Металлы - дар небесных богов

И в этом нет ничего удивительного, ведь в эксперименте отрицательный результат – тоже результат…

Рис. 24. Отрицательный результат – тоже результат

Следует лишь учитывать, что экспериментальная металлургия не дает точного и ясного ответа, какие именно технологии и приемы использовали древние мастера. Скорее наоборот – она способна определить, какие приемы и методы они не использовали или не могли использовать. Таким образом экспериментальная металлургия лишь сужает перечень вероятных, а не строго определенных технологий.

Историки и археологи не любят работать в условиях вероятностей, когда вместо однозначного ответа имеется целый ряд возможных решений, но для технарей это как раз наиболее привычное и даже естественное состояние…

Выплавка металла из руды

Прежде, чем перейти к рассмотрению результатов экспериментальной металлургии, некоторые из которых оказались весьма неожиданными даже для самих экспериментаторов, необходимо немного остановиться на базовых основах физико-химического процесса выплавки металлов, дабы дальнейшее было понятно и тем читателям, которые далеки от данной отрасли. Для этого мы рассмотрим процесс выплавки меди и/или бронзы на примере простейшего горна (т.е. металлургической печи) для тигельной плавки.

Рис. 25. Простейший горн для тигельной плавки

Как показывают археологические данные, древние металлурги строили свои печи (горны) буквально из подручного материала – обычной глины (иногда укрепляемой с помощью каркаса из веток деревьев или кустарников) или смеси камня с глиной. Этого им было вполне достаточно для решения первой важной задачи – обеспечить зону, в которой можно было сохранять необходимую для выплавки металла температуру без излишних тепловых потерь. В такую печь помещалось топливо – древесный уголь, который получали посредством обжига обычной древесины.

Непосредственно плавка металла осуществлялась в тигле – обычном керамическом сосуде, который помещался на горящие угли или прямо в их массу. В тигель предварительно загружалась шихта – специально подготовленная смесь, которая включала в себя кусочки размолотой руды или смеси разных руд, тот же древесный уголь и так называемые флюсы (добавки). Древесный уголь был необходим для обеспечения восстановительного режима протекающих в тигле химических реакций, а флюсы – органические и/или неорганические добавки – для снижения температуры плавления, для повышения текучести выплавляемого металла, а также для связывания лишних примесей, которые неизбежно присутствуют в руде. Примеси, соединяясь с веществом флюсов в процессе плавки, образуют шлак, плотность которого меньше плотности выплавляемого металла, в результате чего шлак всплывает вверх, и его легко отделить от полученного металла по окончании процесса. На первых этапах шлак удалялся простым механическим способом (ударами молотка) после остывания и раскалывания тигля, а позднее было освоено и удаление еще расплавленного шлака, что позволило сохранять тигель в целостном виде и использовать его неоднократно.

Пока все выглядит довольно просто…

Рис. 26. Слив шлака

Рассмотрим теперь химию процесса.

При горении древесного угля в условиях дефицита кислорода О 2углерод С (составляющий основной химический элемент в составе древесного угля) окисляется не до конца и образует окись углерода СО, что обеспечивает вышеупомянутую восстановительную атмосферу процесса, поскольку окись углерода является активным восстановителем. Это ее свойство и используется для восстановления металла из его соединений в руде.

2С + О 2 → 2СО

В природе существует много разновидностей руды, которая содержит медь. Считается, что первыми наши предки освоили выплавку меди из оксидных руд – например, куприта (Cu 2O), а также карбонатных руд (CuCO 3) – например, малахита. Соответствующие химические реакции в этих процессах выглядит следующим образом:

Cu 2O + CO → 2Cu + CO 2

CuCO 3 + CO → Cu + 2CO 2

Рис. 27. Малахитовая руда

Лишние примеси, среди которых было немало оксида кремния SiO 2 (то есть обычного песка), представлявшего собой весьма тугоплавкое соединение, удалялись посредством добавки гематита, содержащего оксид железа Fe 2O 3. В ходе химических реакций, протекавших в шихте, образовывался фаялит (FeO∙SiO 2) – соединение оксидов железа и кремния – уже легкоплавкое вещество, которое переходило в шлак. Химические реакции этого процесса, проходившего в две стадии, выглядят следующим образом:

Fe 2O 3 + CO → 2FeO + CO 2

FeO + SiO 2 → FeO∙SiO 2

Чуть позже, как считается, была освоена выплавка меди и из сернистых руд, то есть руд, в которых имелись соединения меди с серой. Типичный пример такой руды – халькопирит (CuFeS 2).

Как полагали историки, сернистые руды подвергались предварительному обжигу, в процессе чего сернистые соединения меди превращались в ее оксиды, которые далее подвергались обычной плавке с восстановлением металлической меди по представленной выше схеме химического процесса.

Картинка получается уже чуть посложнее, но пока все еще выглядит вполне реализуемой.

Рис. 28. Халькопирит

Однако посмотрим теперь в целом, что должен был сделать древний металлург, чтобы провести успешную плавку и добыть слиток вожделенного для него металла.

Во-первых, ему нужно было обеспечить необходимый для выплавки металла температурный режим в печи. Если температура будет низкой – руда просто не расплавится, а химические реакции не запустятся.

Но с температурой нельзя было и переборщить, поскольку для повышения температуры нужен более интенсивный процесс горения, а это неизбежно сопровождается усилением процесса окисления углерода, который не останавливается на стадии окисла СО, а реагирует до образования бесполезного для плавки оксида СО 2. Восстанавливать металл становится нечем, и его оксиды так и остаются оксидами. Так что древний металлург должен был обеспечить и второе условие – восстановительный режим в тигле. А для этого ему там нужна была восстановительная атмосфера с надлежащим количеством оксида углерода СО.