История науки и образования. Разд. 1 : зарождение металлургического производства

№ 1 7 1 9 
московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС 

Кафедра руднотермических процессов 

П.И. Черноусое, В.М. Мапельман, СВ. Неделин 

$ 

ИСТОРИЯ НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ 

Раздел 1 

Зарождение металлургического производства 

Учебное пособие 

для студентов специальностей 110100, 072000, 210200 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом института 

МОСКВА 2002 

УДК 669 (091) 
Ч-49 

Ч-49 
Черноусое П.И., Мапельман В.М., Неделин СВ. История науки и образования. Разд. 1. Зарождение металлургического 
производства: Учеб. пособие. - М.: МИСиС, 2002.- 57 с. 

В пособии рассмотрены закономерности совершенствования металлургических технологий на протяжении всей истории человеческой цивилизации. Даны характеристики основных минералов железа, информация 
об их использовании человеком в эпоху каменного века и в процессе развития технологий экстракции металлов из природного сырья. Приведены области применения основных металлов, известных уже в древности, технологии производства первых сплавов, комплексного использования металлов 
и материалов, освоенных ранее: камня и дерева. 

Предназначено для студентов первого курса, обучающихся по специальностям: 110100 «Металлургия черных металлов», 072000 «Сертификация и стандартизация в металлургии» и 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств», но может быть полезно и при изучении 
таких гуманитарных дисциплин, как «История» и «Культурология». 
Пособие соответствует Государственному образовательному стандарту 
дисциплины «История науки и образования». 

Матфиалы подготовлены при поддержке РГНФ, проект №02-03-18222а. 

© Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический университет) 
(МИСиС), 2002 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
4 

1. Закономерности появления и развития металлургии 
7 

2. Древние металлы 
15 

2.1. Золото 
16 

2.2. Электрум 
22 

2.3. Метеоритное железо 
22 

2.4. Серебро 
27 

2.5. Свинец 
29 

2.6. Ртуть 
32 

2.7. Медь 
35 

2.8. Бронза 
39 

2.9. Олово и оловянная бронза 
42 

3. Минералы железа в древней истории человечества 
45 

3.1. Основа цивилизации - камень 
45 

3.2. Гётит 

(гидрогётит, лимонит, бурый железняк) - РсгОз • пН^О 
47 

3.3. Гематит (РегОз) 
48 

3.4. Сидерит (РеСОз) 
50 

3.5. Пирит (PeS2) 
51 

3.6. Марказит (PeSz) 
52 

3.7. Магнетит (РезОд) 
53 

Рекомендуемый библиографический список 
54 

ВВЕДЕНИЕ 

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

Генри Льюис Морган 

Периодизация истории человечества производится на основе 
достижения цивилизацией определенного материального уровня развития, т.е. типа орудий труда и идущих на их изготовление материалов. 
Эта общепринятая в настоящее время естественно-историческая периодизация была предложена в 1816 году Христианом Юргенсом Томсеном (1788 - 1865 гг.) - удачливым датским коммерсантом и филантропом, получившим всемирную известность в качестве знатока древней 
истории человечества. Начиная с 1816 года 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 делению антропогенной истории на три периода- «века»: каменный, бронзовый и железный. После того, как в конце XIX века 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. 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 конструкционным 

4 

материалом современной цивилизации. Несмотря на быстрое развитие 
производства конструкционных пластмасс, алюминия и цемента, в 
ближайшей перспективе (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»*, сравнительная лингвистка праязыков, историческая этнография", антропология*" и иммунология"", 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 в рассказах о различных исторических событиях мы будем придерживаться общепринятой хронологической традиции (рис. В.1). 

Нетрудно заметить, что многие важнейшие революционные 
события в развитии цивилизации хронологически совпадают, а часто 
и характеризуются освоением новых металлургических технологий, 
новых 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 бронз 
(по-видимому, мышьяковистых). 

' Новая наука, сформировавшаяся в 1970-80 гг. и основывающаяся на воспроизведении в современных условиях методов древней техники и технологии. 
" Наука, изучающая происхождение, закономерности расселения, бытовые 
и культурные особенности народов и их видоизменения в процессе взаимодействия с другими народами. 
"' Наука, изучающая происхождение и эволюцию человека, образование 
человеческих рас. 
" " Наука о защитных свойствах человека, особенностях иммунитета и его 
передаче на генетическом уровне. 

5 

I I 
IP 

у 

Время 

2000 
1600 
1350 
500 

РХ 

100 
500 
1200 
1600 
2200 
3000 

6500 

10000 

20
400 млн 

Хронологические 
периоды 

Новая и Новейшая история 

...Vrn.^T.l 

Q 
1срео невековье 

Эпоха Римской империи 

Латенский период 

Галльштатский период 
(ранний железный век) 

Поздний 
Средний 
Ранний 

Эпоха 

шлифованного 

камня 

Эпоха 
тесаного камня 

Железный 
век 

Бронзовый 
век 

Медно-каменный век 
(хальколит^ 

Неолит 

Мезолит 

Палеолит 

Каменный 
век 

Некоторые 
важнейшие 
события в 
развитии 

цивилизации 
Промышленная 
революция 

Алхимия (первое 

глубокое 

обобщение 

научных знаний) 

Создание первых 
монетных систем 

Изобретение 
колесных повозок 

Появление предписьменности 
Неолитическая 
революция 
(начало 
термообработки) 

>^ 

(» 

V 

Рис. В.1 

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 перехода 
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 стало основным металлом цивилизации. Таким образом, не будет большим преувеличением сказать, что история человеческой цивилизации в последние 
10-12 тысяч лет, по существу, определяется развитием металлургии. 

6 

1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОЯВЛЕНИЯ 
И РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛУРГИИ 

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 падение метеорита. Независимо от 
того, какой 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. Самородное (теллурическое, от латинского слова 
"теллус" - земля) железо встречается в виде мелких листочков и чешуек, вкрапленных в горные породы, чаще всего в 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 (от 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. 

7 

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, Со)зС. 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, т.е. 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 уровень 
600...700 °С. С этого момента начинается постепенный рост температурного потенциала цивилизации, т.е. температурного уровня термообработки 
изделий 
и 
извлечения 
металлов 
из 
руд 
(рис. 1.1). 

1600 

1500 

1400 

1300 

1200 

1100 

1000 

900 

800 

700 

Гончарный 
очаг 

Медеплавильная нечь 
("волчья яма" или тигель) 

Домница и 

доменная нечь, 
нечь Телуэлла 

Чугун 

5 
4 
3 
2 

Тысячелетия 

1 
Р.Х. 
1 
2 

До новой эры 
Новая эра 

Рис. 1.1 

' Сущность неолитической революции определяется большинством ученых 
как переход от присвающего хозяйства к производящему. 
8 

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 технологии термообработки. Основные термические 
устройства (печи), с помощью которых обеспечивался определенный 
уровень термообработки, представлены в табл. 1.1. 

Таблица 1.1 

"Г^^^атурный уровень, °С 
Тип «агрегата» 

Костер без принудительного дутья 
Гончарный очаг (горн) - печь с принудительным дутьем, осуществляемым человеком с использованием трубок или мехов, 
предназначенная для обжига керамики и 
тигельной плавки металлов 
«Волчья яма» - первый специально устраиваемый агрегат для экстракции металлов из 
РУД 
Сыродутный горн 
Домница и печь Тэлуэлла для стекловарения 

600... 700 
700...950 

900... 1200 

До 1300 
Свыше 1300 

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 в металлургический агрегат) позволяет получить металл (сплав) с необходимыми 
свойствами. 

9 

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 
придания им соответствующего товарного вида и потребительских 
свойств. 

Материал 

Стекло ^ ^ 
^^^Я^^^Ш 

Железо—^ 
^
^
^
^
^
^ 
Н 

Медь ^•- 
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ И 
Н 

Свинец ^
/ 
^ 
' - ^ j ^ _ 
^
Н 
• 

олово 
^^Ж 
^
Н 
• 

Керамика^ 
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ Ш ^ ^ ^ ^ ^ 
Н 

Б р о н з а ^ ^ - ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ 1 
В 

600 700 800 900 1000 1100 12001300 1400 1500 1600 

Температура, "С 

Рис. 1.2 

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 
10 

различных красно-коричневых оттенков, окраска которых обусловлена присутствием таких минералов, как гематит или лимонит. Железистые или медистые шлаки с вкраплениями корольков металла 
могли 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). 

Рис. 1.3 

11