Энергия и цивилизация

Ремесленники из Китая времен династии Хань (207 до н. э. – 220 н. э.) первыми получили жидкое железо. Их печи, возведенные из огнеупорной глины и часто укрепленные своеобразной арматурой, в конечном итоге достигли пяти метров в высоту. В них можно было загрузить почти тонну железной руды и получать две порции литья в день. Высокое содержание фосфора, который снижает точку плавления железа, и изобретение мехов двойного действия, позволяющих создавать более сильный поток воздуха, оказались важнейшими критериями этого раннего успеха (Needham 1964). Позже стали применять уголь, выкладывая его вокруг батарей трубоподобных тиглей, содержащих руду и обдуваемых воздухом из более крупных мехов, которые приводила в движение водяная мельница. Литье в постоянные формы использовалось повсеместно для массового производства железных инструментов, тонкостенных горшков и сковородок и даже статуй перед падением династии Хань (Ниа 1983). Впоследствии было мало значительных инноваций, и китайские маленькие домны не стали предками сегодняшних огромных сооружений.

Они появились в результате медленной эволюции европейских шахтных топок от простого кричного горна через обложенные камнем осмундские печи в Скандинавии и домницы (Stuckofen) в Штирии. Увеличение высоты и лучшая конструкция позволили уменьшить потребление топлива. Более высокие температуры и более долгий контакт между рудой и топливом дали возможность получать жидкое железо. Европейские домны появились, вероятнее всего, в долине нижнего Рейна прямо перед 1400 годом. Они производили чугун, сплав с 1,5–5% углерода, который нельзя непосредственно ковать или раскатывать. Разрывная прочность у него не выше, чем у меди (и может быть до 55 % ниже), но зато он в 2–3 раза тверже (Oberg et al. 2012, примечание 4.21).

Число домн росло постоянно на протяжении XVI и XVII столетий. Наиболее значительным усовершенствованием этого времени были большие мехи из кожи. Верх и низ делали из дерева, а мягкие боковины – из бычьих шкур. После 1620 года появились двойные мехи, работающие попеременно благодаря эксцентрикам на оси водяной мельницы, а высота шахты продолжала постепенно увеличиваться. Обе эти тенденции вскоре уткнулись в ограничения, наложенные максимальной мощностью водяных мельниц и физическими свойствами древесного угля. К 1750 году крупнейшие мельницы давали до 7 кВт полезной энергии, но во время летних плавильных операций часто не хватало воды, чтобы генерировать энергию на максимальном уровне. Главный же недостаток древесного угля – высокая рыхлость: он оседает под весом, поэтому его использование ограничивало массу загруженной в печь руды и извести, а следовательно, высоту доменной шахты менее чем 8 метрами (Smil 2016; рис. 4.25). До 1800 года оба эти ограничения были преодолены, с появлением парового двигателя Уатта, а затем – с началом использования кокса.

Рисунок 4.25 .Домна на древесном угле середины XIX веко с мехами, которые приводятся в движение верхнебойным водяным колесом. Воспроизведено из «Encyclopédie» (Diderot and d'Alembert 1769–1772)

Средневековые кричные горны потребляли по массе в 3,6–8,8 раз больше топлива, чем руды (Johannsen 1953). Даже для руды, содержащей 60 % железа, они требовали как минимум 8 и как максимум 20 кг древесного угля на килограмм горячего металла. Типичное соотношение древесный уголь/металл в конце XVIII века составляло около 8 к 1, упало до 1,2 к 1900 году, и до 0,77 в шведских домнах на древесном угле (Campbell 1907; Greenwood 1907). Хорошей домне XIX века на древесном угле, таким образом, нужна была только одна десятая часть энергии, которую потребляла ее предшественница в Средневековье. Высокие энергетические потребности плавки железа на древесном угле до 1800 года неизбежно приводили к уничтожению лесов около центров металлургии. Типичная английская домна начала XVIII века требовала около 1600 га деревьев, чтобы не испытывать недостатка в угле (примечание 4.22).