Другая история науки. От Аристотеля до Ньютона

Как и в отношении ряда других металлов, освоение человечеством железа могло идти (и шло) двумя путями: использование природного металлического железа и химическое превращение железной руды. Природное металлическое железо встречается на поверхности Земли как самородное и как метеоритное. Самородное можно найти в виде мелких листочков и чешуек, вкрапленных в горные породы, в частности в базальты. Нередко оно образует также кусочки, а иногда и сплошные массы довольно значительных размеров. В частности, описаны железо-базальтовые монолиты в сотни тонн.

Самородное железо всегда содержит заметные количества никеля. Различают два типа такого железа: аварит (содержание никеля до 2,8 %) и джозефинит (50 % и более никеля). Самородное железо ковко и тягуче, так что в принципе оно могло бы быть использовано человеком, если бы не исключительно редкие находки его масс, доступных механическому ручному переделу.

Значительно более доступно природное металлическое железо неземного происхождения — метеоритное, но оно очень сложно для обработки. Здесь интересно, что египтяне называли железо бенипет, что означало «небесный металл», а греки — сидерос, «звездный».

Другой путь получения железа — путь химического превращения железной руды, требовал освоения достаточно высоких температур. Вообще говоря, для восстановления железа из его окислов окисью углерода, что и происходит в обычном металлургическом процессе, достаточна температура лишь несколько выше 700°C. Однако железо, получающееся таким путем, представляет собой спеченную массу, состоящую из металла, его карбидов, окислов и силикатов; при ковке оно рассыпается.

Первоначальные опыты ранних гончаров с окислами железа были связаны, скорее всего, с ролью последних как красящего вещества, от примеси которого зависит цвет глины (в частности, бурый) и цвет керамики (красный при окислении железа, темно-серый или черный при восстановлении железа из окислов). Максимальный красящий эффект достигался при температуре около 900°C с добавление флюса, в том числе 7 % костной смеси (CaО, P₂О₅), но в этом случае получаются также и железные крицы, пригодные для ковки. А без флюса получается губчатое железо, для ковки не пригодное.

При температурах 1075°C и выше уже даже без добавки костной смеси образовывались такие железные крицы, которые можно ковать. Как известно, медь плавится при 1083°C, и получается, что металлургия чистой меди к железа могли возникнуть одновременно.

Но для получения железа путем прямого восстановления его окислов сыродутным методом нужна температура выше 1400°C, а более определенно она зависит от сырья. Так, для восстановления FeО достаточно 1420°C, для Fe₃O₄ — 1538°C, а для Fe₂O₃ — 1565°C. Попутно отметим, что температура от 1400 до 1540°C требуется и для производства стекла. Так что производство железа сыродутным способом, как и производство стекла, стало следствием температурного потенциала, достигнутого цивилизацией.

Казалось бы, относительная простота технологии получения железа, сравнительно с технологией выплавки бронзы, и значительно большая доступность сырья должны были бы способствовать быстрому вытеснению бронзы железом. Но железные руды менее ярки, а потому менее заметны, чем медные, так что, несмотря на распространенность, их поиск на первых порах был более сложным. Кроме того, из бронзы без труда можно делать отливки, тогда как плавка железа сразу требовала весьма высоких температур и особой техники. Для первобытных металлургов был важен и результат их тяжелых усилий, они знали, что железо, полученное в их примитивных горнах, чересчур мягкое. Оно не сразу смогло соперничать с бронзой в качестве материала для изготовления орудий труда и оружия.

Производство железа сыродутным способом существовало у ряда африканских племен еще в конце XIX века. Сыродутный горн сооружался из глины или из камней, обмазанных глиной. В стенах оставлялись отверстия для дутья, обычно два на противоположных сторонах. В эти отверстия вставлялись глиняные трубки (сопла), на которые надевали кожаные мехи, приводившиеся в движение, как правило, рычагами. Горн засыпался древесным углем и железной рудой. Частицы железа при сыродутном способе свариваются в крицу, комок железа, представляющий собой, после проковки его молотом, предварительный материал для кузнечной работы.

В Западной Европе для плавки железа использовали простейшие ямы диаметром около 1,5–1,6 и глубиной 0,6–1 метров. Ямы были обмазаны двумя слоями глины толщиной 16 и 8 сантиметров. Сохранились следы глиняных сопел для принудительного дутья. В более ранних типах европейских железоделательных сооружений для дутья использовали естественный ветер (в частности, горный). При слабом ветре приходилось создавать движение воздуха, размахивая веером из ветвей деревьев.