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.
Отсюда автоматически возникало третье требование – нужно было правильно выбрать топливо, которое давало возможность добиться и нужных температур, и восстановительных условий. В качестве такого топлива древние металлурги использовали древесный уголь. Древесный же уголь не существует в природе сам по себе – его еще надо было приготовить. В процессе такого приготовления обычную древесину обжигали в огне, не давая ей, говоря простым языком, сгореть до конца. Для этого обжиг древесины проходил в ямах или кучах, дополнительно накрытых чем-либо сверху, что обеспечивало дефицит воздуха, поступающего в зону горения. Вроде бы просто, но еще не так уж и давно профессия углежогов считалась одной из самых трудных и опасных…
Рис. 29. Кучное углежжение
В-четвертых, конечно же, древний металлург должен был знать руды – из какой руды какой именно металл он может получить. Химического анализа в его распоряжении не было. Не было и армии геологов и минералогов. Все приходилось определять самому – буквально на вкус, запах и цвет. А по цвету, между прочим, рудные минералы чаще всего отнюдь не совпадают с тем металлом, который они содержат.
Примечательно, что реальные находки показывают, что древние металлурги прекрасно ориентировались в минералах. Так, например в 1961 году неподалеку от Архыза (Западный Кавказ) на горе Пастуховой геологи обнаружили старые шахты. В.Кузнецов, исследовавший горные выработки, отмечал:
«…древние горняки и рудознатцы действовали с большим знанием дела: они шли по жиле и выбирали все линзы и скопления медной руды, не останавливаясь на малозначительных вкраплениях. Осведомленность по тем временам поразительная, ведь никаких специальных научных знаний по геологии и горному делу не существовало. Уже в седой древности люди умели искусно вести своего рода геологическую разведку и с этой целью исследовали труднодоступные горные хребты».
В-пятых, перед плавкой древний металлург должен был подготовить шихту – смесь, из которой он собирался получить нужный ему металл. А это влечет за собой еще целый ряд требований.
Прежде всего – руду надо было не только уметь определять по внешним признакам. Ее надо было еще добыть (ведь не расплавлять же весь горный массив), доставить к месту плавки, механически отделить от явных примесей и размельчить до кусочков такого размера, который, с одной стороны, должен быть не очень большой (чтобы куски полностью расплавились), а с другой – и не слишком маленький (чтобы обеспечить более равномерный прогрев всей шихты газами, циркулирующими в тигле). Но главное – смешать эти кусочки в нужных пропорциях с правильными флюсами.
А для этого он должен выполнить седьмое условие – древний металлург должен бал хорошо ориентироваться в свойствах различных флюсов. Ведь какие-то флюсы уменьшают температуру плавления, а какие-то наоборот – повышают ее. Какие-то облегчают отделение шлаков, какие-то затрудняют. Какие-то улучшают требуемые свойства выплавляемого металла (например, ковкость), а какие-то ухудшают. И т.д. и т.п.
Восьмое условие вытекает из требования обеспечения необходимого температурного режима. Это – обеспечение поступления в печь воздуха в необходимом режиме либо за счет естественной тяги, либо с помощью искусственного поддува.
Девятое требование – создание условий для удаления из печи продуктов горения. Слишком быстрый их вывод сопровождается потерей тепла и увеличением расхода топлива. Слишком медленный – чреват риском замедления процесса горения или вообще затухания.
Далее. Древний металлург должен был грамотно определять, в какой момент необходимо закончить плавку. И это гораздо сложнее, нежели проверить, например, степень готовности пищи. Выемка тигля из печи сопровождается резким падением температуры внутри него и нарушением режима плавки. Так что древнему металлургу нельзя было вынимать тигель из печи, как горшок с кашей, чтобы проверить степень готовности «продукта». Действовать приходилось практически «вслепую».