Когда люди начали обрабатывать металл. История металлургии

Если учесть некоторые погрешности и оговорки, вроде ошибки в 1000 раз по общемировой добыче золота, то рассмотренные вопросы достойны всяческого внимания.

Главный из них - каким образом историки могут объяснить одновременное овладение искусством выплавки металла в самых разных уголках планеты? Ведь здесь докладчица права: металл в виде руды никак особого внимания привлечь не может. Но даже в противном случае температура в сердце костра достигает лишь 700°, тогда как для выплавки металла необходима тысяча градусов.

Здесь речь не идёт о свинце или олове. Нас же уверяют в существовании бронзового (медь) и железных веков!

Медь и золото плавятся при температуре свыше 1000°, а железу надо в полтора раза больше тепла. Так каким образом люди разом научились и печи делать, и с окислением металла при плавке работать?

Вопросы, вопросы... А вразумительных ответов на эти загадки пока нет.

Оценка информации

Записи на схожие темы

...): Вышний (Вышень), Сварог (кто создал или «сварганил» мир),...имел репутацию выдающегося ученого человека , он смог побеседовать с...страшным оружием. Народ, умевший выплавлять металлы (бронзу, железо) и...изобрели морские корабли и научились с помощью ветра и...

Цивилизация появилась в нем! Египтяне научились выплавлять медь и шагнули в бронзовый... купить столько оружия? Бронза была металлом чертовски дорогим, а Греция - нищей... с мелкими сварами. Образованный человек : А кто тогда построил Змиевы валы? Многие...

2016 год годом экологии. Кто съедает кислород? За...лет на Земле были выплавлены человеком металлов научиться ...

2016 год годом экологии.Кто съедает кислород?За...лет на Земле были выплавлены миллиарды тонн железа (только... кислород технические средства, созданные человеком . Автомобиль, проехавший 500 км... металлов . Землянам придётся запретить вражду и войны и научиться ...

Медь можно с полным основанием назвать первым металлом человечества, потому что люди стали его использовать еще более 10.000 лет назад - в каменном веке. На протяжении столетий люди учились правильно обращаться с металлом, обрабатывая его самыми различными способами - с помощью молотков, нагреванием, литьем или путем легирования (смешивания) с другими металлами, как свинец, серебро, цинк или олово. Открытие, что медь и цинк хорошо соединяются, положило начало целой эпохе, имя которой: бронзовый век.

Все великие культуры и народы работали с медью: Колосс Родосский был построен из меди, а древние египтяне использовали медь для строительства своих водопроводов. Первыми же название этому металлу дали римляне: Они называли медь "aes cyprium" (руда с Кипра). Позднее его стали называть сокращенно "cuprum". От этого слова образовались названия меди во многих европейских языков (copper, Kupfer. cuivre).

В природе медь встречается, как самородный металл, а также в составе минералов. Сырье это находят на всех континентах и уменьшения его запасов пока что не предвидится, потому что медь не расходуется, а только используется, что обеспечивается повторной переработкой этого металла. Это экономит медь в природных ресурсах и соответствует идеальному обращению с полезными ископаемыми.

Наиболее значительные месторождения меди находятся на сегодняшний день в Чили и в США, где сконцентрированы порядка 20 процентов известных мировых запасов. Другими важными регионами добычи являются Африка, Австралия, Китай, Канада, Индонезия, Южная Америка, Россия и Польша. В Европе существуют также и мелкие месторождения меди. К сожалению, многие из них уже исчерпали себя.

Земных резервов меди хватит еще очень надолго, потому что несмотря на ежегодный рост добычи медной руды, известные месторождения не уменьшаются, а даже растут. Причина этого состоит в открытии все новых залежей этого металла. Кроме того, постоянно развивающиеся процессы и техника разработки и добычи ведут к увеличению пригодных для использования резервов сырья.

Исследования подтверждают, что известные мировые резервы увеличились с 90 миллионов тонн (1950 год) до 280 миллионов тонн (1970 год), а к 1998 году они достигли черты в 340 миллионов тонн. По последним оценкам, мировые запасы меди составляют более 2,3 миллиардов тонн.

Медная руда добывается как открытым способом, так и в шахтах. Перед собственно металлургическим переделом медной руды осуществляется отделение "пустых" сопровождающих пород, в результате чего после флотации (флотационного обогащение) получают рудный концентрат с содержанием меди в диапазоне 20 - 30 процентов. Медные концентраты перерабатываются исключительно пирометаллургическим способом, а окисные медные руды (медные руды прибл. 15-20%) гидрометаллургическим способом, что в результате заканчивается рафинированием (очисткой), в процессе которого происходит удаление оставшихся загрязнений.

На сегодняшний день наиболее предпочтительной технологией является электролиз.

А знаете ли вы, что медь, как природный, ограниченный в количестве и потому ценный сырьевой материал не расходуется, а используется в различных формах и после использования может использоваться повторно?

Именно поэтому еще древние египтяне обозначали медь так называемым символом "анкх", означающим "вечную жизнь" - действительно, наиболее подходящее название. Потому что этот металл, со времен его открытия, может использоваться без всяких ограничений. Поэтому навряд ли возникают сомнения в том, что где-то на Земле все еще активно используется медь, которую, в свое время, добыли еще в Древнем Египте.

Причина этого заключается в не представляющей проблем способности к переплавке. Именно это обеспечивает возможность неограниченно частую регенерацию меди.

Более 80% когда-либо добытой меди в настоящее время все еще находятся в обороте.

“Семь металлов создал свет по числу семи планет” — в этих немудреных стишках был заключен один из важнейших постулатов средневековой алхимии . В древности и в средние века и было известно лишь семь металлов и столько же небесных тел (Солнце, Луна и пять планет, не считая Земли). По мнению тогдашних светил науки, не увидеть в этом глубочайшую философскую закономерность могли только глупцы да невежды. Стройная алхимическая теория гласила, что золото представлено на небесах Солнцем, серебро — это типичная Луна, медь, несомненно, связана родственными узами с Венерой, железо олицетворяется Марсом, ртуть соответствует Меркурию, олово — Юпитеру, свинец — Сатурну. До XVII века металлы и обозначались в литературе соответствующими символами.

Рисунок 1 - Алхимические знаки металлов и планет

В настоящее время известно более 80 металлов, большинство которых используется в технике.

С 1814 г. по предложению шведского химика Берцелиуса для обозначения металлов используются буквенные знаки.

Первым металлом, который человек научился обрабатывать, было золото. Самые древние вещи из этого металла изготовлены в Египте примерно 8 тыс. лет назад. В Европе 6 тыс. лет тому назад первыми начали изготовлять из золота и бронзы ювелирные украшения и оружие фракийцы , жившие на территории от Дуная до Днепра.

Историки выделяют три этапа в развитии человечества: каменный век, бронзовый и железный.

В 3 тыс.до н.э. люди начали широко применять в своей хозяйственной деятельности металлы. Переход от каменных орудий к металлическим имел колоссальное значение в истории человечества. Пожалуй, никакое другое открытие не привело к таким значительным общественным сдвигам.

Первым металлом, получившим широкое распространение, была медь (рисунок 2).

Рисунок 2 - Карта-схема территориально-хронологического распространения металлов в Евразии и Северной Африке

На карте хорошо видно расположение древнейших находок металлических изделий. Почти все известные артефакты, относящиеся к периоду с конца IX по VI тыс. до н.э. (т.е. до того, как в Месопотамии широко распространилась культура типа Урук), происходят всего из трех десятков памятников, рассеянных по обширной территории в 1 млн. км 2 . Отсюда извлечено около 230 мелких образцов, причем 2/3 из них принадлежат двум поселениям докерамического неолита — Чайоню и Ашикли.

Постоянно разыскивая необходимые им камни, наши предки, надо думать, уже в древности обратили внимание на красновато-зеленые или зеленовато-серые куски самородной меди. В обрывах берегов и скал им попадались медный колчедан, медный блеск и красная медная руда (куприт). Поначалу люди использовали их как обыкновенные камни и обрабатывали соответствующим способом. Вскоре они открыли, что при обработке меди ударами каменного молотка ее твердость значительно возрастает, и она делается пригодной для изготовления инструментов. Таким образом, вошли в употребление приемы холодной обработки металла или примитивной ковки.

Затем было сделано другое важное открытие — кусок самородной меди или поверхностной породы, содержавшей металл, попадая в огонь костра, обнаруживал новые, не свойственные камню особенности: от сильного нагрева металл расплавлялся и, остывая, приобретал новую форму. Если форму делали искусственно, то получалось необходимое человеку изделие. Это свойство меди древние мастера использовали сначала для отливки украшений, а потом и для производства медных орудий труда. Так зародилась металлургия. Плавку стали осуществлять в специальных высокотемпературных печах, представлявших собой несколько измененную конструкцию хорошо известных людям гончарных печей (рисунок 3).

Рисунок 3 - Плавка металла в Древнем Египте (дутьё подаётся мехами, сшитыми из шкур животных)

В Юго-Восточной Анатолии археологи открыли очень древнее поселение докерамического неолита Чайоню Тепеси (рисунок 4), которое поразило неожиданной сложностью каменной архитектуры. Ученые обнаружили среди руин около сотни мелких кусочков меди, а также множество осколков медного минерала — малахита, некоторые из них были обработаны в виде бусин.

Рисунок 4 - Поселение Чайоню Тепеси в Восточной Анатолии: IX-VIII тысячелетия до н.э. Здесь был обнаружен древнейший металл планеты

Вообще говоря, медь — мягкий металл, сильно уступающий в твердости камню. Но медные инструменты можно было быстро и легко затачивать. (По наблюдениям С.А. Семенова, при замене каменного топора на медный, скорость рубки увеличивалась примерно в три раза.) Спрос на металлические инструменты стал быстро расти.

Люди начали настоящую «охоту» за медной рудой. Оказалось, что она встречается далеко не везде. В тех местах, где обнаруживались богатые залежи меди, возникала их интенсивная разработка, появлялось рудное и шахтное дело. Как показывают открытия археологов, уже в древности процесс добычи руды был поставлен с большим размахом. Например, вблизи Зальцбурга, где добыча меди началась около 1600 году до Р.Х., шахты достигали глубины 100 м, а общая длина отходящих от каждой шахты штреков составляла несколько километров.

Древним рудокопам приходилось решать все те задачи, которые стоят и перед современными шахтерами: укрепление сводов, вентиляция, освещение, подъем на гора добытой руды. Штольни укрепляли деревянными подпорками. Добытую руду плавили неподалеку в невысоких глиняных печах с толстыми стенками. Подобные центры металлургии существовали и в других местах (рисунки 5,6).

Рисунок 5 - Древние рудники

Рисунок 6 - Орудия древних рудокопов

В конце 3 тыс.до н.э. древние мастера начали использовать свойства сплавов, первым из которых стала бронза. На открытие бронзы людей должна была натолкнуть случайность, неизбежная при массовом производстве меди. Некоторые сорта медных руд содержат незначительную (до 2%) примесь олова. Выплавляя такую руду, мастера заметили, что медь, полученная из нее, намного тверже обычной. Оловянная руда могла попасть в медеплавильные печи и по другой причине. Как бы то ни было, наблюдения за свойствами руд привели к освоению значения олова, которое и стали добавлять к меди, образуя искусственный сплав — бронзу. При нагревании с оловом медь плавилась лучше и легче подвергалась отливке, так как становилась более текучей. Бронзовые инструменты были тверже медных, хорошо и легко затачивались. Металлургия бронзы позволила в несколько раз повысить производительность труда во всех отраслях человеческой деятельности (рисунок 7).

Само производство инструментов намного упростилось: вместо того, чтобы долгим и упорным трудом оббивать и шлифовать камень, люди наполняли готовые формы жидким металлом и получали результаты, которые и во сне не снились их предшественникам. Техника литья постепенно совершенствовалась. Сначала отливку производили в открытых глиняных или песчаных формах, представлявших собой просто углубление. Их сменили открытые формы, вырезанные из камня, которые можно было использовать многократно. Однако большим недостатком открытых форм было то, что в них получались только плоские изделия. Для отливки изделий сложной формы они не годились. Выход был найден, когда изобрели закрытые разъемные формы. Перед литьем две половинки формы крепко соединялись между собой. Затем через отверстие заливалась расплавленная бронза. Когда металл остывал и затвердевал, форму разбирали и получали готовое изделие.

Рисунок 7 - Бронзовые инструменты

Такой способ позволял отливать изделия сложной формы, но он не годился для фигурного литья. Но и это затруднение было преодолено, когда изобрели закрытую форму. При этом способе литья сначала лепилась из воска точная модель будущего изделия. Затем ее обмазывали глиной и обжигали в печи.

Воск плавился и испарялся, а глина принимала точный слепок модели. В образовавшуюся таким образом пустоту заливали бронзу. Когда она остывала, форму разбивали. Благодаря всем этим операциям мастера получили возможность отливать даже пустотелые предметы очень сложной формы. Постепенно были открыты новые технические приемы работы с металлами, такие как волочение, клепка, пайка и сварка, дополнявшие уже известные ковку и литье (рисунок 8).

Рисунок 8 - Золотая шляпа кельтского жреца

Пожалуй, самую крупную отливку из металла удалось сделать японским мастерам. Было это 1200 лет назад. Весит она 437 т и представляет собой Будду в позе умиротворения. Высота скульптуры вместе с пьедесталом — 22 м. Длина одной руки — 5м. На раскрытой ладони могли бы свободно танцевать четыре человека. Добавим, что знаменитая древнегреческая статуя — Колосс Родосский — высотой 36 м весила 12 т. Отлита она была в III в. до н. э.

С развитием металлургии бронзовые изделия, повсюду стала вытеснять каменные. Но не нужно думать, что это произошло очень быстро. Руды цветных металлов имелись далеко не везде. Причем олово встречалось гораздо реже, чем медь. Металлы приходилось транспортировать на далекие расстояния. Стоимость металлических инструментов оставалась высокой. Все это мешало их широкому распространению. Бронза не могла до конца заменить каменные инструменты. Это оказалось под силу только железу.

Кроме меди и бронзы широко использовались и другие металлы.

Древнейшими изделиями из свинца считаются найденные в Малой Азии при раскопках Чатал-Хююка бусы и подвески и обнаруженные в Ярым-Тепе (Северная Месопотамия) печати и фигурки. Эти находки датируются VI тыс. до н. К тому же времени относятся и первые железные раритеты, представляющие собой небольшие крицы, найденные в Чатал-Хююке. Старейшие серебряные изделия обнаружены на территории Ирана и Анатолии. В Иране их нашли в местечке Тепе-Сиалк: это пуговицы, датируемые началом V тыс. до н. В Анатолии, в Бейджесултане, найдено серебряное кольцо, датируемое концом того же тысячелетия.

В доисторические времена золото получали из россыпей путем промывки. Оно выходило в виде песка и самородков. Затем начали применять рафинирование золота (удаление примесей, отделение серебра), во второй половине 2-го тысячелетия до н.э. В 13-14 веках научились применять азотную кислоту для разделения золота и серебра. А в 19 веке был развит процесс амальгамации (хоть он и был известен в древности, но нет доказательств, что его использовали для добычи золота из песков и руд).

Серебро добывали из галенита, вместе со свинцом. Затем, через столетия, их начали выплавлять совместно (примерно к 3-му тысячелетию до н.э. в Малой Азии), а широкое распространение это получило еще спустя 1500-2000 лет.

Около 640 г. до н. э. начали чеканить монеты в Малой Азии, а около 575 г. до н. э. — в Афинах. По сути дела, это начало штамповочного производства.

Олово когда-то давно выплавляли в простых шахтных печах, после чего делалась его очистка специальными окислительными процессами. Сейчас в металлургии олово получают путем переработки руд по сложным комплексным схемам.

Ну, а ртуть производили путем обжига руды в кучах, при котором она конденсировалась на холодных предметах. Затем уже появились керамические сосуды (реторты), на смену которым пришли железные. А с ростом спроса на ртуть ее стали получать в специальных печах.

Железо было известно в Китае уже в 2357 г. до н. э., а в Египте — в 2800 г. до н. э., хотя еще в 1600 г. до н. э. на железо смотрели как на диковинку. “Железный век” в Европе начался приблизительно за 1000 лет до н. э., когда в государства Средиземноморья проникло от скифов Причерноморья искусство выплавки железа.

Использование железа началось намного раньше, чем его производство. Иногда находили куски серовато-черного металла, который, перекованный в кинжал или наконечник копья, давал оружие более прочное и пластичное, чем бронза, и дольше держал острое лезвие. Затруднение состояло в том, что этот металл находили только случайно. Теперь мы можем сказать, что это было метеоритное железо. Поскольку железные метеориты представляют собой железоникелевый сплав, можно предположить, что качество отдельных уникальных кинжалов, например, могло соперничать с современным ширпотребом. Однако, та же уникальность, приводила к тому, что такое оружие оказывалось не на поле боя, а в сокровищнице очередного правителя.

Железные орудия решительно расширили практические возможности человека. Стало возможным, например, строить рубленные из брёвен дома — ведь железный топор валил дерево уже не в три, как медный, а в 10 раз быстрее, чем каменный. Широкое распространение получило и строительство из тесаного камня. Он, естественно, употреблялся и в эпоху бронзы, но большой расход сравнительно мягкого и дорогого металла решительно ограничивал такие эксперименты. Значительно расширились также и возможности земледельцев.

Впервые железо научились обрабатывать народы Анатолии. Древнегреческая традиция считала открывателем железа народ халибов, для которых в литературе использовалось устойчивое выражение «отец железа», и само название народа происходит именно от греческого слова Χ?λυβας («железо»).

«Железная революция» началась на рубеже I тысячелетия до н. э. в Ассирии. С VIII века до н. э сварное железо быстро стало распространяться в Европе, в III веке до н. э. вытеснило бронзу в Галлии, во II веке новой эры появилось в Германии, а в VI веке нашей эры уже широко употреблялось в Скандинавии и в племенах, проживающих на территории будущей Руси. В Японии железный век наступил только в VIII веке нашей эры.

Вначале получали только маленькие партии железа, и в течение нескольких столетий оно стоило порой в сорок раз дороже серебра. Торговля железом восстановила процветание Ассирии. Открылся путь для новых завоеваний (рисунок 9).

Рисунок 9 - Печь для выплавки железа у древних персов

Увидеть же железо жидким металлурги смогли только в XIX веке, однако, ещё на заре железной металлургии — в начале I тысячелетия до новой эры — индийские мастера сумели решить проблему получения упругой стали без расплавления железа. Такую сталь называли булатом, но из-за сложности изготовления и отсутствия необходимых материалов в большей части мира эта сталь так и осталась индийским секретом на долгое время.

Более технологичный путь получения упругой стали, при котором не требовались ни особо чистая руда, ни графит, ни специальные печи, был найден в Китае во II веке нашей эры. Сталь перековывали очень много раз, при каждой ковке складывая заготовку вдвое, в результате чего получался отличный оружейный материал, называемый дамаском, из которого, в частности, делались знаменитые японские катаны.

Приблизительно четыре тысячелетия до н.э., в городе Шумер было сделано новое открытие: если камни определенного вида долго плавить на высокой температуре, из них начнет вытекать чистый металл! Медь стала первым металлом, который научился выплавлять человек.

Но, к сожалению, не известно, как именно была открыта медь. Можно предположить, что она была открыта случайно. Скорее всего, гончар захотел добавить узор на керамическую посуду и стал плавить многоцветный камень, который оказался медной рудой. Вскоре выяснилось, что при сильном нагревании из руды вытекает жидкая медь. Люди сначала не поняли, что это, и что с этим металлом можно делать. Оказалось, что можно придавать жидкой меди нужную форму, и, когда она застынет, такой и останется.

Спустя пару лет после открытия были созданы медеплавильные печи, а также придуман литейный процесс.

Мастера заранее выбирали форму для керамического сосуда, куда заливали жидкую медь. Когда медь застывала, она принимала форму внутренней оболочки сосуда.

После открытия способа выплавки литья меди была создана производственная линия, которая состояла из ряда последовательных процессов. Так как медь в самородном виде редко встречается, людям пришлось учиться добывать медную руду.

Чтобы из рудников достать медную руду, требовалось разделить ее на отдельные куски. И для этого разделывания люди тоже выработали особую технологию. На огромных глыбах горной породы разжигали костры, через некоторое время заливали огонь холодной водой, вследствие чего камень трескался. В получившуюся трещину вбивали клинья. Когда клинья уже оказывались в камне, их тоже поливали водой. Так клинья были из дерева, они разбухали и камень раскалывался.

Полученную руду плавили. Оказалось, что те гончарные печи, которые существовали раньше, для этого процесса имели малую мощность. Поэтому после многих экспериментов в Шумере местные мастера научились делать специальные печи с дутьем. Эти печи топились углем и обеспечивали высокий нагрев.

Расскажем, что такое дутье. Так литейщики поначалу подавали воздух в печь по специальным воздуходувным трубкам, надувая их с помощью собственных легких. Задача облегчилась к III тысячелетию до н.э., когда мастера стали использовать меха из шкур животных. Для дутья меха сшивали наподобие гармошки.

Выплавленную медь затем заливали в формы, из которых получались определенные изделия.

Литейный процесс обеспечивали не только специальные печи с высоким нагревом, но и плавильные емкости - тигли. Также нужны были формы, куда заливали расплавленный металл.

Формы делали из глины или камня, и состояли они из нескольких частей. Соединяли их перед заливкой расплавленной меди, и разъединяли после остывания, когда нужно было освободить готовую отливку.

Шумерские мастера - металурги пользовались различными способами обработки металлических заготовок: и горячей, и холодной ковкой, а также холодной обработкой инструментами. Изделия из меди мастера гравировали и украшали инструктациями, - так появились художественные приемы.

Медеплавильное производство и последующая обработка полученной меди требовали участия различных мастеров на разных этапах процесса. Одни из них занимались разработкой руды, другие выплавляли породу, третьи осваивали литье или ковку. К тому же месторождения медной руды часто находились далеко от тех мест, где в них нуждались, поэтому появилась работа и для специальных перевозчиков.

Так технический прогресс развивал хозяйственные отношения внутри государства. И наоборот, хозяйственные отношения стимулировали технический прогресс.