишком высокое его содержание стало бы серьёзной бедой. Подробнее о железе и углероде поговорим в последней статье цикла, когда доберёмся до стали.
Горячая железная крица, только что извлечённая из горна, фотография из Википедии. Её покрывает шлак, который можно выбить из железной массы молотом — этим мы займёмся на следующей неделе.
Эффективность и экология
Всё это была увлекательная химия, но вы вправе спросить, что она означает на практике. Сколько древесины и руды требуется для заданного количества железа?
Разумеется, цифры меняются очень сильно в зависимости от качества и вида руды, устройства печи — например, насколько хорошо она удерживает тепло, — и множества других обстоятельств. Хили на основе некоторых данных Тайлекота подсчитал, что римские плавильщики при непрерывной работе — две загрузки за 24 часа — могли за день получить 16 килограммов железа из 100 килограммов руды и 80 килограммов угля. Он же приводит опыт Э. Дж. Уинна: более примитивной чашеобразной печи потребовалось 16 фунтов угля на один фунт готового железа. Сим и Ридж, опираясь на другие эксперименты, предполагают, что для килограмма готового железа могло требоваться 12,3 килограмма руды и 14,6 килограмма угля; разумеется, полная загрузка печи была больше. Разброс огромен, но и содержание железа в руде непостоянно, поэтому перед нами действительно диапазон возможностей. Различалась и постановка опытов: в одних случаях учитывали проковку крицы в полосы и заготовки, в других измеряли массу самой крицы.
Как вы помните, после углежжения масса готового углерода в среднем составляла около 14 % от массы исходной древесины. Если принять расчёты Сима и Риджа, то 14,6 килограмма угля на каждый килограмм железа потребовали бы примерно 105 килограммов древесины, не считая запала для самого углежжения. И мы ещё не закончили. На каждом следующем этапе обработки железо теряет массу. Иногда мы выбиваем шлак, затесавшийся в крицу, — то есть не утрачиваем ничего ценного, просто перестаём считать «железом» примеси. Иногда железо окисляется, а образовавшийся оксид — проще говоря, ржавчину — удаляют при ковке. Наконец, изделие предстоит шлифовать, опиливать и затачивать, снимая небольшое количество металла.
Чтобы представить масштаб: римский легион поздней Республики численностью около 5000 человек мог нести в бой примерно 44 000 килограммов, или 48,5 тонны, железа — без учёта котлов, креплений, кирок, лопат и других известных нам инструментов. Для такого снаряжения могло потребоваться добыть около 541 200 килограммов, то есть 600 тонн, руды, выплавить её с 642 400 килограммами, или 710 тоннами, древесного угля, изготовленного из 4 620 000 килограммов — 5100 тонн — древесины. Одна только рубка леса и выжигание угля, согласно приведённым выше оценкам и при условии, что углежоги работали командами, могли потребовать около 80 000 человеко-дней. Для одного легиона.
Экологическое воздействие досовременного производства железа тоже было значительным. Известно, например, что в римскую эпоху Эльбу почти полностью обезлесили ради угля для плавильных горнов. Плиний в Естественной истории отмечает, что плавка металлов — не всегда железа — заметно сократила леса в отдельных частях Галлии и Кампании. Римское железное производство в восточной части Хай-Уилда в Англии за три столетия могло свести около 500 км² леса; есть основания считать, что оно прекратилось из-за нехватки топлива, а не руды. Металлургия была далеко не единственной причиной постепенного обезлесения Европы, но одной из главных.
И всё же деревья погибли не напрасно. Мы начали статью с раздробленных железосодержащих камней и древесины, а закончили крицей — губчатой массой железа. На следующей неделе мы применим ещё больше жара — я ведь упоминал, что процесс требует очень много топлива? — и механическую силу молотов, чтобы наконец перейти к ковке.
Если вам понравилась эта статья или у вас есть комментарии, присоединяйтесь к дискуссии в канале Telegram или сервере в Discord.