Так закалялась сталь (CIV25)

Для того, чтобы понять ситуацию с технологиями плавки железа и ковки железных изделий, сложившуюся на Руси к началу Х века нашей эры — нам надо будет уйти в прошлое ещё на почти полторы тысячи лет и перенестись чуть южнее торфяных болот и берёзовых лесов Древней Руси.

Ведь кроме железной руды и древесного топлива, которые всегда были альфой и бетой металлургии, в ней постоянно незримо присутствовала и вездесущая омега металлургии — огонь.
Огонь, процесс горения и эффективная температура процесса плавки поразительно влияли на ход восстановления чистого металла из руды и на конечные свойства получаемого металлургического продукта.

Именно температура процесса, именно эти лишние, "жалкие" по нынешним меркам десятки и сотни градусов "вверх" металлургического процесса и задавали всё различие в технологиях дальнейшего получения этого непокорного металла — железа.

Вообще, в эпосах почти всех народов, знакомых с металлургией на архаическом этапе своего развития, холодный металл считается наименее подверженным действию какого-либо магического влияния. Хочешь защититься от магии — используй холодный металл, он защитит.

А вот работа с горячим, расплавленным металлом всегда почиталась за безусловно магическое и даже в чём-то божественное искусство.
Без помощи богов металлург или кузнец работать вообще не мог. Он готовился к работе, как к подвигу. Молитва, абсолютное воздержание от горячительных напитков, ограничения в мясе и в рыбе, отдаление и воздержание от жены, которой вообще было запрещено переступать порог кузницы, многократные омовения — вот не полный перечень правил, которым должен был следовать кузнец. Часто мастер работал в парадной одежде. Над наковальней должны были быть укреплены изображения богов, благословляющих место высокого служения.
Мусульмане входили в кузницу, как в мечеть — обязательно и исключительно с левой ноги.

Мы, живущие в век кислородных конверторов, машин непрерывной разливки стали, электропечей и сотни марок легированных и нержавеющих сталей, даже представить себе не можем, сколь многотруден был процесс получения железа из руды в античности и в средних веках — и сколь некачественным было само это античное и средневековое железо.

Всё дело в том, что, как и бронза,  используемое человечеством железо, по сути дела, представляет собой композитный материал, в котором в виде твёрдого растовора или химического соединения (цементита) присутствует остаточная часть углерода угля, который использовался для восстановления чистого железа из оксидов или гидроксидов руды.
И именно эти проценты остаточного углерода столь разительно влияют на свойства получаемого металла. Факторов, влияющих на свойства полученного железа, конечно, много больше (и мы их ещё рассмотрим далее), но углерод и его пространственное распределение в полученном металле, безусловно, главный.

Итак, IV век до нашей эры, Европа первый раз массово прорывается в Азию благодаря полководческому гению Александра Македонского.


У лошади ещё нет стремян и седла. Этот фильм снимали с качественными консультантами.

В конце своего великого античного "драх нах остен" Александр Македонский во главе своего непобедимого войска закалённых греческих ветеранов-гоплитов доходит до Индии. Через Месопотамию и Персию (современные Ирак и Иран) и через территорию современного Афганистана Александр проникает в северо-западную часть легендарной «Страны чудес».
И вот там, на реке Гидаспу (теперь — Джелум, Пакистан), которая была уже северным притоком Инда, его поджидает со своим войском индийский царь Пор. Там и разыгрывается кровопролитная битва, в которой индийские войска были полностью разгромлены. Однако, детали этого разгрома заставили Александра задуматься о дальнейшем продолжении его победоносных завоеваний.

Царь Пор сражался как отважный воин и был ранен в правое, не закрытое панцирем плечо. В итоге, без сознания, его берут в плен. Но, к изумлению македонцев, огромный панцирь, который защищал торс индийского царя, совершенно не был поврежден стрелами и дротиками, на нем не было обнаружено ни царапин, ни вмятин от македонских мечей.
Сам панцирь был сделан из необыкновенного по крепости и по твердости железа. Из подобного железа были изготовлены и широкие индийские мечи, длиной «не меньше трех локтей», которые в битве индийские воины поднимали для удара двумя руками. Эти мечи легко рассекали пополам македонское железо, при этом не получая никаких зазубрин или сколов у себя на рубящей кромке.

Вообще же, по свидетельствам историков, античное железное оружие было настолько мягкое, что после двух-трех
ударов оно уже гнулось, а рубящая кромка его тупилась, в силу чего, даже во время сечи, античные воины вынуждены были отходить в задние ряды, чтобы выпрямить клинок, а после боя обычной процедурой была перезаточка мечей.
Естественно, "вечные" индийские мечи для македонцев казались чудом, которое, в отличии от слонов (к ним уже, начиная с Гавгамел, македонцы более-менее привыкли) представляло немалую проблему на будущее, при продолжении индийского похода.

Но еще больше досаждало грекам раннее неведомое им, страшное оружие, которое индийцы называли «чакра». Оно представляло собой тяжелое плоское стальное кольцо, похожее на бублик с плоской внешней кромкой. Кромка эта заточена до остроты лезвия бритвы. Индийский воин раскручивал чакру на двух пальцах и швырял во врага. Вращаясь со страшной скоростью в горизонтальной плоскости на уровне шеи, чакра срезала головы македонцев, как коса головки цветов. Вещь, совершенно невозможная при использовании мягкого греческого железа и потому — вдвойне страшная своей невозможностью.

Так европейцы впервые встретились с необыкновенной индийской сталью, которая впоследствии стала широко известна в странах Ближнего Востока и Европы. Сталь тогда в первый раз победила железо — и, Александр Великий, дойдя до Ганга (и попутно передавая все завоёванные города в управление побеждённому им царю Пору!), в итоге, услышав об армиях, вооружённых сотнями слонов и тысячами двуручных мечей, повернул на запад.
Так античный "драх нах остен" сломался об индийскую сталь.

Теперь от героики сражений вернёмся назад — в магический полумрак кузни. В чём основное отличие стали от железа? Да, это всё тот же углерод.

Первой достоверно известной технологией получения относительно чистого железа (за исключением ранних опытов с железными метеоритами)  является так называемой кричный или сыродутный способ его производства. "Сыродутным" этот процесс называется в силу использования (подачи или "дутья") в горне атмосферного ("сырого") воздуха, а кричным процесс именуют из-за конечного продукта — губчатого железа, сильно насыщенного шлаковыми примесями, которое ещё называется крицей.


Сыродутная печь — это просто. Но, по сравнению с обработкой бронзы —  это уже хай-тек.

Первые сыродутные печи представляли собой ямы, вырытые на склонах холмов, чтобы можно было иметь естественную тягу. Производство железа всегда было непосредственно связано с подводом достаточного количества воздуха.  Позднее, естественная тяга была заменена искусственной — воздух нагнетался в печь с помощью мехов.
Сначала, для пуска процесса внутри печи разжигали уголь, насыпанный на дно горна или печи, затем сверху загружали попеременно слои железной руды и того же угля. В результате горения угля выделялся угарный газ — окись углерода (CO), которая, проходя через толщу руды, восстанавливала окислы железа. Сыродутный процесс не обеспечивал достижения температуры плавления железа (1537 °C), а максимально доходил до 1200 °C (это была своего рода «варка» железа).
Но, по сравнению с технологиями бронзы, которые требовали всего 950 ºС, железо было гораздо более требовательно и к качеству топлива (угля), и к температуре процесса.
Ведь именно хороший, чистый и плотный древесный уголь мог обеспечить как хорошую температуру процесса, так и полное восстановление железа, пережигание всех вредных примесей и правильное остаточное содержание углерода в полученном кричном железе.
А кизяк, как мы помним, был непостоянен по составу, содержал, в отличии от пережжённого древесного угля, вредные серу и фосфор, да ещё и не давал нужной температуры.


А в итоге печь давала вот такой скромный и неприглядный кусок железа...

Восстановленное железо концентрировалось в тестообразном виде на самом дне печи, образуя так называемую горновую крицу — железную губчатую массу с включениями несгоревшего древесного угля и с многочисленными примесями шлака (при этом в более совершенных вариантах сыродутных печей жидкий шлак выпускали из горна по отдельному желобу, меньше загрязняя крицу).
Из крицы, которую в раскаленном виде извлекали из печи, можно было изготавливать изделия только после предварительного отделения этой шлаковой примеси и устранения её естественной губчатости.

Поэтому непосредственным продолжением сыродутного процесса всегда были холодная и, главное, горячая ковка, состоявшая в периодическом прокаливании кричной массы и ее проковывании. В результате этого многотрудного и длительного процесса создавались крицы-заготовки или кричные болванки, уже более-менее пригодные для изготовления какого-либо готового изделия.

При этом, надо сказать, что сыродутный процесс господствовал везде по миру как минимум около 2 500 лет! Если первые сыродутные печи появились во времена позднего Хеттского царства, то первые домны, которые позволили уйти от кричного процесса к получению чугуна в доменных печах — это уже середина XIV века. То есть, дорога от 1200 °C  кричного процесса до 1600 °C современной домны была длинной и очень непростой.

Для понимания специфики древнего способа производства приведу один пример: часовая производительность древнего примитивного сыродутного процесса была всего около 0,5—0,6 килограмм железа, более совершенные кричные средневековые печи выдавали уже 50—60 килограмм, а первые домны (пудлинговые печи) уже могли выдать до 140 кг железа в час.
Учитывая, что садка печи обычно оставалась более-менее постоянной (от 200 до 500 кг смеси угля и руды — шихты на одну загрузку печи), то можно себе представить, насколько за 2500 лет выросла производительность процесса, связанного с "варкой" железа, пока, наконец-то люди не добрались до истинной плавки металла.

В целом же, как и везде в реальном мире очень трудно отличить "последнюю кричную печь" от "первой домны". Процесс совершенствования технологии шёл постоянно и формальный переход от кричного железа к чугуну, на получении которого сейчас и основана вся металлургия, был неожиданностью для всех металлургов.

Но, до появления чугуна (который в сердцах даже назвали pig iron — свиное железо, о чём я расскажу позднее) было ещё далеко и пока люди получали лишь "грязное", зашлакованное железо в примитивных кричных печах.

При этом, что интересно, чем больше шлака содержало железо, тем легче его было "варить". Ведь, кроме того, что шлаки ухудшали полезные качества железа, они ещё и радикально понижали температуру плавления крицы.

В частности, индивидуальное производство железа на Руси стало возможным благодаря применению для его варки болотных руд, повсеместно встречающихся на Руси повсеместно на дне болот, озер и на берегах рек.

Ведь это были бурые железняки (лимониты) органического происхождения, которые начинали восстанавливаться уже при 400 ºС, а при 700–800 ºС из них без проблем уже можно было получить железо.

Так, например, недалеко от Новгорода в районе Устюжны было такое множество «горнов для делания железа», что новгородскому губернатору, посетившему эти места, показалось, будто он «заехал в предместье вулкана». Печи для делания железа стояли везде и всюду, количество живых памятников этого "производственного бума" до сих пор поражает современных археологов, раскапывающих культурный слой на Русской платформе.


Лесная сыродутная печь.

Это было хреновое железо, с большим числом вредных примесей, с остаточными серой и с фосфором.
Но его было много и его можно было "варить" в каждом доме, на каждом болоте, в каждом лесу.

Правда, само по себе это железо было мягким и непрочным и изделия из него гнулись и тупились, подобно мечам римских и македонских воинов.
Поэтому зарождающейся Руси нужна была сталь.
Ну и, конечно, громадное количество кузнецов, чтобы перековать во что-то путное это хреновое болотное железо.

И Русь решила эту проблему — по своему, с опорой на местные ресурсы и с учётом своего географического положения.

И под Балаклавой у русских уже были не только храбрость и отвага зулусов



но и ружья, пушки и сабли, сделанные из русского металла.

И английский приказ "Fire at will!" так никогда и не прозвучал над Русской равниной.