Малинова Р., Малина Я. Прыжок в прошлое:
Эксперимент раскрывает тайны древних эпох
Пер. с чеш. - М.; Мысль, 1988.
(главы из книги)


16. Когда плавится камень? (производство металлов)
17. Что самое хрупкое? (производство стекла)

Когда плавится камень?
(производство металлов)

Сейчас мы просто не в состоянии представить нашу жизнь без металлов. Мы привыкли к ним настолько, что по крайней мере подсознательно противимся -- и в этом мы подобны процитированному выше герою доисторической эпохи -- всяким попыткам заменить металлы чем-нибудь новым, более выгодным. Нам хорошо известно, с каким трудом в некоторых отраслях пробивают себе дорогу более легкие, более долговечные и более дешевые материалы. Привычка -- это железный корсет, но и он, будь он из пластика, был бы все-таки более удобным. Впрочем, мы перескочили пару-другую тысячелетий. Первые потребители металла вообще не подозревали, что будущие поколения поставят их открытие в ряд с самыми выдающимися вехами на пути экономического и технического развития -- с возникновением земледелия и с промышленной революцией XIX столетия.

Открытие, вероятно, состоялось -- как это иногда случается -- в результате какой-то неудачной операции. Ну, например, так: доисторическому земледельцу потребовалось пополнить запас каменных пластинок и топоров. Из кучи заготовок, лежавших у его ног, он выбирал камень за камнем и умелыми движениями отбивал одну пластину за другой. А потом в его руки попал какой-то блестящий угловатый камень, от которого, сколько он ни бил по нему, ни одна пластинка не отделялась. Более того, чем усерднее он дубасил по этому бесформенному куску сырья, тем больше тот начинал походить на лепешку, которую в конце концов можно было мять, крутить, вытягивать в длину и свивать в самые удивительные формы. Так люди впервые познакомились со свойствами цветных металлов -- меди, золота, серебра, электрона [Электрон у древних греков -- сплав золота и серебра.]. При изготовлении первых, очень простых украшений, оружия и инструментов им было достаточно самого распространенного технического приема каменного века -- удара. Но эти предметы были мягкими, легко ломались и затуплялись. В таком виде они не могли угрожать господству камня. А кроме того, металлы в чистом виде, поддающиеся обработке камнем в холодном состоянии, в природе встречаются крайне редко. И все-таки новый камень им понравился, поэтому они экспериментировали с ним, комбинировали приемы обработки, ставили опыты, думали. Им пришлось, естественно, пережить много неудач, и прошло очень много времени, прежде чем им удалось открыть истину. При высокой температуре (ее последствия они хорошо знали по обжигу керамики) камень (который мы сегодня называем медью) превращался в текучее вещество, принимавшее вид любой формы. Инструменты могли обрести очень острую режущую кромку, которую к тому же можно было затачивать. Сломанный инструмент не надо было выбрасывать -- достаточно было его расплавить и снова отлить в форме. Потом они пришли к открытию, что медь можно получать обжиганием различных руд, которые встречаются куда чаще и в большем объеме, нежели чистые металлы. Конечно, они не узнали с первого взгляда металл, скрытый в руде, но эти ископаемые, несомненно, привлекали их своей пестрой окраской. А когда к этому после длинного ряда случайных, а впоследствии сознательных количественных экспериментов прибавилось открытие бронзы -- твердого золотистого сплава меди и олова, длившееся миллионы лет господство камня пошатнулось в самом своем основании.

В Центральной Европе медные изделия впервые появились в единичных случаях на закате неолита, несколько чаще они встречались в энеолите. Однако уже раньше, в седьмом -- пятом тысячелетиях до н. э., более развитый Ближний Восток начал получать медь плавкой пригодных для этой пели окисных (куприт -- Cu2О), карбонатных (малахит -- CuCO3.Cu(OH)2), а позднее и сульфидных руд (медный колчедан -- CuFeS2). Самой простой была плавка окисных руд, полученных из выветрелых медных месторождений. Такие руды можно при температуре 700-800oС восстановить в чистую медь:

    Сu2O - СО -> 2Cu + СО2

Когда древние литейщики прибавили к этому продукту олово (вспомним о египетском рецепте), возник сплав, который по своим свойствам далеко превосходил медь. Уже полпроцента олова повышает твердость сплава в четыре раза, 10 процентов -- в восемь раз. Одновременно снижается точка плавления бронзы, например при 13 процентах олова почти на 300oС. Открылись врата в новую эпоху! За ними мы уже не встретим то старое однородное общество, где каждый делал почти все. Изготовлению предмета из металла предшествовал долгий путь -- поиски рудных месторождений, добыча руды, плавка в плавильных ямах либо печах, разливка в изложницы; все это требовало целого комплекса специальных знаний и навыков. Поэтому среди ремесленников начинается дифференциация по специальностям: горняки, металлурги, литейщики и. наконец, торговцы, род занятий которых необходим остальным и потому ими высоко ценится. Не каждый мог успешно заниматься всем комплексом столь сложной деятельности. Со многими неудачами и трудностями столкнулись и современные экспериментаторы, когда попытались повторить некоторые технологические приемы доисторических металлургов и литейщиков.

Сергей Семенов обнаружил трассоло-гическим методом и экспериментально подтвердил тот факт, что на заре бронзовой эры люди использовали для добычи я дробления руд весьма грубые каменные орудия из гранита, диорита и диабаза в виде мотыг, дубинок, наковален и дробилок.

Плавку малахитовой руды экспериментаторы опробовали в небольшом углубленном горне без использования воздушного дутья. Горн они высушили и обложили каменными плитами таким образом, что возникла круглая амбразура с внутренним диаметром около одного метра. Из древесного угля, использовавшегося в качестве топлива, в горне сделали конусообразное сооружение, в середину которого положили руду. После нескольких часов горения, когда температура открытого пламени достигала 600-700oС, малахит расплавился до состояния оксидической меди, то есть металлическая медь не образовалась. Аналогичный результат был достигнут и в следующей попытке, когда вместо малахита использовали куприт. Причина неуспеха заключалась, по всей вероятности, в избытке воздуха в горне. Новый тест с малахитом, накрытым перевернутым керамическим сосудом (весь процесс протекал так же, как и в предыдущих случаях), принес в итоге медь губчатого вида. Небольшое количество цельной меди экспериментаторы получили лишь тогда, когда малахитовую руду перед плавкой раздробили. Сходные опыты были проведены в Австрии, альпийские руды которой имели огромное значение для доисторической Европы. Однако в печь экспериментаторы нагнетали воздух, благодаря чему достигли температуры 1100oС, которая восстанавливала окислы в металлическую медь.

В одном из опытов экспериментаторы использовали для отливки бронзового серпа сохранившуюся из находок у Цюрихского озера половину оригинальной каменной формы, к которой изготовили парную сторону. Обе части формы высушили при температуре 150oС и лили бронзу при 1150oС. Форма осталась неповрежденной, отливка была хорошая. Тогда решили опробовать уже бронзовую двухстворчатую форму для топора, найденную во Франции. Она была тщательно просушена при температуре 150oС. Потом ее залили бронзой при температуре 1150oС. Было получено изделие великолепного качества. При этом не было обнаружено ни малейшего повреждения на бронзовой форме, что стало самым важным результатом эксперимента. Дело в том, что перед экспериментом некоторые исследователи высказывали мнение, что горячий металл, по всей вероятности, соединится с материалом формы.

При производстве предметов более сложной конфигурации древние литейщики использовали технику литья с потерей литейной формы. Восковую модель они обмазывали глиной. При обжиге глины воск вытекал, и его потом замещала бронза. Однако, вынимая бронзовую отливку, формы приходилось разбивать, так что рассчитывать на ее вторичное использование не приходилось. Экспериментаторы отрабатывали этот метод, исходя из технологической инструкции XVI века по изготовлению золотых и серебряных бубенчиков. Во время опытов они заменили золото медью, чтобы одновременно проверить возможность замены драгоценных металлов обычными. Температура плавления золота равна 1063oС, меди --1083oС. В качестве образца была выбрана отливка медного бубенчика из стоянки первого тысячелетия до н. э. Форму изготовили из смеси глины и древесного угля, а модель -- из пчелиного воска. Малое ядро сделали из смеси глины и молотого древесного угля и поместили в него маленький камешек -- сердце бубенчика. Воск нанесли вокруг ядра тонким слоем, равным толщине стенки будущей отливки, и прилепили восковое кольцо, образующее подвесок будущего бубенца. Восковую бобышку в форме рукоятки прикрепили над кольцом таким образом, чтобы она служила бункером для расплавленного металла во время разливки, затвердевания и усадки металла в отливке. В восковой оболочке на нижней части бубенца вырезали отверстие, чтобы формооб-разующая смесь из глины, древесного угля и воска заполнила отверстие и зафиксировала положение ядра после выплавки восковой модели и во время литья. Обернутую форму в верхней части проткнули несколькими соломинами, которые позже либо сгорели, либо просто были удалены. Через возникшие отверстия из формы во время литья выходил горячий воздух. Всю модель покрыли несколькими слоями размолотой глины и древесного угля и в течение двух дней сушили. Потом ее еще раз покрыли слоем угля и глины (для прочности формы) и над бобышкой прикрепили воронкообразный заливочный бункер из той же формообразующей смеси. Бобышку прикрепили слегка наискось, чтобы форма отливалась в наклонном состоянии. Это должно было обеспечить беспрепятственное стекание расплавленного металла по нижней части ее лицевой стороны, в то время как по противоположной стороне должен был происходить отток вытесняемого металлом воздуха до полного наполнения всей формы расплавленным металлом. Перед плавкой в бункер, закрытый крышкой, бросили обломки медной руды. После сушки форму поместили в печь, оборудованную каналом, обеспечивающим тягу. Печь заполнили четырьмя с половиной килограммами древесного угля и разогрели до температуры 1200oС. Восковая модель и восковая бобышка расплавились и выпарились, медь расплавилась и стекла в форму, где и образовала металлический бубенчик. Потом внешнюю рубашку разбили, металлическую бобышку удалили, а глиняное ядро, образовавшее полую часть бубенца, выковыряли -- остался только камешек.

Артур Питч провел целую серию экспериментов, посвященных чеканке бронзы: выделке проволоки, спирали, листа, сплошного кольца и профильного прута. Приобретенный опыт был использован им при изготовлении реплик бронзовых крученых колец дуринской культуры, относящейся к раннему железному веку. Всего сделал он семнадцать реплик, каждую из которых снабдил описанием археологического оригинала, перечнем использованных инструментов и приспособлений, анализом вещественного состава и, наконец, объяснением отдельных операций и указанием на длительность технологического процесса. Менее всего времени было затрачено на реплику номер два -- двенадцать часов. Наибольшее -- шестьдесят часов -- потребовала реплика номер четырнадцать.

На протяжении бронзового века стали постепенно выявляться и неудобства, связанные с производством, прежде всего ограниченное наличие в природе сырьевых источников и истощение известных к тому времени месторождений. Это, безусловно, было одной из причин, почему люди искали новый металл, который мог бы удовлетворить постоянно возрастающие потребности. Этим требованиям отвечало железо. Сначала судьба его напоминала судьбу меди. Первое железо, метеоритного происхождения либо полученное случайно, появилось уже в третьем и втором тысячелетиях до н. э. в Восточном Средиземноморье. Более трех тысячелетий назад стали работать металлургические печи в Передней Азии, Анатолии и Греции, у нас они появились в гальштатскую эпоху, но окончательно привились только в латенскую эпоху.
 
 
Отливка медного бубенчика была сложной литейной операцией. В этих формах из мелкозернистых песчаников моравские литейщики отливали бронзовые топоры, украшения, шпильки и ножи. Первая и третья формы первоначально имели парные части

Среди сырья, применявшегося в древнем железоплавильном деле (окислы, карбонаты, силикаты), наиболее распространенными были окислы: гематит, или железный блеск, -- Fe2O3, лимонит, или бурый железняк, -- смесь гидроокисей железа и с большим трудом восстанавливаемый магнетит -- Fe3O4.

Восстановление железа начинается уже приблизительно при температуре 500 шС. 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 1100oС), железо никогда не переходило в жидкое состояние (для этого необходимо хотя бы 1500oС), 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 800-900oС, 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 800oС. 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 1100oС, 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 1420oС, а в пространстве колосника -- 250oС. 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 Казимеж Белении 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.

Истоки упомянутого железоплавильного производства восходят к позднему латену (последнее столетие до н. э.) и раннему римскому периоду, когда металлургические комплексы с десятью или двадцатью печами располагались непосредственно в центре населенного пункта. Их продукция удовлетворяла лишь местные, весьма ограниченные потребности. Начиная со среднего римского периода производство железа стало носить организованный характер, наибольшего подъема оно достигло в III--IV веках. Печи располагались в виде двух прямоугольных отсеков, разделенных штреком для обслуживающего персонала. В каждом из отсеков печи группировались по две, три и даже по четыре. Таким образом, в одном комплексе размещалось несколько десятков печей, однако не были какими-то редкими исключениями и поселения с сотней и даже двумя сотнями печей. Гипотеза о существовании в этот период экспорта железа подтверждена не только количеством металлургических печей с высокой продуктивностью, но и многочисленными находками кладов с тысячами римских монет. В эпоху Великого переселения народов и в раннем средневековье производство снова упало до уровня, отвечавшего местным потребностям.

Предпосылкой возникновения столь массового металлургического производства в римскую эпоху стали достаточные запасы дерева и руды. Металлурги использовали бурый железняк, гематит, а также железный шпат. Некоторые руды они добывали обычным горняцким способом, о чем свидетельствует, например, шахта Сташиц с системой шахтных стволов, штолен и с остатками крепи и инструментов, относящихся к римской эпохе. Впрочем, не гнушались они и болотной рудой. Применялись печи с углубленным подом и надземным стволом, который при выемке железной губки (крицы) приходилось разбивать.

Начиная с 1956 года в Свентокши-ских горах проводят эксперименты, которые реконструируют производственный процесс: добычу руды и ее сортировку; дробление и обжиг руды на кострах (для удаления влаги, обогащения и частичного сжигания вредных примесей, например серы); получение древесного угля углежжением в штабелях; строительство печи и сушку ее стен; разжигание печи и непосредственную плавку; разработку ствола шахты и выемку железной губки; проковку железной губки.

В 1960 году на одной из самых известных стоянок (Нова Слупя) был открыт Музей древней металлургии, неподалеку от которого ежегодно, начиная с 1967 года, в сентябре демонстрируется для широкой публики технология доисторической металлургии. Такая демонстрация начинается с доставки руды из шахты в металлургический комплекс, в котором на разных уровнях размещены железоплавильные печи. Здесь руда размельчается молотами и сушится. Сушка и обогащение руды происходят в обжиговых сооружениях. Такое устройство имеет форму штабеля, образуемого слоями дров, переложенными рудой. Штабель поджигается одновременно со всех сторон. После сгорания высушенную, обожженную и обогащенную руду складывают в кучу, откуда ее берут для загрузки. В окрестностях комплекса находится также рабочее место угольщиков, где показывается производство древесного угля -- закладка и возведение штабеля, выжигание, разборка штабеля, транспортировка угля на открытый склад, измельчение и, наконец, использование в печи. Затем следует разогрев печи, монтаж и закладка мехов. Персонал комплекса составляют десять работников -- шахтеров, металлургов, угольщиков и подсобных рабочих, которые ведут плавку и одновременно готовят к эксперименту вторую печь. Плавка продолжается приблизительно десять часов и завершается выемкой железной губки из пода, причем предварительно шахту необходимо разбить.

В 1960 году польские и чешские специалисты объединили свои усилия и стали совместно проводить металлургические эксперименты. Они построили две восстановительные печи по образцам римской эпохи. Одна была аналогом типа печи из Свентокшиских гор, вторая соответствовала археологической находке в Лоденицах (Чехия). Для плавки были использованы гематитовая руда и буковый уголь в пропорции один к полутора и один к одному и слабое воздушное дутье. Систематически контролировали и измеряли приток воздуха, температуру и восстановительные газы. Во время эксперимента на аналоге польской печи, которая имела углубленный под и разные шахтные надстройки -- высотой в 13, 27 и 43 см, ученые обнаружили, что плавильный процесс сосредоточился у горловин обеих противоположных фурм, где образовывались подвижный шлак и губчатое железо (от 13 до 23 процентов железа и лишь около одного процента металлического железа в каплях в составе нижнего шлака). Температура вблизи фурм достигала 1220-1240oС.

Подобным же образом процесс протекал и во время опытов в лоденицкой печи: лишь вид шлаковых и железных образований был иной. Температура вблизи фурмы составляла 1360oС. И в этой реплике была получена железная крица со следами науглероживания. Железная губка образовывалась всегда у горловин фурм, в то время как более легкий шлак протекал сквозь ее поры в под на слой древесного угля. Эффективность в обоих случаях не превышала 17-20 процентов.

Дальнейшие опыты были нацелены на выяснение уровня славянского металлургического производства VIII столетия, остатки которого сохранились в комплексах, открытых в Желеховицах у Уничова в Моравии. Речь шла прежде всего о том, чтобы определить, можно ли было в таких печах изготавливать сталь. Что касается выхода железа и эффективности печи, то это представляло второстепенный интерес, ибо проводившиеся в ходе эксперимента многочисленные измерения неблагоприятно влияли на процесс плавки.

Печи желеховицкого типа -- замечательные устройства остроумной конструкции. Их форма позволяла проводить качественное наполнение завалкой. Опыты показали, что металлурги при плавке могли изготовлять древесный уголь сами. Топливо нужно было закладывать в печь малыми порциями, в противном случае появлялась опасность заблокировать узкое шахтное отверстие вплотную над подом печи. Бесспорным преимуществом обладали легкоплавкие железные руды, но печи желеховицкого типа были в состоянии восстанавливать и гематиты, и магнетиты. Предварительный обжиг руды не представлял сложности и был, по всей вероятности, в любом случае выгодным. Сантиметровый размер кусков руды был оптимальным.

Завалка образовывала плавящийся конус в поду печи, и засыпавшийся следом материал потом автоматически транспортировался к полости за фурмой, где образовывался эпицентр жара, в котором продукт предохранялся от ре-оксидирования нагнетаемым воздухом.

Важным параметром является объем нагнетаемого в печь воздуха. Если дутье недостаточно, температура слишком низкая. Больший объем воздуха ведет к значительной потере железа, переходящего в шлак. Оптимальный объем вдуваемого воздуха составлял для желеховицкой печи 250-280 л в минуту.

Далее экспериментаторы обнаружили, что при определенных условиях можно даже в примитивных отдельных печах получить высокоуглеродистую сталь и, следовательно, нет нужды в последующем науглероживании. Во время опытов на желеховицком комплексе археологи отметили тот факт, что все печи снабжены за фурмой раковиной. Это пространство они гипотетически приняли за камеру для нагревания и науглероживания крицы, которая там накапливалась сразу после плавки. Высказанную гипотезу они проверили в реплике желеховицкой печи. После шестичасовой плавки гематитовой руды с использованием соснового древесного угля крицу нагрели в восстановительной среде в задней полости печи. Температура в камере составила 1300oС. Продукт извлекли из печи при красно-белом калении. Шлак протекал через поры губчатой железной массы. Продукт содержал наряду с чистым железом железо науглеро-женное.

Во время новгородской археологической экспедиции в 1961 и 1962 годах были проведены экспериментальные плавки железа в реплике древнерусской надземной шахтовой печи X-XIII веков, хорошо известной как по археологическим, так и по этнографическим источникам. Учитывая то обстоятельство, что просушка печи из глины -- а именно из нее были сделаны оригиналы -- затянулась бы на несколько недель, экспериментаторы использовали при ее изготовлении сырые глиняные блоки. Зазоры между ними заполнили смазкой из глины и песка. Внутренность печей обмазали приблизительно сантиметровым слоем глины с песком. Печь имела цилиндрическую форму диаметром 105 см и высотой 80 см. Шестидесятисантиметровая дом-ница была размещена в центре цилиндра.

Диаметр верхнего отверстия составлял 20 см, пода -- 30 см. В нижней части печи экспериментаторы сделали отверстие размером 25х20 см, которое служило для нагнетания воздуха и выпуска шлака. Контроль за режимом внутри печи проводился через два диоптера в стенке, через которые были введены части измерительной аппаратуры. Дутье проводили новейшим способом -- электромотором, мощность которого привели в соответствие с параметрами, достигавшимися кузнечными мехами. Двадцатисантиметровая фурма была опять репликой старого типа, изготовленной из смеси глины и песка. Печь сохла три дня при нормальных погодных условиях.

Для плавок использовали по большей части болотную руду с весьма высоким содержанием железа (около 77 процентов), а в двух случаях и гипергенную руду, которую дробили до величины грецкого ореха. Перед завалкой руду высушили, а часть даже около получаса обжигали на огне. Плавка началась с разогрева печи сухими сосновыми поленьями с естественной тягой в течение двух часов. Потом домницу вычистили и под покрыли тонким слоем угольной пыли и колотого угля. Затем последовала установка фурмы и обмазка всех щелей глиной. Дутье начали, когда шахта была полностью заполнена через дымовое отверстие древесным углем. Спустя пять -- десять минут сосновый уголь разгорелся, и через полчаса треть его сгорела. Пустое пространство, образовавшееся в верхней части шахты, было заполнено шихтой, состоявшей из угля и руды. Когда шихта осела, в образовавшуюся пустоту добавили еще порцию. Всего было проведено семнадцать опытных плавок.

Из завалки, состоявшей из 7 кг руды и 6 кг древесного угля, получили 1,4 кг губчатого железа (20 процентов) и 2,55 кг шлака (36,5 процента). Масса древесного угля ни в одной из плавок не превышала массы руды. Плавки, проведенные при повышенных температурах, давали меньший объем железа. Дело в том, что при более высоких температурах в шлак переходило большее количество железа. Серьезное влияние на качество и эффективность плавки оказывала помимо температурного режима точность выбора оптимального момента для выпуска шлака. При слишком раннем либо, наоборот, слишком позднем выпуске шлак поглощал окислы железа, и это вело к меньшему объему выхода продукции. При высоком содержании окислов железа шлак становился вязким и поэтому хуже вытекал и отделялся от губчатого железа.
 
В древнерусском горне шахтового типа во время новгородских экспериментов протекали такие химические процессы

Значение новгородских экспериментов особенно велико потому, что во время некоторых из них удалось выпустить шлак. Плавка длилась от 90 до 120 минут. В этом типе печи можно было за один цикл обработать до 25 кг руды и получить более 5 кг железа. Восстановленное губчатое железо осаждалось не непосредственно на дне печи, а несколько выше. Получение металлического чугуна из этого продукта представляло собой дальнейшую самостоятельную и сложную операцию, связанную с новым нагревом. И эти эксперименты подтвердили гипотезу о том, что и в обычных восстановительных печах при определенных условиях происходит науглероживание железа, то есть получается сырьевая сталь. В восстановительных печах, где процесс протекал без выпуска шлака, был получен конгломерат, который состоял из губчатого железа (в верхней части), шлака (в нижней части) и остатков угля. Отделение губчатого железа от шлака обыкновенно проводилось механическим способом.

В последнее время археологи обнаружили в Моравском Красе, в районе города Бланско, множество следов древней металлургической деятельности -- поды печей, обломки, стен, фурм, кусковую и обожженную руду, шлак, пустую породу, -- датируемых X столетием. В модели одной из печей с карманообразным подом был проведен эксперимент, который показал, что в таком устройстве также могла производиться науглероженная сталь и что губчатое железо спекается на уровне фурмы, и потому его невозможно обнаружить под шлаковыми слитками.


Что самое хрупкое?
(производство стекла)

Значение стекла в жизни человека гораздо серьезнее, чем других материиалов, даже самых дорогостоящих. Любить стекло -- значит забыть о мраке и тенях, устремиться к еершинам света и сияния. Смотреть на возвышенную игру всех цветов радуги, стать более благородным и более светлым человеческим существом. Любить стекло. - это значит восторгаться и дорожить теми его качествами, которые составляют его непреходящую ценность -- благородство материала и благорооетво труда в него вложенного.

Йозеф Драгоневский

Археологам удалось доказать, что за много тысячелетий до того, как люди собственными руками сделали первое стекло, они пользовались естественными вулканическими стеклами. Не правда ли, это напоминает историю с металлами? Естественные стекла были результатом быстрого охлаждения лавы. Особенно полюбился людям обсидиан, своим названием он обязан римскому гражданину Обсидию, который привез его в Древний Рим из Эфиопии. Темный цвет, стеклянный блеск и острый излом обсидиана прельщали уже охотников древнего каменного века, выделывавших из него инструменты и оружие. Мелкие обсидиановые пластинки, одна за другой вставленные в рукоятку, служили земледельцам в качестве серпов при жатве зерновых. В Моравии обсидиан особенно высоко ценили производители прекрасной расписной неолитической керамики. Причем, чтобы заполучить его, им приходилось прилагать немалые усилия, поскольку ближайшие источники обсидиана находятся в Восточной Словакии и в массиве Токай в Венгрии. Оттуда обсидиан попадал не только в Моравию, но и в Чехию и Польшу. Известен нам и тот факт, что другое естественное стекло - влтавины, которые ныне являются ценным трофеем минералогических коллекций и любимым материалом ювелиров, использовали уже люди палеолита.

Изобретение искусственного стекла явилось новым великим открытием человечества. Произошло это в пятом тысячелетии до н. э. в Шумере (следовательно, отсюда ведет свое начало не только история письменности и пива). Самые древние образцы искусственного стекпа предстают перед нами в виде алкалиновой глазури (муравы), которая образовывала стеклянное покрытие на глиняных бусах и других предметах. Алкалиновая глазурь стала известной, правда, под неточным названием "египетский фаянс" после зарождения ее производства в Бадаржане и особенно в Древнем Египте. Дальнейшее совершенствование технологических процессов привело к изготовлению цельностекольных украшений и сосудов.

По химическому составу древние искусственные стекла можно разделить на натриево-кальциевые и калиево-кальциевые. Первые получаются в процессе плавления окиси кремния -- SiO2 (кварц, кремень) с углекислым кальцием (известняк, мрамор) и с жженой содой либо с сернокислым натрием и углем. Для калиевого стекла вместо соды использовался поташ. У так называемого <нормального стекла> состав следующий -- Na2O.6SiO2. Температура плавления и прочность повышаются, если натрий заменить калием. В древние времена, вплоть до средневековья, стекольщики производили стекломассу в два этапа. Сначала они получали при низких температурах из кварцевого песка, соды и других присадок так называемую фритту (нечистый полусплав), которую затем плавили при температуре около 1100oС на плоских керамических сковородах. Стеклоплавильные печи появились лишь в Древнем Риме. Стекло подкрашивали металлическими окислами. Бусы и другие украшения изготовляли навиванием стекольного волокна на штабик, нарезанием трубочки-заготовки либо литьем в формы. Выдувное стекло, использовавшееся главным образом в производстве сосудов, появилось лишь незадолго перед новым летосчислением, когда была изобретена стеклодувная трубка.

В Чехословакии мы встречаемся с первыми стеклянными изделиями на склоне позднего каменного века. Высокого мастерства впоследствии достигли главным образом кельты.

Благодаря экспериментам, число которых, правда, пока весьма скромно, у нас сейчас есть более полное представление о технологии изготовления стеклянного покрытия (глазури) и его использовании на глиняных предметах. Уже А. Лукас, лучший знаток древних ремесел, высказал на основе опытов гипотезу, как произошло открытие бирюзовой глазури: по чистой случайности в присутствии углекислого натрия (Na2CO3) были обожжены силикатные горные породы, например кварциты, которые в этот момент использовались, скажем, для измельчения малахитовой руды, идущей на изготовление красителей в косметике. Известно, что углекислый натрий (сода) встречается в египетских пустынях в естественном состоянии. Так на кремнистом камне появилась глазурь. Куда сложнее было объяснить, каким образом она переносилась на глиняные предметы.

К счастью, в иранском городе Куме до сих пор сохранились ремесленники, которые упорно держатся старинных приемов. Наблюдения за их работой, подкрепленные экспериментами, позволили проникнуть в суть этого производства. Кумский ремесленник добывал сырье в пересохшем русле ближайшей реки. Он отбрасывал известняковые гальки и оставлял только кварцевые, сложенные из жил молочно-белого кварца. Кварцевые валунчики он разбивал до величины гороховых зерен, а их в свою очередь перемалывал ручной каменной мельницей в порошок. Порошок смешивал с раствором резинового трагаканта в массу, из которой формовал двухсантиметровые бусины. Для более крупных изделий (например, солонок) бралась более сухая масса, а форма посыпалась сухим кварцевым порошком, чтобы избежать прилипания. Когда бусины на солнце высыхали и затвердевали, он просверливал в них лучковым сверлом отверстия.

Далее следовало приготовление глазурного порошка, главной составной частью которого являлась растительная зола. Такую золу в Куме употребляют и стекольщики, поскольку она содержит соду (углекислый натрий) и поташ (углекислый калий). Получают ее следующим образом: на засоленных полях собирают растения семейства солянок с видами солянки калиевой (Salsola kali) и солянки натриевой (Salsola soda), которые потом сжигают в огромных кучах, где зола спекается в твердые блоки. В мастерской кумский ремесленник размалывал золу на ручной мельнице. Три ее части он смешивал с тремя частями гидратированной извести, двумя частями кварцевого порошка, добавлял полчасти древесного угля и один процент от общего объема смеси окисла меди. И глазирующий порошок готов! Мастер насыпал его на дно керамического сосуда, куда с небольшими зазорами помещал около ста бусин. Все закрывалось новым слоем глазирующего порошка, на который укладывалась новая порция бусин. Операция повторялась семь-восемь раз. Наполненный горшок ремесленник ставил в печь для обжига.

Эксперименты показали, что наилучшая температура для получения глазури равна приблизительно 1000oС. При более низкой температуре, около 900oС, мурава образуется грубая и бледная. Не годится и температура 1100oС: происходит спекание бусин и порошка в сплошную твердую массу.

После двенадцати часов обжига и двенадцати часов охлаждения мастер извлекал горшок из печи и из него вываливал содержимое. Изделия по всей своей поверхности были покрыты гладким слоем глазури и легко вылущивались из окружающей массы.

Образовавшаяся глазурь, которую специалисты изучали в срезах (тончайшие, в сотые доли миллиметра, пластины, которые можно рассматривать только под микроскопом), имела толщину от 0,15 до 0,35 мм и состояла из чистого стекла голубого цвета. К поверхности интенсивность окраски увеличивалась. Толщина переходного слоя, в котором масса бусины более или менее была пропитана голубоватым либо голубовато-зеленым стеклом, колебалась от 0,6 до 1,5 мм. Образование глазури можно объяснить приблизительно так. Когда сосуд с бусинами и глазирующим порошком был разогрет до температуры свыше 850oС, углекислые соли и гидратированная известь вступили в реакцию с окислами натрия и калия и карбонатом кальция. Эти вещества стали летучими, активно вступили в реакцию с кварцем бусин и образовали силикаты натрия и калия, иными словами, глазурь. Превращение карбонатов в окислы при содействии гидратированной извести было неизбежным, ибо в противном случае как карбонаты натрия, так и карбонаты калия только бы растворились, но не стали бы летучими.

Окрашивание глазури в бирюзовый цвет медью происходило, по всей вероятности, следующим образом: определенная часть окислов меди в глазирующе.м порошке вступала в реакцию с поваренной солью (NaCl) и образовывала двухлористую медь (СuСl2), которая распадалась на хлористую медь (CuCl) и на хлор при температуре 993oС.
 

Эти три бусины, найденные в Угерске-Градиште-Сад, в VIII столетии были предметом гордости неизвестной славянской женщины. Одну из них украшают три миниатюрных изображения человеческого лица


Так ли древние ювелиры изготавливали бусины, как Кристина Марешова?

Далее, по всей вероятности, имела место значительная концентрация меди на стадии пара при температуре обжига 1000oС. Медь вступата в реакцию с образовавшейся глазурью и изменяла ее окраску на ярко-бирюзовую.

Сложность изготовления изделий из стекла и их красота были причиной того, что люди расставались с ними с большой неохотой. Они передавались по наследству из поколения в поколение. У некоторых из них была чрезвычайно сложная судьба. Вот один пример. Недавно Кристина Марешова обнаружила на шее пожилой женщины в захоронении VIII столетия в Садах у Угерске-Градиште ожерелье, составленное из нескольких бусин. Самой красивой среди них была стеклянная мозаичная бусина с изображением человеческого лица, какие изготовляли стекольные мастерские в египетской Александрии, позднее в Сибири и Италии в период от I столетия до н. э. до II столетия н. э. Пока вы пытаетесь заполнить этот, огромный временной и пространственный отрезок гипотезами о том, как бусина попала на шею славянской женщины, мы расскажем вам, как она могла быть изготовлена.

Темно-синяя стеклянная бусина бо-чонкообразной формы диаметром около 15 мм и толщиной 13 мм перехвачена по периметру пятимиллиметровым пояском, разделенным на шесть приблизительно равных прямоугольных клеточек, которые поочередно заполнены желтой стекловидной пастой и изображением человеческого лица. Судя по экспериментам, древние ремесленники сначала, вероятно, сделали цилиндрическое ядро путем навивания стеклянных нитей вокруг металлического стержня. Потом изготовили из стекла кобальтового цвета толщиной 2 мм на обоих концах ядра колпачки, между которыми в его средней части осталась канавка. В нее были вставлены и укреплены желтой стекловидной пастой три пластиночки с изображением человеческого лица. После этого оставалось лишь отшлифовать и отполировать бусину.

Человеческое лицо мастера изобразили чередованием сегментов из белой и черной стекловидной массы. Поступали они, видимо, так: пространство для линий, изображающих лицо, ограничили металлическими полосками, обмазанными глиной, чтобы к ним не прилипала белая стекловидная паста. После ее остывания полоски вытянули, а возникшие пустоты заполнили черной стекловидной пастой.

Все изображения человеческого лица по существу идентичны, отличаются только величиной. Это подтверждает гипотезу, проверенную экспериментально, что лицо изготовили в большем размере, а затем перевели в нужный масштаб и разрезали поперек на пластинки.