Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕЩ. Появление металлургии железа и разви-яв железообрабатнвающего производства определили целую эпоху в зтории человечества. Распространение железной индуотрии привело коренному преобразованию производительных сил общества, яалез-ые орудия труда расширили возможности человека во многих отрас-нх экономики: земледелии, рыболовство, охоте, ремеслах и домаш-их промыслах, домостроении, производстве ередств передвижения, дубокие сдвиги в развитии производительных сил е течением време-й сказались на социальных процессах и, в конечном счете, сдособ-твовали прообразованию всей общественной жизни.
Значение железной индустрии в историко-культурном развитии ревнего населения обусловливает важность изучения процессов ое ганозления и,совершенствования, формирования производственных зобенностей отдельных регионов, взаимовлияния различных культур т.п. Долгое время изучение ремесленного производства древнего зселення было возможно только на основе визуальных наблюдений и равнительных^характеристик тех или иных производственных сооруже-ай, орудий труда, кузнечных изделий. Современный уровень развития ауки позволяет использовать в археологических исследованиях исто-т железоделательного и кедезообрабатывающего производства мето-1 естественных и точных наук, что является качественно новым ша-ш я весьма перспективным научным направлением в развитии архео-эгии, поскольку представляет интересный и объективно достоверный зтериал по технологии черной металлургии и кузнечного ремесла ревнего населения, а на основе этого - о состоянии производи-эльных сил общества в целом.
Вэеность теш и отсутствие специальных работ, направленных з изучение историко-технояогических проблем археологических ,?яьтур Западной Сибири определяют актуальность данного исследо-шия.
]{ftfh УЩЩ - доказать уровень развития железной индустрии и эволюцию кузнечной технологии в археологических культурах Западной Сибири в широком хронологическом диапазоне; определить исторические тенденции, закономерности и особенности развития железоделательного и железообрабатывающего производства в регионе.
с помощью естественно-научных методов произвести комплексное исследование материалов черной металлургии Западной Сибири (источников сырья, конструкций сыродутных печей, технологии получения железа и стали);
изучить продукцию железообрабатнвающего производства Западной Сибири названного периода, находящуюся в научном обороте;
систематизировать и обобщить авторские данные металлографических анализов;
на основе аналитических данных реконструировать технологические приемы и технические достижения кузнечного ремесла в каждом из рассматриваемых районов Западной Сибири;
выявить зависимость процеоса формирования и развития кузнечного ремесла от экономической структуры и образа жизни населения, географического полоненая .изучаемого региона.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ заключается в том, что практически впервые: I) введен в научный оборот весь комплекс материалов черной металлургии Западной Сибири, в том числе специализированных металлургических рабочих площадок, открытых преимущественно автором; 2) в процессе изучения выделены неизвестные ранее рудно-металлургические районы; 3) выявлены, изучены и реконструированы основные типы сыродутных печей, функционирующих" в эпоху железа; 4) поставлены и на основе естественно-научных методов решены основные проблемы металлургии и металлообработки железа, в
частности: а) проведены химические и ренггеноструктуряые анализа кедезных руд и сыродутных шлаков отдельных памятников изучаемого региона; б) металлографически изучен практически весь имеющийся к настоящему времени когшлекс изделий из черного'металла, происходящий из 18 археологических культур Западной Сибири; 5) на основе естественно-научных методов реконструирована технология черной металлургии и кузнечного ремесла населения значительной часта Западной Сибири в хронологическом и географическом аспекте; 6) освещены исторические тенденции и закономерности развития железной индустрии з изучаемом регионе.
ЗНАЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ. Изучение условий зароздзния и развития железной индустрии в такого крупном .историко-культурном регионе, как Западная Сибирь, и выявление закономерностей в йволщии ремесленного производства имеет важное значение в разработке общей теоретической концепции ремесла и зиределенйи его специфических особенностей в известных хозяйст-зенно-кудътурных типах древности и средневековья. Результаты ис-їяедования могут быть использованы в дальнейших научных разработках, при написании обобщающих трудов по истории черной мвталлур-?ии и кузнечного ремесла народов нашей страны; в университетских секционных и специальных курсах до использованию естествеяно-гаучных методов в археологии; в темагико-экспозиционных планах лузея "Археологии и этнографии Южной Сибири" Кемеровского госуни-зерситета, экомузея "Тазгол" в Горной Шории и гдузея-заповздника 'Томская пиоаница".
Результаты металлографических исследований кузнечной продукции представляют собой обширный банк данных для подобного рода ^следований.
ИСТОЧНИКИ, йсточниковой базой исследования послужили:
I. Материала по черной металлургии, подученные автором в ходе двадцатилетних полевых работ в различных районах Западной Сибири, а также археологические материалы других ученых, хранящиеся в музеях и научных центрах городов Сибири. 2. Металличеокиа предметы, изготовленные из железа и железоуглеродистых сплавов: орудия труда, детали конской сбруи, домашняя утварь и украшения. Общая сумма изделий, отобранная для металлографических анализов, составила более 1500 единиц. В диссортации использованы опубликованные и неопубликованные материалы памятников Среднего в Нижнего Прииртышья (включая бассейн р.Конды), Среднего, Томского, Новосибирского, Верхнего Дриобья, лесостепной Барабы а прилегающих горно-отепных и горно-таежных областей Алтая я Шорни, открыяыа в разные годы А.А.Адамовым, А.И.Бобровой, М.П-Грязновым, В.С.Елагиным, Б.А.КОНИК0ВЫМ, Н.П.Матввевой, А.В.Матвеевым, В.И.Матющенко, В.А.Могилъниковым, В.И.Ыолодшннм, Ю.И.Ожеродовым, Л.М.Плетневой, Л.И.Погодиным, Н.В.Полосьмак, Б.А.Сидоровым, В.И.Соболевым, В.Д.Ромаяцовой, Т.Н.Троицкой, Л.АЛиндияой. Попользованные коллек ции хранятся в Государственном историческом музее, Государственном Эрмигаяе, Институте археологии и этнографии СО РАН, краеведческих музеях Бийска, Красноярска, Новосибирска, Омска, Томска, в музеях вузов Сибири - Алтайском, Омском, Томском, Тюменском государственных университетах, Барнаульском, Новосибирском, Омском педагогических университетах.
МЕТОДИКА ДОр.ЩОВ|\нм. с методической точки зрения работа базируется на применении естественно-научных методов в археологи! металлографических, химических, рентгеносгруктурных и спектральных анализов. Комплексный подход к решению проблемы позволяет с высокой степенью достоверности решить поставленные задачи. Ис-
- о -
юльзованиа химических и реятгеноструктурных анализов приленитель-ю к рудам и шлакам позволяет раскрыть во всей полноте технологию железоделательного производства. Макро- и микроструктурами анализы дают возможность оценить качество железа и железоуглеродистых їплавов, используемых в кузнечном производства. Изучение структури и состава металла отдельно взятих предметов выявляет технояо-?ию изготовления и рабочие свойства изделий. Систематизация Полуниных данных производилась на основа сравнительно-типологичеоко-'о метода.
АПРОБАДШ РАБОТЫ. Основные положения диссертация опублвкова-ш в 22 научных работах, з том числе в монографии "История черной тталлургии и кузнечного ремесла древнего Алтая" (изд-во Томоко-'о университета, 1988, 274 е.). результата исследований доклады-іались на Всесоюзных, республиканских, региональных и областвже ;онфервіщиях в гг.Кемерово (1979, 1987, 1989), Красноярск (1989), ймень (1989), Алма-Ата (1990, 1992), Томск (1993), Омск (1979, 991, 1994). В окончательном виде диссертация обсуждалась на заеданиях кафедры археологии Кемеровского госуниверситета и отде-а археологии эпохи бронзы иаелезного века Института археоло-ии СО РАН.
СТРУКТУРА МССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, трех астей, заключения, списка литературы, приложения-I (альбом кллю-грации) и прилояения-2: (описание микроструктур). Часть і - "le-езодедательное производство" подразделяется на шесть глав, зсть 2 ~ "Железообрабатывающее производство" включает шесть глав пятнадцать разделов. Часть 3 - "исторические тенденции и зако-эмерности развития железной индустрии в Западной Сибири".
Введение. Во введении раскрываются актуальность, научная значимость и степень изученности теми, обосновываются территориальные рамки, определяются цель, задачи и научная новизна исследования, дается общая характеристика источников и значения использования естественно-научных методов в изучении данной проблемы.
Часть первая. ЖЕЛЕЗОДЕЛАТЕЛШОЕ ПРОИЗВОДСТВО Глава I. Методика исследования
Под методикой донимается совокупность способов выявления и обработки необходимых данных, дозволяющих осветить важнейшие вопросы истории железоделательного производства.
Последовательность работы в этом плане включает в себя: поисковые работы, стационарные раскопки, отбор проб, лабораторные исследования, анализ полученных данных, моделирование технологических процессов посредством химических и физических расчетов.
Поисковые и стационарные работы основывались на общих принципах методики полевых исследований. Однако специфика работ состояла в том, что помимо сбора полной информации устанавливался характер памятника, объем металлургического производства, детально изучались объекты производственного назначения, производился отбор проб. Особое значение при этом имела реконструкция форм и конфигурации сыродутных печей разной степени сохранности, игравших важнейшую роль в технологическом процесса.
Отбор проб производился с учетом отдельных звеньев производственной цепочки: руда необогащенная, руда обогащенная, сыродутный шлак, восстановленное железо.
Пробы руды и шлаков подвергались химическим и рентгенографи-
ским исследованиям. Изучение состава руд и шлаков с помощью количественного химического анализа на окислы: FeOp ^"э2^3з-
"е 04, Si 02, А^23' Са0> Ы^О, М/ъО, Р25'^2 и д;р'' иозволя_ о судить о качестве исходного сырья, отличительных особенностях уд конкретних географических зон, протекании физико-химических роцэссов в ходе прямого восстановления яелеза изруд. Даннвв хдали-еских анализов железных руд и сыродутных шлаков позволяют делать докнне расчета о соотношении закладываемой руды и получаемого го-ового металла, о технологии процесса в том ила ином случае и т.д.
Практика изучения вещественного состава руд и шлаков свиде-ельстзует, что ограничиваться исследованиями только химического остаза нельзя. Знаний о наличии железа, марганца и т.п. в руде ли шлаке совершенно недостаточно. Не менее важно представить остав минералов в которые они входят. Для определения минералз-ого состава руд к шлаков в настоящей работе применялся ронтгено-труктурный метод исследования. С его помощью удается выяснить асдраделение того или иного элемента по минеральным составляющим, ентгеноструктурный метод позволяет более глубоко изучить поведе-ив минералов в технологическом процессе металлургии железа, доо-. аточно точно диагностировать используемые иелезные руды.
Для характеристики химического состава изделий из аелеза и злезоуглеродистых сплавов бняо сделано 35 спектральных анализов 5разцоз металла, происходящих из различных археологических да-ггкиков. Серьезное значение в реконструкции сыродутного процесса дает определение температурного режима плавки. Последнее осуществилось на основании экспериментальных плавок отобранных шлаков высокотемпературных муфельных печах.
Изучение конечного продукта металлургического производства -
сыродутного железа - осуществлялось с помощью металлографичэских методов, а именно, - исследования строения крицы по специально подготовленным шлифам с помощью оптвческих микроскопов.
В целом использованная методика исследования является результатом синтеза археологической науки с определенными разделам! физики, химии и минералогии.
Глава 2. Источники по истории черной металлургии Западной Сибири
Источниковедческий цикл работы включал в сзбя: I) систематизацию имеющегося в научном обороте материала; 2) целенаправленны! поиск древних производственных металлургических площадок, содеркг дих комплекс необходимых источников; 3) тщательно документированные раскопки выявлениях металлургических площадок, с учетом специфики материала. В ходе раскопок фиксировались данные всего производственного цикла: добыча руды, ее предварительная обработка, производственные сооружения, продукты отходов металлургической деятельности; 4) отбор необходимых проб в их лабораторные исследования.
Поисками и полевыми исследованиями были охвачены территориальные районы Западной Сибири: I) бассейн р.Конды - левого притока Иртыша; 2) Нижнее и Среднее Прииртышье; 3) Нарымское Приобьє; 4) Новосибирское Приобье; 5) Томское Приобье; 6) Горная Шория; 7) Горный Алтай.
В бассейне р.Конды выявлено более 30 объектов с явными следами занятий черной металлургией. Стационарные раскопки произведены на 5 памятниках. Выявлены кострища для обнига руды и выжигания древесного угля, сыродутные шлаки, куски железной руды, облог ки глиняных стенок рабочих камер, фрагменты керамики и сыродутны* печи.
Все сыродутные печи однотипен и довольно стандартны. Хорошо сохранились лишь'нижние подземные части, являвшиеся шлаконакопи-телями. Судя по реконструкции, сыродутная печь представляла собой шахту, состоящую из двух частей. Подземной частью служила простая яма, глубиной 30-32 см и диаметром 20-25 см. В момент раскопок заполнение ям состояло из чистой угольной прослойки (3-5 см) на дне печи и конгломерата сыродутного шлака с древесным углем. Над ямой из глины воздвигалась надземная шахта. Толщина эе стен составляла 1,5-2 см. Общая высота рабочей камеры (шахты) достигала . 65-70 см. Воздушное дутье осуществлялось на стыке шлаконакопителя а глиняной шахта. Печи такого типа могли быть использованы только один раз. Все выявленные производственные объекты имеют характер рабочих площадок, сконцентрированы на компактной территории, богатой рудными источниками. Совокупность древних металлургических площадок и кедезорудного сырья позволяет выделить Кондшскпй руд-но-металлургичэский район, хронологический период которого охватывает конец Карымского- Оронтуровский этапы нижнеобской археологической культуры (начало 1гыс. н.э. - конец і тыс.н.э.).
В юанотаежной и лесостепной зоне Омского Прииртышья железо- ' делательное производство зафиксировано на ряде памятников яотчэ-вашской культуры. На поселении Наново и городище Паново-П обнару-женн глиняные фрагменты сыродутной печи шахтного типа, фрагменты глиняных заслонок шлаковипускного канала, с отверстиями для воздуходувных сопел. Сыродутные шлаки и болотная руда отмечены на Мурлиноком городище. Сыродутные шлаки и фрагменты глиняных стенок от рабочей камеры вместе с потчевашской керамикой найдены И.Е.Скандаковым в ходе раскопок городища у д.Іуравлево. Разведочный раскоп Петровского городища, с обильным материалом потчевашской культуры, также выявил остатки металлургического производства в виде шлака.
- II -
Металлургическое производство хорошо документировано на памятниках устъ-ишимской культура. На городище Новоникольское-1 обнаружена остатки основания глинобитного горна диаметром 90 см. Довольно многочисленными находками представлено городище Верхне-АКС8НОВО. Среди них - глиняные фрагменты заслонок для шлаковипускних каналов с воздуходувными отверстиями, многочисленные глиняные фрагменты с оплавленной внутренней поверхностью от рабочей камеры сыродутной печи шахтного типа, В качестве сырья на городище использовали сидерит и гидрогетит, обломки которых найдены в культурном сдое. Крупный и весьма выразительный фрагмент глиняной заслонки с плоским основанием и одной ошлакованной поверхностью найден на городище Большая Пристань. Значительные масштабы железоделательного производства зафиксированы на городище Кипо-Куяа-ры (Б.А.Коников): остатки глинобитных горнов и многочисленные находки, характеризующие местное металлургическое производство. Разрозненныз факты, свидетельствующие о существовании металлургии железа, обнаружены на поселении Белый Яр, городищах Кип и Красно-ярка.
В Натшоком Приобье появление собственной черной металлургии сопрянено со вторым этапом кулайской кульуры. Ярким подтверждением тощ являются материалы Саровского городища (Л.А.Чиндина), представляющие остатки сыродутного горна, сохранившийся от него обширный прокал, железистые шлаки, уголь, ошлакованные куски глиняной обмазки рабочей камеры.
На памятниках релкинской культуры в Нарымском Приобье материалы аелезоделательного производства представлены достаточно скудно. Однако о наличии черной металлургии у рзлкинцев свидетельствуют материалы поселений Круглое Озеро-1 и Малгет (Д.АЛиндина), где найдены куски глиняной обмазки и шлаки.
В Томском Приобье самые ранние свидетельства существования іобственной -черной металлургии относятся к ІУ-У зв.н.э. к настоящему времени известен только один памятник - Тимирязевское городище, с одерзавший в культурном слое куски сыродутного шлака и керамику кудайского типа.
3 памятниках у-УШ вв. железоделательное производство здесь становится распространенным явлением. На Тимирязевском лосолекии-1 и Басандакском городище и оно представлено сыродутными шлаками. На доведении Кисловка-П найдены куски шлака, ошлакованные фрагменты глиняной обмазки рабочей камеры горна.
Эпоха позднего средневековья Томского Приобья представлена значительно большим числом археологических памятников, содержащих остатки черной металлургии. На городище Шеломок найдены нижняя часть рабочей камеры лечи с прокаленными глинобитными стенками (диаметр печи 40 см), куски разбитой горновой заслонки, обломки сыродутного шлака. Раскопки Астраханцевской курганной группы (Л.М.Плетнева) выявили частично сохранившиеся металлургические печи. На городище Кижирово обнаружен развал печи и слой железистого шлака. На поселении Могильники-П присутствуют снродутнне шлаки и обломки железной руды. Отходы металлургического производства - железистые шлаки отмечены на Басандайском, Могидькицком городищах и поселениях Тго.шрязевское-іУ, Могильники-1,Ш (Л.М.Плетнева). Обширная металлургическая рабочая площадка зафиксирована рядом с городищем у с.Козюлино. С памятника собрано большое количество шлака, куски лимонита, фрагменты глиняной обмазки от рабочей камеры сыродутной печи, керамика ХУІ-ХУП вв. Вблизи пос.Аст-раханцезо открыты производственные рабочие площадки с многочисленными остатками металлургического производства. Материала Аст-раханцезо свидетельствуют о существовании здесь крупного металлургического центра.
- ІЗ -
Обширный рудно-металлургический район существовал в верховьях Томи, на территории Горной Шории. Общее представление о развитии здесь черной металлургии дают указания геологов, занимавшихся поисками железорудных месторождений в регионе - В.Юриша и А.Н.Кузина. Согласно их данным в бассейна р.Мрасоу и ее притоков находятся многочисленные куски сыродутных шлаков. Судя по всему, мета; лургическое производство базировалось здесь на местных гематитовыз и магнетитових рудопроявлениях и месторождениях. Помимо металлургических отходов на р.Мраосу, вблизи пос.Тоз и Усть-Анзас, в устье р.Мзас обнаружены также остатки горнов.
В Новосибирском ГГпиобье материалы до железоделательному производству представлены только е памятниках второго тысячелетия. На городище Каменушка-1 и Крохадевка-Соколово-3 (2Ш-ХІУ вв.) известно несколько кусвов глиняной обмазки от сыродутных печей. В культурном слое городища Нияшзй Сузун (л7~Я5Т вв.) зафиксированы сыродутные шлаки, глиняная обмазка и многочисленные рсускк мергеля, При исследовании поседения Черный Борок открыты сыродутные шлаки, фрагменты глиняных стенок печей и глиняных заслонок с воздуходувными ОТВЄрСТИЯІУ!И.
Важнейшей находкой является сыродутная печь хорошей сохранности на поселении Кротово-18, открытая Е.А.Сидоровым. Она представляет собой наземное глинобитное сооружение с рабочей камерой шахтного типа. Высота сохранившейся части рабочей камеры составляет 50 см. 3 ниднай части печи с одной стороны имеется специальный канал - выем для выпуска шлака и извлечения крицы. В боковых стенках лечи располагаются два воздуходувных отверстия. Диаметр рабочей камеры около 45 см. 3 комплексе с сыродутным горном найдены железная крица и шлаки.
На сопредельной территории в Батабинокой лесостепи свидетельств железоделательного производства немного. Из раннесредневековых памятников таковые содержат городище Сопка-I: небольшой обломок крицы (В.С.Елагин) и поселение Садовка: большое количество шлаков в хозяйственной яме одного из жилищ (В.И.Молодин). В археологических памятниках Барабы периода позднего средневековья известны сыродутные шлаки на городищах Вознесенское и Чиняиха (В.И.Молодин).
Алтай непосредственно граничащий с Барабинской лесостепью известен многочисленными хорошо сохранившимися металлургическими комплексами, сконцентрированными в Кош-Агачоком районе. Совокупность памятников черной металлургии и легкодоступных месторождений железа позволяет говорить о существовании в раннем средневековье крупного Чуйско-Курайского рудно-металлургического района.
Все перечисленные источники представляют серьезную базу для изучения древнего металлопроизводства населения Западной Сибири, выявления его материальной основы, характера и особенностей по отдельным районам и региону в целом.
Глава 3. Железные руды Западной Сибири
В пределах Западной Сибири железные руды разнообразны как по генетическим типам,, так и по минеральному составу. Их местонахождения отмечаются большим количеством точек. Изучение показывает, что крупнейшие запасы железных руд, типа Западно-Сибирского железорудного бассейна, не были доступны для добычи руды. К числу легкодоступных относились широко распространенные маломощные, рассеянные залежи бурых железняков в рыхлых четвертичных отложениях и формировавшиеся в относительно недавнее время, а также рудные образования типа ортштейна.
В Кондиноком рудно-металлургическом районе железоделательное производство базировалось на местных рудах, состоявших из различных по величине минеральных агрегатов гётига и лепидокрокита. Легкодоступные скопления рудных тел существовали в прибрежной песчаной полосе проточных озер и в устьях их многочисленных притоков. Химический анализ названных минералов показал, что до количеству железа, согласно современной классификации, они относятся к типу бедных руд. Содержание железа в большинстве образцов колеблется от 35 до 45$. Основой пустой породы является кремнезем. Средняя концентрация его в руде 33$. Второе место по количеству примесей занимает глинозем - 3%. Прочие примеси составляют доли процента.
Своеобразную минералогическую группу составляют руды Омского Прииртышья. По данным рентгеноотруктурного анализа основа их состоит из гидроокоидов железа - гидрогё'тита и лелидокрокита. Вместе с ними на половине изученных образцов отмечено наличие небольшого количества сидерита. Особенностью минералогического состава руд Омского Прииртышья является также присутствие гидромусковита -измененной слюды. Содержание железа в руде составляет около 44$. Кремнезем встречается в небольших количествах. Из числа других примесей отмечается наличие глинозема - 3$, окиси кальция - 0,7%, и повышенная концентрация марганца - 4-10$. Вредные примеси представлены неравномерно: окиси серы содержится ничтожно мало - сотые доли процента; окиси фосфора, наоборот, доходит до 0,74$, а в иных образцах до 2,1$.
Еелезные руды Среднего Приобья представлены поименно-болотными железняковнми скоплениями, расположенными в долинах речек и ручьев.
В пределах Томского Приобья известны поименно-болотные сидериты в долине р.Оби, южнее устья р.Томь. Рентгеноструктурный
- IS -
анализ руд из с.Астрахандезо показал, что они состоят из гидро-гетита, либо гидрогётита и сидерита. Руда достаточно богата железом. Количество основних оксидов, участвующих в шлакообразовании, кремнезема, глинозема и извести в оушіе - около 1%.
В устье р.Томи черная металлургия базировалась на многочисленных выходах гидрогзтита у подножья высокой террасы о.Козалино.
На территории Новосибирского Приобья известны три пункта с рудами осадочного происхождения (в районе деревень Жеребцово, Еябаии, Дергоусовой). Отдельные рудопроявления потаенно-болотных руд существуют в пойме р.Оби, в том числе у д.Борки и в устье Талъменки.
В Горной Щории известны многочисленные железорудные проявления и десятки крупных месторождений. Химический анализ образцов показал исключительно высокое качество названных руд.
Рудные месторождения Горного Алтая локализованы з трех районах: юго-восточном, западном и северо-восточном и представлены, в основном, гематитовими и гематит-магнититовыми рудами. Содержание растворимого железа в некоторых из них достигает 60-65$, в среднем же - около 40$. Наиболее доступными для разработок были месторождения и рудопроявления юго-восточного Алтая.
Глава 4. Сыродутные шлаки'
Шлаки в металлургии представляют собой отходы железоделательного производотва в виде сплавов различных окислов металлов с неметаллами. Сыродутные шлаки являются важнейшим источником по истории черной металлургии. Изучение шлаков осуществлялось с помощью химического и рентгзноструктурного анализов. Совокупность полученных данных показывает, что основным компонентом сыродутных шлаков является железо. Общее количество его колеблется в
пределах 52 * 8%. Причиной високого содержания железа в шлаке является присутствие в исходной руде пустой породи, глазным образі кремнезема и глинозема. Согласно теории сыродутного процесса на ошлаковывание одной единицы кремнезема расходывалось около двух единиц келеза (А.А.Байков). Количество кремнезема в шлаках колеблется от 18 до 36$. Концентрация глинозема значительно нике -1-5$. Третье место по количеству примесей занимает окись кальция. Содержание ее в шлаке в отдельных районах колеблется от 0,5$ до .7$. Четвертую группу примесей в шлаках составляют лигирующие элементы: окислы титана, кобольта, ванадия, марганца. Доля первых трех в сумме невелика: менее 0,4$. Количество марганца варьирует в различных географических районах: в Кондинском рудно-металлур-гичеоком районе - 1-1,56$, в Томском Приобье - 2,47-2,94/5, в Новосибирском Приобье - на севере - 2,82$, на юге - 0,35$, единственный анализ из Прииртышья - 0,10$, в юго-восточном Алтае десятые и сотые доли процента.
В целях изучения минерального состава шлаков 34 образца были подвергнуты рентгеноструктурноыу анализу. По минералогическому составу все шлаки, за несколькими исключениями, сходны и состоят, в осноеном, из фаялита и вюстита.
Таким образом, исследованные сыродутные шлаки до химическому составу представляют железо-кремнеземо-глиноземистне искусственны! сплавы со стабильной концентрацией и определенным соотношением их составляющих: 2:1:0,2. По минеральному составу сыродутные шлаки относятся к группе фаялит-вюсТитовых.
Глава 5.' 'Железо и железоуглеродистые сплавы
Кричный металл, образовавшийся в ходе сыродутного процесса, представлен различными микроструктурами: от чистого феррита до высокоуглеродистых сплавов железа.
Кричное железо, имеющее структуру феррита, никогда не бывает чистым, всегда имеет то или иное количество шлаковых включений. По своим механическим свойствам чистое железо достаточно мягко и пластично. Ударная вязкость его равна 30 кг м/см . Микротвердость составляет 104-160 кг/мл2 , на отдельных образцах - 204-223 кг/мл2, в 1,5-2 раза выше, чем у современного железа.
Наряду с ферритом в крицах обнаружены сплавы железа о углеродом - углеродистые стали. Основу таких сталей составляет железо с невысоким содержанием углерода - до 2%. Углерод оказывает очень сальное воздействие на сталь. С увеличением содержания углерода возрастает прочность и твердость металла, одновременно уменьшается вязкость и пластичность последнего. Еще более разительные изменения механических свойств происходят при ее термообработке. Так, твердость, посредством использования различных режимов термообработки, может быть увеличена в 2-Ю раз.
В истории древней технологии известны три вида стали, характеризующиеся различными способами производства: I) сырцовая, 2) цементованная, 3) тигельная сталь.
Сырцовую сталь получали непосредственно в ходе сыродутного процесса. Содержание углерода в металле (по сечению) могло колебаться в самых широких пределах - от следов до 1% и более.
Технология цементации заключалась в насыщении углеродом исходной заготовки. В зависимости от характера науглероживания зуществовала поверхностная цементация и сквозная. Процесс цементации осуществлялся в твердом карбюризаторе. В качестве такового в древности использовался древесный уголь, либо смесь угля и некоторых органических веществ.
Тигельная сталь производилась в странах Ближнего и Среднего Востока. Откуда она в виде изделий завозилась в различные районы Европы и Северной Азии.
Металлографическое исследование металлургических криц и кузнечной продукции Западной Сибири показало широкое использование здеоь сырцовой стали уже на самых ранних этапах становления железообработкн. Бесспорно зафиксирована и цементация железа. Однако последняя никогда не имела широкого распространения.
К железоуглеродистым сплавам относятся различного рода чу-гуны - сплавы железа с углеродом, содержащие более 2% углерода. Металлографические анализы и данные полевых исследований показали их абсолютно импортное происхождение.
С целью изучения конечного продукта древней металлургии и исходного сырья металлообработки были подвергнуты металлографическому анализу несколько криц. Две из них - с рабочей площадки, Урайчик Кондинокого рудно-металдургического района. Микроструктурный анализ одной из них показал структуру неравномерно науглеро-женной стали. Металл в целом достаточно монолитен, хотя в нем и встречаются крупные поры и неметаллические включения. В основе шлифа второй крицы выявлена структура обачного железа (феррит) с отдельными науглерокенннми зонами.
Металлографический анализ крицы с городища Кидо-Кулары (Прииртышье) показал, что одна часть ее состоит из чистого нелеза, другая - из неравномерно науглероженной стали. В металле много пор и неметаллических включений.
Крупный кусок непрокованной крицы, весом около 1000 г, найден в сыродутной печи урочища Тото в Горном Алтае. Металлографическое исследование ее показало структуру высокоуглеродистой стали -перлита с цементитом.
Интереоннй экземпляр представляет крица с поселения Кротово-К Крица совершенно не тронута уплотненными операциями, что придает ей особую ценность. Макро- и микроструктурное исследование пока-
зало, что крица сложена в виде своеобразного "рулета", состоящего из феррито-перлитной металлической основы и разделяющих ве шлаковых прослоек. Концентрация углерода в отдельных слоях варьирует значительно - от 0,1 до 0,7$.
По химическому соотаву исследованный металл довольно однороден, состоит практически из одного железа. Содержание примесей в продолах десятых, сотых и тысячных долей процента, поэтому на качество металла они никакого воздействия но оказывают.
В целом произведенные исследования металлургической продукции позволяют сделать следующие выводы. Во-первых, в ходе сыродутного процесса, независимо от типа плавильных печей, металлурги получали готовую монолитную крицу, а не губчатое железо. Во-вторых, по своему соотаву выплавленный металл представлял собой чистое кеяе-зо или сырцовую сталь, в-третьих, другие виды железоуглеродистых сплавов - томленная и тигельная сталь, чугуны - не производились мастными мастерами, хотя изделия из них имели хождение среди западно-сибирского населения.
Глава 6. Металлургия железа
В главе рассматриваются техника и способы получения железа местными мастерами. Весь производственный процесс включает несколько видов работ - от добычи руды, обогащения ее и производства топлива до получения металла изруд.
Анализ имеющихся источников (руд, шлаков, металлургических печей) пор;азывает, что в Западной Сибири того времени железо получали исключительно сыродутным способом, содержание которого составляло прямое восстановление металлического железа из железной руды.
На практике, в конкретных условиях различных региогоз, процесс имел свои особенности. Главным элементом, определяющим разковид-
ности технологических процессов являлся тип (конструкция) сыродутных печей . На изучаемой территории наиболее хорошо изучены три типа сыродутных печей: так називавше, кондинокий, кротовский и кош-агачский.
Кондинокий тип представляют небольшие полуназемные печи разового использования, работавшие без шлаковнпуска. По своему функциональной назначению шахта печи подразделялась на две части нижняя, сооруженная непосредственно в земле, служила шлаконакопи-телем; верхняя, возведенная из глины, являлась рабочей камерой. Воздушное дутье осуществлялось внизу рабочей кашры через глиняное сопло. Печи возводились вблизи рудных залежей. Рядом с ними, как правило, находились кострища для обжига руды и выжигания древесного угля. Все это вместе взятое составляло единую рабочую площадку.
Добыча руды на р.Конде осуществлялась преимущественно в при
брежных песках крупных проточных озер, либо в устьях впадающих
речек. По составу такая руда представляла собой гидроокислы
железа - гидрогётит, лепидокрокит. Невысокое содержание недеза
требовало от металлургов дополнительных операций по обогащению
РУДЫ. Подготовка руды к плавке происходила по следующей схеме:
промывка —- сушка —»~ сортировка —~~ обогатительная очистка
измельчение до 0,5-1 см —»- просеивание обжиг —»- состав
ление шихты.
Важнейшим компонентом металлургического процесса являлось топливо. В Коддвнском рудно-металдурглческом районе для получения угля использовался так называемый кучный метод углежжения.
Начиная сыродутный процесс, мастера загружали углем шлако-накопитель чуть выше воздуходувной трубки. Затем бросали немного раскаленных углей и насыпали уголь до самого верха. По мере выго-
рания угля в верхней части печи попеременно догружали необходимые порции руды и угля. Согласно расчетам А.А.Байкова, на осуществление всех химических реакций в печи и нагрев расходнваяось 3,15 единиц угля на единицу получаемого метала .
Загружаемые исходные материалы претерпевали в печи значительные изменения. Углерод, сгорая в токе вдуваемого воздуха (при температуре 1350 G), превращался в окись углерода, являвшуюся основой восстановительного процесса. Под воздействием высоких температур часть рудных окислов восстанавливалась до металла, другая - соединялась с пустой породой, образуя жидкий шлак. Восстановленное железо в виде мельчайших частиц двигалось, до мерз выгорания угля, вниз рабочей камеры, присоединяя к себе большую часть железа, находившегося в составе жидкого шлака. Таким образом, частицы железа укрупнялись, превращаясь в ком железа. Шлак же стекал в шлаконакопмтелъ, заполняя все пустоты угольного слоя. После полного заполнения шлаконакопителя процесс плавки прекращался.
Имеющиеся данные химических анализов железной руда и шлаков, с учетом массы металлургических отходов шлаконакопитолеи отдельных печей, позволяют произвести рассчеты производительности и расходов сырья древних металлургических сооружений рассматриваемого типа. Поскольку обогащение руды производилось в кустарных условиях, а получаемый продукт имел в разных случаях разные концентрации составляющих элементов, рассчеты неизбежно носят приблизительный характер.
В качестве примера подсчетов использованы данные печи В 15 рабочей площадки Урайчик-1 и печи & 2 рабочей площадки Урайчик-2. Рассчеты показывают, что при плавке в суродутной печи В 15 попользовано 29,8 кг руды. Из нее было получено 4,5 кг железа и 22 к?
сиродутного шлака. В лечи IS 2 бнло использовано 27,4 кг железной руды. Выход металлического железа составил 2,8 кг. Характерной особенностью металлургического процесса рассматриваемого типа являлась чрезвычайно низкая результативность получения конечного продукта - металлического железа.
На основании рассчетов можно определить и общие затрата сырьевых ресурсов для каждой металлургической площадки и общее количество получаемого железа. Используем для примера самую крупную металлургическую площадку - Урайчик-1. В настоящее время раскопками исследована і/З часть памятника, виявлено 83 сыродутных печи. Исходя только из этого количества производственных сооружений, сырьевые затраты составили:
1) По руде:
Для осуществления одной плавки требовалось около 30 кг обогащенной или 40 кг скрой руды. Следовательно, общие затраты всех печей составили 2490 кг и 3320 кг соответственно. По предположительным оценкам весь комплекс составляет 300-400 сыродутных печей. Следовательно, общие затраты обогащенной руды могли составлять S0O0 кг, а сырой - 12000 кг.
2) По угли:
Как уже отмечалось, соотношение руды и угля в шихте составляло 1:1,2. Следовательно для одной плавки, на 30 кг руды, использовалось 36 кг древесного угля. В целом для 83 изученных печей потребность составила 2988 кг. Известно, что при выжиге выход угля составляет 12% от массы использованной древесины. Значит, для получения необходимого количества топлива требовалось заготовить 24900 кг дров, или около 78 ы3. Если иметь ввиду всю площадку, общее количество топлива составляло 10800 кг угля, на выжиг которого было использовано 90000 кг древесины (281 м3).
Исходя из всего сказанного, можно определить количество металла, полученное на той или иной металлургической площадке. Наиболее распространенные площадки из 5-Ю пэчей давали 14-45 кг яелеза. Крупнейшие из них, типа Урайчик-1 (ЬЗ лечи), давали около 300 кг металла.
Второй тип сыродутных дачей наиболее ярко представлен памятником Кротово-18 в Новосибирском Приобье. Это наземные глинобитные сооружения со шлаковыпуском, обладавшие более высокой производственной эффективностью, чем вышеописанные горны. Плавка в подобных печах проходила следующим' образом. Перед плавкой печь протапливалась дровами. Затем в нее засыпали небольшой слой (10-12 см) мелко просеянного угля (на этот слой осаждались частицы восстановленного яелеза). После подготовленных операций закрывали шлакоотвод-ный канал глиняной заслонкой и разводили огонь. Раздувая огонь, наполняли печь доверху углем. На него высыпали меру дробленной руды. Когда уголь сгорал и спускалоядо половины печи,.его вновь досыпали доверху и на него помещали такое же количество руды. Операция повторялась 10-20 раз. В конце плавки усиливали нагнетание воздуха до полного выгорания угля. После этого прекращали тягу, разбирала отверстие в печи и вынимали раскаленный добела кусок железа. Масса получаемого металла зависела от количества переработанной руды, однако не могла быть очень значительной. Обнаруженная на Кротово-18 целая крица весит 470 г. Судя по ее структуре, металлургический процесс протекал при некотором избытке топлива в шихте.
Зная массу восстановленного металла, можно примерно определить количество затраченной руды на одну плавку. Последнее составляло 4,7 кг.
Третий тип сыродутных печей - кош-агачский - характерен для зго-восточного Алтая второй половины I тыо.н.э. Печи представляли зобой стационарные сооружения, раочитанные на многократное исполь-
зование. Руду добивали поблизости, з подпочвенном слое, либо собирали обломки гальки гематита в долинах рек.
Перед плавкой печь протапливали дровами, затем через колощнив засыпали древесный уголь до уровня воздуходувных фурм. Іменно зтот слой служил "постелью" для формирования гседезной крицы. Засыпанный в печь уголь поджигался на уровне воздуходувных фурм, затем засыпалась углем остальная часть рабочей камеры. В последующем чередование загружаемых порций руды и угля обеспечивало бесперебойный восстановительный процесс. Еидкий шлак стекай вниз сыродутной печи через пустоты нижнего угольного слоя. В общей сложности плавка продолжалась несколько часов. В итоге из 100 кг руды выходило 65 кг шлака и 23 кг железа.
В целом комплексное исследование имеющихся источников черной металлургии Западной Сибири позволяет сделать следующие выводы:
-
Отсутствие на большей части Западно-Сибирского региона цветной металлургии предопределило длительную неразвитость металлургии железа. Возникновение черной металлургии происходило здесь сравнительно-поздно.
-
Накопленные материалы позволяют проследить эволюцию эмпирических знаний в черной металлургии на основе представленных здесь типов сыродутных печей: начальный этап,связанный с функционированием .сыродутных печей одноразового использования, без шлако-выпуска; второй этап - создание наземных глинобитных нечей со шлаковыдуском; третий этап - вершина-развития древней техники сыродутного производства - подуназешый горн долговременного использования (кош-агачский).
-
Черная металлургия Западной Сибири базировалась на разнообразных типах келезных руд.
-
Сибирские металлурги с самого начала освоения черного мета;
а владали техникой производства не только простого железа, но и знрцовой стали.
-
Количество металлургических памятников, длительность их функционирования и объем производства металла свидетельствуют о том, что железоделательное производство занимало важное место в хозяйственной жизни населения на протяжении всай эпохи желэза.
-
Уровень развития металлургии деяеза был различен в отдельных районах Западной Сибири. Однако общие масштабы производства Зыяи везде относительно невелики.
Часть вторая ЖМЕЗООБРАЕАТЫВАЩЕЕ ПРОИЗВОДСТВО