Важнейшим агрегатом в домнице, кроме печи, было воздуходувное устройство. При производстве железа в печи домницы необходимо поддерживать довольно высокую температуру и интенсивную тягу газов, способную пробить столб руды и угля высотой около 1 м. Сам процесс восстановления окиси железа в металлическое железо протекает при довольно низкой температуре: от 400 до 900°. Кроме восстановительного процесса, нужно в печи отделить металл от породы руды, т. е. превратить ее в шлак; для этого необходима более высокая температура. Ошлакование породы руды закисью железа начинается при температуре около 1200°. А так как ошлакование породы или ее расплавление производится только закисью железа, необходимо, чтобы столь высокая температура была во всем объеме шахты печи. Если же в печи температура будет ниже, то закись железа, образовавшаяся из окиси железа, перейдет в металлическое железо, зерна которого останутся внутри нерасплавленной твердой породы руды. В нижней части печи, где скапливаются отдельные зерна железа, чтобы довести их до сварочного состояния, температура должна быть еще выше (около 1300–1400°).
Чтобы получить такую высокую температуру, древнерусские металлурги применяли мощное искусственное дутье. Это была наиболее трудоемкая работа при варке железа. Тот же Даниил Заточник писал: «Не огнь творит ражежение железу, но надымание мешное» (Зарубин Н.Н., 1932, с. 19).
Дутьевое устройство состояло из воздуходувных мехов и огнеупорных сопел, которые подводили воздушную струю в печь. Сопла являются частой находкой на металлургических комплексах.
Сопла встречены только в обломках и представлены тремя видами: цилиндрическими, призматическими и конусообразными (табл. 91, 4–7). Диаметр дутьевого канала у всех сопел был один и тот же: он колебался от 2,2 до 2,5 см. Наружный диаметр цилиндрических сопел равен 5,5–6,0 см. У призматических сопел наружный размер тот же. Судя по этнографическим материалам XVIII–XIX вв. сопла достигали длины 40–60 см. Делались они из глины со значительной примесью песка, шамота и очень мелкой гальки. Интересно отметить однообразие размеров дутьевого канала у всех древнерусских сопел. Сопло служило лишь одну-две плавки. При разборке отверстия в груди печи оно часто разбивалось.
Железные руды, пригодные для производства железа в домницах, на территории Руси были распространены почти повсюду (Рыбаков Б.А., 1948, с. 124). По химическому составу в подавляющей массе это были бурые железняки. В зависимости от происхождения руда встречается в трех основных видах: собственно бурый железняк, болотная или луговая руда и озерная руда. Наиболее широко металлурги применяли болотную (луговую) руду.
Для сыродутного процесса, дающего высокожелезистый шлак, нужна очень богатая железом руда, так как большой переход железа в шлак обуславливается самим процессом производства железа, при котором ошлакование породы руды производилось закисью железа. Для получения высокого концентрата железные руды, идущие в «варку», древнерусские металлурги обогащали, т. е. удаляли из них пустую породу.
Эта операция — очень важное техническое условие производства железа в сыродутных печах. Для обогащения руды применялись следующие приемы: просушка (выветривание), обжиг, размельчение и проветривание.
Высокую температуру и обилие окиси углерода при горении в сыродутной печи может давать только высококалорийное топливо. При этом топливо должно быть и легко добываемым. Таким топливом в Древней Руси был древесный уголь. Обилие лесов и простота углежжения обеспечивали русскую металлургию дешевым и качественным топливом. Пережог дров на уголь совершался в лесах в угольных ямах.
Крица железа, вынутая из горна после окончания варки, имела рыхлую губчатую структуру и была пропитана жидким шлаком. Ее требовалось обжать, освободить от шлака и окончательно сварить в монолитный кусок железа. Проковку крицы производят сразу же после окончания сыродутного процесса, пока крица еще нагрета. Обжатие крицы производили большими деревянными молотами или молотом с каменным бойком на деревянном чурбане или на плоском камне.
Товарным крицам металлурги придавали округлую лепешкообразную форму. Вес криц колебался от 3 до 6 кг. Наиболее распространенными и массовыми были крицы весом в 3 кг. Их размер был по диаметру 14–16 см и толщиной 5–6 см (табл. 91, 8, 9).
Древнерусских товарных криц среди археологического материала найдено очень мало. Это вполне попятно. Но археологи очень часто в полевых отчетах и публикациях упоминают о находках на тех или иных памятниках железных криц. При проверке в большинстве случаев это оказываются лишь большие бесформенные или округлые куски железного шлака, ошибочно принимаемого за готовую продукцию печей.
Поставляемые металлургами потребителям товарные крицы не представляли еще собой монолитных кусков металла, пригодного к кузнечной обработке. Товарные крицы были сырыми полуфабрикатами, которые нужно было еще доводить, т. е. проковывать до металлического монолита. Это делали кузнецы города и деревни. Металлографический анализ нескольких товарных криц с городища Родень и из Новгорода из слоев XIII и начала XIV в. показал очень неоднородное губчатое строение. Кроме металла (феррита), крицы содержали большое количество пустот и шлаковых включений.
Товарные крицы у городских кузнецов шли в дальнейший передел на полуфабрикаты. Основной задачей таких переделов было окончательное уплотнение и сварка в монолит металла, максимальное освобождение от шлаковых включений. Среди древнерусского археологического материала нам известна лишь одна находка такого полуфабриката железа. На древнерусском городище в Васильковском районе на Киевщине найдено 5 экз. железных дисков (Колчин Б.А., 1953, с. 45). Диаметр диска равнялся 17 см, толщина в середине 1,6 см, вес 1,75 кг (табл. 91, 10). Металлографический анализ на поперечном сечении диска обнаружил однородную ферритную структуру средней зернистости со шлаковыми включениями очень мелких фракций, т. е. обычную структуру сыродутного железа (Колчин Б.А., 1953, с. 45).
Говоря о чистоте кричного железа, не нужно забывать, что оно вследствие своего сыродутного происхождения всегда пронизано тем или иным количеством шлаковых включений. В древнерусском металле на изделиях количество шлаковых включений по весу в среднем не превышает 1 %, лишь иногда достигая 2–3 %. Для характеристики сыродутного железа в отношении шлаковых включений это достаточно чистый металл. По чистоте шлаковых включений древнерусское железо не уступало сварочному железу XIX в. (Колчин Б.А., 1953, с. 48).
Влияние шлаковых включений на механические качества металла выражалось в незначительном уменьшении временного сопротивления на разрыв. Для условий эксплуатации железа в Древней Руси это практически не имело никакого значения.
Наряду с железом в Древней Руси очень широко применялась углеродистая сталь. Рабочие элементы режущих орудий труда, оружия, инструментов изготовлялись из стали, т. е. сплава железа с углеродом. Древнерусские письменные памятники сталь упоминают под термином «оцел». По сравнению с железом сталь обладает повышенными физико-механическими свойствами. Увеличение содержания углерода в стали повышает ее твердость и прочность, но особенно значительно улучшается ее качество путем термической обработки. Закалка и закалка с отпуском повышают твердость и улучшают другие механические свойства стали.
Металлографический анализ стальных изделий Древней Руси обнаружил три вида стали, которую применяли древнерусские кузнецы. Первый вид — это цементованная (томленая) сталь с однородным строением и равномерно распределенным по всей массе металла углеродом. Второй вид — сталь сварочная, неоднородного строения, иногда с ферритными (чисто железными) полями и разными концентрациями углерода. Третий вид — сталь сырцовая слабо и неравномерно науглероженная, которая при определенных условиях могла получаться непосредственно в сыродутной печи.
Первые два вида структуры стали — это два специальных способа производства, две разных технологии ее получении. Первый способ производства цементованной стали заключался в следующем. В огнеупорный сосуд (муфель-горшок), сделанный из глины, после предварительной подготовки насыпали карбюризатор — обычно мелко истолченный древесный уголь с какими-либо добавками (поташ, соль); затем в сосуд клали железо в виде небольших брусков, полос или иных полуфабрикатов и засыпали доверху тем же карбюризатором. Сосуд закрывали и ставили в кузнечный горн и довольно длительное время поддерживали огонь. При температуре немного выше 910°, когда муфель, уголь и железо накаливались, углерод из угля диффундировал в железо, превращая его в железо-углеродистый сплав — сталь. При втором способе производства сварочной стали в обычный кузнечный горн клали железную крицу, засыпали ее древесным углем и производили нагрев. При температуре немногим выше 900° углерод диффундировал в железо. По прошествии определенного времени мастер вынимал из горна крицу и охлаждал ее в воде. Сталистая поверхность крицы при быстром охлаждении получала закалку и хрупкость. После этого ударами молота от крицы отделяли хрупкую стальную корку. Подобную операцию проделывали до тех пор, пока вся крица не превращалась в стальные пластины, затем эти пластины укладывали в бруски и обычным способом сваривали (Колчин Б.А., 1953, с. 51).
