Кричное железо содержало 0,3–0,6 % углерода, и его нужно было много раз нагревать и обрабатывать молотом, чтобы получить глыбу упругого и податливого ковкого железа с содержанием углерода менее 0,1 %. Этот материал использовали для изготовления объектов и инструментов, от гвоздей до топоров. Европейские потребности в кричном железе начали расти в XI веке благодаря широкому распространению железных кольчуг и растущему производству ручного оружия и шлемов, а также бытовых предметов вроде серпов и обручей для бочек или лошадиных подков. Полосы металла также использовали при строительстве соборов, и при возведении нового папского дворца в Авиньоне, начатом в 1252 году, потратили 12 тонн металла (Caron 2013).
Ремесленники из Китая времен династии Хань (207 до н. э. – 220 н. э.) первыми получили жидкое железо. Их печи, возведенные из огнеупорной глины и часто укрепленные своеобразной арматурой, в конечном итоге достигли пяти метров в высоту. В них можно было загрузить почти тонну железной руды и получать две порции литья в день. Высокое содержание фосфора, который снижает точку плавления железа, и изобретение мехов двойного действия, позволяющих создавать более сильный поток воздуха, оказались важнейшими критериями этого раннего успеха (Needham 1964). Позже стали применять уголь, выкладывая его вокруг батарей трубоподобных тиглей, содержащих руду и обдуваемых воздухом из более крупных мехов, которые приводила в движение водяная мельница. Литье в постоянные формы использовалось повсеместно для массового производства железных инструментов, тонкостенных горшков и сковородок и даже статуй перед падением династии Хань (Ниа 1983). Впоследствии было мало значительных инноваций, и китайские маленькие домны не стали предками сегодняшних огромных сооружений.
Они появились в результате медленной эволюции европейских шахтных топок от простого кричного горна через обложенные камнем осмундские печи в Скандинавии и домницы (Stuckofen) в Штирии. Увеличение высоты и лучшая конструкция позволили уменьшить потребление топлива. Более высокие температуры и более долгий контакт между рудой и топливом дали возможность получать жидкое железо. Европейские домны появились, вероятнее всего, в долине нижнего Рейна прямо перед 1400 годом. Они производили чугун, сплав с 1,5–5% углерода, который нельзя непосредственно ковать или раскатывать. Разрывная прочность у него не выше, чем у меди (и может быть до 55 % ниже), но зато он в 2–3 раза тверже (Oberg et al. 2012, примечание 4.21).
Число домн росло постоянно на протяжении XVI и XVII столетий. Наиболее значительным усовершенствованием этого времени были большие мехи из кожи. Верх и низ делали из дерева, а мягкие боковины – из бычьих шкур. После 1620 года появились двойные мехи, работающие попеременно благодаря эксцентрикам на оси водяной мельницы, а высота шахты продолжала постепенно увеличиваться. Обе эти тенденции вскоре уткнулись в ограничения, наложенные максимальной мощностью водяных мельниц и физическими свойствами древесного угля. К 1750 году крупнейшие мельницы давали до 7 кВт полезной энергии, но во время летних плавильных операций часто не хватало воды, чтобы генерировать энергию на максимальном уровне. Главный же недостаток древесного угля – высокая рыхлость: он оседает под весом, поэтому его использование ограничивало массу загруженной в печь руды и извести, а следовательно, высоту доменной шахты менее чем 8 метрами (Smil 2016; рис. 4.25). До 1800 года оба эти ограничения были преодолены, с появлением парового двигателя Уатта, а затем – с началом использования кокса.
Рисунок 4.25 .Домна на древесном угле середины XIX веко с мехами, которые приводятся в движение верхнебойным водяным колесом. Воспроизведено из «Encyclopédie» (Diderot and d'Alembert 1769–1772)
Средневековые кричные горны потребляли по массе в 3,6–8,8 раз больше топлива, чем руды (Johannsen 1953). Даже для руды, содержащей 60 % железа, они требовали как минимум 8 и как максимум 20 кг древесного угля на килограмм горячего металла. Типичное соотношение древесный уголь/металл в конце XVIII века составляло около 8 к 1, упало до 1,2 к 1900 году, и до 0,77 в шведских домнах на древесном угле (Campbell 1907; Greenwood 1907). Хорошей домне XIX века на древесном угле, таким образом, нужна была только одна десятая часть энергии, которую потребляла ее предшественница в Средневековье. Высокие энергетические потребности плавки железа на древесном угле до 1800 года неизбежно приводили к уничтожению лесов около центров металлургии. Типичная английская домна начала XVIII века требовала около 1600 га деревьев, чтобы не испытывать недостатка в угле (примечание 4.22).
Примечание 4.22. Потребности в топливе английской домны XVIII века
Домны в Англии начала XVIII века работали только с октября по май, и на протяжении этого периода они в среднем выдавали по 300 тонн чугуна (Hyde 1977). Если перевести очень низкие предположения 8 килограммов древесного угля на килограмм железа и 5 килограммов дерева на килограмм древесного угля в годовые потребности, получится около 12 тысяч тонн дерева для единственной домны. После 1700 года почти все природные леса в стране были сведены, и древесину добывали порослевой вырубкой твердых пород, годовой прирост которых составляет от 5 до 10 т/га. Средняя продуктивность в 7,5 т/га потребовала бы 1600 га, отданных на постоянную порослевую вырубку. Для сравнения, куда менее эффективная большая английская домна XVII века в лесу Дин в Глостершире требовала около 5300 га порослевой вырубки, а небольшие металлургические заводы Уилдена – 2000 га для каждой комбинации домна-кузница (Crossley 1990).
Общие национальные потребности в древесине для изготовления железа на базе древесного угля можно с высокой степенью точности оценить для Англии начала 1700-х годов, до того, как промышленность стала переходить на каменный уголь. Чтобы индустрия работала, приходилось вырубать деревья на территории около 1100 км2 (примечание 4.22). Столетием позже США не имели проблем, подпитывая свою черную металлургию древесным углем из собственных обширных лесов, но к началу XX века такая стратегия уже не сработала бы, и только использование каменного угля позволило стране стать крупнейшим в мире производителем чугуна (примечание 4.23).
Ничего удивительного, что в эпоху древесного топлива общества, использующие традиционные домны и кузницы, оказывались в отчаянном положении. Уже в 1548 году обитатели Суссекса в расстроенных чувствах гадали, сколько городов придет в упадок, если домны продолжат работать: у них не было дерева для строительства домов, мельниц и пристаней, для колес, бочек и сотен других необходимых предметов, и они просили короля закрыть многие домны (Straker 1969; Smil 2016). Ограничивающая роль энергии в традиционной плавке железа таким образом выглядит совершенно однозначной. Когда единственная печь может каждый год сжирать лес с территории диаметром 4 км, очень легко оценить кумулятивное воздействие множества таких печей, работающих на протяжении многих десятилетий.
Примечание 4.23. Энергетические потребности производства железа в Британии и Америке
