Металлургия железа в истории цивилизации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 93 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС 

Кафедра руднотермических процессов 

П. И. Черноусов 
В. М. Мапельман 
О. В. Голубев 

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 
В ИСТОРИИ ЦИВИЛИЗАЦИИ 

Учебное пособие 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 
подготовки бакалавров и дипломированных специалистов 
«Металлургия» и «Физическое материаловедение» 

$ 

Москва Издательство «УЧЕБА» 2006 

УДК 669.11:008(091) 
Ч-49 

Рецензент 
д-р техн. наук, проф. Л. Н. Белянчиков 

Черноусов П. И., Мапельман В. М., Голубев О. В. 
Ч-49 
Металлургия железа в истории цивилизации: Учеб. пособие. – М.: МИСиС, 2006. – 350 с. 

В учебном пособии приведены сведения о развитии техники и технологии металлургии железа во взаимосвязи с историей цивилизации начиная с 
древнейших времен до окончания эпохи Средневековья. Изложены современные представления о закономерностях возникновения и развития металлургического производства. Сформулирована гипотеза о роли ресурсов металлов в формировании государственной и общественной структуры стран и 
народов Древнего мира. Рассмотрено становление основ научной металлургии. Описана этимология некоторых металлургических терминов. 

Издание содержит приложения, в которых представлены материалы для 
проведения практических занятий по определению технологических параметров металлургических производств Древнего мира и средневековья, а 
также варианты домашних, контрольных и тестовых заданий. Они прошли 
более чем десятилетнюю апробацию в рамках преподавания курса «История 
металлургии железа» в МИСиС. 

Пособие предназначено для студентов технических вузов всех специальностей направлений «Металлургия» и «Физическое материаловедение», но 
может быть полезно и широкому кругу специалистов металлургического 
профиля, студентам исторических вузов, учащимся специализированных 
техникумов, школ и других средних учебных заведений. 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (технологический 
университет) (МИСиС), 2006 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие 
6 

Глава 1. Зарождение металлургического производства 
7 

1.1. Периодизация истории человечества и металлургия 
7 

1.2. Минералы железа в древней истории человечества 
10 

1.2.1. Основа цивилизации – камень 
10 

1.2.2. Гётит (α-Fe3+О(ОН)) (гидрогётит, лимонит, бурый 
железняк) 
12 

1.2.3. Гематит (Fe2O3) 
14 

1.2.4. Сидерит (FeCO3) 
16 

1.2.5. Пирит и марказит (FeS2) 
16 

1.2.6. Магнетит ( Fe2+Fe3
2
 +O4 ) 
18 

1.3. Закономерности появления и развития металлургии 
18 

1.4. Древние металлы 
26 

1.4.1. Золото 
27 

1.4.2. Электрум (электрон) 
33 

1.4.3. Метеоритное железо 
34 

1.4.4. Серебро 
39 

1.4.5. Свинец 
41 

1.4.6. Ртуть 
49 

1.4.7. Медь 
51 

1.4.8. Бронза и латунь 
55 

1.4.9. Олово и оловянная бронза 
59 

Глава 2. Металлургия в цивилизации Древнего мира 
63 

2.1. «Технократические» государства Древнего мира 
63 

2.1.1. Хеттское государство – родина железа? 
64 

2.1.2. Этруски – предтечи европейской цивилизации 
72 

2.1.3. Кельты – «факелоносцы Древнего мира» 
81 

2.2. Ресурсы металлов и развитие цивилизации 
91 

2.2.1. Египет – страна золота и меди 
92 

2.2.2. Ассирия – первая мировая империя 
95 

2.2.3. Рим – величайшая империя Древнего мира 
97 

2.2.4. Ресурсы как фактор государственного развития 
101 

2.3. Особенности металлургического производства в странах 
Востока 
103 

2.3.1. Древний Китай 
103 

2.3.2. Древняя Индия 
111 

3 

Глава 3. Ранние металлургические технологии 
115 

3.1. Извлечение железа из руд 
115 

3.1.1. Тигельная плавка 
116 

3.1.2. Сыродутный горн 
118 

3.2. Термохимическая и термомеханическая обработка железа 
и стали. Рециклинг металлолома 
124 

3.3. Волочение металлов 
128 

3.4. Монетное дело 
132 

3.4.1. Монетное дело в Древней Греции 
134 

3.4.2. Римские монеты 
138 

3.4.3. Древняя технология чеканки 
143 

3.4.4. Литые монеты Китая 
144 

3.4.5. Роль монетного дела в развитии металлургии 
145 

Глава 4. Древняя металлургическая терминология 
147 

4.1. Происхождение термина «железо» 
147 

4.2. Старорусская металлургическая терминология 
150 

Глава 5. Металлургия железа в средневековье 
154 

5.1. Пути прогресса 
154 

5.2. Ландшафт – важнейший металлургический ресурс 
средневековья 
157 

5.2.1. Штюкофен и осмундская печь 
159 

5.2.2. Каталонский горн 
162 

5.3. Доспехи 
165 

5.3.1. Кольчуга 
167 

5.3.2. Пластинчатый доспех 
171 

5.3.3. Облегченный доспех 
174 

5.3.4. Рыцарский костюм определяет моду 
174 

5.3.5. Рыцарский кодекс 
179 

Глава 6. Качественная металлургия средневековья 
180 

6.1. Белая жесть 
180 

6.2. Металлургия высококачественных оружейных сталей 
187 

6.2.1. Легенды и исторические свидетельства 
187 

6.2.2. Терминология и классификация 
192 

6.2.3. Технологии получения высококачественных сталей 
196 

6.2.4. Ковка и закалка оружейного металла 
201 

6.2.5. Русский булат 
205 

6.2.6. Тайна литой стали 
208 

Глава 7. Огнестрельная техника и металлургия чугуна 
212 

7.1. Зарождение артиллерии 
213 

7.1.1. Изобретение пороха 
213 

4 

7.1.2. Появление огнестрельной техники 
218 

7.2. Становление и развитие артиллерии 
222 

7.2.1. Появление артиллерии на Руси 
222 

7.2.2. Развитие артиллерии во второй половине XIV–XV вв...226 
7.2.3. Первые артиллерийские снаряды 
232 

7.3. Пушечно-литейное производство 
233 

7.3.1. Самостоятельный род войск 
234 

7.3.2. «Медленная формовка» 
236 

7.3.3. Баллистика – наука позднего Средневековья 
239 

7.3.4. Русская бронзовая артиллерия XVI в. . 
240 

7.3.5. Царь-пушка – выдающийся памятник отечественного 
литейного искусства 
245 

7.4. Чугун – главный металл цивилизации 
252 

7.4.1. Роль Англии в развитии Европы в XVI в.. 
252 

7.4.2. Военные программы и развитие металлургии 
255 

7.4.3. Агрегаты для производства чугуна 
258 

7.5. Формирование двухстадийной схемы «руда – чугун – 
ковкое железо» 
262 

7.6. Древесный уголь 
264 

7.6.1. Технология углежжения 
266 

7.6.2. Энергетический кризис в Европе 
272 

Глава 8. Начало металлургической науки 
276 

8.1. Жизнь ученого в эпоху Ренессанса 
276 

8.2. Научные труды Бирингуччо и Агриколы 
282 

Библиографический список 
291 

Приложение 1. Практические занятия 
292 

Практическое занятие № 1 «Производство тигельной стали 
из железных руд» 
292 

Практическое занятие № 2 «Производство кричного железа 
в сыродутных горнах» 
298 

Практическое занятие № 3 «Определение параметров процессов 
переработки железных руд в средние века (IX–XVI вв.)» 
306 

Практическое занятие № 4 «Определение минимальной 
потребности в производстве железа Московской Руси первой 
четверти XVII в.» 
320 

Приложение 2. Контрольные вопросы 
326 

Приложение 3. Кроссворд 
343 

5 

Именно знание истории отличает образованность от дикости. 

А. С. Пушкин 

Если бы цена вещей определялась по их полезности, железо 
должно бы считаться драгоценнейшим из металлов. 

В. Левшин. Словарь 
коммерческий. Конец XVIII в. 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Одной из мировых тенденций развития высшей школы последних 
десятилетий является ее гуманитаризация. Анализ опыта современного фундаментального образования показывает, что конкурентоспособный инженер помимо высококачественной профессиональной 
подготовки должен обладать знаниями, позволяющими ему успешно 
ориентироваться в экологических, социальных и психологических 
вопросах, связанных с последствиями реализуемых инженерных решений, а также неуклонно следовать канонам профессиональной 
этики. В этом отношении большие возможности предоставляет изучение индустриального наследия цивилизации и истории развития 
специальности во взаимосвязи с социально-политической историей 
общества. Необходимо отметить, что процессы, определяющие пути 
развития цивилизации, многообразны, взаимосвязаны и взаимозависимы, а закономерности их функционирования часто имеют сложный, синтетический характер. 

Авторы предприняли, возможно, первую в России попытку систематизировать, проанализировать и изложить вышеупомянутые 
проблемы в рамках одного учебного пособия. Основой для пособия 
послужили материалы курса «История металлургии железа», преподаваемого в МИСиС с 1993 г. В издание вошли материалы, охватывающие эпохи зарождения металлургического производства, – Древнего мира и Средневековья, но авторы предполагают в дальнейшем 
осуществить издание полного курса, включающего период вплоть до 
начала XX в. 

6 

Глава 1. ЗАРОЖДЕНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО 
ПРОИЗВОДСТВА 

1.1. Периодизация истории человечества 
и металлургия 

Когда варвар, продвигаясь вперед, шаг за шагом, открыл самородные металлы и научился плавить их 
в тигле и отливать в формы; когда 
он …создал бронзу; и, наконец, когда еще большим напряжением мысли он изобрел горн и добыл из руды 
железо – девять десятых борьбы за 
цивилизацию было выиграно. 

Г. Л. Морган 

Периодизацию истории человечества принято осуществлять на основе достижения цивилизацией определенного материального уровня 
развития, т. е. орудий труда и идущих на их изготовление материалов. 
Эта общепринятая в настоящее время естественно-историческая периодизация была предложена в 1816 г. Христианом Юргенсом Томсеном 
(рис. 1.1) – удачливым датским коммерсантом и известным филантропом, получившим всемирную известность в качестве знатока древней 
истории человечества. Начиная с 1816 г. 
Томсен являлся руководителем Королевской комиссии по охране и содержанию памятников старины, и в значительной степени именно благодаря его 
усилиям был создан знаменитый Национальный музей в Копенгагене – до настоящего времени один из крупнейших 
и богатейших в Европе. 

Особая заслуга Томсена состоит в 
последовательной систематизации археологических находок: распределяя их 
в хронологическом порядке в зависимости от материала, из которого они были 
изготовлены, Томсен пришел к следующему делению антропогенной ис- 
Рис. 1.1. Христиан Юргенс 
тории на три периода – «века»: камен- 
Томсен (1788–1865) 

7 

ный, бронзовый и железный. После того, как в конце XIX в. выдающимся французским химиком Пьером Бертло было установлено, что 
наиболее древние из известных металлических изделий были изготовлены не из бронзы, а из меди, к хронологической таблице был добавлен еще один век – «медно-каменный», и она приняла хорошо известную современную форму. В западной исторической терминологии в 
последние годы получил распространение термин «рабочий металл», 
предложенный английским археологом-металловедом Энтони Снодграссом, т. е. металл, выполняющий на данном этапе развития цивилизации основные технологические функции. Таким образом, согласно 
общепринятой строгой естественно-исторической классификации мы, 
т. е. человечество, живем в настоящее время в железном веке, поскольку именно железо и его сплавы являются основным рабочим материалом современной цивилизации. Несмотря на быстрое развитие 
производства конструкционных пластмасс, алюминия и цемента, на 
ближайшую перспективу (по крайней мере, 100–200 лет) железо, безусловно, должно сохранить эти ведущие позиции. 

Датировка исторических веков, периодов и эпох затруднена и зачастую принимается отдельными исследователями произвольно, в 
зависимости от учета тех или иных археологических находок. Существенное влияние на этот процесс в последние годы оказывают быстро и динамично развивающиеся современные методы исторических 
исследований: «практическая археология»1, сравнительная лингвистика праязыков, историческая этнография2, антропология3 и иммунология4, новые способы глубокого математического анализа текстов 
старинных рукописей и описываемых в них астрономических событий. Однако следует отметить, что, как правило, новые изменения 
датировки событий антропогенной истории производятся в сторону 
их «удревнения» и очень редко в сторону «омоложения» истории 
человеческой цивилизации. В дальнейшем описании различных исторических событий мы будем придерживаться общепринятой хронологической традиции (табл. 1.1). 

––––––––– 

1 Наука, сформировавшаяся в 1970–80-х гг. и основывающаяся на воспроизведении в современных условиях методов древней техники и технологии. 

2 Наука, изучающая происхождение, закономерности расселения, бытовые и 
культурные особенности народов и их видоизменения в процессе взаимодействия с 
другими народами. 

3 Наука, изучающая происхождение и эволюцию человека, образование человеческих рас. 

4 Наука о защитных свойствах человека, особенностях иммунитета и его передаче на генетическом уровне. 
8 

Таблица 1.1 

Соотношение общепринятой хронологии цивилизации 
с важнейшими событиями в истории металлургии 

Исторические эпохи и периоды 

Новейшая история 

Новое время 

Позднее 

Раннее 

Железный 
век 

Латенский 
период 

Галльштатский 
период 

Бронзовый 
век 

Поздний 

Ранний 

Эпоха 
шлифованного камня 

Хальколит 

Неолит 

Время 

1900 

1850 
1750 

1600 

1350 

500 

Новая 

эра 
0 

до н. э. 

500 ^ 

Основные 
«рабочие 
металлы» 

Литая сталь 

Чугун 

«Осталенное» 
ковкое 
железо 

1200 
2000 

Оловянная 
бронза 

3000 
4000 

Мышьяковая 
бронза 

6500 

Медь 

Самородное 
золото и медь 

Важнейшие события 
в истории металлургии 

Электросталеплавильные печи 
Агломерационные процессы 
Конвертор и мартеновская печь 
Каменноугольный кокс 
Двухстадийная схема: 
«руда - чугун - сталь» 
Прокатные и волочильные станы 
Молотовые фабрики 
Доменная печь 

Волочение железной проволоки 

Специализированные производства, развитие рециклинга (Римская 
империя) 
Начало переработки шлаковых 
отвалов (Древняя Греция) 
Синтетический чугун (Китай, 
Индия) 

Рециклинг бронзового лома 

Сыродутный горн 

Металлические сплавы 
Литейное производство 

Тигельная плавка 

Эпоха 

тесаного 

камня 

Мезолит 
40000 

Палеолит 
2,5 млн 
лет 
– 

Ковка самородных металлов 

– 

Нетрудно заметить, что многие важнейшие революционные события в развитии цивилизации хронологически совпадают, а часто и 
определяются освоением новых металлургических технологий, но
9 

вых металлов и сплавов. Так, например, нельзя не обратить внимание 
на то, что начало собственно металлургического производства, связанного с освоением выплавки меди в специально устраиваемом для 
этого агрегате – «волчьей яме», хронологически соответствует появлению предписьменности, т. е. началу общения между людьми посредством абстрактных символов. Появление колесных повозок непосредственно следует за освоением производства первых мышьяковых бронз. По мнению большинства ученых-историков, переход к 
новой социальной организации человеческого общества – патриархату явился прямым следствием развития его производительных сил, 
что выразилось в освоении производства изделий из бронзы и переходу от медно-каменного века к бронзовому. Наконец, современная 
структура общественно-экономических отношений, основанная на 
денежном обращении, сложилась в привычном для нас виде в начале 
латенского периода железного века, когда железо, собственно, и стало основным металлом цивилизации. Таким образом, не будет большим преувеличением сказать, что история человеческой цивилизации в последние 10–12 тыс. лет, по существу, определяется развитием металлургии. 

1.2. Минералы железа в древней истории 
человечества 

Одним из определяющих условий начала производства металла 
являются знания о минералах, содержащих данный металл. Эти минералы должны быть заметны, обращать на себя внимание как своеобразным внешним видом, так и некими специфическими свойствами, которые древний человек мог использовать, в том числе и в архаичных термических процессах. Отметим, что все минералы железа, 
которые подробно рассматриваются ниже, подобными внешними 
данными и свойствами обладают в полной мере. 

1.2.1. Основа цивилизации – камень 

История первобытного человеческого общества была неразрывно 
связана с камнем и изделиями из него. Самые примитивные из этих 
изделий представляли собой обыкновенную речную гальку, оббитую с 
одного края. Возраст древнейших каменных орудий около 2,5 млн лет. 

Сначала наши пращуры использовали любую гальку. Однако, осваивая новые территории, они стали проявлять интерес к самым разнообразным горным породам. Трудно сказать, когда первобытный 

10 

человек научился их различать, но то, что его излюбленным камнем 
на протяжении всего антропогена стал кремень, известно достоверно. 
Это пристрастие обусловлено удивительным свойством кремня – его 
способностью при направленных ударах не раскалываться на куски, 
а давать тонкие отщепы и пластины с острыми краями. Оббив камень 
с разных сторон, древний человек получал ручное рубило и множество острых отщепов. И то и другое находило применение: рубила 
использовались для обработки дерева, отщепы – для резания мяса. 

Прошло немало времени, прежде чем человек научился отделять 
от кремневых камней пластины. Это потребовало развития определенных навыков обработки камня. Они заключались в особой технике нанесения последовательных ударов: сначала от краев обрабатываемого предмета к центру, что напоминало «черепашью спинку», а 
затем перпендикулярно этой поверхности. «Черепашью спинку» скалывали несколькими точными ударами. Расщепляя таким образом 
камень, древний мастер получал одну или несколько пластин – прекрасный материал для изготовления наконечников копий, скребков и 
ножевидных инструментов. Именно в кремне была впервые найдена 
и воплощена форма таких известных орудий, как топор, серп, нож, 
молоток. 

Высокими потребительскими свойствами обладали также яшма – 
крепкая и очень твердая порода, обсидиан и нефрит. Однако эти 
камни встречались и встречаются в природе значительно реже, чем 
кремень. 

Покидая стойбище, древние люди, как свидетельствуют раскопки, 
оставляли множество заготовок и отходов производства кремневых 
орудий. Тащить их с собой было слишком тяжело, поэтому в поход 
отправлялись, захватив лишь часть готовых изделий. А потребность 
в них была очень велика. Об этом говорит тот факт, что при раскопках одной из стоянок древнего человека во Франции из земли было 
извлечено свыше 20 тыс. кремневых топоров. 

К моменту, когда человеком впервые был выплавлен металл, мастерство поиска, добычи камней и изготовления из них орудий достигло небывалых высот и превратилось в настоящую индустрию. 
Удивительным техническим достижением людей эпохи неолита следует считать добычу кремней в настоящих шахтах с вертикальным 
стволом глубиной до 10 м с короткими штреками. 

11 

В неолите были широко распространены наборные и шлифованные орудия из яшмы. Богатые ею регионы, например Южный Урал, 
стали поставлять этот материал и готовые изделия из него на соседние территории. Каменные топоры, сделанные из красно-зеленой, 
голубой, коричневой и многоцветной уральской яшмы, превратившиеся к тому времени в грозное боевое оружие, находят на стоянках 
неолита в Западной Сибири, Казахстане и других регионах. 

Итак, в древности люди хорошо знали многие минералы и умели 
использовать их свойства. Доказательством тому служат обнаруженные археологами на многих стоянках древнего человека острейшие 
кремниевые и обсидиановые ножи и наконечники стрел, топоры и 
молотки из нефрита и яшмы, рисунки на стенах пещер, сделанные 
минеральными красками. 

Древнейшие из дошедших до нашего времени сведения о камнях 
и опыте их использования содержат и письменные источники: древнеегипетские папирусы, индийский эпос (XI–X вв. до н. э.), китайские хроники (XX в. до н. э.). В древнем китайском сочинении «СанХэй-Дин» («Сказание о горах и морях»), написанном на костяных, 
деревянных и нефритовых пластинах, датируемом ХХ в. до н. э., 
описаны цвет, твердость, плавкость и поисковые признаки 17 минералов, в том числе всех основных рудных минералов железа, которые 
далее рассмотрим подробно. 

1.2.2. Г ё т и т (α-Fe3+О(ОН)) 
(гидрогётит, 
лимонит, бурый железняк) 

Этот экстравагантный минерал получил свое название в честь 
И. В. Гёте – гениального поэта, а кроме того, выдающегося натуралиста и знатока минералов. По-видимому, именно он, во всем многообразии его проявлений, и стал первой рудой, из которой люди научились извлекать железо. 

На земной поверхности железо в двухвалентной форме медленно 
выщелачивается из горных пород почвенными и речными водами, 
содержащими растительные гумусовые кислоты. На лугах и других 
открытых местах, в насыщенной кислородом воде озер оно окисляется до трехвалентного и осаждается в виде нерастворимого гётита, 
образуя «озерные», «луговые» и «дерновые» руды (рис. 1.2). Отсюда 
происходит еще одно название гётита – лимонит – от греческого слова «леймон», что значит «мокрый луг» или «болото». 

12 

а 
б 

Рис. 1.2. Добыча «озерных» (а) и «луговых» (б) руд 

Строго говоря, лимонит это не минерал, а смесь различных минералов – гидроксидов железа, из которых главным и является гётит. По существу лимонит – «природная ржавчина», откуда (за 
характерный ржаво-бурый цвет) происходит другое его название – 
«бурый железняк». Именно в болотах, озерах и на морском мелководье возникают необычные на вид лимонитовые руды. Лимонит 
таких руд напоминает бобы или мелкие птичьи яйца. Поэтому широкое распространение получили такие названия лимонита, как 
«бобовая руда» или «гороховый камень». Однако и это еще не 
полный перечень проявлений гётита: и пачкающие руки рыхлые 
охры, и лаково-черные гроздья и почки, и каскады сосулек, и нежно-бархатные покровы и подушечки в трещинах и пещерах, и блестящие веера и алмазно-черные, либо рыжие иголочки и волоски в 
кристаллах аметиста – все это гидроксиды железа, т. е. гётит или 
гидрогётит. Кроме того, гётит распространен в виде «бурой стеклянной головы» – красивых сферолитовых корок с лаково-черной 
поверхностью. 

О том, как добывали лимонитовую железную руду наши предки, 
повествует, например, известный карело-финский эпос «Калевала»: 

13