Прыжок в прошлое. Эксперимент раскрывает тайны древних эпох

Восстановление железа начинается уже приблизительно при температуре 500 °C. Вы, вероятно, сейчас зададите вопрос, почему железо стало применяться на столетия или тысячелетия позже меди и бронзы. Это объясняется условиями его тогдашнего производства. При тех температурах, которые достигались первыми металлургами в их горнах и печах (около 1100 °C), железо никогда не переходило в жидкое состояние (для этого необходимо хотя бы 1500 °C), а скапливалось в виде тестообразной массы, которая в благоприятных условиях сваривалась в крицу, пропитанную шлаком и остатками горючих материалов. При такой технологии в железо из древесного угля переходило ничтожно малое количество углерода — около одного процента, поэтому оно было мягким и поддающимся ковке даже в холодном состоянии. Изделия из такого железа не достигали твердости бронзы. Острия легко загибались и быстро затуплялись. Это было так называемое прямое, непосредственное производство железа. Оно сохранялось вплоть до XVII столетия. Правда, в некоторых доисторических и раннесредневековых печах можно было получить железо с более высоким уровнем углеродистости, то есть некое подобие стали. Только с XVII столетия стали применяться печи, где железо производилось в жидком состоянии и с высоким содержанием углерода, то есть твердое и хрупкое, из которого отливался слиток. Для получения стали необходимо было высокоуглеродистому железу придать ковкость путем удаления части содержащегося углерода. Поэтому такой метод называется непрямым производством железа. Но и доисторические кузнецы путем экспериментов расширяли свой опыт. Они обнаружили, что, нагревая железо в кузнечном горне, когда температура от древесного угля достигнет 800–900 °C, можно получать изделия с гораздо лучшими свойствами. Дело в том, что на их поверхности образуется тонкий слой с более высоким содержанием углерода, который придает предмету качества низкоуглеродной стали. Твердость железа возросла, когда был открыт принцип закалки и стали использоваться его преимущества.

Вероятно, самый ранний эксперимент в изучении древней металлургии распорядился провести около ста лет назад граф Вурмбранд. Его рабочие-металлурги в простейшем горне диаметром полтора метра использовали древесный уголь, обожженную руду и в процессе плавки улучшали условия горения слабым нагнетанием воздуха. Через двадцать шесть часов они получили приблизительно двадцатипроцентный выход железа, из которого выковали различные предметы. Сравнительно недавно плавку железной руды в аналогичном устройстве провели и английские экспериментаторы. Простой плавильный горн они реконструировали по подобию горна, обнаруженного на одной древнеримской стоянке. Оригинальный горн имел диаметр 120 см и глубину 45 см. Перед плавкой английские исследователи обожгли руду в окислительной среде при температуре 800 °C. После зажигания древесного угля в горн постепенно добавляли новые слои руды и древесного угля. В ходе эксперимента было использовано искусственное дутье фурмой. Для того, чтобы один слой руды, восстановленный окисью углерода, проник в под, требовалось около четырех часов. Рабочая температура доходила до 1100 °C, и железо скапливалось около устья фурмы. Выход в процессе плавки составил 20 процентов. Из 1,8 кг руды было получено 0,34 кг железа.

Опыты Гиллеса в 1957 году открыли серию экспериментов, посвященных восстановлению руды в различных типах шахтных печей. Уже в первых опытах Иозеф Вильгельм Гиллес доказал, что доисторическая печь шахтной конструкции могла успешно работать, используя естественное движение воздуха на подветренных склонах. Во время одного из тестов он зафиксировал в центре печи температуру от 1280 до 1420 °C, а в пространстве колосника — 250 °C. Результат плавок — 17,4 кг железа, то есть 11,5 процента: шихта состояла из 152 кг бурого железняка и железного блеска и 207 кг древесного угля.

Множество опытных плавок в репликах печей римской эпохи провели в Дании, особенно в Лейре. Выяснилось, что одна удачная плавка может дать 15 кг железа. Для этого датчане должны были использовать 132 кг болотной руды и 150 кг древесного угля, который получили жжением одного куб. м древесины лиственных пород. Плавка продолжалась около 24 часов.

Систематические эксперименты проводятся в Польше в связи с изучением обширного железоделательного ареала, открытого в Свентокшиских горах. Его расцвет относится к поздней римской эпохе (от третьего до четвертого столетия н. э.). Только с 1955 по 1966 год археологи исследовали в Свентокшиских горах 95 металлургических комплексов с более чем 4 тысячами железоплавильных печей. Археолог Казмеж Беленин полагает, что общее число таких комплексов в этом ареале составляет 4 тысячи с 300 тысячами печей. Объем их продукции мог достигать 4 тысяч тонн железа рыночного качества. Это огромная цифра, не имеющая аналогов в доисторическом мире.