Металлургия

Благодаря книгопечатанию появилась литература по различным вопросам химической практики. При этом не стоит упускать из виду, что рукописных трудов по вопросам химии и химических ремесел даже в раннем средневековье было намного больше, чем принято обычно считать. С появлением книгопечатания издатели стали в первую очередь публиковать материалы из этих рукописных работ. Но при анализе книг Бирингуччо и Агриколы становится ясным, что они представляют собой оригинальные произведения, а не просто набор сведений из рукописей по ремесленной химии.

Производство литейного чугуна при переплавке доменного чугуна - процесс плавления

Вплоть до XVIII в. железо, как и в древности, выплавляли в небольших печах с использованием различного нагрева, а также сыродутного способа. Впервые принципиальные нововведения появились лишь в XIII в. Прежде всего был увеличен размер кузнечных мехов. Для приведения их в действие теперь использовалась не физическая сила человека, а сила воды - через посредство водяных колес. Благодаря увеличению подачи воздуха можно было повысить температуру внутри печей; в результате удавалось полностью расплавлять железо и получать чугун. Появились две новые технологии - получения чугунного литья и производства ковкого железа. До конца XV в. чугун использовался для литья пушек, ядер, изготовления посуды и сооружения печей. Недостаток чугуна по сравнению с крицей состоял в том, что чугун нельзя было ковать. Но в печи для безуглероживания можно было снизить количество углерода в чугуне до такого уровня, что материал поддавался ковке. Большие мехи для подачи воздуха с механическим приводом позволили создать плавильные печи большего размера. Уже в домне высотой 5-6 м можно было проводить непрерывную плавку металла. Ковкое железо, получаемое в таких печах, можно было "закаливать", вводя в него углерод, который с избытком присутствовал в чугуне.

Выплавка металла в печах с большими воздушными мехами

Усовершенствования в металлургии железа способствовали возникновению капиталистических производственных отношений. Сооружение огромных по тем временам домен, снабженных механизированными мехами, требовало экономических и технических совершенствований, которые значительно превосходили возможности средневековых ремесленников. В начале XVI в. стоимость продукции предприятий по производству ковкого железа составила, например, 13 тыс. гульденов. Переходными формами производственных объединений были мастерские (товарищества), затем финансируемые правителями княжеств и государств плавильные заводы и, наконец, капиталистические предприятия [13, с. 63 и сл.].

В XVIII в. появились уже довольно крупные капиталистические предприятия. Многие из них насчитывали 200 и более рабочих. Например, в конце XVIII в. французское правительство купило у некоего Герингье металлургический завод, состоявший из двух доменных печей и 12 печей для поковок. За все это была заплачена внушительная сумма - 2 млн. ливров. По данным Фестера, в 1740 г. в Англии насчитывалось 59 доменных печей, а во Франции в 1789 г.- 202 печи. Их высота достигала от 7 до 20 м. В 1800 г. в Гарце (в Германии) было 22 домны и 35 печей для получения ковкого железа. Как указывал Фестер, в Англии в 1796 г. производилось 125 тыс. т железа; в России в 1786 г.- 85 тыс. т; во Франции в 1789 г.- 69 тыс. т; в Швеции в 1800 г.- 60 тыс. т; в Австро-Венгрии в 1810 г.- 50 тыс. т; в Пруссии в 1789 г.- 15 тыс. т [13, с. 132].

Во второй половине XVIII в. в металлургии произошел подлинный переворот: широко применявшийся ранее древесный уголь был заменен каменноугольным коксом. Это один из примеров, который наглядно показывает, как производство отдельных материалов и развитие важнейших отраслей промышленности и даже всего хозяйства страны тесно связаны с появлением новых видов сырья.

Уже к концу XVII в. для нужд металлургии в Европе были вырублены огромные лесные массивы. Однако от древесного сырья зависела не только металлургия, но и целый ряд других отраслей хозяйства: горное дело; строительство домов и мостов; машиностроение (водяные и ветряные мельницы, ткацкие и прядильные станки); изготовление транспортных средств и мебели; отопление жилищ. Дерево было необходимо и в ремеслах, где использовался огонь (производство стекла, соды, сахара, красок, керамики, фарфора и др.). Передовые люди понимали, к каким катастрофическим последствиям приведет вырубка лесов, и пытались этому противодействовать. Однако постоянно растущий спрос на древесину и продукты ее переработки фактически сводил на нет все их усилия. Для Англии эта проблема была особенно актуальной. В 1619 г. Дадлей пытался получить железо с помощью каменного угля. Иоганн Иоахим Бехер проводил подобные опыты в доменной печи [60]. Но лишь в XVIII в. после того, как удалось получить кокс из каменного угля, коксом заменили древесный уголь в доменных печах. Абрахам Дарби начал заниматься этой проблемой в 1713 г., ав 1788 г. в Англии две трети доменных печей уже работали на каменноугольном коксе. (Высота печей достигла в это время 20 м.) В Германии первая домна, где металл выплавляется с помощью кокса, была пущена в 1796 г. в Глейвитце [13, с. 133].

Английская домна для производства чугуна с помощью каменноугольного кокса, построенная около 1800 г. Получаемое при высоких температурах железо вытекает из печи в жидком состоянии. Оно содержит много углерода, т.е. как кричное железо, и может сразу же или после небольшой переплавки превращаться в чугун

Однако для обезуглероживания чугуна, полученного с помощью кокса, все же требовалось определенное количество древесного угля. Многие химики и металлурги пытались избавиться от этого недостатка технологии использования кокса. Первый патент на новый металлургический процесс - пудлингование (от английского слова puddle - перемешивать) - был выдан в Англии в 1766 г., а в 1784 г. Корт и Парнелл провели исследования, позволившие успешно внедрить пудлингование в практику, что способствовало быстрому развитию металлургии в Южном Уэльсе. При пудлинговании избыток углерода удаляли из чугуна следующим образом: чугун, получаемый в доменной печи, перемешивали железными крючьями и таким образом обеспечивали лучший доступ к металлу кислорода атмосферного воздуха. Новое значительное улучшение технологии в металлургии было осуществлено в 1850-х годах (открытия Бессемера, Сименса и Мартена) и в 1870-х годах (изобретение Томаса).

Замена древесного угля каменным позволила не только решить сырьевую проблему, но и повысить количество и качество выплавляемого металла. Значительные изменения произошли и в размещении металлургических заводов. Теперь их строили вблизи месторождений каменного угля, а не в лесных районах, как раньше. А после изобретения паровых машин металлургические заводы можно было строить не только вблизи рек, поскольку использование силы воды как источника механической энергии потеряло свое значение. Все это позволило значительно расширить возможности выбора мест для сооружения металлургических предприятий.

Применение каменного и бурого угля вместо древесного способствовало прогрессу и в других отраслях промышленности, где широко использовалось нагревание различных веществ. Это привело к значительным количественным и качественным изменениям во многих отраслях промышленности XIX в. Прежде всего это металлургия других металлов, кроме железа и чугуна.

Первые упоминания о добыче меди и серебра из руд в Европе относятся к IX в. В Венгрии, Богемии, Саксонии, Гарце, Эльзасе, Швеции задолго до открытия Америки разрабатывались значительные месторождения меди, серебра, олова, золота, висмута, сурьмы, мышьяка, кобальта.

Бирингуччо, Агрикола, Лазарь Эркер в своих трудах описывали важнейшие способы добычи металлов и их соединений. Практически невозможно привести здесь все разработанные ими методы. Ограничимся лишь указанием некоторых принципиально новых процессов получения металлов.

В XIII-XIV вв. в металлургии меди стал широко применяться процесс цементации, известный в Венеции еще с XII в. В XVI в. начал использоваться процесс амальгамирования, с помощью которого можно было особенно успешно обрабатывать руды, содержащие сульфиды. Для совершенствования процесса получения золота и серебра большое значение имело применение азотной кислоты [70].

Добыча олова была особенно распространена в Англии. Но уже в XII в. олово, добывавшееся из месторождений в Рудных горах, широко применялось в Центральной Европе для изготовления посуды [71].

Месторождения цинка были известны давно, сульфат цинка стал предметом торговли еще с XIV в. Однако интенсивная добыча цинковых руд и получение цинка в промышленных масштабах начались лишь в XVIII в.

Важнейшие месторождения ртути находились в Испании. Но уже в конце XV в. ртуть добывали и в Центральной Европе: в рудниках Крайны, Богемии и Рейн-Пфальца. Только в XVI в. были открыты знаменитые перуанские месторождения ртути [72].

Пробирная лаборатория, в которой определялось содержание меди в медной руде

Добыча сурьмы значительно увеличилась после того, как Парацельс стал пропагандировать многочисленные препараты, содержащие соединения сурьмы, как эффективные лекарства. Кроме того, сурьма служила добавкой к другим металлам, например при литье колоколов. Для получения сурьмы применяли те же процессы, что и для выделения висмута. Висмут использовали в сплаве с оловом. Желтый оксид висмута известен как краситель. Процессы, применявшиеся при выделении висмута, например так называемое гранулирование, использовали позднее и при получении голубого кобальтового стекла, смальт и голубых красок. Последние получили широкое распространение при изготовлении фаянса и подсинивании бумаги.

Пробирная лаборатория, в которой исследовалось содержание золота и серебра в рудах

Мышьяк, начиная с XVI в., получали на саксонских и богемских металлургических заводах как побочный продукт. Он экспортировался в Венецию, где применялся в качестве яда, а также в стекольном производстве.

Издавна главным поставщиком серы была Италия. Лишь в XVI в. Кристоф Сандер организовал в Раммельсберге предприятие по добыче серы из серного колчедана [71, 72].

Коренные изменения в экономике, которые произошли в Европе в XVI-XVII вв. после открытия Нового Света, отразились прежде всего на металлургии благородных металлов. С 1493 по 1520 г. в Германии и Венгрии было добыто 980 т серебра, т. е. около трех четвертей всего объема мировой добычи за это время. Но уже с 1601 по 1620 г. в Германии и Венгрии добыли только 428 т серебра, а в Америке (главным образом в Боливии) - 7800 т. С 1781 по 1800 г. Америка (в основном Мексика) поставила на европейский рынок 16 000 т серебра, т.е. в 16 раз больше, чем Германия и Венгрия вместе. Подобным же образом дело обстояло и с добычей золота: с 1781 по 1800 г. в Африке и Австро-Венгрии (приблизительно в равной пропорции) было добыто 55,6 т золота, тогда как в Америке (в основном в Бразилии) - 284 т [13, с. 134].

Выплавка и 'высадка' олова

В XVIII в. добыча меди, как и многих других металлов, значительно увеличились. Например, в начале XVIII в. добывалось в год до 100 т меди, а в конце века - 800 т. В Англии годовая добыча меди в конце XVIII в. по сравнению с началом века увеличилась с 500 - 1000 до 8000 т. Такое резкое увеличение было обусловлено главным образом применением каменного угля и пламенных печей, которые в Англии стали использоваться с 1698 г. В этих печах выплавляли также свинец и олово. Для выработки металлической сурьмы пламенные печи стали использоваться лишь с начала XIX в.

Немецкий металлургический завод с относительно низкой домной (ок. 1757 г.). а - домна; b - помещение для колошника доменной печи; с - домик, в котором находятся мехи для подачи воздуха; d - мост для подачи руды и угля к колошнику доменной печи; ... f - пруд; ... h - хранилище для угля; i - площадки для хранения руды; к - жилой шестикомнатный дом; l - конюшня с комнатой; m - пивная и помещение для отдыха работающих; n - двор; о - подъезд

Во второй половине XVIII в. благодаря совершенствованию аналитических методов исследования были открыты следующие металлы: вольфрам, молибден, марганец, а также (в виде оксидов) были обнаружены в природе и изучены кобальт, никель, хром, уран, иттрий, титан и цирконий. Соединения кобальта и никеля стали использоваться в промышленном производстве лишь в XIX в. Никель сплавлялся с медью и оловом. Оксиды кобальта в XIX в. применялись как красители. Особенно ценилась смальта, которая производилась в Богемии, Саксонии, Гарце и во многих других государствах. Она использовалась как краска для живописи, а также для окрашивания в синий цвет стекол и керамических изделий, для получения искусственных драгоценных камней, подсинивания белья и бумаги. Основными потребителями смальты были Голландия и Франция.

Таким образом, с XIII по XVIII в. в развитии металлургии отчетливо прослеживаются две фазы наивысшего развития знаний - в начале и в конце этого исторического периода: в начале произошло количественное увеличение производства железа, добычи меди и серебра, в конце - совершенствование представлений о химических превращениях и технических средств, используемых в химических ремеслах.