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 њС. 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 зату-

плялись. 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.

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.