Из черного – в белое или Путь Меча II

Сразу сделаю важную оговорку: все представленное является глубоко субъективным и очень сильно упрощенным взглядом на вещи. Ибо, если погружаться в важные нюансы, нижележащий текст рискует разрастись до миллионов знаков. Поэтому придется упрощать.

====================================== 

Итак, мы увидели возможности и ограничения, которые геология, строение и история Японских островов дают местной металлургии с точки зрения сырья. Теперь попробуем заглянуть в то, как местная сумма технологий распоряжается доступными ей ресурсами. Сырье для стали добывается по технологии аналогичной россыпному золоту, так что железо на островах заслуживает к себе совершенно особого отношения и занимает важное место в культуре местного населения. А сталь из этого сырья создается не столько огнем, сколько человеческим терпением и упорством.

Купель драгоценной стали

Процесс получения традиционной японской стали по-своему уникален. На первый взгляд, он примитивен (но об этом мы поговорим позже), мало изменившись с древнейших времен, но на деле он полностью определяется геологией и экологией и ничего примитивного в нем нет. «Предки не дураки были» (с).

Все во всех смыслах крутится вокруг прямоугольной печи-ванны, которая называется татара. Кандзи пишется вот так: 鑪 (заметьте, насколько древний и значимый термин – отдельный знак!), а хираганой, «по-современному» たたら. Техпроцесс – татара-буки, 鑪吹き «выдувание в печи/плавка».

Сама по себе татара представляет собой нечто вроде корыта из смеси на базе особого сорта глины, с высокими стенками. Размеры этого устройства могут разниться, от детской ванночки до промышленного контейнера с соответствующей разницей в толщине стенок, количеством поддувал и фурм и т.п., однако примерно неизменными остаются пропорции, которые в целом совпадают и у 100-кг и у 10-т печей. Сама по себе татара - строго одноразовая. Каждая плавка – это весь ее жизненный цикл, от рождения до перерождения, что, в общем-то вполне соответствует японскому взгляду на бытие.

Несмотря на сравнительно простую базовую конструкцию, в татаре есть огромное количество различных тонкостей, большинство из которых носит не декоративный, а глубокий технологический смысл. Можно сказать, что там есть большое «набегание тонкостей»: количество нюансов таково, что вместе они, умножаясь, начинают иметь радикальный эффект. Она во всех смыслах напоминает айсберг – физически и технологически в ней больше скрытого, чем видимого.

К примеру, огромное значение имеет организация правильной сухой теплоизолирующей подушки под татарой. Если ее не создать, то эффективность понизится и жар начнет утекать, роняя температуру на считанные градусы, но именно этих градусов вам и не хватит.

По большому счету, три четверти объема работ и искусства мастеров в татаре закопаны в землю, «корыто» как таковое – надстройка, одноразовый тигель для плавки, а вот основание использовали десятилетиями. Оно называется тэнбин, «весы» - потому что это работает как самоподдерживающаяся система, которая сама себя осушает и согревает в процессе. По сути своей это что-то вроде огромного гибрида термоса и сушильного шкафа. Именно на нем возводится «корыто» - активная зона.

Для начала копается котлован глубиной порядка 3-4 метров и столько же в ширину. Землю под рытье тоже подбирают не наобум, а чтобы удовлетворяла требованиям к организации «ложа» (плотность, сухость, размер фракции и т.п.). В котлован лягут три конструктивных технологических слоя:

1. Дренаж – хондоко (本床). Пространство заполняется округлыми булыжниками и гравием, чтобы впитывать и отводить влагу.
2. Водоотводные каналы – котацу (小達) Прокапываются и укрепляются стенки камнем или керамикой, их главная роль – уводить от основания грунтовые воды и сырость.
3. Теплоизоляция - маса (真砂). Поверх засыпается чуть не на локоть смесь древесного угля, железного песка и специальным образом измельченной сухой глины. Эта подушка нарушает связь между основанием татары и окружающим грунтом, не давая теплу в работе уходить, и не пропуская к телу печи внешний холод от грунта. Также вниз засыпается сухой песок.
4. Продухи. В подушке выкладываются продольные каналы, в них циркулирует разогретый от самой печи воздух, который, во-первых, сушит подушку, во-вторых, прогревает внутренние слои, нарушая температурный градиент и мешая теплу утекать наружу.

Когда все это готово, поверх возводится сам «тигель».

Он представляет собой прямоугольную конструкцию в виде корыта. Традиционный размер на одну крупную плавку это порядка 2,7-3 м в длину, 0,85-1,1 м в ширину, в высоту – по грудь среднему японцу, т.е. порядка 1,1 м. Стенки делаются в сечении клиновидными, у основания их толщина получается порядка 300 мм, так что «корыто» внутри сужается от краев к дну (поду).

Лепится все из смеси сырой достаточно огнеупорной глины с размолотым предыдущим «корытом», руками, с подмесом иногда во внешние слои глины «арматуры» в виде резаной рисовой соломы. Потом «корыто»  просушивается, сперва само, потом за счет разведенного в нем костра. Занимает это при каждой плавке порядка 4-5 дней.

Роль глины двоякая: во-первых, она работает механически как стенки чаши, удерживая материалы и тепло внутри, во-вторых, постепенно подплавляясь в процессе, она отдает оксид кремния материалу внутри, вымывая и растворяя шлак из самого песка, создавая жидкий легкотекучий шлак. В ходе плавки стенки худеют настолько, что, когда все закончено, материала остается примерно на три пальца толщины. Этот плавящийся слой – яки-хада («горящая оболочка») – во многом определяет успех плавки.

Понизу длинных сторон «корыта» проделываются отверстия ходо-ана (火床穴), обычно порядка 20 штук, в которые вставляют керамические фурмы киро-кан (木呂管), через них печь наддувается воздухом.

Печи и стали в ней нужно дышать и дышать помногу. Ради этого создана воздуходувная система на основе ножных мехов-фуйго (風鞴 / ふいご). Именно они стали одним из самых капитальных изобретений японцев – громадные стационарные мехи, приводимые в действие чем-то вроде двуплечего рычага, который ногами нажиают рабочие с двух сторон, как на качелях. Стандартно мехи устраивали парами по длинным сторонам от татары, отделяли стенкой, чтобы рабочих не сожгло жаром от печи, воздух шел в трубу на каждую сторону, а там распределялся по фурмам и для каждой из них поток регулировался отдельно, чтобы держать в печи ровную температуру по всему ее объему.

Короткие стенки «корыта» заняты отверстиями для выпуска шлака (нородаси – норо-шлак, даси – спускать, выливать), они ставятся вровень с подом. Фишка процесса в том, что при плавке в татаре образуется огромное количество силикатного шлака (фактически – стекла), который нужно постоянно сливать, чтобы он не залил фурмы и не задушил печь. Поэтому у мастера-мурагэ есть такой специальный тонкий ломик, которым он пробивает отверстия для шлака и сливает раскаленную жидкость в засыпанные песком приямки. Это приходится делать каждые несколько часов (и в процессе это может делаться десяток раз).

И вот со всем этим богатством мы попытаемся взлететь и сотворить магию превращения из черного песка в светлую сталь.

Несколько слов о волшебстве

По-японски, процесс получения конечного продукта в татаре называется кэра-оси. Процесс относится к технологической ветке прямого получения железа, он же сыродутный способ. Жидкий чугун при этом целенаправленно не выплавляется. Вместо этого в результате восстановления исходной руды получается твердая, пористая масса — кэра (鉧), по русски - крица. Термин сыродутный, появившийся уже в индустриальную эпоху, означает, что воздух в активную зону подается без осушения и подогрева.

При этом не стоит считать традиционные технологии единственными и неизменными ни на сун. Есть еще один исторический метод, дзэко-оси, отдаленно напоминающий доменный процесс (явно позаимствованный у китайцев), нацеленный на производство жидкого чугуна. Однако «драгоценную сталь» для мечей получали именно сыродутным методом.

У японского процесса есть несколько сходств с европейским сыродутным процессом – но и несколько специфических отличий.

Сходство в том, что как обычно для сыродутного процесса, в ходе работы татары железо не становится жидким, максимум достигая плотности геля. Внутри татары держится порядка 1200-1500 С (в среднем чуть выше типовой европейской «короткой» сыродутной печи, с оптимумом порядка 1350-1425 С) за счет агрессивного дутья и достаточно «легкого» топлива, что достаточно для плавления шлака, но ниже температуры плавления чистого железа, 1538 С. Поэтому металл из оксида восстанавливается угарным газом в форме этакого полужидкого студня и плавно просачивается вниз, в процессе еще дополнительно науглероживаясь.

Внизу, на подложке из раскаленного угля, железный студень слипается в массу, в которой есть сталь, железо, чугун, кусочки древесного угля, шлак и т.п. Эта губчатая структура и есть кэра. Шлак легче, основной его объем выжимается наверх, его периодически надо спускать, чтобы он не жрал тепло и не мешал железному студню мирно слипаться в поде.

Различие в том, что «короткие» сыродутные печи в Европе были настроены на выгонку из руды очень низкоуглеродистого мягкого железа, которое потом перерабатывали насыщением углеродом в отдельном процессе. Японцы дошли на той же технологической базе до управляемого насыщениея углеродом. За счет управления подачей воздуха и пропорциями шихты, они получали прямо в сыродутной печи высокоуглеродистую сталь.

Что уходит в печь и кто тут тупой

Типовой техпроцесс плавки в татаре подразумевает коэффициент где-то между 1:1 и 1:1,1 по весу железного песка и угля. По объему с учетом плотности того и другого – можете прикинуть какие там были угольные бункера. Если задать больше угля, есть риск сварить дзуку – хрупкий чугун. Если задать меньше угля – на дне вместо крицы будет шлак с каплями металла и недовосстановленным песком.

Типовая загрузка для упомянутой выше трехметровой татары – 10-11 тонн сатэцу на 12-13 тонн угля.

Татара питается японским углем суми, точнее – куродзуми, особым сортом легкого угля, который углежоги делали по специальной технологии обжига (запекание в течение 6-7 суток в специальных глиняных емкостях-печах размером с небольшой домик с минимальным доступом кислорода). Механика похожа на европейские угольные ямы, но конечный продукт немного чище и «звонче». На создание одной такой печи-домика требовался труд 40 людей в течение 2 недель. Чтобы нормально запитать одну татару в производственном цикле требовалось задействовать не менее 20 таких установок.

Делали уголь целые кланы ямако, «горных людей», которые занимались этим круглый год. Цикл был замкнут, а области такой добычи леса назывались сатояма (里山) «горная деревня». На уголь шли красная сосна (акамацу) и мягкий дуб (кунуги), в возрасте 30-35 лет. Деревья выбирали, срезали, оставляя пень, от которого отрастали побеги, а через 30 лет возвращались за ними. Сам цикл называли хокаба. У одной общины было не менее 30 участков, которые ротировались каждый год. Так что ресурс был полностью возобновляемый.

Кроме того, активно велось лесонасаждение, чтобы обеспечить запасы топлива и стройматериалов. На это было особое благоволение местных князей, а в эпоху Эдо – это стало централизованно контролируемой политикой.

В результате обработки получалось два сорта угля – различались по размеру:

• О-дзуми – крупный уголь, который в основном шел как раз в татары, кусками от кулака и больше, дополнительно колотый в ровный размер
• Ко-дзуми – мелкий уголь, примерно с грецкий орех, для кузнецов и других ремесленников, а также как «зажигание» для татары.

А теперь – НЕНАВИСТЬ!

Отдельные особо продвинутые люди любят рассказывать про «японцы тууууууупыыыыые!», потому что по их мнению их металлургия осталась на технологическом уровне 2-го тысячелетия до нашей эры и они не перешли на более «прогрессивные» методы выплавки железа. С определением вполне согласен, с адресатом определения -  нет. Тупыми в этой ситуации являются как раз критики, говорящие с высоты своего проперженного дивана могучего опыта.

Технология татары – это максимум, который можно выжать в имеющихся геологических и экологических условиях с имеющимся сырьем. Основная проблема «отсутствия прогресса» скрыта в японской шихте – песок-сатэцу, который весьма мелок, при попытке плавить его в «высоких» европейских печах не будет нормально оседать и восстанавливаться на высокой тяге, а банально налипнет на подплавленные стенки и забьет фурмы. Татара, с ее более спокойными потоками газа внутри – это оптимальное решение, которое в историческом процессе «разогнали» до максимально возможного потенциала. Так что не стоит критиковать людей, которые с крайне сложным и неблагодарным в работе сырьем добились таких результатов. По-другому, увы, не получится.

72 часа в пекле

Итак, печь вылеплена,  просушена и запитана от воздушной системы. Запасено достаточно черного песка и угля.

Мастер-мурагэ и его подручные провели все очистительные ритуалы, обвешали площадку амулетами, запаслись поддержкой добрых сил, водой и едой. Рабочие замерли, ожидая команды. Сейчас дважды хлопнут в ладоши, привлекая внимание духов и начнется процесс, который займет трое суток и который нельзя прерывать ни на минуту.

Искусство мастера состоит в том, чтобы понимать цвет пламени и стенок корыта, а также за счет музыкального слуха определять по звуку пламени и воздуха в трубах прогрев и насыщение татары кислородом,  Именно так он контролирует горение и ровность нагрева, чтобы добиться восстановления железа и насыщения его углеродом от 0,5 до 1,5%, управляя температурой и ходом восстановительного процесса. Воздух и подачу шихты он контролирует авторитетом, заслонками и тяжелой рукой для особо недалеких.

Что ж, поехали, есть зажигание.

Люди на мехах затанцевали, нагоняя воздух. Избыток угля (тот самый 0,1 перевеса в пропорции) уходит на прогрев и подплавку стенок для начала процесса восстановления железа и производства стали.

Дальше каждые в среднем 10-12 минут помощники отмеренными равными по массе порциями засыпают сверху слой угля и слой черного песка. Строго равномерно. Все тонны. Трое суток подряд.

Когда процесс идет идеально правильно, из верхней части печи должно вырываться буйное, яркое пламя золотисто-желтого оттенка. Мастера называют его Ямабуки Босэ 山吹暴せ «пламя цвета дикого золота/цвета лепестков керрии» или Кивада Босэ 黄肌暴せ — «пламя цвета осенней листвы бархата амурского».

По цвету огня мастер читает, что происходит внутри печи.

Золотисто-желтый означает оптимальное соотношение воздуха, песка и топлива. Восстановление идет эффективно при идеальной температуре 1300– 1500°C и на выходе будет добрая сталь. 

Пурпурный, синеватый, «черное пламя» (Куро Босэ) - передоз железного песка. Он «душит» зону горения и сбивает температуру. В этот момент засыпку песка прекращают и добавляют древесный уголь.

Красновато-оранжевый (Ака Босэ): тощая смесь, в активной зоне не хватает железа, уголь прогорает впустую, температура растет, есть риск перенасыщения уже восстановленного железа углеродом и вместо стали будет чугун.

У правильно работающей печи - специфический звук. Мастера ориентируются на две основных «мелодии». Работающая печь яростно кипит и шипит - это звук с которым сатэцу плавится, оксид железа отдает кислород, а пустая порода плавится в шлак. Его описывают его как глухой скрежет, шипение и потрескивание, похожее на бурное кипение воды или шкворчащее на сковороде масло. Также на слух проверяют поступление воздуха и работу фурм. Из них должен идти непрерывный низкий ревущий гул, что значит, воздух идет ровно и насыщает весь объем. Если вдруг слышится свист или писк, это означает, что одно из отверстий забилось шлаком или углем, его тут же прочищают ломами.

Внутри все проходит по хорошо знакомому циклу восстановления железа угарным газом. Мастер периодически сливает шлак, пробивая и шуруя боковые отверстия. 

Если шлак умеренно-вязкий (сиропная вязкость) и ярко светится золотисто-оранжевым, то внутри все оптимально. 

Если шлак слишком жидкий и течет как вода, с брызгами и почти не светится - значит либо упала температура в печи, либо передоз железа, которое не успевает восстановиться, уходит в шлак и разжижает его, не превращаясь в сталь. Мастер временно прекращает подачу железного песка и дает команду на подачу только угля и подкачку воздуха, чтобы снова поднять жар до оптимального диапазона. 

Если шлак, наоборот, «ленивый», тускло-красного оттенка и плохо течет, это значит, что печь перегрета, температура ушла за 1450 С, в шлаке нет железа (оно полностью восстановилось, остался один тугоплавкий кремнезем). Такой шлак легко забивает летки и фурмы, удушая печь. Кроме того, есть риск перенасытить железо углеродом и вместо тамахаганэ получить чугун. Нужно подать больше сатэцу, чтобы восстановить баланс и убрать лишнее тепловыделение, чуть прибрав подачу кислорода.

И так - трое суток подряд, в несколько смен. Для мастера – практически без сна, для всех - с едой на бегу и капитальным прогревом всего организма. Пьют много воды, носят специальную одежду.

Когда все, чему положено сгореть (а это в сумме порядка 25 тонн исходных материалов), сгорит, подачу воздуха прекращают и печь останавливается сама собой. Бригада крюками и двуручными киянками разбивает и растаскивает истончившиеся стенки (их потом перебьют и перетолкут, подмешают к новой глине для новой татары), чтобы добраться до раскаленного сокровища внутри. Там лежит и рдеет громадная, около 2 с небольшим тонн, пористая железно-стальная губка – кэра.

Первый шаг к стали. Намерение меча.