Luyện sắt: lò đất, than củi và khối sắt xốp đưa loài người vào thời đại đồ sắt | Viết bởi TMC26

Theo Britannica, sắt chiếm khoảng 5% khối lượng vỏ Trái Đất, nhiều thứ tư sau oxy, silic và nhôm. Vậy mà con người dùng đồng và đồng thau hàng nghìn năm trước khi sắt trở thành kim loại thông dụng. Lý do nằm ở nhiệt độ: luyện sắt từ quặng khó hơn nhiều so với đồng, và phải có một kiểu lò riêng thì loài người mới bước sang thời đại đồ sắt.

Những đồ sắt cổ nhất được biết tới làm từ thiên thạch, một hợp kim sắt và niken tự nhiên. Theo Wikipedia, chín hạt chuỗi bằng sắt thiên thạch tìm thấy trong các ngôi mộ ở Gerzeh, Ai Cập, có niên đại khoảng năm 3200 TCN. Sắt kiểu này hiếm đến mức có lẽ còn đắt hơn vàng. Người Hittite ở Anatolia, vùng nay thuộc Thổ Nhĩ Kỳ, từng đổi sắt lấy bạc với người Assyria theo tỷ lệ một phần sắt ăn 40 phần bạc.

Con dao găm lưỡi sắt chuôi vàng tìm thấy giữa lớp vải quấn xác ướp của pharaoh Tutankhamun (mất năm 1323 TCN), trưng bày tại Bảo tàng Ai Cập ở Cairo. Sắt thời đó hiếm và quý, phần lớn lấy từ thiên thạch

Cuối thời đại đồ đồng, sắt vẫn là đồ của vua chúa. Mộ pharaoh Tutankhamun có 19 món bằng sắt thiên thạch, trong đó có một con dao găm lưỡi sắt chuôi vàng. Muốn có sắt đủ rẻ để làm lưỡi cày hay lưỡi liềm, người ta phải học cách lấy nó ra từ đất đá.

Lò không đủ nóng để làm sắt chảy

Đồng nóng chảy ở 1.085 °C, thiếc chỉ ở 232 °C, nằm trong khả năng của các lò thời đồ đá mới. Sắt nguyên chất chảy ở 1.538 °C. Theo Britannica, các lò thời cổ không nóng hơn khoảng 1.150 °C, vì vậy thợ luyện không thể nấu chảy sắt rồi đổ khuôn như đúc đồng thau. Họ phải tìm cách tách sắt ra khỏi quặng khi nó vẫn ở thể rắn.

Lời giải là lò luyện kiểu bloomery. Theo Wikipedia, đây là một cái hố hoặc ống khói có thành bằng đất sét hay đá, gần đáy có ống dẫn gió nối với ống bễ. Thợ luyện đốt nóng lò bằng củi rồi chuyển sang than củi, sau đó đổ quặng đập nhỏ cùng thêm than vào từ miệng lò, tổng lượng than và quặng thường xấp xỉ nhau.

Một lò luyện sắt kiểu cổ dựng lại bằng đất sét, đang đốt trong một buổi trình diễn kỹ thuật luyện kim xưa. Than củi và quặng được đổ vào từ miệng lò

Than cháy thiếu oxy sinh ra khí CO. Khí này lấy oxy ra khỏi oxit sắt trong quặng, để lại sắt kim loại dù quặng không hề nóng chảy. Đất đá lẫn trong quặng thì chảy thành xỉ lỏng và đọng xuống đáy. Các hạt sắt nhỏ rơi xuống, dính vào nhau thành một khối xốp xen đầy xỉ, gọi là bloom. Theo Britannica, một khối như vậy có thể nặng tới khoảng 5 kg.

Nện búa và thấm than: từ sắt mềm tới thép

Khối sắt xốp chưa dùng được ngay. Thợ rèn phải nung nóng và nện búa nhiều lần để ép kín các lỗ hổng và đẩy xỉ ra ngoài. Kết quả là sắt rèn, dễ uốn nhưng khá mềm. Bước ngoặt là kỹ thuật thấm than. Theo Wikipedia, thợ rèn ở Trung Đông phát hiện rằng nung món đồ đã rèn trong một lớp than củi rồi nhúng nhanh vào nước hoặc dầu sẽ biến lớp ngoài thành thép cứng, trong khi lõi vẫn là sắt dẻo, ít giòn. Wikipedia nhấn mạnh chỉ khi làm được thép, công cụ và vũ khí sắt mới cứng và nhẹ hơn đồng thau.

Khối sắt xốp vừa lấy ra khỏi lò, còn đỏ rực, sắp được nện búa để ép chặt và đẩy xỉ ra ngoài. Ảnh từ một dự án khảo cổ thực nghiệm của Đại học Mary Washington (Mỹ) năm 2006

Huyền thoại về bí mật của người Hittite

Từng có giả thuyết phổ biến rằng người Hittite độc quyền kỹ thuật luyện sắt, sức mạnh đế quốc của họ dựa vào đó, và khi đế quốc sụp đổ cuối thời đồ đồng, các Dân tộc Biển đã mang bí quyết đi khắp vùng. Theo Wikipedia, ý tưởng này nay không còn được giới nghiên cứu chấp nhận vì không có bằng chứng khảo cổ. Số đồ sắt thời đồ đồng ở Anatolia tương đương số tìm thấy ở Ai Cập cùng thời, và chỉ một ít trong đó là vũ khí. Những mảnh sắt sớm có pha carbon lại được tìm thấy ở Kaman-Kalehöyük, Thổ Nhĩ Kỳ, trong lớp đất có niên đại khoảng năm 2200 tới 2000 TCN, trước cả đế quốc Hittite.

Đồng thau cần đồng và thiếc, trong khi thiếc hiếm và phải chở qua những quãng đường rất xa. Quặng sắt thì có ở nhiều nơi. Một giả thuyết cho rằng biến động cuối thời đồ đồng làm đứt các tuyến buôn thiếc, buộc thợ thủ công chuyển sang sắt, dù Wikipedia ghi nhận chưa có bằng chứng rõ ràng về việc thiếu thiếc khi đó. Dù nguyên nhân là gì, khi kỹ thuật lan rộng và giá thành giảm, đồ sắt rèn đã thay hẳn đồ đồng thau đúc.

Theo Britannica, thời đại đồ sắt bắt đầu ở Trung Đông và đông nam châu Âu khoảng năm 1200 TCN. Công cụ sắt sản xuất quy mô lớn kéo theo kiểu định cư lâu dài hơn, và vũ khí sắt lần đầu đến tay số đông. Lò bloomery còn được dùng thêm hàng nghìn năm. Phải tới thế kỷ 15, lò cao đủ nóng để nấu chảy sắt mới xuất hiện ở châu Âu và dần thay thế nó.

Nguồn: Britannica: Iron Age , Britannica: Iron processing, History , Wikipedia: Iron Age , Wikipedia: Ferrous metallurgy , Wikipedia: Bloomery