Уголь приготовлялся сразу, в процессе плавки. Дрова прогорали и превращались в уголь сначала у стен печи, причем выделяющееся тепло не пропадало даром, а прогревало заранее уложенную сюда же руду. На первый взгляд, большая экономия и повышение производительности. И все же этот агрегат "не прижился": он требовал многих дополнительных операций - сгребания готовых углей и нагревшейся руды к центру горения, довольно тщательного контроля за процессом восстановления и ряда других.

В металлургии начало упадка феодализма прежде всего ознаменовалось изменением конструкции шахтных печей. Неуклонно возраставшая потребность в металлических изделиях настоятельно диктовала расширение металлургического производства. Можно было поставить в мастерской дополнительные печи, но тогда требовалось увеличить число подмастерьев. Устав же цеха настрого запрещал это мастеру, и оставался один выход - увеличить объем печи, чтобы она давала больше металла.

Росла высота печей, увеличивалось и количество воздуха, потребного для процесса плавки. Через некоторое время ни человеческой силы, ни силы животных не стало хватать, чтобы обеспечить необходимое дутье. И тогда, примерно с начала XIV. века, человек поставил себе на службу еще один вид энергии - энергию падающей воды. Теперь металлургические агрегаты стало приводить в движение мельничное колесо. После начала применения мехов это было второе революционное нововведение в металлургии. Отныне мехи двигала сила падающей воды. Стало возможным строить агрегаты такой величины и производительности, о которых раньше не приходилось и мечтать.

Имевшие собственные мастерские средневековые ремесленники (их называли мастерами) должны были объединяться в особые цеховые союзы. Цех предписывал мастерам буквально все - и как изготавливать то или иное изделие, и какими инструментами при этом пользоваться, и сколько подмастерьев и учеников должен иметь каждый мастер.

Средневековый рецепт не кровожаден, но тем не менее тоже малопривлекателен: булат рекомендовалось закалять в моче рыжего мальчика. Почему именно рыжего? Да потому, что в старину рыжим приписывали особые "колдовские" свойства.
Варварство, скажете вы, суеверие Да, и варварство, и суеверие. Но не только это Страшно подумать, сколько рабов отдали свои жизни, чтобы кинжалы правителей перерубали платок на лету. Но клинки, действительно, гораздо лучше закаливались в человеческой крови или моче, чем в простой воде.

Последняя травинка сгорала в кипящем вареве, и мастер выходил на свежий воздух. Главное сделано. Теперь подмастерья могут изготовлять из булата клинки, шлемы, кольчуги. Звонко забили молоты, и вот уже на наковальне ярко заалел готовый клинок. Мастер кинул взгляд на одного из подмастерьев, и тот опрометью бросился к коновязи, на ходу надевая на правую руку толстую кожаную рукавицу. Вихрем мчался конь по вечерней пустыне. Всадник, высоко подняв руку, крепко сжимал в ней медленно остывающий на ветру только что откованный меч.

У каждого мастера был свой набор растений. Считалось, что их соки обладают "волшебными" свойствами - прочностью, гибкостью, вязкостью, которые и передаются металлу. И они действительно передавали После того как растения сгорали в расплавленном металле, железо превращалось в сталь. А вместе с растениями, тоже в определенных пропорциях, в металл сыпали графитовый порошок. Но он считался как бы подсобным материалом, не влияющим на качество металла. И невдомек было мастерам, что как раз графит-то (чистый углерод!) и превращал железо в сталь.

Металлургия железа получила заметное развитие в странах Древнего Востока, а затем в античных государствах. Уже в Древней Греции и Риме, наряду с кричным железом, умели получать и чугун, и сталь.
В период раннего средневековья с упадком античной культуры пришла в упадок и металлургическая промышленность. Многие секреты производства металлов, найденные еще в древнем мире, были утеряны. Остались только примитивные малопроизводительные способы.

Со времен крестовых походов вместо прежних неподъемных доспехов начинают входить в обиход более легкие и прочные стальные панцири, шлемы, мечи. Теперь уже не только конные рыцари, но и пехотинцы одевали легковесные пластинчатые латы, сделанные тоже из стали.
Здесь, пожалуй, вполне уместно поговорить о том, что же это такое - сталь.
Школьный учебник химии на вопрос "что такое сталь?" дает простой и четкий ответ: сталь - это сплав железа с углеродом. Правда, этот ответ не полный.

Разгромив страны Востока, он свез к себе в Самарканд всех ремесленников, оставшихся в живых. Оторванные от родины, не имеющие наследников, которых они по обычаю могли бы научить мастерству, умельцы унесли в могилу свои секреты.
На много веков производство булата оставалось для людей неразгаданной тайной. Сотни исследователей бились над решением этой загадки. И лишь около ста сорока лет назад выдающийся русский металлург Павел Петрович Аносов раскрыл, наконец, секреты древних мастеров и возвратил людям булатную сталь.
Восточные мастера выплавляли булат в небольших глиняных сосудах - тиглях из тщательно подготовленной руды. По существу этот способ ничем не отличался от общераспространенной технологии получения кричного железа, но одно отличие все же было.

Еще в глубокой древности восточные мастера знали секреты производства исключительно крепкой и пластичной стали. Только в те далекие времена ее называли не сталью, а булатом.
Сколько сказочных легенд создано о нем за тысячелетия! Сколько достоверных сведений, похожих на самые удивительные легенды, знаем о булате мы сегодня! Достоверно одно: булатная сталь обладала уникальными свойствами - клинки из нее пробивали самые лучшие доспехи, а способность к затачиванию была у них столь высокой, что они разрезали подброшенный в воздух шелковый платок.

Шахтная печь позволяла гораздо лучше использовать тепло. Первые такие печи очень походили на горн и отличались от него лишь более высокими стенками. Затем, чтобы увеличить тягу, верх печей стали все более суживать и удлинять. Так появились заводские трубы.
Печи больших размеров уже нельзя было делать из глины: слишком толстыми пришлось бы выкладывать стенки, чтобы они не ломались. Поэтому печи стали делать из камня, а глиной их только обмазывали изнутри и снаружи. Большие печи невыгодно было ломать после каждой плавки: слишком долго потом приходилось их строить. И тогда нижнюю часть печей стали делать выдвижной, чтобы можно было достать готовое железо, не ломая всего сооружения.

Первые мехи представляли собой простой кожаный мешок, сшитый из шкур различных животных. По имени животных многие народы называли и выплавленные с помощью этих мехов железные крицы (волк - у немцев, лисица - у французов и т.д.). В кожаный мешок вставляли трубку, по которой и подавался воздух при нажатии на мех рукой или ногой. Позднее мехи стали делать в виде пустотелого сосуда (чаще деревянного, но иногда и глиняного), на который натягивали кожу. При надавливании на кожу воздух выталкивался из сосуда и по трубке шел к огню. А чтобы привести кожу в первоначальное положение, ее после каждого нажатия подтягивали при помощи привязанной палки.

Понадобились сотни и тысячи таких случайностей, чтобы люди подметили закономерность, а подметив, улучшили технологию работ. На все это требовалось время, много времени. Проходили века, а металлургический процесс почти не менялся.
Зато менялось общество. В нем происходило великое общественное разделение труда. Появились ремесленники - люди, которые не выращивали урожай, не разводили скот, а только изготовляли орудия труда для тех, кто это делает. Разделение труда происходило и среди ремесленников одной профессии.

Чугунные стволы частенько разрывались после первого же выстрела. Это было следствием многих причин: пороков отлитого металла, неправильного режима отливки, изменений литейной формы. Мастера зачастую не знали этих причин и, естественно, не могли их устранить. Тем не менее в те годы было введено суровое, но мудрое правило: первый выстрел из орудия делает изготовивший его мастер. Это служило некоторой гарантией безопасности для артиллеристов. Понятно, что при таком условии мастера-литейщики очень осторожно подходили к выбору нового материала для пушек. Поэтому сначала чугун при изготовлении пушек нашел лишь частичное применение - из него отливали только казенную часть. Стволы же либо выковывали из железа, либо отливали из бронзы.

Химия дает простой ответ на этот вопрос: надо найти такое вещество, которое сумеет "связать" кислород, вещество, с которым кислород соединяется легче и активнее, чем с железом. Тогда кислород "покинет" железо и вступит в реакцию с этим веществом. В химии процесс, при котором отдается кислород, называется реакцией восстановления, а связующее вещество - восстановителем. Обратный же процесс, при котором кислород соединяется с каким-либо веществом, называется реакцией окисления. Иными словами, необходимо восстановить железо в его первоначальное состояние с помощью вещества, которое само бы при этом окислилось.

Если сейчас ученые, использующие метод проб и ошибок, хотя бы представляют себе, каких результатов они добиваются, то древние мастера вообще действовали вслепую. Кто-то случайно засыпал в горн очень мелкую руду - и плавка ускорилась. Значит, руду надо измельчать. Кто-то предварительно обжег руду на костре, тоже случайно, - железо получилось лучшего качества. И стали делать так же, не догадываясь, почему это лучше.

Древние мастера не подозревали ни о кислороде, ни об углероде, ни вообще об окислительно-восстановительном процессе. Они до всего доходили методом проб и ошибок. Случайно обнесли костер стенами из глины, чтобы пламя не задувало ветром, - получился горн, в котором железо выплавлялось быстрее. А почему? Древние не смогли бы объяснить это. А между тем ответ очень прост: если раньше, при открытом костре, часть тепла бесполезно рассеивалась в пространстве, то теперь стенки горна отражали ее, отбрасывали обратно на руду. А при большом количестве тепла и руда нагревалась быстрее. Однако без притока воздуха огонь плохо разгорался. Дома, в печи, огонь раздували ртом. Попробовали и здесь дуть через трубки - получилось хорошо.

Как только температура внутри кучи повышалась до определенных пределов (а это определяли по дыму), оба оставшиеся отверстия плотно замазывали, и уголь медленно охлаждался в течение нескольких дней. Из одной такой кучи получали большое количество первосортного угля: при сгорании в горне он обеспечивал высокую температуру и позволял получать железо хорошего качества.
Тщательно готовили к плавке и руду. До того, как загрузить ее в горн, руду разбивали кувалдой на мелкие кусочки и промывали. При этом пустая, не содержащая железа порода, которая всегда бывает в руде, размельчалась до размеров песчинок и уносилась водой.

Прежде всего для выплавки металла надо было получить древесный уголь. Как видно из названия, его изготавливали из деревьев. Мы не случайно употребили здесь слово "изготавливали": точнее не обозначишь технологическую операцию, требующую несколько дней тяжелого труда.

Ученые до сих пор не могут прийти к единому мнению о том, каким образом люди научились выплавлять железо. В естественном, самородном виде оно почти не встречается. Существует гипотеза, что первое железо, которое получили люди, досталось им с неба - в метеоритах. Одно из оснований для такой гипотезы - название металла у разных народов. Так, у древних египтян железо называлось "вааепере", что означает "родившееся на небе". Древние копты называли его "камнем неба".

Совершенно иное встречаем мы в странах древней культуры - в Северной Африке, в западной и восточной частях Малой Азии, на побережье Средиземного моря. Так, египтяне, вынужденные бороться с неблагоприятными климатическими условиями, используя бронзовые орудия, сумели создать огромную систему искусственного орошения - вырыли каналы и огромные водоемы. Искусственное озеро Мерис, например, имело в окружности несколько сот километров.

Попробуйте представить себе страшное оружие ближнего боя, сделанное из камня, - да каменный меч сломается после первого же удара! Невозможно было сделать из камня и наконечник к сохе, поэтому приходилось разрыхлять почву каменными мотыгами. Медный же лемех, глубоко вспахивая землю, позволял получать гораздо большие урожаи.

Сначала огонь служил защитой от диких зверей и обогревал в холодные вечера. Затем люди научились варить на огне пищу. Для этого потребовались сосуды, не пропускающие воду. Так развилось гончарное производство. Вылепив из глины кувшин или горшок, мастер обжигал его в пламени костра. Чем выше в нем была температура, тем крепче получалось глиняное изделие. И тогда место обжига люди стали обносить камнями, создавая примитивный обжиговый горн. Среди камней попадались и металлические руды. Если это оказывалась легкоплавкая медная руда, то, нагреваясь в огне костра, она расплавлялась и превращалась в чистую медь. В конце концов человек, подметив этот процесс, начал специально бросать в горн куски руды. Так примерно восемь тысяч лет назад родилась металлургия.

Металлические изделия не нужно было выбрасывать после того, как они тупились или сплющивались. Им можно было придать прежнюю или совсем другую форму и снова их использовать. Это свойство материала мы называем пластичностью. Первые металлы, которые нашел человек, как раз и обладали очень высокой пластичностью.
Этими первыми были золото, серебро и медь, встречающиеся в природе в естественном, так называемом самородном состоянии. Сначала металлы привлекали внимание человека не своими великолепными свойствами, а блеском. Из золота, серебра и меди люди стали делать украшения - кольца, бусы, броши, обручи для рук и ног. Использовать эти металлы для изготовления каменных орудий было нельзя, потому что в самородном виде их встречалось очень мало, а кроме того, они были очень мягкими.

Рабы подхватили крицу (так называется этот кусок железа) на ломы и потащили в кузницу. Там металл снова разогрели в пламени, бросили на наковальню. Тяжко заухали кувалды, сминая, уплотняя крицу. И с каждым ударом проступало из ее глубины на поверхность все лишнее, ненужное, чужеродное: тяжелые частицы железа, уплотняясь, вытесняли более легкие неметаллические включения. Долгая это была работа. Когда крица остывала на наковальне, ее снова разогревали и снова били кувалдами. И так до пяти-шести раз.

Сложное, непонятное таинство
Хорошо горел уголь. Черный густой дым валил из горна и медленно расплывался в воздухе. Проходили часы. Дым становился прозрачнее, легче. Внимательно следил за ним мастер. Сложное, непонятное таинство свершалось за глиняными стенками. Неведомы законы, по которым оно происходит. Как узнать когда, в какой момент подавать рабам знак, чтобы перестали дуть? Поспешишь металла не получишь, останется в горне полусырая руда. Пропустишь срок сгорит железо, в труху рассыплется. За такое упущение можно и самому получить на шею рабский ошейник. Вот и следит мастер за дымом во все глаза.
О многом говорит дым знающему человеку. Пока он густой да черный, можно не волноваться.

По утрам небо над Египтом синее-синее. Как полосы на переднике фараона. Легко и плавно, будто плывет по спокойному морю, поднимается по небу золотая ладья бога Солнца Ра. Знойное дыхание его нестерпимо для человека. Поэтому так ценятся в Египте прохладные утренние и вечерние часы.
Вот и мастер, ведающий железоделательными работами, встал чуть свет и поспешил растолкать рабов. Скорей, скорей за работу!
Первым делом рабы выкопали круглую яму в локоть глубиной и около полутора локтей в диаметре. Яму обмазали глиной. Из глины же вылепили вокруг нее стенку в половину человеческого роста. Внизу по всей окружности пробили отверстия. Так получился горн глиняный очаг для выплавки металла.

Надо сказать, что с увеличением габаритов шахтной печи выемка из горна и последующая обработка крицы весом в несколько сот килограммов становилась одной из наиболее трудновыполнимых операций. Ведь необходимых для этого механизмов в то время не было. Казалось, металлургия заходит в тупик.
Однако и на этот раз выручили все те же мехи, только теперь уже совершенно иной конструкции.

В 1620 году, через семьдесят лет после появления новых воздуходувок, некий Людвиг Праненшмидт, попытавшийся ввести ящичные мехи в Гарце, стал жертвой технического прогресса. Разъяренные кожевенники как-то вечером подстерегли и избили Праненшмидта, а мехи разрушили.
С появлением ящичных мехов была полностью решена проблема подаваемого в печь дутья. А это в свою очередь предопределило все последующее развитие металлургии. Новые мехи позволили поднять температуру горения угля до 1500 градусов и выше.

Принятая в средние века примитивная технология плавки железной руды в шахтной печи подробно описана в одной из первых книг по металлургии - работе немецкого минералога Георга Агриколы "О царстве металла" (1556 год). Один из рисунков этой книги, дающий наглядное представление об отдельных металлургических процессах, изображает небольшую кузницу. Рабочий-плавильщик, обмотав лицо платком для защиты от жара и угарного газа, регулирует рычагом подаваемое в горн дутье.

Суровые цеховые ограничения не давали мастерам возможности наладить массовое производство кованых железных орудий. А между тем пушки и мортиры становились важнейшим оружием эпохи. Их требовалось уже не единицы и десятки, а сотни и тысячи. Можно ли было найти выход из этого положения?

Сплав, содержащий более двух процентов углерода, называется чугуном.
Что же произошло? Не вдаваясь в излишние сложности химических реакций, можно нарисовать такую картину. В кричном горне нагретое железо, соприкасаясь с горящим углем, насыщалось углеродом. Пока температура в печи была невысокой и железо не расплавлялось до жидкого состояния, науглероживание происходило только по поверхности крицы, не проникая вглубь и не оказывая заметного влияния на свойства металла. А если такое влияние и было, то только в лучшую сторону: прочность металла росла гораздо быстрее, чем хрупкость. Другое дело, когда в печи стало образовываться жидкое железо.