Самый древний способ получения металла

Европейская металлургия от костра до мартена

На протяжении всей истории человечества образ хозяйствования нашей цивилизации определяли металлы. Вообще говоря, все первые металлы, открытые человечеством, стоят правее водорода в электрохимическом ряду напряжений металлов. Это так просто потому, что все остальные по закону неумолимой термодинамики будут окислены во влажных и окислительных условиях атмосферы и литосферы. Точнее говоря, те, что правее водорода, тоже будут окислены – но сильно позже. А пока что встречайте: медь, серебро, золото, сурьма!


Справа все интересующие нас металлы, а заодно ртуть и платина. Не влезли палладий и висмут, но они встречаются реже метеоритов

Все эти элементы при определенной доле удачи могут быть встречены в самородном виде – неслыханное счастье для тех, кому до того предстояло пользоваться каменными орудиями труда. Металлу можно придавать почти любую форму, он не раскалывается, а деформируется при ударах, а еще его можно затачивать и делать качественно лучшие орудия труда. Золото, серебро и медь уже к позднему неолиту вовсю использовались для изготовления украшений, а в 6 тысячелетию человечество открыло для себя медные инструменты. Однако самым лучшим доступным металлом было, конечно, железо. Для того, чтобы найти его в чистом виде, нужно поистине дьявольское везение – оно встречается только в упавших метеоритах и является настоящей царской прерогативой (так, кинжал из гробницы Тутанхамона сделан именно из такого железа).

Новую веху в истории обработки металлов ознаменовала восстановительная металлургия. Люди открыли, что, если спекать некоторые минералы с углем, в камешках получившегося шлака заблестят кусочки меди. Это позволило человечеству перейти на небывало высокий по сравнению с неолитом уровень технологий. Новые медные инструменты и так были на порядок лучше каменных, но теперь они стали по-настоящему доступны. Вскоре появились первые печи для плавки меди, которые, например, можно найти в древних городах Анатолии. Так, первое найденное литое изделие датируется 5000 г. до н. э.


диаграмма Эллингема

Теперь сделаем небольшое отступление обратно к современности и обратим свои взоры на диаграмму Эллингема. Эта диаграмма показывает нам, насколько при разных температурах стабильны различные оксиды. Также она позволяет легко определить, восстановит ли углерод или угарный газ нужный оксид до металла при данной температуре – для этого всего лишь нужно посмотреть, в какой точке линия С и СО становится ниже линии соответствующего металла. Из нее можно понять, например, что даже при небольшом нагревании и углеродом, и угарным газом медь восстановится со свистом, а вот чтобы восстановить железо, придется хорошенько постараться (но все же меньше, чем для многих других металлов).

Проблема состоит не только в этом. Мало просто восстановить металл, необходимо его еще и расплавить, иначе вместо слитка, которому можно придать любую форму, получится просто серый (в случае железа) или красный (в случае меди) порошок. Поэтому для эффективного изготовления железных изделий нужна такая печь, которая сможет расплавить железо. Однако построить ее не так-то просто, первые железоделательные печи появились на территории той же Анатолии у хеттов примерно к 1200 г. до н. э. До этого человечество обходилось медью или бронзой – сплавом меди с мышьяком или оловом (бронза была попрочнее меди, дольше изнашивалась и плавилась при меньшей температуре).


Сыродутная печь

Такие требования сформировали облик европейской железной металлургии на многие века. Схема печи оставалась общей: высокая глиняная/земляная труба, в которой вперемежку уложены слои железной руды (как правило, болотной бурой слизи или каменной руды) и древесный уголь. Все это мероприятие было крайне малопрофитным в смысле целевого продукта, в железо превращалось около 30% руды в лучшем случае. Несмотря на это, железные орудия были на порядок выгоднее орудия из любого другого металла, доступного европейцам, из-за не в пример большего качества.

Описанный выше способ выплавки железа назывался сыродутным. Получившийся кусок железа содержал крайне большое количество шлаков, поэтому его проковывали большое количество раз. При этом получившееся железо обладало существенным недостатком. При получении оно было крайне твердым и незатачиваемым (так как содержало большое количество углерода), а при дальнейшем выгорании – очень мягким. Поэтому единственным способом получить нормальное, функциональное изделие было сваривание нескольких пакетов железа методом проковки сложенных слоев железа, просыпанных между собой бурой. Усовершенствовав технологи многократной проковки заготовки до предела и чередуя мягкие и твердые слои железа, человечество научилось изготавливать булатную сталь – один из лучших видов металлургической продукции своего времени.

Одним из основных шлаков в металлургическом производстве Средневековья был чугун. Он выплавлялся из руды раньше всех, потому что в нем больше углерода, а, чем больше в каком-либо твердом веществе примеси, тем ниже его температура плавления. Также чугун крайне хрупок и тяжел, что затрудняло его применение в металлургии. Довольно большая часть железа всегда уходила в шлаки в виде чугуна, откуда его было уже не выдернуть. В больших по размеру печах (штукофенах и блауофенах) с четырех-пятиметровыми «резервуарами» для руды и угля в чугун и шлак уходило просто огромное количество железа. Обычно из чугуна потом изготавливали низкотехнологические изделия типа кувалд, ядер и прочего. Забавный факт – и по сей день шлаки металлургического производства используются в дорожном строительстве как материал для брусчатки.


Схема современной доменной печи

Следующей вехой развития железного производства стали доменные печи. Человечество догадалось, что, если печь сделать достаточно большой, можно будет подбрасывать в нее уголь и руду прямо в процессе плавки, а железо, сталь, чугун и шлаки сливать из нее через отдельные летки. Этот процесс в 15-16 вв. стал очередным технологическим бумом для Европы – несмотря на то, что доменную печь нельзя было останавливать, а угля и руды она жрала абсолютно непомерное количество, она позволила европейцам превзойти весь мир по выплавке металла на душу населения, а, следовательно, по артиллерийской мощи.

С учетом роста населения и постоянно растущего спроса на железо его производство на душу населения в 11-13 вв. достигало порядка килограмма на человека в год. Для сравнения – современный небольшой ножик весит порядка 200 граммов, лезвие небольшого топора – около 700 граммов, а ведь еще нужно на чем-то готовить, чем-то строить, опять же всяческие метизы типа гвоздей, скоб, крюков и прочего. В итоге мы понимаем, что уровень сыродутной металлургии даже с учетом перекрытия некоторых потребностей другими металлами давал ужасающе мало.

Ситуация менялась, как ни парадоксально, с увеличением количества металлических изделий – можно было срубать больше деревьев, прокапывать более глубокие шахты, возводить более сложные конструкции. Производство росло в геометрической прогрессии – размер печей для выплавки железа все увеличивался, увеличивался от простой сыродутной печи к штукофену и блауофену и наконец-то вырос до настоящей домны с непрерывным циклом выплавки. И тут понеслась – положительная обратная связь сделала свое дело.

Всеевропейское внедрение в 15-16 веках доменной печи сразу, буквально за несколько десятилетий, увеличило количество производимого на душу населения железа втрое, а то и вчетверо. Нашей цивилизации впервые стали по-настоящему доступны каменные железные руды. Забегая вперед, скажу, что в Швеции, стране, которая на тот момент поставляла больше половины всего европейского железа, к 18 веку производство достигло невероятных 20 кг железа на человека. Впрочем, до обогащения и прочих технологических процессов мы пока еще не дошли – пока что это просто загрузка печи камнями руды, углем и флюсом – специальным веществом, чтобы снизить количество примесей в плаве и уменьшить температуру плавления.

Проблемой доменного производства была необходимость в огромном количестве качественного древесного угля – каменный уголь содержал много вредных для железа примесей, поэтому деревья приходилось вырубать в огромных масштабах. Об экологии тогда никто не заботился, но бескрайние леса были, очевидно, не во всех странах. Также откровенным минусом все еще был уход огромного количества железа в чугун, хрупкий и потому не годный для создания инструментов и метизов. Единственной масштабной отраслью применения чугуна было артиллерийское дело – на отливку пушек и ядер шли многие тонны чугуна. И вот тут человечество сделало пока чисто эмпирическое, но очень важное открытие – из чугуна при высокой температуре может выгорать углерод. Естественно, ни о каком углероде речь тогда не шла, но этот факт позволил железоделательному производству перейти еще на один технологический уровень выше.

Читайте также:  Что такое металл хирурга

Все помнят, как в морозилке замерзает соленая вода? Образуется большая ледышка, самого рассола становится меньше, концентрация соли в нем растет. Похожий процесс происходит и при плавлении чугуна на воздухе. Углерод из него частично выгорает, частично переходит в жидкую фазу, а на дне печи начинают образовываться кристаллы железа. Это явление заметил английский металлург Генри Корт, и вскоре практика пудлингования – перемешивания расплава чугуна вошла в Британии в крайне широкое распространение.


Печь для пудлингования. 1) Под 2) Труба с клапаном для регулирования силы тяги 3) Порог, отделяющий металл в рабочем объёме от топлива 4) Колосниковая решётка, на которой находится горящее топливо (уголь) 5) Боковое окно для пудлинговщика 6) Окно для заброса топлива

Как происходило пудлингование? Сначала в печи, обложенной огнеупорной футеровкой (отделка печи, позволяющая оградить тело печи от разрушительного влияния расплавов) без доступа открытого пламени расплавлялся чугун. По прошествии некоторого времени рабочие засовывали в расплав огромные железные штанги (около 40 килограммов весом) и начинали интенсивно перемешивать его. Вскоре на штангах выкристаллизовывалось чистое железо, температура плавления которого намного выше, чем у чугуна. Далее получившуюся крицу вынимали из расплава, проковывали и разделяли на слитки.

Естественно, процесс этот был далеко не из самых легких, однако он позволил высвободить для промышленности огромное количество чистого железа и разом решить проблему переизбытка чугуна. Процесс пудлингования доминировал в металлургии на протяжении практически ста лет, после чего был вытеснен сразу тремя способами – бессемеровским (открытым Генри Бессемером в 1856 году), томасовским (открытым в 1878 году Сидни Гилкристом Томасом) и мартеновским.


Принцип работы любого конвертера

Бессемеровский и томасовский процессы довольно схожи. В качестве основного реактора используется веретенообразная печь с огнеупорной футеровкой (в случае бессемеровского процесса – кислой, содержащей SiO2, в случае томасовского – основной, содержащей доломит CaCO3xMgCO3). В процессе плавки печь нагревается, опять же, без доступа открытого пламени, после чего продувается сжатым воздухом через сопла, расположенные в дне печи. Расплав поддерживается в горячем состоянии из-за процесса окисления примесей руды, проходящего с выделением температуры. Далее полученное железо подвергается дополнительному науглероживанию с образованием стали. Основное отличие двух способов состоит в химическом составе плава.

В томасовском процессе могут быть использованы загрязненные серой и фосфором руды – продукты окисления фосфора и серы связываются материалом футеровки, давая окисляющий железо углекислый газ. У этого способа есть недостаток – фосфор и сера удаляются из плава не в полном объеме, поэтому железо получается более ломким. В бессемеровском же процесса футеровка печи не позволяет использовать основные флюсы, что делает его более требовательным к качеству руды. Однако этот способ дает более качественное железо, что и определило его производственное преимущество в долгосрочной перспективе.

Настало время сказать несколько слов и про мартеновский процесс. Он был открыт в 1864 году французским инженером Пьером Мартеном. Основное его отличие от бессемеровского и томасовского способов состоит в том, что газообразное топливо (обычно природный газ или коксовый газ) подаются прямо в зону плавки, где расплавляют чугун и одновременно окисляют его. Мартеновский процесс получил особенно широкое распространение в качестве способа передельной металлургии, которая использует для выплавки новой стали железный лом.

Сейчас практически все процессы старины глубокой (кроме доменной выплавки, конечно) уже ушли в прошлое. Их заместили новые гиганты – конвертерно-кислородный (переиначенный бессемеровский) и электродуговой способы выплавки стали. Однако история их, как мне кажется, довольно увлекательна, чтобы помнить ее и интересоваться ей.


Божественно прекрасный томасовский конвертер

Автор: Павел Ильчук

VPS серверы от Маклауд быстрые и безопасные.

Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!

Источник

Металлургия древности. Древний мир бронзового литья

До тех пор пока люди не научились использовать железо, цветные металлы и их сплавы были основным материалом для изготовления вооружения, орудий труда, инструментов, предметов домашнего обихода и, естественно, украшений.

Главными металлургическими технологиями были литейные: искусство обработки жидкого металла позволяло получать уникальные бронзовые изделия и бытовые предметы. Именно в эту эпоху появились вещи, сопровождающие человека в его повседневном существовании, и инструменты, являющиеся символами основных технических профессий. Это время получило название бронзового века.

В 2000 г. Япония первой в мире провозгласила себя страной с «рециркуляционной» экономикой. Был принят ряд законов, направленных на максимальное использование вторичных ресурсов, в том числе металлического лома. Принцип «3R» сегодня знает каждый японский первоклассник: это «Recycling» (использование в качестве вторичных ресурсов), «Reuse» (повторное использование) и «Recovery» (восстановление вторичных материалов). Впервые официальное определение приведенных понятий было дано в Постановлении о переработке использованных автомобилей, принятом Евросоюзом в 1997 г. Однако подобные, причем очень строгие, законы о порядке переработки металлического лома существовали во всех великих империях Древнего мира: в Ассирии, Китае, Египте, Риме. Использование технологий бронзового литья и ковки позволяло с успехом воплощать принцип «3R» в древней цветной металлургии.

Древняя цветная металлургия

Ключевыми техническими преобразованиями бронзового века, продолжавшегося в течение двух тысячелетий, принято считать освоение ирригационного земледелия и полного металлургического цикла производства металлов, включавшего добычу руды, выжиг древесного угля, подготовку материалов, выплавку и рафинирование чернового металла, литье, ковку, волочение проволоки, другие виды металлообработки и рециклинг металлолома.

В этот период были освоены технологии выплавки и обработки металлов, получивших название «семь металлов древности»: меди, золота, свинца, серебра, железа, ртути и олова. Общепризнано, что определяющую роль в техническом прогрессе в бронзовую эпоху сыграло появление литых топоров, мечей и мотыг – основных видов орудий труда и оружия. Основой цивилизации стала металлургия меди и бронзы.

Топор. Село Кобан, Северная Осетия. Конец 2-го – начало 1-го тысячелетия до н.э.

Для производства меди повсеместно использовались как окисленные, так и сернистые руды. Месторождения меди обычно делятся на две зоны. Верхняя часть, находящаяся над уровнем грунтовых вод, представляет собой зону окисления. В ней располагаются минералы, основу которых составляют легковосстановимые оксиды меди – малахит, азурит. Нижняя, основная часть месторождения формируется сульфидными рудами – халькопиритом (CuFeS2) и халькозином (Сu2S). Содержание меди в сульфидных рудах намного ниже, чем в окисленных. После истощения верхних слоев человеку пришлось использовать более бедные сульфиды, а это потребовало разработки принципиально новых (инновационных) металлургических технологий.

Древние металлурги нашли решение проблемы. Было обнаружено, что добавление в шихту в достаточном количестве (около 30 %) красноватого или коричневого материала приводит к увеличению объема выплавки и повышению качества меди. Этим материалом была железная руда в виде гематита или лимонита, часто присутствующая на открытых частях месторождений халькопирита. Добавление железной руды принципиально изменяло процесс выплавки меди. Одним из продуктов реакций восстановления становился монооксид железа. При температуре около 1200 °С он реагировал с SiO2 пустой породы с образованием фаялита (Fe2SiO4), который превращался в основную составляющую жидкого шлака. Таким образом, железная руда играла роль флюса. Такая технология имела определяющее влияние на дальнейшее развитие металлургии. Шлак, образующийся при выплавке меди, практически идентичен шлаку, который позднее получался при выплавке железа в сыродутных горнах.

При использовании сернистых руд требовалось проведение ряда подготовительных операций. Широко практиковалось окисление раздробленной руды на воздухе в течение длительного времени. Благодаря воздействию влажного воздуха и атмосферных осадков руда обогащалась кислородом и теряла часть серы. Важную роль играл предварительный обжиг сернистой руды, при котором происходили выгорание серы и разрыхление руды. Его проводили в кучах, в специально устраиваемых ямах, а также в особых сооружениях – стойлах. Размеры стойл были значительны: их каменные стены достигали 12,5 м в длину и 1,5 м в ширину.

Повышение температурного уровня плавки зависело, прежде всего, от совершенствования техники и технологии дутья. Определяющую роль играло использование естественного дутья – силы ветра. Эффективными были печи, встраиваемые в естественный ландшафт. Они часто строились с подветренной стороны холма, имели соединяющиеся горизонтальный и вертикальный каналы, были обложены камнями и обмазаны глиной. В этом случае достигался «эффект трубы», усиливавший приток воздуха в агрегат. В поду некоторых печей были металлоприемники – углубления для установки горшков, в которые через специальные отверстия стекал металл.

Читайте также:  Проверочная работа по теме щелочные металлы ответы

Значительный прогресс последовал вслед за изобретением простейших ручных, а затем и ножных мехов. Они изготовлялись из шкур животных и представляли собой примитивный тип насоса с резервуарами, приспособленными для наполнения их воздухом. Ручные и ножные мехи широко использовались уже в 3-м тысячелетии до н. э. Металлургические печи с искусственным дутьем были, как правило, прямоугольными или цилиндрическими, с толстыми стенками высотой до 1 м, сложенными из камня и изнутри обмазанными глиной, целиком глинобитными или выложенными из кирпича.

Выплавленные из руды слитки меди содержали значительное количество шлаковых включений. Их отделяли ударами молотов. Рафинирование черновой меди осуществляли в тиглях и небольших горнах. При этом на расплавленную черновую медь дутьевыми трубками подавали воздух, основная масса оставшихся в ней примесей, кроме благородных металлов (золота и серебра), окислялась и формировала шлак.

Бронзолитейное искусство

Бронзовый век представляет собой эпоху бурного развития металлообработки. Технология изготовления металлических изделий в это время, как правило, включала совместное применение приемов, как литейной, так и кузнечной технологии, последующие полирование и гравирование изделий.

Сначала применяли литье в открытые глиняные или песчаные формы. Их сменили открытые формы, вырезанные из камня, и формы, у которых углубление для отливаемого предмета находилось в одной створке, а другая, плоская, играла роль крышки. Следующим шагом стало изобретение разъемных форм и закрытых форм для фигурного литья. В последнем случае сначала из воска лепили точную модель будущего изделия, затем ее обмазывали глиной и обжигали в печи. Воск плавился, а глина принимала точный слепок модели и использовалась в качестве литейной формы. Этот способ получил название литья по восковой модели. Мастера получили возможность отливать пустотелые предметы очень сложной формы. Для образования полости практиковалась вставка в формы особых глиняных сердечников – литейных стержней. Несколько позднее были изобретены технологии литья в стопочные формы, в кокиль, в различные формы с креплением литейного стержня на каркасе, литье по выплавляемым моделям и армированное литье.

Древние литейные формы изготовляли из камня, металла и глины. Глиняные литейные формы, как правило, получали путем оттиска в глине специально сделанных моделей из дерева и других материалов. В качестве моделей могли применяться и сами отлитые металлические изделия. Следует отметить, что формы, вырезанные из камня или литые металлические, вследствие их большей ценности не всегда служили для литья изделий, а могли использоваться для изготовления в них легкоплавких моделей. Например, в некоторых районах Англии была отмечена отливка в бронзовых литейных формах свинцовых моделей.

Развитие литейных технологий

Металлические формы в основном изготовляли из меди, так как она имеет значительно более высокую температуру плавления, чем бронза, для отливки которой они и предназначались. Применение кокилей позволяло получать отливки сложного профиля, с мелкими деталями, точный негатив которых было трудно вырезать в каменной форме. Переход на металлическую форму, более прочную, чем глиняная, и более простую в изготовлении, чем каменная, позволил соединить преимущества двустворчатых форм, приспособленных к многократному использованию, и отливок по восковой модели. Например, в рассматриваемое время повсеместно применялось литье удил из двух или четырех свободно соединенных звеньев, для получения которых на каждое звено требовались отдельный литник (канал для подвода металла) и складная форма, по крайней мере, из четырех частей.

Постоянной практикой стала дополнительная проковка отлитых изделий без изменения формы в целях повышения твердости, плотности и эластичности (пластичности) материала. Основным видом изделий, подвергавшихся подобной обработке, являлись орудия труда и некоторые виды оружия – мечи и кинжалы. Ковку использовали в процессе изготовления булавок, которые подвергались также гравированию или чеканке. Такие же приемы обработки применяли и к украшениям.

а. Литье в открытую форму б. Литье в разъемную форму с литейным стержнем

Эпоха металлов наступила тогда, когда повсеместно была освоена технология изготовления литых топоров и мечей. Необходимость объединить в одном орудии труда каменное рубило и деревянную палицу возникла у человека уже в каменном веке. Первые бронзовые топоры, изготовленные методом литья, повторяли форму каменных, однако новые требования к орудиям труда и необычные в сравнении с камнем свойства бронзы способствовали быстрому совершенствованию литых изделий. Появились топоры сложных форм, с закраинами, вислообушные, кельты. Их изготовление требовало высокого развития литейного ремесла: сложная конфигурация отливки и наличие отверстия значительно усложняли устройство разъемных каменных форм. Появление усовершенствованных литых бронзовых топоров сыграло исключительную роль в развитии многих народов: облегчило строительство жилищ и изготовление других орудий труда и предметов быта, упростило освоение лесистых местностей земледельцами и т. п. Литые мечи и кинжалы раньше других бронзовых изделий стали произведениями искусства. Древние мечи, найденные при археологических раскопках, часто снабжены не только замысловатыми рукоятями с литыми узорами, но и богатой инкрустацией из серебра, золота и драгоценных камней.

Как отмечалось выше, ранний бронзовый век представлял собой эпоху безраздельного господства мышьяковой бронзы. Олово пришло на смену мышьяку только во 2-м тысячелетии до н. э. Отметим, что технология обработки оловянной бронзы заметно сложнее, так как зачастую требует горячей ковки (хотя и при низких температурах). На поверхности земли минералы олова встречаются достаточно редко. Почему же в позднем бронзовом веке оловянная бронза практически повсеместно вытеснила мышьяковую? Главная причина заключалась в следующем. В древности люди относились к металлическим предметам чрезвычайно бережно ввиду их высокой стоимости. Поврежденные предметы отправлялись в ремонт или на переплавку. Отличительной особенностью мышьяка является возгонка при температуре около 600 °С. Именно при такой температуре проводился отжиг ремонтируемых бронзовых изделий. С потерей мышьяка механические свойства металла ухудшались и изделия, изготовленные из бронзового лома, получались низкого качества. Объяснить это явление древние металлурги не могли. Однако достоверно известно, что вплоть до 1-го тысячелетия до н. э. изделия из медного и бронзового лома стоили дешевле, чем изделия из рудного металла.

Было и еще одно обстоятельство, способствовавшее вытеснению мышьяка из металлургического производства. Пары мышьяка ядовиты: их постоянное воздействие на организм приводит к ломкости костей, заболеваниям суставов и дыхательных путей. Хромота, сутулость, деформация суставов были профессиональными заболеваниями мастеров, работавших с мышьяковой бронзой. Данное обстоятельство находит отражение в мифах и преданиях многих народов: в древнейших эпосах металлурги часто изображаются хромыми, горбатыми, иногда – карликами, со скверным характером, с косматыми волосами и отталкивающей внешностью. Даже у древних греков бог металлург Гефест был хромым.

Оловянная бронза

Олово, необходимое для производства оловянной бронзы, стало последним из семи великих металлов древности, ставшим известным человеку. Оно не присутствует в природе в самородном виде, а касситерит – его единственный минерал, имеющий практическое значение, является трудновосстановимым и малораспространенным.

Тем не менее, этот минерал был известен человеку уже в глубокой древности, поскольку касситерит является спутником (хотя и редким) золота в его россыпных месторождениях. Благодаря высокой удельной массе золото и касситерит в результате промывки золотоносной породы оставались на промывочных лотках древних старателей. И хотя факты использования касситерита древними ремесленниками не известны, сам минерал был знаком человеку уже во времена неолита.

По-видимому, впервые оловянная бронза была произведена из полиметаллической руды, добытой из глубинных участков медных месторождений, в состав которой наряду с сульфидами меди входил и касситерит. Древние металлурги, уже располагавшие знаниями о положительном влиянии на свойства металла реальгара и аурипигмента, достаточно быстро обратили внимание на новый компонент шихты – «оловянный камень». Поэтому появление оловянной бронзы произошло, скорее всего, сразу в нескольких промышленных регионах Древнего мира.

Производство и рециклинг изделий из оловянной бронзы во 2-м тысячелетии до н. э.

В гробнице высокопоставленного египетского чиновника XVIII династии (около 1450 г. до н. э.) найдено изображение технологического процесса получения бронзовых отливок. Трое рабочих под наблюдением надсмотрщика подносят металл. Двое рабочих с мехами раздувают огонь в горне. Рядом изображены плавильные тигли и куча древесного угля. В центре показана операция разливки. Иероглифический текст поясняет, что эти картины иллюстрируют отливку больших бронзовых дверей для храма, и что металл по приказу фараона доставлен из Сирии.

Литье бронзы в Древнем Египте около 1450 г. до н. э.

Древнейшими предметами из олова считаются браслеты, найденные на острове Лесбос. Они датируются 3-м тысячелетием до н. э. Олово было одним из наиболее дефицитных и дорогих металлов Древнего мира. Даже в 1-м тысячелетии до н. э. металлическое олово имело крайне ограниченное распространение. Оно применялась, главным образом, для изготовления мелкой косметической посуды и некоторых деталей защитного вооружения, требовавших высокой пластичности (например, из олова делали книмиды – доспехи, защищавшие голени ног, которые держались на них без шнуров и застежек, а лишь благодаря упругости и эластичности). Практически все добываемое в то время олово расходовалось на производство бронзы.

Читайте также:  Спиральное сверло по металлу описание

Основные месторождения олова в эпоху Древнего мира были в Испании, Индокитае, Британских островах, которые греки называли «оловянными» – касситеридами. Кроме того, оловянная руда добывалась на Апеннинском полуострове (этрусками), в Греции (в Хризейской долине около города Дельфы), в Сирии. По мнению большинства историков, своим названием бронза обязана крупному римскому порту Брундизию, через который осуществлялась торговля империи с восточными странами. Однако существует и другая версия, упоминаемая римским историком Плинием, который считал, что название сплава произошло от персидского слова, обозначавшего «блеск меча».

Преимущества оловянной бронзы перед медью, мышьяковой бронзой и латунью заключались в высоких твердости, коррозионной стойкости и прекрасной полируемости. От способности олова повышать твердость бронзы и происходит его современное международное название – «станнум». Отметим, что корень «ст», звучащий в слове «стан» и во многих производных от него словах современных языков, является одним из древнейших общеиндоевропейских корней и обозначает признак прочности или устойчивости.

Зеркало, бритва и маникюрные ножницы

Многие предметы быта и вооружения стало возможно производить только после освоения технологии производства и обработки оловянной бронзы. Это относится, например, к изготовлению длинных мечей, бритвенных ножей и особенно к полированным зеркалам. Можно сказать, что появление оловянной бронзы ознаменовало переворот в древней магии.

Особое отношение к зеркалу характерно для всей территории древней Евразии. С помощью зеркала древний человек мог вступать в магические отношения с потусторонним миром: у многих народов существовало представление об отражении лица в зеркале как о выражении духовной сущности человека. В связи с этим нельзя не вспомнить сохранившееся до наших дней поверье, согласно которому разбитое зеркало означает несчастье.

Наибольшее распространение зеркало получило в качестве главного ритуального предмета культа женского солнечного божества. В эпоху античности ручки зеркал обычно выполнялись в виде женской фигуры, держащей над собой зеркало. Зеркало было главным атрибутом богинь Солнца в Иране, Египте, Индии, Китае и Японии. Особое отношение к зеркалу отразилось на выборе металла для его изготовления. Перечень требований, предъявляемых в древности к зеркальному сплаву, включал цвет и блеск, имитирующие солнечный, высокую отражательную способность и нетускнеющую поверхность.

На зеркалах, как ни на одном другом виде бронзовых изделий, можно проследить этапы освоения древними мастерами технологии термической и механической обработки медно-оловянных сплавов. Например, древние греческие, египетские и скифские зеркала, содержащие до 12 % масс. олова, подвергались только холодной ковке. Это не давало возможности достигать высоких параметров твердости и полируемости. Этруски делали зеркала из сплава с 14–15 % масс. олова. Перед холодной ковкой такой сплав необходимо было подвергнуть «гомогенизации». Этрусские металлурги проводили гомогенизацию сплава в течение 4–5 ч при температуре около 650 °С. Поэтому этрусские зеркала обладали прекрасной полируемостью и высокой коррозионной стойкостью. Еще больше олова (до 23 %), содержат золотисто-желтые зеркала сарматов, изготовленные в V–III вв. до н. э. Изделия из такого сплава можно было получить только путем горячей ковки бронзы при температуре «красного каления» (600–700 °С) и последующей закалки в воде. Подобную технологию использовали также в Индии, Китае и Таиланде.

На пороге новой эры практически повсеместное распространение получил тройной сплав меди, олова и свинца. Такие бронзы, содержащие до 30 % олова и до 7 % свинца, являются самыми твердыми и сложными для обработки. Однако они позволяют производить металл с высокой отражательной способностью, а также с прекрасными литейными свойствами и полируемостью. Изделия из такого сплава получили распространение в Китае, Средней Азии и Римской империи, хотя Плиний отмечает, что они имели чрезмерно высокую стоимость и были доступны только очень состоятельным людям.

Кусковая формовка

Уникальные технологии бронзового литья были созданы металлургами Древнего Китая. Известно, что уже во 2-м тысячелетии до н. э. в Китае существовала оригинальная технология литейного производства. В то время, когда металлурги Запада и Ближнего Востока получали сосуды ковкой, литьем в песчаные формы или по выплавляемым моделям, китайцы освоили гораздо более трудоемкий, но и существенно более прогрессивный метод «кусковой формовки».

Технология заключалась в следующем. Сначала из глины изготовляли модель, на которой вырезали требуемый рельеф. Затем получали обратное изображение, напрессовывая пластины глины, кусок за куском, на ранее изготовленную модель. На каждом куске формы выполняли тонкую доводку рельефа. После этого куски глины обжигали, что само по себе требовало виртуозного мастерства, так как не должен был нарушаться рисунок.

Первоначальную глиняную модель зачищали на толщину стенок будущей отливки, получая стержень для формирования ее внутренней полости. Куски формы собирали вокруг стержня, создавая таким образом цельную форму. При этом швы и стыки между кусками формы специально не заделывались наглухо, чтобы в них мог затекать металл. Это делалось для того, чтобы застывший в швах металл приобретал вид изящной кромки, придававшей изделию особый декоративный оттенок. Традиция использования вертикальных литейных швов для украшения изделий стала отличительной чертой китайского металлургического искусства.

Китайские бронзовые вазы

Еще одним примером оригинальных китайских литейных технологий является изготовление бронзовых тазиков с «кипящей» водой. На днище таких тазиков мастерами размещались литые рисунки определенного вида и направления. Они изменяли акустические свойства предмета, наполненного водой, таким образом, что стоило потереть его ручки, как с поверхности воды начинали подниматься фонтанчики, как будто вода, оставаясь холодной, действительно закипела. Современные исследования позволили установить причину такого необыкновенного эффекта: от трения возникают звуковые волны, которые резонируют и вызывают быстрые колебания в литых выступах в днище тазика, в результате чего вверх выталкиваются струйки воды.

Возможно, ни одна культура бронзового века не соответствует своему названию лучше, чем культура Древнего Китая в период династии Шан Инь (конец 2-го тысячелетия до н. э.). В то время в городах были целые кварталы ремесленников, занятых обработкой металлов, изготовлением оружия и специальных ритуальных изделий из бронзы. Кроме нескольких мраморных скульптур этой эпохи, все сохранившиеся произведения искусства сделаны именно из бронзы.

Античное статуарное литьё

В античном мире и Римской империи большое распространение получила мода на бронзовые статуи, которые посвящались богам, царям, выдающимся деятелям, победителям игр. Статуи часто переплавлялись, особенно по политическим мотивам.

На керамической чаше, относящейсяк V в. до н. э., греческий художник изобразил различные этапы изготовления бронзовых статуй человека в натуральную величину. Специальная печь позволяет получать бронзу и поддерживать ее в жидком состоянии. Стоящий за печью юноша раздувает мехи, чтобы увеличить температуру в печи. На рогах висят раскрашенные пластины и маски – это благодарственные приношения, обеспечивающие защиту от неудач в работе, или демонстрация типов изделий, изготовляемых в мастерской. В следующей сцене мастер прилаживает правую руку к бронзовой статуе, располагающейся на глиняном ложе. Отдельно отлитая голова еще лежит на полу. На стене висят модели кисти руки и ступни. Чуть дальше двое рабочих полируют большую статую воина в шлеме, стоящую на помосте. За работой наблюдают два человека. Предполагают, что один из них скульптор – автор статуи, а другой – бронзолитейщик, воплотивший замысел скульптора в металле.

Изготовление бронзовой статуи (рисунок на керамической вазе)

Обычно после отливки частей и сборки статуи устраняли неровности верхнего слоя, полировали поверхность, резцом и зубилом отделывали детали: бороду, волосы, складки одежды. Губы делали из красной меди, зубы – из серебра, глаза инкрустировали стеклянной массой или камнем, наносили цветные штрихи.

Изготовление бронзовой статуи

Древние не любили патину, покрывающую сегодня старинные изделия из бронзы. В момент создания скульптуры имели не нынешние (зеленые, коричневые или черные) оттенки: тон фигур был теплым и золотистым, как бронзовый загар. На фоне обилия разнообразных статуй, посвященных пусть великим, но смертным людям, скульптуры могущественных богов выделялись размерами и убранством. Самая крупная из известных в древности металлических статуй – «Колосс Родосский» – входила в число семи чудес света.

Источник: Энциклопедия «Металлургия и время», Голубев О.В., Карабасов Ю.С., Коротченко Н.А., Черноусов П.И.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector