Расчет годовых и общих потребностей в топливе на такую работу с металлом в сущности очень неточен, поскольку результат сильно зависит от оценок общей массы шлака и от предположений о продолжительности экстракции и энергоемкости плавления. Вся эта неоднозначность идеально иллюстрируется данными из крупнейшего древнего плавильного центра, Рио-Тинто в юго-западной Испании, менее чем в 100 км к западу от Севильи (примечание 4.20).
В любом случае, объем римской металлургии оставался непревзойденным полторы тысячи лет. Трактаты, посвященные металлургическому опыту позднего Средневековья (Agricola 1912 [1556]); Biringuccio 1959 [1540]), описывают процесс плавки меди, не отличающийся от такового в Рио-Тинто.
Примечание 4.20. Потребности в древесине для римской плавки меди и серебра в Рио-Тинто
Первое исследование огромных груд шлака в Рио-Тинто дало оценку в 15,3 Мт шлака от добычи свинца и серебра и 1 Мт шлака от добычи меди. На основе этих данных рассчитали (Salkield 1970), что римлянам требовалось валить 600 тысяч взрослых деревьев в год, чтобы добыть топлива на плавку – невозможное количество для южной Испании. Новое исследование (базирующееся на обширном бурении) принесло цифру около 6 Мт шлака, и хотя медь была главным продуктом в римскую эпоху, в доримские времена тут плавили немало серебра (Rothenberg and Palomero 1986). При соотношении шлак/древесный уголь 1 к 1 и дерево/древесный уголь 5 к 1 производство 6 Мт шлака потребовало бы 30 Мт дерева или 75 000 т/г. на протяжении 400 лет крупномасштабного производства.
Добыча топлива путем вырубки естественного леса (обеспечивает не более 100 т/га) потребовало бы очищать в год 750 га леса, эквивалент круга с радиусом около 1,5 км: это было сложной, но решаемой задачей, неизбежным последствием которой стало бы сведение лесов на обширных территориях. Схожим образом столетия плавки меди на Кипре (начались около 2600 года до н. э.) оставили после себя 4 Мт шлака. Очевидно, древняя металлургия была главной причиной уничтожения лесов в Средиземноморье, на Кавказе и в Афганистане, и нехватка дерева в конкретных местностях в конечном итоге ограничила масштаб плавки.
С самого начала добычи меди часть металла использовали для изготовления бронзы, первого практичного сплава, избранного Кристианом Томсеном для ставшего ныне классическим разделения эволюции человека на каменный, бронзовый и железный века (Thomsen 1836). Само собой, это очень общее, лишенное деталей разделение. Некоторые общества, в первую очередь Египет до 2000 года до н. э., прошли через эру чистой меди, а другие, например Африка к югу от Сахары, проследовали прямо из каменного века в железный. Первая бронза появилась в результате случайной плавки медной руды, содержащей олово. Позже ее получали совместной плавкой двух руд, и только после 1500 года до н. э. начали изготавливать, плавя два металла в одном тигле. Олово с его низкой точкой плавления в 231,97 °C производили, расходуя сравнительно малое количество древесного угля, из дробленых оксидных руд. Общие затраты энергии на изготовление бронзы были ниже, чем для той же меди, и при этом сплав обладал лучшими качествами.
Примечание 4.21. Разрывная прочность и твердость широко распространенных металлов и сплавов
Источник: базируется на Oberg and co-workers (2012)
Поскольку доля олова варьировалась от 5 до 30 % (и поэтому точка плавления колебалась между 750 и 900 °C), то невозможно говорить о типичной бронзе. Сплав, который брали для отливки пушек, состоял из 90 % меди и 10 % олова и был в 2,7 раза прочнее и тверже, чем лучшая холоднотянутая медь (Oberg et al. 2012; примечание 4.21). Из бронзы изготовлены первые хорошие металлические топоры, долота, ножи, подшипники и надежные мечи, которые годились и чтобы рубить, и чтобы колоть. Бронза, шедшая на колокола, обычно содержала около 25 % олова.
Латунь была другим важным с исторической точки зрения сплавом меди (ее в латуни содержалось от менее 50 % до около 85 %), на этот раз с цинком. Как и в случае с бронзой, ее производство требовало меньше энергии, чем плавка чистой меди (точка плавления цинка всего лишь 419 °C). Более высокое содержание цинка увеличивало разрывную прочность сплава и его твердость. Для типичного олова они были примерно в 1,7 раза выше, чем у меди, но при этом не снижались пластичность сплава и его стойкость к коррозии. Начало использования олова датируется I столетием до н. э. Сплав стал распространяться в Европе в XI веке, а общее признание он завоевал только после 1500 года.
Железо и сталь
Замещение меди и бронзы сталью происходило медленно. Предметы из железа делали в Месопотамии в первой половине 3-го тысячелетия до н. э., но украшения и церемониальное оружие из него распространились только после 1900 года до н. э. Масштабное использование железа началось лишь после 1400 года до н. э., диковинкой металл перестал быть после 1000 года до н. э. Эра железа в Египте началась с VII века до н. э., в Китае – с шестого. Изготовление железа в Африке также имеет почтенный возраст, но ни одно общество Нового Света не выплавляло этот металл. Обработка железа была связана с крупномасштабным производством древесного угля. Железо плавится при 1535 °C, обычное пламя от древесного угля дает лишь 900 °C, но поддув воздуха позволяет приблизить температуру к 2000 °C. По этой причине древесный уголь давал возможность плавить железо в любом традиционном обществе, кроме Китая (где каменный уголь использовали со времен династии Хань), эффективность производства и применения этого топлива в металлургии постоянно повышалась.
Изготовление железа начиналось с разведения огня в неглубокой, часто выложенной глиной или камнем яме, где дробленая железная руда плавилась с каменным углем. Такие примитивные горны обычно размещали на вершинах холмов, чтобы максимизировать естественную тягу. Позже стали делать несколько узких глиняных труб (фурм), чтобы обеспечивать поддув горна, сначала к ним прикрепляли маленькие ручные мехи из кожи, затем в ход пошли большие мехи, приводимые в движение вращающимся рычагом, и в конечном итоге в Европе эту работу взяли на себя водяные мельницы. Простые глиняные стенки возводили, чтобы ограничивать плавку: они были от нескольких дециметров до более метра в высоту, но в некоторых частях Старого Света (включая Центральную Африку) в конечном итоге превысили 2 м (van Noten and Raymaekers 1988).
Археологи раскопали тысячи таких временных сооружений по всему Старому Свету, от Иберийского полуострова до Кореи и от Северной Европы до Центральной Африки (Haaland and Shinnie 1985; Olsson 2007; Juleff 2009; Park and Rehren 2011; Sasada and Chunag 2014). Температура внутри маленьких топок на древесном угле не поднималась выше 1100–1200 °C, достаточно, чтобы отжечь оксид железа, но много ниже точки плавления железа (чистое железо становится жидким при 1535 °C). Продуктом этого процесса была крица (типичный вес в Средние века 5-15 кг, позже 30–50 кг или даже более 100 кг), чушка из пористого железа, и богатый железом шлак, полный неметаллическими загрязнениями (Bayley, Dungwirth and Paynter 2001).
