Как добывают бронзу кратко

Обновлено: 05.07.2024

Возникновение цивилизации Древнего мира потребовало развития транспорта. Для этих целей использовались естественные водные магистрали и многочисленные водные каналы, прокладывались дороги для колесных повозок.
Первое изображение колесного транспорта, относящееся к III тысячелетию до н.э., обнаружено на территории бывшего Шумера (рис. 1) 3. Появились легкие боевые колесницы - древнейший вид военной техники. Колесницы составляли главную силу всех армий Древнего мира вплоть до наступления позднего Железного века (т.е. до середины I тысячелетия до н. э). Для них требовалось легкое колесо, изготовить которое можно только с использованием специального металлического инструмента (рис. 2) [9].

Люди еще в энеолите научились изготовлять орудия труда из меди. Сначала их ковали из самородной меди, а затем стали добывать медь из руды и плавить ее для литья орудий.

Открытие бронзы

Занимаясь этим, нельзя было не заметить черные, коричневые и красновато-коричневые куски важнейшей оловянной руды — кассиарита, или оловянного камня (Sn02). Это, а также наблюдения над свойствами медных руд, содержащих незначительные (до 2%) примеси олова, привели к важному открытию: прибавление к меди олова придает металлу улучшает его качества. Так был изобретен первый искусственный сплав — бронза.

Бронза обладает значительными преимуществами перед медью. Она имеет более низкую температуру плавления, примерно 700—900°, более высокие литейные качества, а при охлаждении обладает значительной прочностью и твердостью.

Если медное орудие в основном ковалось, то бронзовое отливалось, что имело большое значение, так как это открыло возможность массового производства орудий труда и оружия.

Бронзовый век

Этот древнейший период употребления металлов получил название бронзового века, приблизительные хронологические границы которого — начало III тыс. — I тыс. лет до н.э.

Производство бронзы в древности

Применение бронзы позволило не только улучшить качество орудий труда и оружия, но и значительно их разнообразить, а главное, ускорить процесс их изготовления.

Из бронзы делались разнообразные топоры, ножи, серпы, мотыги и т.п., а также оружие: копья, мечи (иногда длиной до 1 метра), стрелы и др.

Кроме того, бронза стала основным материалом для изготовления предметов украшения, всевозможной утвари, скульптурных произведений.

Бронза в Древнем Египте

Бронзовое литье в Древнем Египте производилось следующим образом:

На маленьких низких кострах, в которых огонь поддерживался углем и раздувался специальными мехами, металл расплавлялся в тиглях.
Рабы снимали их с огня при помощи эластичных тростей.
Из тиглей расплавленный металл выливался через небольшие воронки в каменные формы для выделки орудий и оружия.

Литейщики. Древний Египет.
Роспись из гробницы в Фивах. XVIII династия.

Распространение металла привело к освоению ряда методов его обработки. Так, при горячей обработке применялось литье, паяние и в незначительных размерах — сварка. Холодная обработка металла применялась при ковке, выделке листовой меди, отдельных готовых изделий, при волочении медной, золотой и свинцовой проволоки.

Кроме того, были известны некоторые специальные приемы обработки металла, применявшиеся в зарождающемся ювелирном деле (инкрустация, скань и филигрань).

Разделение ремёсел и торговли

Добывание металла из руды и отливка предметов из меди и бронзы требовали производственной специализации, а распространение изделий — определенных форм обмена. В странах Древнего Востока это рано привело к выделению ремесла и торговли. В Европе, где в то время еще существовал первобытнообщинный строй, этот процесс общественного разделения труда не мог не привести к подобным же, хотя и более ограниченным, результатам.

Однако бронза являлась слишком редким и дорогим материалом, и поэтому после ее появления основные орудия труда по-прежнему были каменными и деревянными. Она шла главным образом на оружие и украшения.

Бронзовый век охватывает примерно III и II тысячелетие до н.э. Именно в это время был разработан и реализован полный металлургический цикл: добыча, подготовка, выжиг угля, выплавка и рафинирование. С тех пор изменилось оборудование, стали использовать другой способ разработки руды, однако основные этапы технологии совершенно не изменились.

В этой статье мы рассмотрим технологию получения, плавки (выплавки) бронзы, особенности и способы производства литья из нее в России.

Сырье для изготовления бронзы

Отливают сплав из меди, а также олова, алюминия, бериллия, свинца и так далее. В древности для этого использовалась самородная медь, однако позднее интерес сместился к рудам, богатым этим и другими металлами.

Сегодня, кроме самородной меди, промышленное значение имеет халькопирит – медный колчедан, борнит, халькозин. Можно использовать малахит, азурит или куприт. Перспективным считается рудник, в котором содержание металла достигается 0,3–1%. Добывают руду в основном открытым методом.

Извлекают медь 3 основными способами: пирометаллургическим, гидрометаллургическим и электролитическим.

Пирометаллургический – наиболее распространенный, включает несколько операций. Вначале медная руда обогащается методом флотации или окислительным обжигом. Первый способ основывается на разной степени смачиваемости пустой породы и меди. В итоге обогащения получают концентрат с содержанием металла в 10–35%. Окислительный обжиг больше подходит для сернистых руд: минерал нагревают дважды до температуры в 700–800 С, чтобы отжечь серу. Полученный после обогащения медный штейн продувают в конвертерах и получают черновую медь с содержанием металла до 91%. Затем металл рафинируют огневой очисткой или электролитической и получают чистую медь – 99,9%.
Гидрометаллургический метод сводится к выщелачиванию меди серной кислотой с получением раствора меди и других металлов. Этот метод применяют при разработке обедненной руды.

Олово – второй наиболее популярный компонент бронзы. Получают из касситерита, станина или нигерита. Руду обогащают механическими методами, промывают, чтобы получить рудный шлих, затем подвергают восстановительной плавке и рафинированию – термическому или электролитическому. Остальные металлы – алюминий, бериллий, свинец, также получают соответствующими методами.

Бронза включает как минимум 2 компонента – медь и другой металл или неметалл, кроме никеля и цинка. Сплав может быть и многокомпонентным: такие составы получить несколько сложнее, однако их технические характеристики более интересны.

О том, как производят бронзу на протяжении веков, расскажет данное видео:

Расчет шихты

Поскольку состав разного рода бронз очень разнообразен, то и для ее получения применяют самые разные сочетания шихтового материала. Комбинации могут быть следующие:

только свежие металлы, что встречается достаточно редко;
металл и вторичные сплавы с лигатурой;
из оборотных сплавов;
только из вторичных сплавов.

При определении состава шихты учитывают тип печи, чистоту компонентов, степень угара ингредиентов сплава, и так далее.

Самый распространенный состав шихты включает:

50–60% свежего металла;
20–35% оборотных сплавов;
10–12% лома, если шихта подбирается из вторичных сплавов.

Далее рассмотрены технологии изготовления и литья бронзы.

Технологии производства

В качестве шихты для получения бронзы используются либо чистые металлы, либо готовые сплавы в чушках. Первый вариант встречается реже, чаще применяется для дорогих деформируемых бронз. Второй же охотно применяется для получения литьевых сплавов.

Плавка на основе чушек

Плавка по такой технологии включает 4 этапа: загрузка, расплавление, перегрев, рафинирующе-дегазирующая обработка.

Важным условием плавки вне зависимости от того, какой тип печи используется, является минимальный срок процедуры. Чем меньше время плавки, тем меньше риск насыщения сплава газами и ниже угар цветного металла.

Загрузка – для этого используют графито-шамотные или графито-карборудные тигли. Перед использованием их просушивают и прокаливают.
Расплавление начинают с плавки меди, которую загружают по частям или полностью. Медь плавят как можно быстрее под слоем древесного угля. Добавляют фосфористую медь. Добавка фосфора обеспечивает получение жидких фосфатов, которые удалять из сплава значительно легче. После этого в тигли вводят олово и другие компоненты сплава, если они предусмотрены по рецептуре.
Перегрев – расплав нагревается до 1150–1200 С. Оловянную бронзу выплавляют с покровом древесного угля или угля с солями. Если исходное сырье загрязнено кремнием, магнием, алюминием используют жидкие солевые флюсы.
Дегазация – очистка от газовых примесей в основном от водорода. Для этого применяют продувку расплава осушенным аргоном или азотом. Время процедуры составляет от 3 до 10 минут в зависимости от величины печи.

Как правило, в процесс изготовления включается этап модифицирования с целью улучшения механических свойств бронзы. Методы определяются составом продукта и его назначением.

Получение отливок

Литниковые системы

Медные сплавы создают довольно высокое металлостатическое давление, поэтому отливка из бронзы включает ряд особенностей. Привычные песчаные формы для медных сплавов не годятся, поэтому используют формовочные смеси с повышенным содержанием глины.

Заливка формы осуществляется при температуре в 1100–1200 С. При этом может появиться металлизированный пригар, который сложно удалить. Риск тем выше, чем больше содержание фосфора в бронзе и чем выше температура отливки. Отказаться от добавки фосфора нельзя: вещество повышает жидкотекучесть сплава, что, в свою очередь, обеспечивает плотность отливки и малую усадку. Так что проблему решают добавлением к формовочной смеси углеродсодержащих компонентов – сланцевых смол, например.

Для отливки применяют специальное оборудование – литниковые системы. Выбор температуры процесса зависит от конструкции системы, также как и от массы и конфигурации отливки.

Чтобы обеспечить высокую плотность отливок применяют метод направленного затвердевания при помощи холодильников. Скоростное охлаждение уменьшает пористую зону и увеличивает толщину литейной корки.

О плавке бронзы из латуни поведает данное видео:

Литье в металлические формы

Этот метод чаще используется для получения отливок из оловянной бронзы. Основное отличие – применение металлических форм для литья – кокиль. Это обуславливает более высокую скорость затвердевания, соответственно, высокую плотность отливки.

Кокиль отливают из чугуна, стержни изготавливают из стали. Сложные полости выполняют при помощи оболочковых песчаных стержней. Перед заливкой форму смазывают смесью машинного масла с 6% графита.

Заливку осуществляют в формы, предварительно нагретые до 150–250 С. Отливки извлекают из формы как только последние приобрели достаточную механическую прочность, таким образом уменьшается усадочное напряжение.

Центробежное литье

Таким образом получают до 37% всех заготовок в станкостроении. Способ одинаково годится и для крупных, и для мелких деталей.

Используют для этого горизонтальные центробежные машины, в которых стальная изложница размещается на нескольких роликовых опорах. Отливка производится в изложницу, снаружи последняя охлаждается водой.

Мелкие детали отливают на машинах консольного типа.

Необходимое оборудование

Как и на большинстве предприятий цветной металлургии используемое для получения бронзы оборудование зависит от множества факторов: применяемого сырья, особенностей плавки, состава готовой бронзы, финансовых возможностей предприятий и так далее. Плавка до сих пор является процессом очень тонким и многовероятным и на двух одинаковых заводах может использоваться совершенно разная технология.

Для плавки подбирают такое устройство и мощность печи, которые обеспечили бы максимально быстрое расплавление меди и других компонентов. Для этого подходит несколько вариантов.

Электрические печи – дуговые и индукционные. Последние могут быть со стальным сердечником и без него. В последнее время стали чаще использовать индукционные тигельные печи. В этом случае и устройство подготовить для новой плавки проще, и угар в таких печах не превышает 0,5– 1%.
Электродуговые печи с косвенным нагревом – дуга формируется между горизонтальными графитовыми электродами. Во время расплавления печь покачивается все с большим углом наклона при повышении температуры. Таким образом удается избежать локального перегрева расплава.

Для отливки медного сплава используют разного рода литниковые системы. Конструкция их определяется составом сплава, размерами и конфигурацией отливки и так далее.

Самое распространенное устройство относится к расширяющимся системам с сифонным – нижним, и верхним боковым подводом. Эта конструкция универсальна и позволяет получить детали и простой, и сложной конфигурации.
Для получения простых по конфигурации заготовок используют дождевые или верхние литниковые системы.
Если получают отливки из сплавов, не формирующих оксидных пленок высокой прочности, то используют аппараты без сложных шлакоуловителей. В противном случае такое устройство необходимо.
Если нужно получить малые по размерам заготовки, то можно использовать системы с нижним подводом.

Далее рассмотрены производители бронзы в России.

Известные производители

Бронза – востребованный материал, имеющий немалое значение для народного хозяйства. Выпускают его весьма известные предприятия.

Мировое производство меди и медных сплавов определяется в большинстве своем ресурсами металлов. Лидерами в получении рафинированной меди являются США, Чили и Япония. США является и самым крупным потребителем меди и медных сплавов.

Производство бронзы – металлургический процесс, разработанный в самой глубокой древности и используемый до сих пор. По сути, именно создание бронзы и послужило образцом для разработки всех остальных пирометаллургических процессов по получению сплавов.

Изготовление восковой модели для литья из бронзы в домашних условиях рассмотрено в этом видеоролике:

Как известно, олово является компонентом бронзы. Существуют, правда, бронзы мышьяковистые, где вместо олова, легирующей добавкой, повышающей прочность меди, является мышьяк. Существуют бронзы, в которых для этих же целей вместо олова используется свинец. Однако, как в древности, так и в настоящее время, в основном, используются бронзы оловянистые, о которых и пойдет речь в последующем изложении.. Таким образом, чтобы выплавить бронзу, кроме меди, нужно олово.

Основным минералом для получения олова является оловянный камень - касситерит, который химически представляет собой двуокись олова. Олово из касситерита легко получить при помощи восстановления в печи при недостатке кислорода, что легко достигается добавлением в шихту древесного угля. Эта технология, несомненно, была доступна древним металлургам. Аналогичным способом получали и получают железо из широко распространенных в природе оксидов железа.

Ниспровергатели истории дают такой ответ на эту загадку— Бронзового века не было. Это все выдумки официальной истории. По их мнению бронзу научились делать только в XVII веке, когда касситерит стали добывать, взрывая горную породу или доставлять морем из дальних стран. До того времени, когда порох начали применять в горном деле, или до развития мореплавания , когда касситерит стало возможно доставлять в Европу морем, ни о каком использовании в Европе касситерита-оловянного камня говорить не приходится. В общем дурит нашего брата официальная история. Не было никакого Древнего Мира (см. Новая Хронология) и никакого Бронзового века.

Попробую дать свой ответ на эту Загадку.

P.S. Интересно, что такую же судьбу имеют и месторождения малахита, который являлся одним из основных минералов для выплавки меди. В настоящее время малахит остался в Конго и в небольшом количестве на Урале. На Ближнем Востоке и в Южной Европе, где в свое время процветали цивилизации Бронзового века, малахита нет. Однако, так было не всегда. Археологи раскопали в древних неолитических слоях в поселениях Малой Азии (VI-VII тысячелетия до н.э.) куски малахита вместе с кусками меди и древесного угля, что говорит о существовании там металлургии меди.
см. Вяч.Вс. Иванов "История славянских и балканских названий металлов"

Правда, последующие исследования не подтвердили наличия металлургии меди в древнейших слоях 8500 лет до н.э. Медные минералы оказались в золе случайно, но тем не менее они там были в древности, а теперь их там нет.

Вероятнее всего, месторождения малахита в этих местах были также выработаны для получения меди еще в древности.

P.P.S. В работе Эдварда Эрлиха "Минеральные месторождения в истории человечества" про добычу олова на Ближнем Востоке на заре Бронзового века сказано следующее:
"Олово было редким металлом, как правило, его надо было завозить. Пожалуй, первыми оловянными бронзами были бронзы Анатолии, связанные с добычей олова из месторождений Киликии и Тавроса. . здесь разрабатывалось около 40 месторождений олова. При этом главным минералом - источником олова здесь был, скорее всего, сульфид меди, железа и олова - станнин (Сu2FeSnS4). Большое поселение Кёльтепе производило олово в период с 3290 до 1840 года до н. э. (2) Караваны ослов доставляли металл к потребителю. Около 2350 года до н. э. аккадский царь Саргон пишет о том, что один караван нес около 12 тонн олова. Этого было достаточно, чтобы выплавить 125 тонн бронзы и вооружить значительную армию изделиями из нее. После падения Аккада грузы доставлялись ассирийскими купцами из Ашшура, в нынешнем северном Ираке, в район медных месторождений Кёльтепе в сегодняшней Турции к располагавшимся там металлургическим центрам. Общий вес доставляемого за год олова был существенно выше тонны, а этого хватало для изготовления 10-15 тонн бронзы в год. Имперские государства, такие, как Ассирия и Минойская империя, делали все от них зависящее, чтобы охранять торговлю оловом.
Производство бронзы на душу населения было невелико и зависело от наличия добываемых или закупаемых сырьевых ресурсов. В Вавилонии оно достигло 300 граммов, а в Египте - 50 граммов в год на душу населения."

Некоторые мои мысли по Вашей статье:

"Во времена Бронзового века касситерит, медные руды и леса были стратегическими материалами" - на фоне приведенного выше сомнения с существования оного было бы неплохо предложение переформулировать с начало: "Если существование Бронзового века все-так предположить. "

"В центрах цивилизаций Бронзового века, например, на Кипре и в Греции . "
Идеальный вариант: "в центре ПРЕДПОЛАГАЕМЫХ цивилизаций .."

"По реконструкции современных археологов, производство рудниками Лавриона в Аттике трех с половиной тысяч тонн серебра и 1.4 миллиона тонн свинца на протяжении 300 лет сопровождалось уничтожением 2.5 миллиона акров леса "
Акр - что за единица? Как он идет к м**2 ?

Эрлих: "Важнейшим элементом производства металла было топливо, в частности, древесный уголь. Массовая дефорестация (уничтожение лесов) восточного Средиземноморья началась к 1200 году до н. э., по-видимому, сначала в сухих районах. Во всяком случае, уже законы Хаммурапи (1750 лет до н. э) налагали высокий штраф за вырубку лесов".
Очень неловко, он на кого-то ссылается? Рубеж хронологической достоверности - XIV век, на всякий случай. См. мое творение "Как возникла глобальная хронология".

На всякий случай: в предположении, если температуры восстановления меди из руд и олова из кассиорита были меньше температуры восстановления железа.

Выглядит убедительно. Заинтересовало Ваше замечание о том, что квасцы были стратегически важны для производства пороха. Не могли бы Вы пояснить, какую роль они играли в этом процессе? Я полагал, что квасцы были важны только при крашении тканей и выделке кож.
Спасибо.

Портал Проза.ру предоставляет авторам возможность свободной публикации своих литературных произведений в сети Интернет на основании пользовательского договора. Все авторские права на произведения принадлежат авторам и охраняются законом. Перепечатка произведений возможна только с согласия его автора, к которому вы можете обратиться на его авторской странице. Ответственность за тексты произведений авторы несут самостоятельно на основании правил публикации и законодательства Российской Федерации. Данные пользователей обрабатываются на основании Политики обработки персональных данных. Вы также можете посмотреть более подробную информацию о портале и связаться с администрацией.

История добычи металлов. Бронза и железо. Базовая версия

История украшений тесно переплетена с историей "приручения" металлов. В первую очередь в неолитической технологической революции сыграло роль появление металлических орудий труда и оружия - собствено, с тех пор люди и гибнут за металл. Однако ювелирное искусство было не менее важой частью развития культуры, а его история была тесно связана с историей религии. 5 тысяч лет назад не только Ближний Восток, но и Европа были уже достаточно плотно населены, а войны, миграции и торговля определяли наличие постоянных связей между различными георгафическими регионами. Попытаемся изложить краткую хронологию истории металлургии в базовой версии.

Освоение бронзы, сплава меди и олова, - двольно сложный процесс. Нужно было иметь два вида руды и уметь создавать температуру 1084'C для плавки меди (олово плавится при температуре 232'C). Древнейшие археологические находки из бронзы сделаны в Европе, на территории Сербии и Румынии, в Анатолии, на Кавказе и в Китае. Затем бронза появляется на территории Баварии, Испании и Италии.

Египетские бусины из метеоритного железа возрастом 5 тысяч лет

Самые первые бронзовые изделия делают из меди с добавлением мышьяка или из полиметаллических руд - в которых одноременно находятся и медь и олово. Собствено, месторождений меди было очень много - на Синае, в Анатолии, в горах Европы и Азии, в частности в Карпатах, на Кипре (название меди "cuprum" происходит от названия этого острова), в горах Китая. А вот месторождения олова встречаются редко. Поэтому олово становится одним из первых предметов торговли.

Китайцы закупают олово в Камбодже и Таиланде, первые разработки олова в Европе происходят в чешских Рудных горах, их добывают кельты на территории нынешнего британского Корнуолла и Девона и Бретани во Франции. Около Уль-Бруна (современная Турция) в 1982 году найден древний корабль со всем необходимым для бронзового литья - 10 тонн меди, тонна олова и 150 амфор смолы терпентинной фисташки для литейных форм. А вблизи острова Родос на дне Средиземного моря археологи обнаружили греческое судно с металлоломом, затонувшее более 3 тысяч лет назад.

Торговля ведется морскими и речными путями. Поэтому большое значение приобретают как технологии изготовления инструментов, так и судов, которыми особенно в этот период славится Египет и Междуречье. Знаменитым в древности экспортом становятся также египетские бусы из стекла - одного из первых искусственных материалов, наряду с бронзой. Египетские бусы находят в Шотландии, на Балтике и даже на Урале. Примерно в это же время хетты изобретают железо, хотя, возможно, впервые оно появляется в Таиланде. Хетты тщательно оберегают свои технологии, железо там ценится дороже золота и запрещено к вывозу из страны.

Затем в этой более-менее гармоничной системе происходит кризис, который в 12 веке до н.э. затронул средиземноморские цивилизации - Микены, Крит, Хеттское царство, Египет. Хатусса, столица хеттов, разрушена и государство прекращает свое существование. Население сокращается, материальная культура становится примитивной. Среди версий возможной катастрофы - развитие железной металлургии на Балканах и нашествие данайцев, ахейцев, этрусков. сардов, филистимлян и прочих "народов моря", вооруженных более совершенным оружием. Или катастрофический взыв вулкана Тера-Санторин, падение метеорита в Индийский океан или затопление Черного моря в результате таяния лендников - Потоп, одним словом. Еще версия - огромные миграции голодных людей с севера на юг, вызванные похолоданием. Каждые полторы тысячи лет Атлантический океан вызывает цилические периоды похолодания и потепления (цикл Бонда). Климат портится не только в Европе, но и в Африке и на Ближнем Востоке. В 1109 до н.э. году произошло мощное извержение вулкана Гекла. Эта катастрофа коснулась Средиземноморья, Индию и Китай она не затронула.

В результате медь и олово становятся дефицитными материалами, люди перешли на железо. Железо было известно много тысяч лет, в основном железно-никелевые метеориты и самородное железо. Первоначально его ковали, как и золото, поэтому первыми железными предметами были украшения, как например, бусы из железа в Египте. Из метеоритного железа был сделан кинжал Тутанхамона. Но это железо и инструменты 3 -2 тысячелетий до н.э. были слишком мягкими.

Египетские "космические" бусины из некрополя Герзеха (3200 г. до н.э) в Египте. Группа ученых из Университета колледжа Лондона в Катаре под руководством Тило Ререна доказала, что бусины сделаны из метеоритного железа, результаты были опубликованы в Journal of Archaeological Science. Чтобы не повредить бусины их сканировали при помощи потоков нейтронов и гамма-лучей, высокое содержание никеля, кобальта, фосфора и германия доказывало, что железо имело не рудное происхождение, а метеоритное. Кроме того, древние египтяне применяли для производства бусин не резьбу и сверление, а ковку и неоднократный обжиг. Железо превращали в пластинки толщиной 1-2 мм, сворачивали в цилиндрики длиной 1,5 - 1,7 см. В центре просверливали отверстие для нанизывания на нить. Такая технология требовала большого мастерства, поскольку метеоритное железо твердый, но при этом хрупкий материал. Бусины были частью ожерелья вместе с другими бусинами из золота и драгоценных камней. Хранятся в музе Университетского колледжа Лондона. Исследования показали, что древние люди могли обрабатывать железо задолго до начала производства его из руды. Фото бус отсюда. Подробнее здесь. PDF статьи здесь

Ситуация изменилась после открытия нового способа обработки железа - сыродутного (кричная металлургия). Железная руда смешивалась с древесным углем, в печь мехами накачивался воздух - температура не достигала 1539'C, при которой железо начинает плавиться, но достаточно высокой - 800-1000"С, чтобы железо начинало восстанавливаться из окислов. Полученая масса - крица, проковывалась, в результате удалялись шлаки и железо делалось прочнее + закалка в холодной воде. К VIII в до н.э. люди начали делать оружие из железа такого же качества, как и бронзовое. Произошло это, по-видимому, в Испании. После этого происходит переход от бронзового века к железному, а металлургический процесс в таком виде существовал до начала 19 века, когда появилась доменная металургия и горячее литье.

Читайте также: