Topienie żelaza – uzyskiwanie użytecznego metalu z utlenionych rud żelaza – jest trudniejsze niż wytapianie cyny i miedzi. Podczas gdy te metale i ich stopy mogą być obrabiane na zimno lub topione w stosunkowo prostych piecach (takich jak piece używane do wyrobu ceramiki) i odlewane do form, wytapiane żelazo wymaga obróbki na gorąco i może być wytapiane tylko w specjalnie zaprojektowanych piecach. Żelazo jest częstym zanieczyszczeniem w rudach miedzi, a ruda żelaza była czasem używana jako topnik, nie jest więc zaskakujące, że ludzie opanowali technologię wytapiania żelaza dopiero po kilku tysiącleciach metalurgii brązu.
Miejsce i czas odkrycia wytopu żelaza nie są znane, częściowo z powodu trudności w odróżnieniu metalu wydobywanego z rud zawierających nikiel od obrabianego na gorąco żelaza meteorytowego. Dowody archeologiczne wydają się wskazywać na obszar Bliskiego Wschodu, w okresie epoki brązu w III tysiącleciu p.n.e. Jednak artefakty z kutego żelaza pozostawały rzadkością aż do XII w. p.n.e.
Epoka żelaza jest umownie definiowana przez powszechne zastąpienie broni i narzędzi z brązu tymi z żelaza i stali. To przejście nastąpiło w różnym czasie i w różnych miejscach, w miarę rozprzestrzeniania się technologii. Mezopotamia w pełni weszła w epokę żelaza do 900 r. p.n.e. Chociaż Egipt produkował artefakty z żelaza, brąz pozostawał dominujący aż do podboju przez Asyrię w 663 r. p.n.e. Epoka żelaza rozpoczęła się w Indiach około 1200 r. p.n.e., w Europie Środkowej około 600 r. p.n.e., a w Chinach około 300 r. p.n.e. Około 500 r. p.n.e., Nubijczycy, którzy nauczyli się od Asyryjczyków stosowania żelaza i zostali wypędzeni z Egiptu, stali się głównymi producentami i eksporterami żelaza.
Starożytny Bliski WschódEdit
Jeden z najwcześniej wytopionych artefaktów żelaznych, sztylet z żelaznym ostrzem znaleziony w grobowcu Hattic w Anatolii, datowany na 2500 r. p.n.e. Około 1500 BC, rosnąca liczba niemeteorytowych, wytapianych obiektów żelaznych pojawiła się w Mezopotamii, Anatolii i Egipcie. Dziewiętnaście przedmiotów z żelaza meteorytowego znaleziono w grobowcu egipskiego władcy Tutanchamona, który zmarł w 1323 r. p.n.e., w tym żelazny sztylet ze złotą rękojeścią, Oko Horusa, stojak na głowę mumii i szesnaście modeli narzędzi rzemieślniczych. Starożytny egipski miecz noszący imię faraona Merneptaha, jak również topór bojowy z żelaznym ostrzem i zdobionym złotem trzonkiem z brązu zostały znalezione podczas wykopalisk w Ugarit.
Pomimo że żelazne przedmioty pochodzące z epoki brązu zostały znalezione w całym wschodnim regionie Morza Śródziemnego, prace z brązu wydają się znacznie przeważać w tym okresie. Do XII wieku p.n.e. wytapianie i kucie żelaza, broni i narzędzi, było powszechne od Afryki Subsaharyjskiej po Indie. W miarę rozprzestrzeniania się tej technologii żelazo zastępowało brąz jako dominujący metal wykorzystywany do produkcji narzędzi i broni we wschodniej części basenu Morza Śródziemnego (Lewant, Cypr, Grecja, Kreta, Anatolia i Egipt).
Żelazo było pierwotnie wytapiane w bloomeries, piecach, w których używano miechów do przetłaczania powietrza przez stos rudy żelaza i palący się węgiel drzewny. Tlenek węgla wytwarzany przez węgiel drzewny redukował tlenek żelaza z rudy do metalicznego żelaza. W bloomery nie było jednak wystarczająco gorąco, by stopić żelazo, więc metal gromadził się na dnie pieca w postaci gąbczastej masy, czyli bloomu. Robotnicy wielokrotnie uderzali i składali ją, aby wypchnąć stopiony żużel. W wyniku tego pracochłonnego i czasochłonnego procesu otrzymywano kute żelazo, plastyczny, ale dość miękki stop.
Wraz z przejściem od brązu do żelaza odkryto nawęglanie, czyli proces dodawania węgla do kutego żelaza. Podczas gdy wykwit żelaza zawierał pewne ilości węgla, późniejsza obróbka na gorąco utleniała większość z niego. Kowale z Bliskiego Wschodu odkryli, że kute żelazo można przekształcić w znacznie twardszy produkt, podgrzewając gotowy element w złożu węgla drzewnego, a następnie gasząc go w wodzie lub oleju. Ta procedura przekształciła zewnętrzne warstwy kawałka w stal, stop żelaza i węglików żelaza, z wewnętrznym rdzeniem z mniej kruchego żelaza.
Teorie na temat pochodzenia wytopu żelazaEdit
Rozwój wytopu żelaza tradycyjnie przypisywano Hetytom z Anatolii w późnej epoce brązu. Uważano, że utrzymywali oni monopol na obróbkę żelaza i na tej przewadze opierało się ich imperium. Zgodnie z tą teorią, starożytne Ludy Morza, które najechały wschodnią część Morza Śródziemnego i zniszczyły imperium Hetytów pod koniec późnej epoki brązu, były odpowiedzialne za rozprzestrzenianie wiedzy w tym regionie. Teoria ta nie jest już utrzymywana w głównym nurcie nauki, ponieważ nie ma żadnych archeologicznych dowodów na rzekomy monopol Hetytów. Podczas gdy istnieją pewne przedmioty z żelaza z Anatolii z epoki brązu, ich liczba jest porównywalna z przedmiotami z żelaza znalezionymi w Egipcie i innych miejscach w tym samym okresie, a tylko niewielka liczba tych przedmiotów była bronią.
Najnowsza teoria głosi, że rozwój technologii żelaza był napędzany przez przerwanie szlaków handlowych miedzi i cyny, spowodowane upadkiem imperiów pod koniec późnej epoki brązu. Metale te, zwłaszcza cyna, nie były powszechnie dostępne i metalowcy musieli transportować je na duże odległości, podczas gdy rudy żelaza były powszechnie dostępne. Jednak żadne znane dowody archeologiczne nie wskazują na niedobór brązu lub cyny we wczesnej epoce żelaza. Obiekty z brązu były nadal obfite, a te obiekty mają taki sam procent cyny jak te z późnej epoki brązu.
Subkontynent indyjskiEdit
Historia metalurgii żelaza na subkontynencie indyjskim rozpoczęła się w II tysiącleciu p.n.e. Stanowiska archeologiczne na równinach Gangetycznych dostarczyły narzędzi żelaznych datowanych na okres od 1800 do 1200 r. p.n.e. Na początku XIII w. p.n.e. wytop żelaza był w Indiach praktykowany na dużą skalę. W południowych Indiach (dzisiejszy Mysore) żelazo było w użyciu od 12 do 11 wieku p.n.e. Technologia metalurgii żelaza rozwinęła się w stabilnym politycznie okresie Mauryi i w okresie pokojowego osadnictwa w 1. tysiącleciu p.n.e.
Ironowe artefakty, takie jak kolce, noże, sztylety, groty strzał, miski, łyżki, rondle, siekiery, dłuta, szczypce, okucia drzwiowe itp. datowane na okres od 600 do 200 r. p.n.e. zostały odkryte na wielu stanowiskach archeologicznych w Indiach. Grecki historyk Herodot napisał pierwszy zachodni rachunek użycia żelaza w Indiach. Indyjskie teksty mitologiczne, Upaniszady, mają wzmianki o tkactwie, garncarstwie i metalurgii, jak również. Rzymianie mieli wysoki szacunek dla doskonałości stali z Indii w czasach Imperium Gupta.
Prawdopodobnie już w 500 r. p.n.e., choć z pewnością do 200 r. n.e., w południowych Indiach produkowano wysokiej jakości stal techniką tyglową. W tym systemie, wysokiej czystości kute żelazo, węgiel drzewny i szkło były mieszane w tyglu i podgrzewane, aż żelazo się stopiło i wchłonęło węgiel. Żelazny łańcuch był używany w indyjskich mostach wiszących już w IV wieku.
Stal Wootz była produkowana w Indiach i na Sri Lance od około 300 r. p.n.e. Stal Wootz jest znana z klasycznej starożytności ze względu na swoją trwałość i zdolność do utrzymywania krawędzi. Aleksander, poproszony przez króla Porusa o wybór prezentu, wybrał podobno, zamiast złota czy srebra, trzydzieści funtów stali. Stal Wootza była pierwotnie złożonym stopem, którego głównym składnikiem było żelazo wraz z różnymi pierwiastkami śladowymi. Ostatnie badania sugerują, że jej właściwości mogły wynikać z tworzenia się w metalu nanorurek węglowych. Według Willa Duranta, technologia ta przeszła do Persów, a od nich do Arabów, którzy rozpowszechnili ją na Bliskim Wschodzie. W XVI wieku Holendrzy przenieśli tę technologię z południowych Indii do Europy, gdzie była produkowana na masową skalę.
Stal była produkowana na Sri Lance od 300 r. p.n.e. w piecach dmuchanych przez wiatry monsunowe. Piece były wkopane w szczyty wzgórz, a wiatr był kierowany do otworów wentylacyjnych długimi rowami. Taki układ tworzył strefę wysokiego ciśnienia przy wejściu i strefę niskiego ciśnienia na szczycie pieca. Uważa się, że taki przepływ powietrza pozwalał na uzyskanie wyższej temperatury niż w przypadku pieców miechowych, co przekładało się na lepszą jakość żelaza. Stal produkowana na Sri Lance była przedmiotem szerokiego handlu w regionie i w świecie islamu.
Jedną z największych na świecie ciekawostek metalurgicznych jest żelazny filar znajdujący się w kompleksie Qutb w Delhi. Filar wykonany jest z kutego żelaza (98% Fe), ma prawie siedem metrów wysokości i waży ponad sześć ton. Filar został wzniesiony przez Chandragupta II Vikramaditya i wytrzymał 1600 lat ekspozycji na ulewne deszcze przy stosunkowo niewielkiej korozji.
ChinyEdit
Historycy debatują nad tym, czy obróbka żelaza w oparciu o bloomery kiedykolwiek rozprzestrzeniła się w Chinach z Bliskiego Wschodu. Jedna z teorii sugeruje, że metalurgia została wprowadzona przez Azję Środkową. W 2008 r. dwa fragmenty żelaza zostały odkopane w Mogou, w Gansu. Zostały one datowane na XIV w. p.n.e., należące do okresu kultury Siwa, co sugeruje ich niezależne chińskie pochodzenie. Jeden z fragmentów został wykonany raczej z żelaza bloomery niż z żelaza meteorytowego.
Najwcześniejsze artefakty z żelaza wykonane z bloomery w Chinach datowane są na koniec IX w. p.n.e. Żeliwo było używane w starożytnych Chinach w działaniach wojennych, rolnictwie i architekturze. Około 500 r. p.n.e. metalurdzy w południowym stanie Wu osiągnęli temperaturę 1130 °C. W tej temperaturze żelazo łączy się z 4,5 procentami tlenku węgla. W tej temperaturze żelazo łączy się z 4,3% węgla i topi się. Ciekłe żelazo może być odlewane do form, co jest metodą znacznie mniej pracochłonną niż indywidualne wykuwanie każdego kawałka żelaza z wykwitu.
Odlewane żelazo jest raczej kruche i nie nadaje się do uderzania w narzędzia. Można je jednak odwęglić do postaci stali lub kutego żelaza, podgrzewając przez kilka dni w powietrzu. W Chinach, te metody pracy z żelazem rozprzestrzeniały się na północ i do 300 r. p.n.e., żelazo było materiałem z wyboru w całych Chinach dla większości narzędzi i broni. Masowy grób w prowincji Hebei, datowany na początek III wieku p.n.e., zawiera kilku żołnierzy pochowanych wraz z ich bronią i innym wyposażeniem. Artefakty wydobyte z tego grobu są w różnym stopniu wykonane z kutego żelaza, żeliwa, żeliwa stabilizowanego plastycznie i stali hartowanej, z kilkoma tylko, prawdopodobnie ozdobnymi, broniami z brązu.
Podczas dynastii Han (202 BC-220 AD), rząd ustanowił obróbkę żelaza jako monopol państwowy (uchylony w drugiej połowie dynastii i przywrócony prywatnej przedsiębiorczości) i zbudował serię dużych wielkich pieców w prowincji Henan, z których każdy był w stanie wyprodukować kilka ton żelaza dziennie. Do tego czasu chińscy metalurdzy odkryli, jak rozdrobnić roztopioną surówkę, mieszając ją na wolnym powietrzu, aż straci węgiel i będzie można ją młotkować (kutać). (We współczesnym języku mandaryńsko-chińskim proces ten nazywany jest chao, czyli dosłownie smażenie z mieszaniem; surówka znana jest jako „surowe żelazo”, a żelazo kute jako „żelazo gotowane”). W I wieku p.n.e. chińscy metalurdzy odkryli, że kute żelazo i żeliwo można stopić razem, uzyskując stop o pośredniej zawartości węgla, czyli stal. Zgodnie z legendą, miecz Liu Bang, pierwszego cesarza Han, został wykonany w ten sposób. Niektóre teksty z epoki wspominają o „harmonizowaniu twardego i miękkiego” w kontekście obróbki żelaza; wyrażenie to może odnosić się do tego procesu. Starożytne miasto Wan (Nanyang) od okresu Han było głównym ośrodkiem przemysłu żelaznego i stalowego. Wraz z oryginalnymi metodami kucia stali, Chińczycy przyjęli również metody produkcji stali Wootz, pomysł zaimportowany z Indii do Chin w V wieku naszej ery. Podczas panowania dynastii Han, Chińczycy jako pierwsi zastosowali siłę hydrauliczną (tj. koło wodne) do napędzania miechów wielkiego pieca. Zostało to odnotowane w roku 31 n.e. jako innowacja chińskiego inżyniera mechanika i polityka Du Shi, prefekta Nanyang. Chociaż Du Shi był pierwszym, który zastosował energię wodną w miechach w metalurgii, pierwsza narysowana i wydrukowana ilustracja jego działania z wykorzystaniem energii wodnej pojawiła się w 1313 r. n.e., w tekście z epoki dynastii Yuan zwanym Nong Shu.
W XI wieku istnieją dowody na produkcję stali w Chinach Song przy użyciu dwóch technik: metody „berganeskiej”, która produkowała gorszą, niejednorodną stal, oraz prekursora nowoczesnego procesu Bessemera, który wykorzystywał częściową dekarbonizację poprzez wielokrotne kucie pod zimnym podmuchem. W XI wieku w Chinach doszło do znacznego wylesienia z powodu zapotrzebowania przemysłu żelaznego na węgiel drzewny. Jednak do tego czasu Chińczycy nauczyli się używać koksu bitumicznego zamiast węgla drzewnego, a dzięki tej zmianie zasobów oszczędzono wiele hektarów najlepszych terenów leśnych w Chinach.
Epoka żelaza w EuropieEdit
Obróbka żelaza została wprowadzona do Grecji pod koniec X wieku p.n.e. Najwcześniejsze ślady epoki żelaza w Europie Środkowej to artefakty z kultury Hallstatt C (VIII w. p.n.e.). Przez cały okres od VII do VI wieku p.n.e. artefakty z żelaza pozostawały przedmiotami luksusowymi, zarezerwowanymi dla elity. Zmieniło się to diametralnie krótko po 500 r. p.n.e. wraz z powstaniem kultury La Tène, od której metalurgia żelaza stała się powszechna także w Europie Północnej i Brytanii. Rozprzestrzenianie się obróbki żelaza w Europie Środkowej i Zachodniej wiąże się z ekspansją Celtów. W I w. p.n.e. stal noricka słynęła z jakości i była poszukiwana przez rzymskie wojsko.
Roczna produkcja żelaza w Imperium Rzymskim szacowana jest na 84 750 t.
Afryka na południe od SaharyEdit
Choć istnieją pewne wątpliwości, niektórzy archeolodzy uważają, że metalurgia żelaza została rozwinięta niezależnie w Afryce Subsaharyjskiej (być może w Afryce Zachodniej).
Mieszkańcy Termit, we wschodnim Nigrze, wytapiali żelazo około 1500 r. p.n.e.
W rejonie gór Aïr w Nigrze istnieją również ślady niezależnego wytopu miedzi między 2500 a 1500 r. p.n.e. Proces ten nie był w stanie rozwiniętym, co wskazuje, że wytop nie był obcy. Stał się dojrzały około 1500 r. p.n.e.
Zabytki archeologiczne zawierające piece do wytopu żelaza i żużel zostały również odkopane w miejscach w regionie Nsukka w południowo-wschodniej Nigerii w dzisiejszym Igboland: datowane na 2000 r. p.n.e. w miejscu Lejja (Eze-Uzomaka 2009) i na 750 r. p.n.e. w miejscu Opi (Holl 2009). Stanowisko Gbabiri (w Republice Środkowoafrykańskiej) dostarczyło dowodów na istnienie metalurgii żelaza, pochodzących z pieca redukcyjnego i warsztatu kowalskiego; najwcześniejsze daty to odpowiednio 896-773 p.n.e. i 907-796 p.n.e. Podobnie wytop w piecach typu bloomery pojawia się w kulturze Nok w środkowej Nigerii około 550 r. p.n.e., a być może nawet kilka wieków wcześniej.
Istnieją również dowody na to, że stal węglowa była wytwarzana w zachodniej Tanzanii przez przodków ludu Haya już 2300-2000 lat temu (ok. 300 r. p.n.e. lub wkrótce potem) w skomplikowanym procesie „wstępnego podgrzewania”, pozwalającym na osiągnięcie temperatury wewnątrz pieca 1300-1400 °C.
Obróbka żelaza i miedzi rozprzestrzeniła się na południe kontynentu, docierając do Przylądka około roku 200 n.e. Powszechne użycie żelaza zrewolucjonizowało rolnicze społeczności posługujące się językiem Bantu, które zaadoptowały je, wypierając i wchłaniając społeczeństwa łowców-zbieraczy posługujących się narzędziami kamiennymi, które napotkali, gdy rozszerzyli działalność, by uprawiać szersze obszary sawanny. Technologicznie lepsi Bantu-speakers rozprzestrzenili się po południowej Afryce i stali się bogaci i potężni, produkując żelazo na narzędzia i broń w dużych, przemysłowych ilościach.
Najwcześniejsze wzmianki o piecach typu bloomery w Afryce Wschodniej to odkrycia wytapianego żelaza i węgla w Nubii, które pochodzą z VII-VI w. p.n.e., zwłaszcza w Meroe, gdzie znane są starożytne bloomery, które produkowały metalowe narzędzia dla Nubijczyków i Kuszytów oraz wytwarzały nadwyżki dla ich gospodarki.
Średniowieczny świat islamuEdit
Technologia żelaza była dalej rozwijana przez kilka wynalazków w średniowiecznym islamie, podczas Złotego Wieku islamu. Należały do nich różne młyny przemysłowe napędzane wodą i wiatrem, służące do produkcji metalu, w tym młyny i kuźnie. Do 11 wieku, każda prowincja w całym świecie muzułmańskim miał te młyny przemysłowe w pracy, od islamskiej Hiszpanii i Afryki Północnej na zachodzie do Bliskiego Wschodu i Azji Środkowej na wschodzie. Istnieją również 10-wieczne odniesienia do żeliwa, jak również archeologiczne dowody wielkich pieców używanych w imperium Ayyubidów i Mamluk z 11 wieku, co sugeruje dyfuzję chińskiej technologii metalu do świata islamu.
Młyny rusztowe zostały wynalezione przez muzułmańskich inżynierów i były używane do kruszenia rud metali przed wydobyciem. Młyny w świecie islamu były często wykonywane zarówno z młynów wodnych, jak i wiatraków. W celu przystosowania kół wodnych do celów młynarskich stosowano krzywki do podnoszenia i zwalniania młotków. Pierwsza kuźnia napędzana przez młyn wodny, a nie przez pracę ręczną, została wynaleziona w XII-wiecznej islamskiej Hiszpanii.
Jedną z najbardziej znanych stali produkowanych na średniowiecznym Bliskim Wschodzie była stal damasceńska, używana do wyrobu mieczy i produkowana głównie w Damaszku w Syrii w okresie od 900 do 1750 roku. Była ona produkowana metodą stali tyglowej, opartej na wcześniejszej indyjskiej stali wootz. Proces ten został zaadoptowany na Bliskim Wschodzie przy użyciu lokalnie produkowanej stali. Dokładny przebieg procesu pozostaje nieznany, ale pozwalał on na wytrącanie się węglików w postaci mikrocząsteczek ułożonych w arkusze lub pasma w korpusie ostrza. Węgliki są znacznie twardsze niż otaczająca je stal niskowęglowa, więc miecznicy mogli wytwarzać krawędzie, które przecinały twarde materiały dzięki wytrąconym węglikom, podczas gdy pasma miększej stali pozwalały mieczowi jako całości pozostać twardym i elastycznym. Zespół naukowców z Uniwersytetu Technicznego w Dreźnie, który wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie i mikroskopię elektronową do badania stali damasceńskiej, odkrył obecność nanowirów cementytu i nanorurek węglowych. Peter Paufler, członek drezdeńskiego zespołu, twierdzi, że te nanostruktury nadają stali damasceńskiej jej charakterystyczne właściwości i są wynikiem procesu kucia.