Как же произошло первое знакомство человека с металлом и откуда берет свое начало металлургическое производство? По современным представлениям, первыми металлами, с которыми мог познакомиться древний человек, являются так называемые «самородные», среди которых наиболее распространены золото и медь. Серебряные самородки встречаются в природе значительно (в 20-30 раз) реже, чем золотые и медные, кроме того, они обладают менее привлекательным неярким блеском, вследствие чего серебро вряд ли может претендовать на роль «первого» металла человеческой цивилизации. По мнению некоторых исследователей, эту роль мог сыграть металл неземного происхождения-метеоритное железо, которое могло привлечь внимание наших предков не только внешним видом, но и характерными явлениями, сопровождающими падениями метеорита. Независимо от того, какое из упомянутых металлов был первым привлекшим внимание человека, на протяжении эпохи «тесаного камня» у наших предков было достаточно времени для овладения примитивными методами металлообработки, прежде всего приемами ковки (пластической деформации) металлов в холодном состоянии.
Отметим, что в земных условиях в самородной форме могут присутствовать не только благородные металлы. В виде чистого металла в природе обнаруживается железо и такие «экзотические» металлы, как цинк и алюминий. Самородная (теллурическое, от латинского слова «теллус» — земля)железо встречается в виде мелких листочков и чешуек, вкрапленных в горные породы, чаще всего базальт. Оно может также образовывать небольшие сплошные кусочки неправильной формы. В XX веке самородное железо находили, например, на острове Диско вблизи побережья Гренландии, в Германии (у города Кассель), во Франции (в департаменте Овернь), в США (в штате Коннектикут). Теллурическое железо всегда содержит значительное количество никеля, а также примеси кобальта, меди и платины (0,1 до 0,5 % масс, каждого элемента) и, как правило, очень бедно углеродом. Различают два вида теллурического железа: аварит (содержание никеля до 2,8%) и джозефинит (до 50 и более процентов никеля). Самородное железо хорошо поддается ковке и, в принципе, могло бы использоваться древним человеком, если бы не его исключительная редкость.
Известны также находки самородного чугуна (сплава, содержащего от 3 до 5 % углерода), например, на островах Русский (на Дальнем Востоке) и Борнео, а также в бухте Авария-Бэй (Новая Зеландия), где самородный чугун был представлен минералом когенитом – железоникелькобальтовым карбидом (Fe,Ni,Co)3С. Теллурическое железо и чугун, по современным представлениям, могли образоваться при взаимодействии высокотемпературной расплавленной магмы с каменным углем или при подземных пожарах угольных пластов на поверхности их контакта с железной рудой.
Собственно, металлургическое производство, то есть процесс извлечения (экстракции) металлов из руд, началось в эпоху «неолитической революции» (10-6 тыс. лет до н.э.), когда человечеством была освоена технология термической обработки изделий. Первыми такими изделиями были керамические, а первым термическим агрегатом – костер без принудительного дутья, обеспечивающий температурный 600…700 0С. С этого момента начинается постепенный рост температурного потенциала цивилизации, то есть температурного уровня термообработки изделий и извлечения металлов из руд. Нетрудно заметить «ступенчатый характер» кривой роста температуры, что можно объяснить следующим образом. Резкие подъемы кривой соответствуют освоению и внедрению в производство новых, более совершенных термических устройств, пологие участки монотонного медленного увеличения потенциала связаны с постепенным усовершенствованием конструкции уже известных агрегатов.
Температуры, необходимые для экстракции некоторых металлов из руд и термомеханической обработки основных материалов и металлов, известных в древности, иллюстрируются диаграммой, представленной на рис. 1.2. Ее данные говорят о том, что для производства того или иного материала человечеством должен быть достигнут определенный прогресс в развитии конструкций термических устройств и технологий термообработки. Основные термические устройства (печи), с помощью которых обеспечивался определенный уровень термообработки, представленный в табл. 1.1.
Однако достижение определенного температурного потенциала не является достаточным условием для производства нового материала (металла) и изделий из него.
Во-первых, необходимы также знания о минералах, содержащих извлекаемые металлы, или о минералах, совместное использование которых (в виде шихты, представляющей собой совокупность твердых сыпучих материалов, загружаемых металлургический агрегат) позволяет получить металл (сплав) с необходимыми свойствами.
Во-вторых, конструкция агрегата должна предусматривать обеспечение не только необходимой температуры, но и условий для восстановления металла из его рудного минерала (как правило, оксида).
В-третьих, необходимо иметь навыки механической и термической обработки вновь получаемых металлов или материалов для предания им соответствующего товарного вида и потребительских свойств.
Исходя из вышесказанного, наиболее вероятным для развития цивилизации представляется постепенное «открытие» новых материалов и металлов первоначально в качестве побочных продуктов или отходов уже освоенных ранее производств. Так, например, первые капли – «корольки» — меди или железа могли быть получены в процессе обжига керамических изделий, для окрашивания которых применялись легковосстановимые (легкоразлагаемые) минералы: медьсодержащие глины различных зеленых оттенков с вкраплениями минералов малахита, азурита, куприта или железосодержащие глины различных красно-коричневых оттенков, окраска которых обусловлена присутствием таких минералов, как гематит или лимонит. Железистые или медистые шлаки с вкраплениями корольков металла могла также получаться в процессах производства глазури или обработки комплексных руд при выплавке из них серебра или свинца. Таким образом, процесс постепенного освоения цивилизацией новых металлов и материалов можно наглядно представить следующей схемой (рис. 1.3).
Ключевым моментом изложенной выше гипотезы является многократная повторяемость технологического процесса получения того или иного вида продукции и, соответственно, тех или иных отходов производства, которое не могла не обратить на себя внимание древнего мастера. В пользу этой гипотезы говорят еще два обстоятельства: во-первых, практически все основные материалы цивилизации длительное время не получали широкого распространения при производстве орудий труда и применялись только для изготовления мелких (как правило, ювелирных) изделий; во-вторых, большинство разрабатываемых в древности месторождений являлись полиметаллическими и шлаки, находимые в районе этих месторождений (места добычи и обработки металлов в то время совпадали), соответствуют хронологической последовательности производства «медь-серебро, свинец-железо», а не наоборот.
Таким образом, близкое общение человека с металлами насчитывает не менее 12 тысяч лет, однако древнейшие археологические находки металлических предметов имеют существенно менее почтенный возраст. Древнейшие изделия из золота и меди найдены в Египте и Малой Азии и датируются 7-м тысячелетием до н.э. Они представляют собой бусинки, колечки и подвески. В Малой Азии обнаружены также шлаки от плавки медной руды.
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 6-м тысячелетием до н.э. К тому же времени относятся и первые железные раритеты, представляющие собой небольшие крицы, найденные в Чатал-Хююке. Старейшие серебряные изделия обнаруженные на территории Ирана и Анатолии. В Иране их нашли в местечке Тепе-Сиалк: это пуговицы, датируемые началом 5-го тысячелетия до н.э. В Анатолии, в Бейджесултане, найдено серебряное кольцо, датируемое концом того же тысячелетия.
Разница в несколько тысячелетий между предполагаемым знакомством человека с металлами и известными их раритетами, по мнению специалистов, объясняется чрезвычайной редкостью и высокой ценностью металлических изделий в те далекие времена, что не позволяло помещать их в захоронения даже самых уважаемых членов общества. Однако,с точки зрения проблемы использования ресурсов, вышеупомянутое обстоятельство можно оценить и по-другому. Понятно, что вопрос об отходах металлургического производства имеет такой же возраст, как и сама металлургия. Рано или поздно металлические изделия теряли свои потребительские качества, даже в те времена, когда они использовались только в виде украшений. Но в отличие от предметов из камня и керамики, разрушение которых было необратимым, металлические изделия могли быть восстановлены. Таким образом, с освоением технологий экстракции и металлообработки человечество вступило в эпоху принципиально новых производственных отношений – в эпоху глобального рециклинга ресурсов.
Для овладения технологией широкого кустарного (в современном понимании этого слова, а для эпохи Древнего мира – промышленного) производства бронзы человечеству понадобилось не менее двух тысяч лет, а для железа – от трех до пяти тысяч (в зависимости от того, какие археологические раритеты принимать во внимание). В результате началом железного века большинством ученых считается время около 1200 года до н.э.
Период с 1200 до 500 гг. до н.э. получил название «галльштатского», или раннего железного века его название происходит от небольшого городка Hallshtatt в Австрии, вблизи которого в середине XX века профессорами Феттерсом (Австрия) и Шаабером (Германия) были проведены обширные археологические раскопки. В ходе раскопок были обнаружены поселения, могильники, рудники, большое количество предметов вооружения и орудий труда, датируемых IX-VII веками до н.э. По современным представлениям именно эти находки в наибольшей степени отражают структуру развития металлургического производства характерную для раннего железного века. Галльштатский период, как правило, определяется как переходных от бронзового века к собственно железному, поскольку в это время общее количество изделий из бронзы существенно возрастает по сравнению с предыдущей эпохой, а железо лишь постепенно «осваивает» все новые виды орудий труда и только к концу галльштатского периода становится металлом цивилизации номер один.
Латенский период железного века получил свое название также от географического региона, а именно от названия залива Ла-Тен Невшательского озера в Швейцарии. Данный период характеризуется вытеснением железом всех остальных известных в то время металлов из военной и производственной сфер. Таким образом, на долю золота, серебра, меди, бронзы и других металлов остается сфера изготовления предметов роскоши, искусства, ювелирного дела, монет и т.п. временные рамки латенского периода обычно устанавливаются с V по I век до н.э.
В период с I века до н.э. по V век н.э. в металлургии возникает разделение труда при производстве железных и стальных изделий, что наиболее характерно для Римской империи — крупнейшего рабовладельческого государства эпохи Древнего мира. При рассмотрении дальнейших периодов, связывающих наиболее важные события в истории цивилизации и металлургии мы будем придерживаться общепринятой хронологической последовательности: средневековье (I-XVI века), Новое и Новейшее время (с XVII века до настоящего времени).
