«Принцы» и «нищие» в царстве минералов

Наши далекие предки получали железо так называемым сыродутным методом. Сыродутные печи устраивали обычно на склонах оврагов и канав. Они имели вид трубы, которую заполняли древесным углем и железной рудой. Уголь зажигали, и ветер, дувший в склон оврага, поддерживал горение угля. Железная руда восстанавливалась, и получалась мягкая крица — железо с включениями шлака. В нем содержалось немного углерода и примесей, перешедших из руды. Крицу ковали, куски шлака отваливались, и под молотом оставалось железо, пронизанное шлаковыми нитями. Из него отковывали различные орудия.

С появлением мехов для дутья отпала надобность устраивать сыродутные горны на склонах. Появились печи нового типа — так называемые «волчьи ямы», которые выкапывали в земле, и домницы, которые возвышались над землей. Их делали из камней, скрепленных глиной.

Извлечение крицы из горна домницы (изображение на древнегреческом сосуде)

При извлечении крицы из печи выливался и расплавленный чугун — железо, содержащее более 2 % углерода и плавящееся при более низких температурах. В твердом виде чугун нельзя ковать, он разлетается на куски от удара молотом. Поэтому чугун, как и шлак, считался вначале отходом производства. Англичане даже назвали его «свинским железом» — pig iron. Только потом металлурги сообразили, что жидкий чугун можно заливать в формы и получать из пего различные изделия, например пушечные ядра.

Людям древности и раннего средневековья было знакомо и другое железо — знаменитая дамасская сталь (булат). Ее делали на Востоке еще во времена Аристотеля (IV в. до н. э.). Но технология ее производства и изготовление булатных клинков много веков держались в секрете.

Секрет булата не давал покоя металлургам многих веков и стран. Какие только способы и рецепты не предлагались! В железо добавляли золото, серебро, драгоценные камни, слоновую кость. Пробовали даже для закалки погружать клинок не в воду, а в тело мускулистого раба, чтобы его сила перешла в сталь.

Раскрыть секрет булата удалось в первой половине прошлого века русскому металлургу П. П. Аносову. Он объяснил происхождение уникальных свойств булата, связав их со структурой. Дендриты состоят из тугоплавкой, по относительно мягкой стали, а пространство меж их «ветвями» заполняется в процессе застывания металла более насыщенной углеродом, т. е. более твердой, сталью. Отсюда большая твердость и большая вязкость одновременно. Другой русский металлург — Д. К. Чернов установил, при каких температурах происходят фазовые превращения стали, изменяющие ее структуру («точки Чернова»).

После смерти П. П. Аносова секрет булата был вновь утерян. В третий раз его открыли уже в середине XX в.

Домницы превратились в домны в конце XVIII в. Одному из демидовских приказчиков пришла в голову мысль подавать дутье в доменную печь не через одно сопло, а через два, расположив их по обеим сторонам горна. Число сопел, или фурм, росло, дутье становилось все более равномерным, увеличивался диаметр горна, повышалась производительность печей.

Еще два открытия сильно повлияли на развитие доменного производства. Долгие годы топливом доменных печей был древесный уголь. Существовала целая отрасль промышленности, занимавшаяся выжиганием угля из дерева. В результате леса в Англии вырубили до такой степени, что был издан специальный указ королевы, запрещающий уничтожать лес ради нужд черной металлургии. После этого английская металлургия стала быстро хиреть. Британия была вынуждена ввозить чугун из-за границы, главным образом из России. Так продолжалось до середины XVIII в., когда Абрагам Дерби нашел способ получения кокса из каменного угля. Кокс стал основным топливом для доменных печей.

Основным потребителем железа к концу XVIII в. стали дороги, названные его именем. День рождения железной дороги — 14 июля 1830 г., когда на конкурсе паровозов в Англии победила «Ракета», построенная Дж. Стивенсоном. «Она летала, как ветер», — говорили лондонцы. «Ракета» развивала скорость около 30 км/ч.

Минералургия железа

Железо входит в состав более чем 300 минералов, занимая 4,65 % массы земной коры. Оно накапливается в магме и осадках, образуя различные виды месторождений с содержанием железа до 50–60 %. Это оно придает красный, бурый и желтый цвет горным породам, глинам, пескам.

Однако промышленных минералов железа всего несколько. Главный из них — магнетит, магнитный железняк (Fe₂O₃ * FeO), смесь оксидов двух- и трехвалентного железа. Месторождения магнетита известны во многих странах мира. В СССР наиболее крупные — Уральские, Курская магнитная аномалия, Криворожские и другие, благодаря им наша страна занимает первое место в мире по запасам железных руд.