Начнем с руды. Российская черная металлургия изначально находилась в неравных условиях с европейскими странами. В Европе основным сырьем для получения железа (чугуна) служит магнитный железняк (70% железа) и красный железняк (60% железа), но на европейской части России и в Тульском регионе в частности такой руды нет, а есть только бурый железняк, содержащий не более 40% железа. Даже на Урале основную массу руды составляет именно бурый железняк. Можно вспомнить Курскую магнитную аномалию (КМА), вот только открыта она была в 1931 году и глубина залегания породы более 200 метров, что явно не для техники XVII века.
Понятно, что чем меньше содержание железа в руде, тем больше примесей, а значит и качество ниже. Образно говоря, если европейские металлурги использовали руду 1-го (магнитный железняк) и 2-го (красный железняк) сорта, то российским приходилось довольствоваться 3-им сортом (бурый железняк).
Теперь про уголь. Самый качественный древесный уголь получают из твердых пород (дуб, бук, ясень и т.д.), именно он обладает высокой твердостью и дает наивысшую температуру. Беда в том, что таких лесов, пригодных для жжения угля, на территории России нет (полная аналогия с рудой). Поэтому приходилось использовать березу, а, как правило, хвойные породы (ель, сосна). Уголь получался низкого качества — он был менее прочным и давал более низкую температуру.
Есть такая поговорка: «третий сорт — не брак» — это как раз про наш случай. Вроде бы и сырье плохое, но, поскольку ничего другого нет, приходиться довольствоваться тем, что есть. Вот только понятно, что используя сырье третьего сорта (бурый железняк + хвойный уголь), нельзя изготовит продукт высокого качества, как бы мы не старались.
Простой пример. Именно шведы отливали в XVII веке самые качественные чугунные пушки. Зачем что-то придумывать, ведь пушка XVII — XVIII веков это не космический корабль, а все лишь чугунная болванка, стоимость которой и определяется в пудах. Возьми шведскую пушку и отлей такую же, один в один, что может быть проще? Вот тут и мы и подходим к понятию разницы в качестве металла (чугуна). Отлить пушку по готовому шведскому образцу несложно, вот только эта пушка сможет сделать всего один выстрел — первый и последний. Ее просто разорвет! И дело здесь не в том, что у наших мастеров руки растут не оттуда, а в качестве сырья.
Даже при современных технологиях получить из бурого железняка чистое железо (чугун) без примеси фосфора сложно и дорого, что уж говорить о XVII — XVIII веках. Фосфор сильно влияет на качество чугуна — он увеличивает твердость, заметно понижая упругость и вязкость. Проще говоря: из такого чугуна можно отлить великолепную декоративную решетку, но, вот изготовить хорошую, качественную пушку нельзя. Но ведь отливали пушки из этого чугуна? Да, отливали, а куда деваться, другого-то нет. Отлить пушку можно из любого чугуна, вопрос в том, сколько она будет весить и какова будет ее скорострельность? Чем ниже качество чугуна, тем толще должны быть стенки ствола, тем тяжелее будет сама пушка, что резко снизит ее мобильность и скорострельность.
Понятно, что при таких исходных данных никакого превосходства российская черная металлургия перед Европой иметь не могла и не имела.
Практически весь XVIII век английские металлурги работали над проблемой замены древесного угля на каменный. К середине XVII века все отрасли английской промышленности, ранее использовавшие в качестве топлива дрова и древесный уголь, вынуждено перешли на каменный уголь, и только черная металлургия не смогла этого сделать по технологическим причинам. Использовать каменный уголь в «сыром» виде было нельзя из-за наличия вредных примесей (в основном серы), которые, растворяясь в металле, делают его хрупким. Сера образует с железом легкоплавкое соединение FeS, которое при последующей горячей механической обработке (ковка) плавится, что вызывает потерю связи между зернами металла, и изделие просто разваливается на части.
Для того чтобы удалить серу решили пойти тем же путем, что и при получении древесного угля, т.е. нагреть каменный уголь без доступа воздуха. Именно так и получили кокс, правда, избавиться от присутствия серы все же не удалось. Но, это уже был прорыв, поскольку кокс в отличие от угля сгорает без копоти и неприятного запаха, что быстро оценили английские промышленники. Многие производства отказались от каменного угля, и перешли на кокс, но проблемы черной металлургии так и не были решены, поскольку, как оказалось, экономически эффективными методами удалить серу из угля невозможно.
Только в 1735 году английскому металлургу, Абрахаму Дарби, удалось, наконец, решить эту проблему. Он усовершенствовал технологию плавки, обеспечив переход серы в шлак, и получил первую партию довольно качественного чугуна с применением каменноугольного кокса. Это была победа, которая открывала просто фантастические перспективы для развития черной металлургии.