Древесноугольная металлургия (Часть 1)

Самая консервативная технология. Углежжение и экология. От античности до современности.

Для тех, кто только присоединился - данный цикл показывает поступательное развитие металлургии от неолита до ...

Продолжение цикла публикаций из энциклопедии "Металлургия и время".

Предыдущие статьи цикла:

Истоки рудной металлургии

Ювелирное искусство - основа металлургии

Древний мир бронзового литья

Загадки сыродутного горна 

Последние 150 лет существования металлургической индустрии отмечены постоянным усложнением и специализацией отдельных составляющих её производств. В частности, получение металлургического топлива в настоящее время зачастую воспринимается как самостоятельное производство, слабо связанное собственно с металлургией. Подобному взгляду особенно способствовало развитие переработки побочных химических продуктов, выделяемых из каменного угля в процессе коксования, что привело к «перемещению» коксохимической подотрасли в область химических технологий. Между тем, без специального топлива, которое в металлургии по совместительству является и восстановителем, невозможен процесс производства из руд железа и большинства цветных металлов. На протяжении нескольких тысяч лет получение металлургического топлива воспринималось как неотъемлемая часть металлургического производства.

Благодаря современным средствам массовой информации сегодня вряд ли найдется человек, не имеющий представления о проблеме парниковых газов, главным источником которых является использование ископаемого топлива. Наиболее эффективно «борются» с этими опасными спутниками прогресса растения, поглощающие углекислый газ (диоксид углерода) и производящие кислород. В ряде стран мира, и прежде всего в Бразилии, в доменном производстве активно используют древесный уголь, который получают из эвкалиптов – быстрорастущих деревьев. Для этого создают специальные плантации с высоким «оборотом» выращиваемой и периодически вырубаемой древесины. При получении древесного угля, выплавке чугуна и сжигании доменного газа диоксид углерода выделяется, а при выращивании эвкалиптов – поглощается, причём поглощается почти в три раза больше. Итак, хотим победить парниковый эффект – возрождаем древесноугольную металлургию?!

Конечно, в этом призыве есть доля шутки: подобное возможно лишь в ограниченных объёмах и в странах, где климат способствует быстрому росту деревьев. В противном случае использование древесного угля приведёт лишь к сведению лесов, что хорошо видно из следующего очерка. Однако в условиях, когда прирост древесины превышает её вырубку, доменное производство с применением древесного угля оказывается действительно эффективным как с точки зрения экономики (для удовлетворения нужд местных потребителей, когда не требуются большие объёмы производства), так и с точки зрения охраны окружающей среды.

Древнейшее металлургическое топливо

Практически все издревле доступные человеку химические элементы на нашей планете, кроме благородных металлов, присутствуют в природе в составе соединений с кислородом, реже с серой и другими элементами.

Это означает, что для их выделения в чистом виде необходимо затратить энергию. Лишь один элемент, благодаря тому что растения, ассимилируя энергию солнца, используют её для строительства клеток, находится в состоянии, позволяющем ему окисляться с выделением тепла. Человек давно оценил эту данную природой возможность, что позволило ему выжить в суровой дикой природе, постепенно улучшить условия существования, а позднее – производить из руд металлы, построить индустриальную цивилизацию и обеспечить комфортный уровень жизни.

Вряд ли когда-нибудь будет достоверно установлено, когда и в какой части планеты человек впервые установил, что обугливание древесины без сгорания позволяет получить топливо, гораздо более удобное в использовании и функциональное – древесный уголь. Разделение эндотермического процесса обугливания (удаления из древесины влаги, кислорода и водорода) и экзотермического процесса горения, которые «в условиях костра» происходят одновременно, позволило в случае применения древесного угля снизить потери тепла и получить существенно более высокую температуру.

Использование древесного угля, особенно совместно с применением принудительного воздушного дутья, привело к увеличению «температурного потенциала» цивилизации, что способствовало развитию производства керамики и стекольного дела. Благодаря тому что, в отличие от дров, древесный уголь является практически бездымным топливом, он нашёл широкое применение в быту при приготовлении пищи и обогреве помещений с использованием открытых жаровен. Наконец, именно благодаря древесному углю человечество получило возможность выплавлять из руд медь и железо.

Самая консервативная технология

Технологию производства древесного угля можно по праву считать самой консервативной в истории человечества – она просуществовала практически в неизменном виде несколько тысяч лет, со времени своего зарождения до середины XIX века.

Причём на протяжении многих веков это производство было самым масштабным – ведь оно поставляло топливо для всех производств, требующих высоких температур, а также для многочисленных домашних хозяйств.

К сожалению, о технологии углежжения в период зарождения и становления металлургического производства известно только благодаря археологическим раскопкам в местах концентрации древних производств. При этом исследователи, как правило, основное внимание уделяют непосредственно производству керамики, стекла и металла, а вот вопросам производства металлургического топлива посвящено совсем немного специальных исследований.

Известно, что древесный уголь широко применялся при получении и обработке металлов в Древнем Египте. Образцы его найдены археологами в захоронениях, относящихся к раннединастическому (4000–2680 гг. до н. э.) периоду и периоду I династии (3050–2850 гг. до н. э.). Особенно масштабным производство древесного угля было на территории Аравийской пустыни и на Синайском полуострове. Это привело к практически полному сведению лесов на этих территориях. Существует версия, что именно истощение запасов топлива, а не руд, вынудило египтян перенести производство металлов на периферийные территории государства с последующей транспортировкой готовых слитков в метрополию (например, медь в основном выплавляли в Тимне, недалеко от современного города Эйлата в Израиле).

В Месопотамии древесный уголь был известен с незапамятных времён, в частности, он применялся в качестве пигмента при раскраске гончарных изделий. При этом он всегда представлял существенную ценность в этом бедном лесами регионе. Найдено письмо вавилонского царя Хаммурапи (1793–1750 гг. до н. э.) к его слуге Син-Идиннаму, в котором он даёт распоряжение о скорейшей поставке дров для производства металла из поселения при рудниках Дур-Гургурри в Вавилон, чтобы тамошние металлурги «не сидели с пустыми руками». При этом царь обращал особое внимание на то, чтобы поставлялся только свежесрубленный лес, без сухих деревьев.

В местностях, бедных лесом, в качестве заменителя древесного угля использовались верблюжьи кизяки и кусты колючки. Греческий историк и географ Гней Помпей Страбон (ок. 64 г. до н. э. – ок.23 г. н. э.) упоминает о том, что мастера по бронзе использовали финиковые косточки в качестве заменителя древесного угля. Гай Плиний Секунд (Плиний Старший, 23–79 гг. н. э.) в «Естественной истории» пишет об использовании в Египте корней папируса для замены угля при кузнечной обработке железа.

Письменные источники

Первое описание свойств и способов использования древесного угля принадлежит перу (а точнее – стилосу) древнегреческого философа и естествоиспытателя Тиртама. Тиртам – ученик Платона, а позднее – любимый ученик, друг и преемник Аристотеля.

Именно Аристотель наградил его прозвищем, под которым он и остался в памяти потомков – Теофраст, т.е. «божественный оратор». За свою долгую и плодотворную жизнь (372–287 гг. до н. э.) Теофраст написал свыше 200 трудов по естествознанию, среди которых две книги о растениях: «История растений» и «Причины растений». Помимо основ классификации и физиологии растений, эти труды содержат описание горючих свойств различных видов древесины и получаемого из них угля. Кроме того, в сочинении «Об огне» Теофраст поясняет, почему «приготовленный» (древесный) уголь более чёрный, чем ископаемый, и даёт рекомендации по более эффективному его сжиганию, а в сочинении «О камнях» упоминает о том, что ископаемый уголь активно используется в кузнечном деле.

Теофраст отмечает, что самый лучший уголь получается из деревьев с плотной древесиной, в частности из дуба и земляничного дерева. Такие угли горят дольше и позволяют достичь более высоких температур, поэтому их охотно используют в процессе производства серебра «для первой переплавки руды» (Имеется в виду первая стадия производства серебра – выплавка его из руды, а при дальнейших операциях по его очистке от примесей предъявлялись менее строгие требования к качеству топлива).

При этом из всех плотных углей дубовый содержит самое большое количество золы, что ограничивает его применение при производстве металлов. По словам Теофраста, в случае если требуется мягкий уголь, например при производстве железа, «когда оно уже расплавилось» (Описывается стадия процесса плавки, когда уже произошло разделение на металл и шлак и требуется меньше тепла), используют уголь из эвбейского ореха, а при производстве серебра (Речь идёт о стадии очистки серебра от примесей) – уголь из алеппской сосны. Кузнецы предпочитают сосновый уголь дубовому, поскольку его легче разжечь, и, хотя он и даёт меньше жара, но горит ярким пламенем, а не тлеет.

Дерево для производства угля должно быть свежим и не старым (о том же писал Хаммурапи). Лучший уголь получается из зрелых деревьев, у которых плотность, влажность и количество золы находятся в оптимальных пропорциях. Что касается собственно выжига угля, то Теофраст рекомендовал выбрать гладкие и прямые поленья, чтобы можно было сложить их как можно плотнее в кучу, укрыть её дёрном, поджечь и периодически «помешивать» шестами. Также он даёт подробное описание процесса выделения газов при сжигании и обугливании различных пород дерева и рекомендации по использованию дров и изготовлению деревянного огнива.

Практически идентичные рекомендации по технологии производства древесного угля даёт и Плиний Старший в «Естественной истории». Кроме того, он подробно описывает технологии производства различных металлов и, в том числе, особенности использования древесного угля. Также он описывает возможности использования смолы, выделяемой при производстве древесного угля, особенно из деревьев хвойных пород. Об использовании смолы пишет и Теофраст – по его словам, она использовалась в качестве связующего для брикетирования угольной мелочи.

Экология углежжения

Благодаря римлянам, технология кучного (как вариант – ямного) выжига древесного угля постепенно распространилась по всему Pax Romana (римскому миру). Кроме того, римляне осуществляли торговлю углём, производимым в «промышленных центрах» в Греции, Македонии, Галлии и других областях, что позволило жителям Империи оценить удобство этого вида топлива по сравнению с дровами.

В этом аспекте необходимо особо отметить проблему воздействия производства топлива на окружающую среду, а особенно, когда дело касается древесного угля, проблему уничтожения лесов – обезлесение.

Отметим, что если рассматривать средиземноморский регион античного времени в целом, то, в первую очередь, растительности наносили урон бесчисленные овечьи стада. Что касается угля, то, по свидетельству Страбона, только его производство для выплавки меди и серебра позволило привести в порядок заросший дикими лесами Кипр. Однако в окрестностях крупных производственных центров дело обстояло иначе. Так, на острове Эльба – крупнейшем римском центре по производству железа – леса были вырублены ещё во времена Римской республики, и по этой причине добытую на острове руду перевозили в Популонию, расположенную рядом с богатыми лесом Лигурийскими горами.

Плиний отмечал, что, вследствие сведения лесов в Галлии приходится производить второй обжиг руды с помощью древесного угля (привезённого из других мест) вместо дров, что, безусловно, приводит к удорожанию производства. Он также отмечал недостаток древесного угля для обеспечения металлургии в области Кампанья. Несмотря на это, производство в этих областях продолжалось в течение сотен лет без каких-либо изменений за исключением роста себестоимости металла из-за увеличения затрат на перевозку топлива.

Географические, ландшафтные и погодные факторы

После падения в 476 г. Западной Римской империи на протяжении всего средневековья технология производства древесного угля не претерпевала существенных изменений.

Так, описание процесса выжига в изданном в 1540 г. труде «Пиротехния» («Pirotechnia») итальянского инженера и учёного Ванноччо Бирингуччо (Biringuccio, 1480–1539 гг.) мало чем отличается от аналогичных описаний Теофраста и Плиния Старшего. Бирингуччо, так же как и его предшественники, даёт наставления по выбору древесины для производства металлургического угля, характеризует её свойства в зависимости от условий произрастания деревьев, описывает технологию подготовки и обугливания дров, а также приводит советы по использованию различных сортов древесного угля. В частности, Бирингуччо рекомендует использовать ямный уголь только в кузнечных операциях, а для плавки руд применять кучной.

Технология углежжения с использованием в качестве покровных материалов дёрна и земли могла применяться только в тех областях, где эти материалы имелись в наличии (в частности, в Европе). На Ближнем Востоке и в Египте в регионах с песчаными почвами обугливание древесины осуществляли, по-видимому, в ямах. Также проблема отсутствия качественных покровных материалов решалась путём сооружения специальных печей из камня.

При этом следует иметь в виду, что печи для выжига древесного угля целесообразно было применять только там, где нельзя применить другой способ изолирования тлеющих дров от атмосферного воздуха. На первый взгляд это странно – ведь капитально построенная печь, в отличие от «кустарно» покрытой кучи, обеспечивает более высокое качество угля, позволяет существенно снизить трудоёмкость процесса, при этом требования к технологической дисциплине менее строгие и, наконец, сводится к минимуму риск для жизни и здоровья углежогов. Дело в том, что строить капитальное сооружение, работающее «на дровах», не имело никакого смысла – ведь окружающие лесные ресурсы довольно быстро истощались, а транспортировка готового угля требует гораздо меньше затрат, чем перевозка дров. При истощении леса углежоги просто переходили на другое место, где лес рос в изобилии, и продолжали там свою деятельность. При переходе на новое место пришлось бы бросать печи и строить новые, что, конечно, увеличило бы затраты на производство.

Результатом неизбежного удаления угольного производства от металлургического, как уже говорилось выше, было постепенное удорожание угля, поскольку к нему добавлялась стоимость транспортировки, но другого выхода не было. В качестве примера можно отметить, что в конце XIX в., в заключительный период существования уральской древесноугольной металлургии, транспортировать дрова для обеспечения заводов топливом приходилось сплавом по реке, поскольку на заводах имелись печи для выжига угля. Это существенно снижало их и без того крайне низкую экономическую эффективность.

Производство древесного угля в кучах представляет собой многофакторный процесс: для того чтобы получить качественный древесный уголь, мастеру требовалось учитывать буквально всё – от свойств используемого дерева до погодных условий. У «певца Урала» Павла Бажова в коротком рассказе «Живинка в деле» есть два предложения, которые очень точно характеризуют эту особенность: «По нонешним временам, при печах-то, с этим попроще стало, а раньше, как уголь в кучах томили, вовсе мудрёное это дело было. Иной всю жизнь колотится, а до настоящего сорта уголь довести не может».

«Металлургия и время» — совместный проект ОМК и Московского института стали и сплавов (НИТУ МИСиС).

Предыдущие статьи по схожей тематике:

Технологии, которые были забыты

Технологии, которые не исчезли

Металлургия Древнего Египта в раннем бронзовом веке

Оригинал статьи в блоге:

http://paulus-raul.livejournal...

Т.к. все статьи журнала взаимосвязаны, то их надо рассматривать в совокупности.

Если Вы чего-то не понимаете, то Вам необходимо прочитать ВЕСЬ ранее написанный материал и еще немного учебников.

Бонус-видео: Углежжение метод 17 го века, Англия.