Значение металла в развитии технологии и хозяйства древних обществ кратко
Обновлено: 16.06.2024
Освоение способа получения железа человеком привело к развитию сельского хозяйства и военного дела и к последующему бурному росту производства и промышленной революции.
Благодаря железу на смену первобытно-общинному племенному строю пришло зарождение классового общества и формирование государств, налаживание новых торговых связей. Именно в раннем железном веке формируется самый известный торговый маршрут — Великий шелковый путь.
И как бы фантастически это не звучало, но началось все с железа внеземного происхождения… Да, сначала железо делали из метеоритного материала. Такие изделия отличались высоким содержанием никеля. Позднее появляются предметы, сделанные уже из земного железа.
Несмотря на то, что технология получения железа более сложная и трудоемкая, чем в случае с бронзой, железный век уверенно сменил предшествующий ему бронзовый. Все потому, что железо было более широко распространено в природе. За период бронзового века многие металлические предметы стали перерабатывать в оружие. Именно нехватка олова для отливки бронзы заставила древних металлургов искать альтернативу. Широкое использование железной руды привело к усовершенствованию технологии производства металла. К тому времени, когда олово снова стало доступным, железо было дешевле, прочнее и легче, а кованое железо навсегда заменило бронзовые инструменты.
Как получали железо
Технология получения железа состояла из ряда операций по его восстановлению из руд, и, по оценкам специалистов, была открыта во II тысячелетии до нашей эры в Малой Азии.
Для этого использовались сыродутные печи или горны-домницы. В них нагнетался воздух при помощи мехов. Самые ранние такие печи выглядели как зауженный к верху цилиндр около метра в высоту. Воздуходувные сопла вставлялись в нижнюю часть печи, по ним поступал воздух, необходимый для горения угля. В печи достигалась очень высокая температура, которая позволяла переплавить загруженную смесь окислов железа и пустой породы. В результате химических реакций одна часть окислов соединялась с породой, образовывая легкоплавкий шлак, другая же — восстанавливалась в железо и сваривалась в пластичную рыхлую массу – крицу. Затем древние металлурги взламывали переднюю стенку печи и доставали кричное железо. Но металл в таком виде нельзя было разливать в формы, как это делали ранее с бронзой. Крица представляла собой губчатую спекшуюся массу железа в виде зерен металла. Пока она была горячей, ее проковывали, что делало металл более плотным и однородным. Такой кусок металла использовался уже для изготовления различных предметов в кузне. Кузнец разогревал крицу на открытом огне и с помощью молота и наковальни создавал железные изделия.
Влияние железного века на развитие цивилизации
Задолго до промышленной революции большинство людей в раннем железном веке разводили домашний скот и занимались сельским хозяйством. Центром жизни была деревня, где общины обрабатывали землю и вручную изготовляли предметы первой необходимости.
Производство железных инструментов помогло сделать ведение сельского хозяйства более простым и эффективным. Крестьяне смогли обрабатывать более твердые почвы, что позволило выводить новые сорта и высаживать новые культуры. Это же касалось и животноводства. Благодаря более эффективному способу ведения хозяйства освобождалось и время.
Больше времени означало, что теперь люди могли заниматься не только хозяйством, но и продать или обменивать то, что вырастили. Некоторые семьи начали создавать свои пекарни, мастерские по пошиву одежды и кузни. Развитие кузнечного дела в свою очередь стимулировало развитие таких ремесел как обработка кожи, дерева и кости. В этот период процветает торговля.
Развитие технологий обработки железа
Технологии обработки металла развивались уверенно и быстро. Появляется сварное оружие, булатная и дамасская сталь, а на смену сыродутным печам приходят высокие печи-штукофены. В конце XIII века эти четырехметровые печи стали появляться на территории современной Европы. В день такая печь производила до 250 кг железа.
Следующим шагом в развитии способов обработки железа стало появление доменных печей. За счет больших размеров, предварительного подогрева и механической подачи воздуха в доменной печи все железо становилось чугуном. Печи работали беспрерывно и могли производить до полутора тонн чугуна в день.
В XVI веке на территории Европы становится популярным передельный процесс в металлурги, при котором железо перегонялось в чугун, а тот в свою очередь, будучи жидким, в горнах при отжиге освобождался от лишнего углерода. В результате он превращался в сталь.
В XX веке мартеновские печи активно заменяют бессемеровский конвертер. Но и они устаревают уже к концу века, и им на смену приходит кислородно-конвертерное производство. С появлением мощных электростанций в качестве источников энергии промышленное распространение получает технология электрометаллургии как для производства цветных металлов, так и для черной металлургии.
XXI век вносит свои коррективы в обработку железа, заставляя задуматься не только над выгодой, но и над ущербом, который наносит металлургия окружающей среде. Процесс прямого восстановления железа из руды водородом на сегодняшний день выглядит наиболее перспективным с точки зрения экологии. На следующем переделе сталь получается при плавлении частичек железа в электрических печах с последующим добавлением углерода.
Современные технологические инновации являются определяющим фактором в поддержании конкурентоспособности металлургии на мировом рынке.
Железо улучшало качество жизни людей на протяжении веков. По мере открытия более совершенных технологий его обработки мир пережил самый быстрый период роста. Достижения металлургической промышленности середины восемнадцатого века привели к бурному развитию машиностроения и самой настоящей революции машин.
Подобно тому, как железный век менял образ жизни человека столетия назад, вполне возможно, что грядущая Четвертая промышленная революция станет началом нового века в развитии нашей цивилизации.
Несмотря на названия периодов эволюции первобытного общества, металлургия начинает свое развитие еще в каменном веке. Самые древние потуги человека в металлообработке датируются историками шестым столетием до нашей эры. Соответствующие археологические находки, свидетельствующие об этом, были обнаружены на Пиренейском полуострове, на Балканах (в Сербии и Болгарии), в британском Стоунхендже. Правда, возраст всех этих находок установить бывает не всегда легко.
Около 5500 лет назад человечество вступает в новую эпоху своего развития – Бронзовый век. Этот переход ознаменовался несколькими важными достижениями. Во-первых, человек научился извлекать олово и медь из горных пород. Во-вторых, ему удалось получить абсолютно новый сплав – бронзу. Однако дальнейшее развитие металлургии нуждалось в более технологичных и более сложных процессах, а потому – затормозилось на более чем два тысячелетия.
Принято считать, что технология получения железа из рудного тела впервые открылась хеттам – народу, обитавшему в Малой Азии и неоднократно упомянутому в Библии. Случилось это примерно в 1200 году до нашей эры. Именно с этой даты и начинается Железный век в развитии общества.
Следы развития черной металлургии можно увидеть в различных исторических культурах: в Древней Греции и Риме, Египте и Анатолии, Карфагене, Древнем Китае и Индии. Не лишним будет отметить, что многие из техник и методов обработки металла были изобретены китайцами, а уж затем все они были освоены европейцами. Речь идет, в частности, о выплавке чугуна, изобретении доменной печи или гидромолота. А вот лидерами в сфере ковки металлов и горнорудной добычи, как выяснили недавно исследователи, были древние римляне.
История развития металлургии в Африке, Юго-Восточной Азии и Австралии
Как развивалась металлургия в других регионах Земли? Известно, что во второй половине I тысячелетия до нашей эры на территории Юго-Восточной Азии уже активно применяли орудия труда из кричного железа. Вначале это были биметаллические изделия, а немного позже они изготавливались целиком из железа.
Население Древнего Китая тоже было знакомо с биметаллическими вещами. Для их производства применялось железо метеоритного происхождения. Первые сведения о подобных изделиях в Китае датируются VIII веком до н.э. А вот к середине первого тысячелетия до нашей эры в этой части света начинается производство настоящего железа. Именно китайцы первыми освоили технику получения чугуна, и сделали они это намного раньше, чем европейцы.
В общем и целом, производство железа в Африке было полностью освоено в пределах второй половины I тысячелетия до н.э. Любопытно, что производство меди здесь освоили даже немного позже. И если из меди на этом материке делали украшения, то из железа изготавливали исключительно орудия труда.
Особенности развития металлургии в Америке
Для Нового Света было характерным существование сразу нескольких центров ранней металлургии. Один из таких очагов находился в Андских горах, которые славятся богатыми рудными полезными ископаемыми. Первым металлом здесь стало золото. Кроме того, в Андах производили изделия из серебра. На территории современного государства Перу во второй половине II тысячелетия до н.э. был получен сплав серебра с медью – тумбага, который стал необычайно популярен в Южной Америке.
В Центральной Америке люди познакомились с металлом лишь в первом тысячелетии до нашей эры. Причем, его сюда привезли. Племена майя освоили ремесло получения металла только к VII столетию нашей эры. Однако к этому времени их цивилизация уже подходила к своему закату.
Первым металлом Северной Америки стала медь. Затем здесь научились делать железо (вначале метеоритное, а немного позже – кричное). Это случилось в первом тыс. до н.э., причем, западные районы континента в этой сфере развивались намного быстрее.
Изобретение сыродутного процесса
Чтобы производить из такого субстрата какие-либо изделия, приходилось вначале извлекать из крицы посторонние примеси. Делалось это при помощи ковки – холодной и горячей. В конечном итоге, можно было получить кричное железо для последующего использования.
Так сложилось, что получить медь или олово намного проще, нежели железо. Даже не смотря на то, что медные и оловянные руды в природе встречаются гораздо реже, чем железные. Именно поэтому сыродутный процесс оказался очень важным этапом в развитии черной металлургии. Эта технология постоянно улучшалась: с помощью усовершенствования дутья или увеличения размеров печей. Однако все эти улучшения не решали главную проблему: кричное железо практически не содержало в себе углерода, а значит, оно не могло конкурировать с бронзой. Вещи из него были недостаточно твердыми, в сравнении с изделиями из бронзы. Именно по этой причине железо в те времена использовалось в большей мере для изготовления украшений. В производстве железа просто необходимо было что-то менять.
Освоение технологии цементации и закалки железа
Под цементацией подразумевается процесс искусственного насыщения крицы углеродами. Эта технология была освоена человеком в первую очередь. Для цементации кричного железа использовались различные вещества. Вначале кричную массу прокаливали в костном угле, позже – в других веществах с большим содержанием углеродов. Освоение технологии цементации подарило человеку возможность получать первые, хоть и весьма примитивные, образцы стали.
Вслед за открытием техники цементации был обнаружен эффект закалки. Человек с удивлением для себя обнаружил, что насыщенное углеродами и охлажденное железо становится еще крепче. Для такого охлаждения использовалась вода, снег, либо железо просто оставляли на открытом холодном воздухе. Эффект был даже в последнем случае.
Закаленная сталь имеет один существенный недостаток – это излишняя хрупкость. Существенно снизить ее позволило открытие технологии термического отпуска железа. Данная технология заключается в нагревании изделий до 727 градусов по Цельсию (это граничная температура деформации структуры железа).
Не стоит думать, что освоение технологий цементации, отпуска и закалки железа было одномоментным. На самом деле эти процессы длились около тысячи лет! Но именно открытие и совершенствование этих трех технологий раз и навсегда поставило жирную точку в непримиримой конкурентной борьбе между бронзой и железом.
Развитие металлургии в Средние Века
В эпоху Средневековья плавильные печи уже существенно преобразились. Во-первых, в высоту они достигали двух-трех метров. А во-вторых, они работали при помощи энергии воды: воздуходувы приводили в движение специальные трубы или большие водяные колеса.
По производительности и техническим параметрам штукофен был на голову выше своих предшественников – сыродутных печей. Температура плавки в нем достигалась более высокая, что давало возможность получать полноценный чугун. В сутки штукофен мог выдавать более двух центнеров железа. Правда, чугун из такой установки был, как правило, непригоден. Дело в том, что он оказывался на дне печи, смешиваясь со шлаками. Чтобы очистить его, требовалась ковка, которой чугун не поддавался. Других способов его очистки на то время еще не знали.
Изобретение печей нового типа – блауофенов
Средневековые металлурги установили важную закономерность: чем выше температура плавления руды в печи – чем больше продукта (железа) можно получить на выходе. После этого открытия они начали пытаться модернизировать свои штукофены: увеличивать высоту труб и налаживать систему предварительного нагрева воздуха. Так в XV веке в Европе появились печи нового вида – блауофены.
Еще один позитивный момент блауофенов – количество стали по краям железной крицы в этих печах существенно увеличилось. Разумеется, это порадовали металлургов. Однако, с другой стороны, отделить такую сталь от кричного железа было очень и очень сложно. И в этой ситуации разные народы пошли по разным путям, решая эту сложную проблему.
Так, в Индии все силы бросили на усовершенствование техники ковки, чтобы добиться более равномерного распределения углеродов в продукте. И эти усилия дали свои плоды – индусы получили булат – очень прочную и упругую сталь, из которой производилось первоклассное на то время холодное оружие. Булат также производился в Иране и Центральной Азии.
Китайцев и европейцев, в отличие от индусов, интересовало вовсе не качество, а количество конечного продукта. Поэтому именно они вскоре открыли так называемый передельный процесс, который невероятно сильно повлиял на развитие металлургии в целом.
Возникновение доменных печей
До 1500 тонн качественного чугуна в день – такое средневековым металлургам даже не снилось. Но это стало обыденной суточной нормой при появлении доменных печей. Благодаря большим размерам, предварительному нагреву воздуха и системе механического дутья, такая печь способна была извлекать железо из рудной массы и превращать его в чугун. Последний при этом выходил наружу в расплавленном виде. Правда, ковка все равно была необходима. Но теперь шлаков было уже намного меньше в массе, а железа – больше. Еще одно достоинство доменной печи заключалось в непрерывности ее работы. Установка функционировала круглые сутки, не останавливаясь и не охлаждаясь.
В XVIII веке в европейской металлургии был открыт еще один процесс – пудлинговый. Он предполагал очищение чугуна в печи с помощью газа, получаемого при сгорании угля или другого минерального топлива. К слову, в Древнем Китае этим способом даже производили сталь еще в Х столетии. При такой технике очистки железистые частицы собирались в комочки. Затем они сваривались в кузнечной или в специальной прокатной машине, и из них получали различные железные заготовки. Пудлинговый метод позволил увеличить производительность железа до 140 кг в час.
Развитие металлургии в XIX и XX веках
Очередной скачок в процессе развития металлургического дела произошел в конце XIX века. В этот период, практически одновременно, в производство металла внедряются три абсолютно новых способа: мартеновский, томасовский и бессемеровский. Все эти методы увеличили объемы производства стали колоссально – до шести тонн в час.
Спустя полвека в металлургию внедряют еще более новые процессы. Это, в частности, непрерывная разливка стали и кислородное дутье. Продувание кислородом расплавленного металла в конверторных печах существенно ускорило скорость химических реакций.
История, как известно, движется по спирали. Это касается и истории промышленного производства. Тысячи лет назад человек строил в земле сыродутные печи и получал, с помощью одностадийного метода, качественное и устойчивое к коррозии железо с малым количеством примесей. И сегодня ученые вновь вернулись к технологии одностадийных процессов, развивая метод обогащения руды и производства стали в электропечах.
Темпы технического и культурного прогресса были различны в разных регионах земного шара – наиболее динамично развивались зоны раннего земледелия. Именно там, на этих щедро наделенных природными богатствами территориях, произошел следующий крупный качественный скачок в истории материальной культуры – освоение металла.
Как полагают ученые на основании новейших данных, на Ближнем Востоке первый металл – медь – стал известен уже в 7–6 тысячелетиях до нашей эры, а в Северной Африке – в конце 5 тысячелетия до нашей эры. Длительное время медь использовалась для изготовления украшений и мелких орудий (рыболовных крючков, шильев), а в арсенале технических средств ведущую роль по-прежнему играл каменный инструментарий. На первых порах самородная медь обрабатывалась холодным способом – ковкой. Лишь позднее осваивается горячая обработка металлической руды в специальных плавильных горнах. В 3 тысячелетии до нашей эры становится известна технология изготовления сплавов, увеличивающих твердость меди путем добавления к ней различных минералов. Так появляется бронза – сначала сплав меди с мышьяком, затем с оловом. Бронза в отличие от мягкой меди была пригодна для изготовления широкого спектра орудий – в частности режущих и метательных.
В 3 – 2 тысячелетиях до нашей эры на обширных пространствах Евразии распространились знания о добыче и обработке металлической руды, об изготовлении из металла различных орудий. Именно с этим временем принято связывать основные хронологические рамки бронзового века. Процесс освоения металла протекал неравномерно, и успехи в этой области зависели в первую очередь от наличия природных запасов руд в том или ином регионе. Так, в районах, богатых полиметаллическими рудами, формируются крупные центры бронзовой металлургии – на Кавказе в конце 3 – 2 тысячелетиях до нашей эры, в Южной Сибири во 2-м тысячелетии до нашей эры.
Бронзовые орудия и предметы вооружения имели несомненные преимущества перед каменным инструментом – они были значительно эффективнее в работе и долговечнее.
Постепенно бронза вытеснила камень из основных сфер трудовой деятельности. Особую популярность приобрели бронзовые топоры, ножи и наконечники. Кроме того, из бронзы изготовлялись декоративные предметы – пуговицы, бляхи, браслеты, серьги и т.п. Металлические изделия получали методом отливки в специальных формах.
Вслед за медью и бронзой было освоено железо. Родиной первых железных изделий было Южное Закавказье (современная Армения) – как полагают, этот металл там научились плавить уже во второй половине 2 тысячелетия до нашей эры. Железо быстро распространяется по Евразийскому континенту. 1 тысячелетие до нашей эры и первые века нашей эры принято называть железным веком. Основными источниками получения нового металла являлись магнетит и красный железняк – эти руды особенно богаты содержанием железа. Населению тех территорий, где не было достаточно благоприятных условий для появления собственной металлургии железа, этот металл и изделия из него становятся известны от более прогрессивных соседей. Например, на Японские острова и бронза, и железо попали практически одновременно в 1 тысячелетии до нашей эры благодаря культурным контактам с жителями материковых районов Восточной Азии.
Железо как материал для изготовления орудий постепенно вытеснило бронзу, так же, как она когда-то вытеснила медь. Необыкновенная прочность этого металла была основной предпосылкой его хозяйственного использования – для изготовления оружия, орудий обработки земли, различного инструментария, конской сбруи, деталей колесного транспорта и т.д. Применение железных орудий обеспечило быстрый прогресс во всех отраслях хозяйственной и производственной деятельности.
Процесс распространения металлов – меди, бронзы и железа – на значительной части земного шара происходил в рамках первобытной эпохи. Племена, освоившие навыки добычи и обработки металла, в своем развитии неизбежно обгоняли те группы древнего населения, которым еще не была известна эта технология. В обществах, знакомых с металлом, активизировались производящие отрасли хозяйства, различные промыслы и производства. Например, использование теплотехнических средств для плавки металлической руды повлияло на прогресс в сфере гончарства, а именно – в технике обжига керамической посуды. Железные инструменты, в какой бы отрасли они не применялись, позволяли осуществлять более сложные технологические операции, получать изделия высокого качества.
Металлургическое производство - одно из древнейших; оно возникло на ранних ступенях развития человеческого общества. Человек начал использовать металлы более 6000 лет тому назад. Первыми металлами, вошедшими в обиход человека, были самородные медь и золото, и метеоритное железо, встречающиеся в природе в свободном состоянии. О значении металлов в жизни первобытного человека говорят названия целых исторических эпох: бронзовый, медный и железный века.
В дальнейшем люди стали получать металлы из руд и соединений, используя в начале достаточно примитивные приемы, а в дальнейшем все более усложняя технологические процессы. Потребности в металлах, учитывая их особые свойства и во многих случаях большие преимущества по сравнению с деревянными изделиями, неуклонно и быстро возрастают. Расширяется и число используемых металлов.
В древности были известны восемь металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть и сурьма. К концу XVIII в. их число увеличилось до 20, а к концу XIX в. - до 50. В настоящее время производится и потребляется около 80 металлов и потребности в них растут несмотря на резкий рост выпуска различных синтетических материалов в несколько последних десятилетий. В наибольших количествах из металлов в настоящее время производится железо(1,63 млрд тонн. стали – 2016 г.). Его выпуск почти в 40 раз превышает выпуск самого распространенного из цветных металлов - алюминия.
Масса наиболее крупного из известных самородков меди составляла около 800 т. Поскольку кислородные соединения меди легко восстанавливаются, а металлическая медь имеет сравнительно невысокую температуру плавления (1083 °С), древние мастера научились плавить медь. Вероятнее всего это произошло в процессе добычи самородной меди на рудниках.
Люди умели плавить медь ещё в 7-6-м тысячелетиях до н.э. Во втором тысячелетии до н.э. человек научился производить сплавы меди с оловом - бронзы, которые имели большую твёрдость, чем медь, а невысокие температуры плавления (
Первые попытки производства меди в России относятся к XIII веку (Архангельская обл.). Промышленное производство меди было освоено через три столетия. Первый медеплавильный завод на Урале был построен в 1640 г. Бурный рост выплавки меди в России начинается с 1900 гг.
Кардинально улучшились технико-экономические показатели переработки сульфидных медных руд (а также сульфидных руд других цветных металлов) в результате использования двух технических решений (в конце XIX века):
- флотационного метода обогащения сульфидных руд, благодаря чему стало возможным вовлечение в рентабельную переработку бедных руд (с содержанием металла менее 1%);
- продувки расплавленных штейнов воздухом, обеспечивающим эффективное отделение меди от железа и серы.
Золото в виде песка и самородков добывали в доисторические времена из россыпей путём промывки. По-видимому, более 2000 лет тому назад уже умели разделять золото и серебро воздействием кислот; извлекали золото из руд методом амальгамации (растворением в ртути). Основными центрами добычи золота в древности были Египет, Нубия, Китай, Америка.
С середины XIX века для извлечения золота из руд используют метод цианирования.
Свинец начали использовать ещё в глубокой древности, поскольку он легко получался и обрабатывался: в Египте - за 7-5, в Финикии - за 2 тысячи лет до нашей эры. Умели добывать свинец из руд греки и римляне.
Цинк. Некоторые монеты, статуи, украшения очень древнего происхождения содержат значительное количество цинка. Но промышленное производство этого металла началось только в ХVIII в. В 1740 г. выдал продукцию первый дистилляционный завод в Англии, а к концу века цинковые заводы появляются в Бельгии, Германии, Испании, Голландии. В Америке предприятия, производящие цинк, возникли примерно на 100 лет позже. Бурное развитие металлургии цинка относится к концу XIX и началу XX столетий.
В России первое месторождение никелевых руд было открыто на Урале в 1854 г. На базе этих руд вначале удалось получить никелевый чугун (20 % Ni), а затем и металлический никель; в период с 1874 по 1878 г. было получено около 17 т никеля.
Широкое развитие никелевой промышленности за рубежом связано с открытием больших месторождений окисленных никелевых руд в Новой Каледонии и сульфидных медно-никелевых руд в Канаде.
Второй (после железа) металл по масштабам производства и применения – алюминий– имеет непростую историю. Долгое время ученые не могли получить его в чистом виде из-за высокой прочности оксида Al2O3, который не удавалось восстановить. И лишь в 1825 году датскому ученому Эрстеду удалось получить металлический алюминий. Производство алюминия химическими методами существовало до 1890 г., было получено всего около 200 т металла. В конце 80-х годов XIX века химические методы были вытеснены электролитическим способом, который был одновременно предложен в 1886 г. во Франции и США. И в 1888 г. началось промышленное производство алюминия методом электролиза глинозема в криолитовом расплаве. Этот метод применяется повсеместно до настоящего времени.
Большая часть остальных металлов (редких) была открыта в XIX веке. Однако из-за сложности их получения и отсутствия потребителей эти металлы не производились в промышленных масштабах до начала XX столетия.
Читайте также: