Индустриални методи и продукти

[Р. Теодосиев]

Минно дело

Разработени са четири основни системи за експлоатиране на мини: кариери, открити рудници, подземни мини и дълбок сондаж. Първите три са много древни.

Кариери

Най-старата система - работа на повърхността - е практикувана от хората на каменната ера навсякъде по света. Още по време на първата каменна ера в Африка били изкопавани плитки ями, за да се стигне до качествен камък като кремъка.

Добив на глина

Повърхностната обработка на мини за глина започва веднага след възникване на грънчарството, вероятно около 7000 г. пр. Хр. в Югозападна Азия.

Рудодобив

Първите мини за метална руда са оловните мини в същия регион от 6000 г. пр. Хр.

Открити рудници

Втората система, на открити рудници, се прилагала в Месопотамия и Египет в началото на IV хилядолетие пр. Хр. за добив на камъни от каменоломни.

Подземни рудници

Третата система е конструкция от шахта и тунел, която позволява минералите да се добиват от голяма дълбочина. Можем само да предполагаме кога е нейното начало и да приемем, че тя е използвана за пръв път за добив на руда в Югозападна Азия, може би около 3000 г. пр. Хр.

Металургия

Отначало металните продукти са се правели от самородно сребро и злато, но се използвала само груба техника, като изчукване и издълбаване. Металургични техники са въведени за пръв път при производството на олово.

Топене

Оловото не се среща в естествена метална форма, но богатата на олово руда, галенитът, има такъв метален вид, че праисторическите експериментатори са се изкушавали да отделят метала от нея. Това те са направили за пръв път през VII хилядолетие пр. Хр., като са открили топенето. Подлагайки галенита на много високи температури, постигани в керамични пещи, те са добивали разтопено олово. Малки прости оловни предмети, датиращи от онова време, са намерени в Чатал Хуюк, процъфтяващ праисторически град в днешна Турция, а също и на места в Северна Месопотамия (днешен Ирак). Една от тези страни е първата родина на топенето отпреди повече от 8000 години.

Леене

Топенето вероятно е проправило път на друга фундаментална техника, леенето. Тъй като разтопеният метал при охлаждане се втвърдява и приема формата на съда, в който е излят, металурзите започнали да правят отливки с намерението металът да заеме желаната от тях форма. Това е направено за пръв път вероятно в Западна Азия около 4500 г. пр. Хр. или един или два века преди това. Но едва до 4000 г. пр. Хр. стопилките са се отливали само в най-прости форми.

Мед

Тъй като медта се среща в природата в доста чиста метална форма, хората започнали да я обработват, преди да е започнало топенето. Откритите малки медни предмети са отпреди 6000 г. пр. Хр. В Чатал Хуюк са изкопани медни обекти от този период, включително тежести за дрехи. Медта трябва да е влязла в употреба, след като хората забелязали, че изковаването или лъскането на тъмните парчета им придава ярък металически вид. След това те открили, че медта е достатъчно ковка, за да се обработва студена, и започнали да правят малки инструменти, тежести и гвоздеи. Като се има предвид както технологичното ниво, така и наличието на естествена мед, Западна Азия вероятно е родината на медодобива.

Бронз

Бронзът е сплав от мед, която първоначално била направена с добавка на калай. Бронзът с достатъчно калай се обработва значително по-добре и се използва за повече цели отколкото медта. Обаче първите производители на бронз - в Месопотамия и Мала Азия (днешен Ирак и Турция) - явно не са били наясно с това, защото са добавяли съвсем малко калай, така че техният бронз има минимални преимущества пред медта. Предмети, изработени от този долнокачествен бронз (често една част калай на петдесет части мед), са открити в руините на Ур и други месопотамски градове от времето на шумерите, около 3500 пр. Хр. Но липсата на подходящи калаени руди по тези места може да означава, че най-старият бронз в действителност бил направен по-далеч на север. Били са необходими около хиляда години за получаването на истинския бронз (около една част калай на десет части мед), за да се постави началото на „бронзовата епоха".

Желязо

Ограничено количество метално желязо се среща в естествен вид в метеоритите. Първите железни предмети са направен от такова желязо през IV хилядолетие пр. Хр. Най-старите предмети от разтопено желязо, открити от археолози, са от Месопотамия и Анадола (в днешен Ирак и Турция) и са произведени около 3000 г. пр. Хр. или малко след това. Според местоположението на тези древни находки и разпределението на рудните залежи вероятно топенето на желязото е започнало малко преди началото на IV хилядолетие пр. Хр. най-напред в Анадола, западно от Таврийските планини, в днешна Турция или Армения.

Стомана

От 1400 г. пр. Хр. тази прародина на желязото (вж. по-горе) била под управлението на империята на хетите. Със своите превъзходни руди тя била център за експериментиране в металургията на желязото, развивайки техники, твърде различни от използваните при бронза. Това експериментиране довело до производс-твото на първата стомана, заслугата за което е на един народ от Северен Анадол, наречен чалиби. В продължение на около два века превъзходните руди и технологията дали на империята на хетите практически монопол в производството на желязо и стомана и експортната търговия с желязо.

Висока пещ

Но тази стомана не стигала до Китай и китайците трябвало сами да изобретят топенето на желязото, което станало доста бавно. В Китай няма следи от желязо, датиращо отпреди около 600 г. пр. Хр. И въпреки това две столетия по-късно китайците вече са въвели високата пещ - една стъпка, която Западът направил двайсет и седем века по-късно. Преди това изобретение желязото трябва да е било произвеждано във формата на ковано желязо, а стоманата била добивана чрез увеличаването на съдържанието на въглерод.

Висока пещ

Лято желязо

Високата пещ позволила на китайците да добиват лято желязо, което има високо начално съдържание на въглерод. Най-старото открито засега желязо, отлято от висока пещ, представлява блок от 500 г. пр. Хр., който е намерен близо до Китай. Тайната на китайския успех може да е била в това, че те са имали руди, богати на фосфор, или са прибавяли фосфор при зареждането на високата пещ. Постепенно проектирането и операциите по обслужването на високите пещи се подобрявали и технологията се разпространила в Индия и Япония.

Лята стомана

Китайците произвеждали стомана чрез обезвъгляване на лято желязо. За да направят процеса по-ефективен, през II в. пр. Хр. те започнали да продухват горещото още разтопено желязо с окисляваща струя студен въздух. В Китай и Япония през XVII век (най-късно) това довело до процес за производство на лята стомана, който включвал подлагане на разтопената маса от желязо на действието на студена въздушна струя. (Това е първата продукция на лята стомана по метод, който засега е неизяснен. Съвременните китайски археолози съобщават обаче, че стомана се е произвеждала още по времето на първата династия на Хан - 206 г. пр. Хр. - 9 г. след Хр. - чрез топлинна обработка за обезвъгляване на твърдо лято желязо. Това обаче се нуждае от някакво обяснение, преди да го приемем.)

Неръждаемо желязо

В Делхи има колона от желязо, която стои на открито от около 400 г. след Хр. и не показва следи от ръжда или разрушение. Тя се състои от 99,72 % желязо, 0,08 % въглерод, 0,046 % силиций, 0,006 % сяра и 0,114 % фосфор. С възможностите си да произвежда желязо с такъв състав индийската промишленост изпреварва Европа с петнайсет века, а и самата формула е разкрита само чрез анализ на колоната. Причината за нейната издръжливост е спорна. Едно от предположенията е, че това се дължи на ниското съдържание на сяра и липсата на манган. Техниката не може да е много по-стара от колоната, защото иначе и по-ранни образци биха издържали до днес. Но колкото и да е поразително това желязо, то едва ли ще продължи да се произвежда след изобретяването на неръждаемата стомана.

Неръждаема стомана

Неръждаема стомана се нарича сплав от желязо и хром, която издържа на корозия. Първата такава стомана е произведена експериментално през 1904 г. от френския учен Леон Гиле. Любопитно е, че Гиле не е съобщил за забележителната устойчивост на корозия на своята нова сплав и че неговото откритие не е било използвано веднага. От 1912 до 1914 г. Едвард Маурер и Бено Щраус от германските заводи за производство на стомана „Круп" в Есен разработили астенитна неръждаема стомана с голямо съдържание на никел. Свойствата й са идеални за нуждите на индустрията и така тръгнало нейното производство в големи количества.

Месинг

Месингът е сплав, която се състои главно от цинк и мед. Древните гърци и жителите на Западна Азия преди почти 3000 години са получавали месинг чрез стопяване на руда с правилно съотношение на двата метала, без да са разбирали неговия състав. Първият месинг, получен при изкуствено смесване, идва от Мала Азия (днешна Турция) или от Егейските острови, около 400 г. пр. Хр. Теофраст (около 383 - 287 г. пр. Хр.), ръководител на Лицея в Атина, в книгата си „De Lapidibus" споменава, че за тази цел е използвана цинковата руда каламин. (По същото време месингът е получен независимо и в Индия, но индийският не е датиран достатъчно точно, за да се знае дали предшества западния.)

Цинк

Гръцка книга по география, публикувана в Римската империя през I в. пр. Хр., споменава за метал, наречен псевдосребро, което трябва да е цинк, понеже се казва, че е съставка на месинга. Това би означавало, че цинкът е получен в чист вид някъде на запад - може би в Египет или Западна Азия, вероятно около 100 г. пр. Хр. или по-рано. След това методът за производството му е загубен до 1797 г., като изключим Индия и Китай, където той е изобретен отделно.

Мелхиор

Мелхиорът, известен преди това като пакфонг, е сплав от мед и никел, от която обикновено се правят монети. Нейното използване за пръв път е доказано в монетите от елинистичната епоха на Бактрия (в северната част на днешен Афганистан, на сухоземния търговски път между Китай и Персия) около 200 г. пр. Хр. Източникът на метала е все още неизвестен, но вероятно е внесен от Китай. Монетите на Бактрия имали една част никел и пет части мед, подобно на стария китайски мелхиор, който обаче китайците са започнали да използват за производство на монети едва през VI в.

Никел

Подобно на цинка никелът започнал да се произвежда като чист метал дълго след като е бил използван като сплав. Шведският химик Аксел Кронстед (1722 - 1765) пръв получил никел през 1751 г., като го извлякъл от сулфиди, отделени от кобалтова руда за целите на производството на кобалтово-синя боя.

Алуминий

За наличие на метал в алуминиевата руда се е подозирало много преди да е известно някой да е успял да го извлече. През 1825 г. откривателят на електромагнетизма, датският физик Ханс Кристиян Оерщед (1777 -1851 ) доказал, че подозрението е вярно. Оерщед не разработил надежден метод за извличане. През 1846 г. германският химик Фридрих Вьолер открил, че чрез нагряване на смес от натрий и алуминиев хлорид може да се извлече чист метал във вид на многочислени миниатюрни капчици.