4.5. Развитие горного дела

Горное дело, как и перерабатывающие промыслы, было организовано по цеховому принципу, при котором разработка руд производилась товариществами (корпорациями) рудокопов. В первую очередь разрабатывались открытые месторождения (болотные, озерные), но по мере их истощения руду все чаще стали добывать в шахтах.

Способы добычи и применяемая техника практически не отличались от античных, лишь с XII в. в Саксонии начал применяться взрывной метод разработки с применением пороха. С XIV в. для подъема руды на поверхность, ее измельчения и для производства водоотливных работ стали применяться вододействующие устройства, в значительной степени облегчавшие тяжелый труд горняков. Но их внедрение в рассматриваемый период шло весьма медленно.

Большой производственный опыт, накопленный в горнометаллургическом производстве к середине XVI в. в странах Западной Европы, был впервые обобщен в 1550 г. немецким ученым Г. Бауэром, более известным под латинским именем Агрикола. Представление о содержании дает полное и пространное, в духе того времени, название его книги: «Георгия Агриколы врача в Хемнице и известного философа о горном деле и металлургии двенадцать книг, в которых обязанности, инструменты, машины и все вообще относящееся к горному делу не только самым достоверным образом описывается, но и столь наглядно показывается при помощи размещенных в соответствующих местах изображений, с присовокуплением их латинских и немецких наименований, что они не могли бы быть переданы с большей ясностью».

В этом выдающемся труде, в частности, была приведена подробная технология сыродутного способа производства железа, а также сведения об изготовлении металлических рам, зубчатых колес и подшипников. Была обоснована идея привода нескольких механизмов от одного источника энергии. Агрикола убедительно показал, что горное дело необходимо всему человечеству, а без металлургии не обходится ни одна область человеческой деятельности.

Более двух веков трактат Агриколы, называемый для краткости «О горном деле и металлургии», служил учебником по технике горного дела, металлургии и лабораторному делу. В отличие от сочинений алхимиков этот труд был совершенно лишен налета мистики и шарлатанства.

В своем трактате Агрикола ссылается на книгу лично известного ему итальянского инженера и ученого В. Бирингуччо «Пиротехника», изданную в 1540 г. в Венеции. Эта книга была своеобразной технической энциклопедией того времени, в которой кроме пиротехники были широко освещены металлургия, горное дело и гончарное производство. В ней были описаны: шахтная печь для переплавки твердого чугуна, различные способы производства железа и превращения дров в уголь, лаборатория для рудных проб, групповой привод нескольких воздуходувных мехов от одного водяного колеса, устройство для волочения проволоки с приводом от того же колеса через коленчатый рычаг.

4.6. Развитие производства чугуна и его переработки в железо

Первый процесс получения железа, названный сыродутным, зародившийся в недрах первобытнообщинного строя, существовал в течение многих столетий, обеспечивал металлом рабовладельческое общество и перешел в средневековье.

Для получения мягкого (малоуглеродистого, сварочного) железа повсеместно применялись сыродутные горны небольших размеров, с дутьем от ручных мехов. В качестве топлива применялся древесный уголь, В результате трехчасовой плавки в таком примитивном горне выплавлялась загрязненная шлаком и другими примесями крица, после 5-6-кратной проковки которой получалась железная чушка весом несколько килограммов. За сутки удавалось получить около 500 кг железа, при этом до 70-75% руды уходило в отходы. Метод, как видно, был чрезвычайно трудоемким и непроизводительным.

В раннем средневековье европейцы выплавляли железо в небольших горнах с обдувом горящей смеси древесного угля и железной руды мехами с ручным или конным приводом. Этот способ не позволял получать температуры, достаточно высокие для расплавления железа. Поэтому плавильщики были вынуждены почти ежедневно остужать печи и разбирать их, чтобы достать спекшуюся пористую массу (блум), представляющую собой смесь металлического железа и шлака. Для отделения железа от шлака блум приходилось поочередно нагревать и бить по нему молотом, постепенно освобождаясь таким образом от шлака. Блум, так же как и руда, нагревался в горне с принудительной тягой, создаваемой ручными мехами.

С этой проблемой помогло справиться изобретенное в XI-XII вв, водяное колесо, которое было приспособлено металлургами для приведения в действие воздуходувных мехов.

Резкое увеличение размеров горнов и силы дутья привело к тому, что вместо привычной густой массы крицы на дне горна стал появляться жидкий металл, который после застывания становился хрупким, не поддавался ковке и ломался при ударе. Вначале этот металл, позднее названный чугуном, считали просто непригодным и браковали, называя его грязным, сорным «камнем» или даже «свинским железом».

Но вскоре было замечено, что чугун хорошо заполняет формы и из него можно получать качественные отливки, не хуже, чем из меди и бронзы, но более дешевые. Тогда чугун стали выпускать через пробитые в основании горна отверстия (летки) и разливать в формы. Так зародилось чугунное литье, которое в усовершенствованном виде стало в наши дни основным видом литья в машиностроении.

Горны, выросшие в высоту и превратившиеся в шахтные печи, стали называть «домницами», а потом доменными печами, или просто домнами. В XIII-XV вв. в Западной Европе стали появляться высокие доменные печи с мощным дутьем, обеспечивающим температуру в нижней части до 1350, а в верхней — 750-900⁰С. Появление доменного процесса для получения чугуна и все возрастающие потребности в металле и прежде всего в стали, которые не мог удовлетворить прежний сыродутный процесс, заставили искать и новый способ переработки чугуна в железо.

Такой способ был найден и сущность его заключалась в том, что в кричной горн стали загружать куски чугуна в смеси с древесным углем, при горении которого происходило расплавление чугуна, окисление его примесей и в первую очередь углерода. Так происходил процесс превращения чугуна в железо, называемой фришеванием, или оздоровлением. По сравнению с сыродутным процессом уменьшились потери металла со шлаками, но самое главное — произошел почти стократный скачок в производительности.

Таким образом, в средние века произошла техническая революция в металлургии — переход от единого прежде сыродутного способа получения железа к двухступенчатому, включающему доменный и кричной. Двухступенчатый передел в основных чертах сохранился и до наших дней, претерпев определенную модификацию на второй стадии (ступени). Он позволял получать не только чугун и мягкое железо, но и сталь, занимающую по содержанию углерода промежуточное положение.

Еще в первобытные времена были известны способы цементации железа и закалки, позволявшие получать изделия и прежде всего оружие с высокой поверхностной твердостью и мягкой сердцевиной. Технологию процесса цементации древние металлурги держали в строгом секрете и позднее она была утрачена. В средние века упоминание о цементированной стали появилось, в частности, в «Книге разных искусств» немецкого монаха-пресвитера Теофила.

Неоднородность по содержанию углерода в цементированной стали и его высокая концентрация в поверхностном слое заставили искать способ получения более однородной стали. Так появился тигельный процесс, способ выплавки стали в специальных огнеупорных горшках (тиглях), о котором писал еще Аристотель. Тигельную сталь выплавляли главным образом в странах Древнего Востока (Персии, Индии, Сирии), где она использовалась для производства холодного оружия и инструментов. Но в средние века секреты тигельной плавки также были утеряны и были вновь воссозданы в середине XVIII в, уже за пределами рассматриваемого периода англичанином Б. Гентсманом.