Versuche zur Raseneisenerzverhüttung Pokusy o tavení bahenní železné rudy

Experimente

Versuche zur Raseneisenerzverhüttung Pokusy o tavení bahenní železné rudy Thomas Puttkammer

Die Anfänge der Eisenverarbeitung Eisen gehört zu den wichtigsten metallischen Werkstoffen und hat entscheidend die Entwicklung der menschlichen Geschichte beeinflusst. In den Frühzeit der Eisennutzung wurde zunächst gediegen vorkommendes Eisen aus Eisenmeteoriten mit hohem Nickelgehalt verarbeitet. Möglicherweise geschah das schon im 6. Jahrtausend v. Chr. im Vorderen Orient. Datierbare Belege stammen aber erst aus dem 4. Jahrtausend v. Chr., so z. B. aus El Gerzeh und Armant in Ägypten oder aus Ur in Mesopotamien. Die Anfänge der Eisenerzverhüttung im sogenannten Rennofenverfahren sind erst viel später, im letzten Viertel des 2. Jahrtausends v. Chr., in Anatolien und in den benachbarten Ländern des Vorderen Orients zu finden. Zu jener Zeit konnte man bereits auf einen reichen Erfahrungsschatz im Metallhandwerk zurückblicken. Über Jahrtausende hatte sich durch die Verhüttung von Kupfererzen sowie durch die Bronzeverarbeitung ein immer weiter verfeinertes Metallhandwerk herausgebildet. Die Verhüttung von Raseneisenerz im Rennofenverfahren lieferte nun schmiedbares Eisen, das sich deutlich den bisher üblichen Bronzen in Hinsicht auf Verarbeitungsmöglichkeiten, Härte und Zähigkeit überlegen zeigte. Zudem war das dafür benötigte Erz weitaus einfacher zu beschaffen als Kupfer und Zinn für Bronze. Damit stand

72

Počátky zpracování železa Železo patří k nejdůležitějším kovovým materiálům a rozhodujícím způsobem ovlivnilo vývoj historie lidstva. V rané době využívání železa bylo nejprve zpracováváno ryzí meteorické železo s vysokým obsahem niklu. Dělo se tak možná již v 6. tisíciletí př. n. l. na Předním Východě. Datovatelné doklady o tom však pocházejí až ze 4. tisíciletí př. n. l., např. z Gerzehu a Armantu v Egyptě nebo z Uru v Mezopotámii. Počátky hutnického zpracování železné rudy metodou tavení v takzvané hrudkovací peci lze najít až mnohem později, v poslední čtvrtině 2. tisíciletí př. n. l., v Anatolii a v sousedících zemích Předního Východu. V té době již existovaly v oblasti kovořemesel bohaté zkušenosti. Po tisíciletí se hutnickým zpracováním měděných rud a zpracováním bronzu utvářelo kovořemeslo, které se stále zdokonalovalo. Hutnické zpracování bahenní železné rudy tavením v hrudkovacích pecích nyní poskytovalo kujné železo, které se ukázalo jako materiál, který svými možnostmi opracování, tvrdostí a houževností výrazně předčil dosud běžně používané bronzy. Opatřit si potřebnou rudu bylo navíc mnohem jednodušší, než obstarat si měď a cín na bronz. Vítěznému tažení železa tak nestálo již nic v cestě. V průběhu 9. století př. n. l. se technika hutnického zpracování železa dostala také do střední Evropy.

Pokusy

P o ku s y o t a v e n í b a h e n n í ž e l e z n é r u d y

dem Siegeszug des Eisens nichts mehr im Wege. Im Verlauf des 9. Jahrhunderts v. Chr. gelangte die Eisenverhüttungstechnik auch nach Mitteleuropa. Für die Oberlausitz können wir etwa zu Beginn des 8. Jahrhunderts v. Chr. im Zusammenhang mit der Billendorfer Kultur von der frühen vorrömischen Eisenzeit sprechen. Eisen wurde nun auch hier umfassend genutzt und zu verschiedenen Werkzeugen, Waffen und Schmuckgegenständen verarbeitet. Die Herkunft des genutzten Eisens bleibt bis zum Ende der Billendorfer Kultur im 5. Jahrhundert n. Chr. weitgehend im Dunkeln. Wahrscheinlich wurde es fast ausschließlich importiert. Abgesehen von wenigen Indizien fehlen bisher aus diesem Zeitraum eindeutige Belege für eine regionale Eisenproduktion. In den folgenden 700 Jahren lässt sich für die Oberlausitz keine nennenswerte Anwesenheit von Menschen feststellen. Erst mit Beginn der germanischen Besiedlung in der späten römischen Kaiserzeit (Ende 2. Jh. n. Chr.) wird auch erstmals ein intensiver Abbau der lokalen Raseneisenerzvorkommen und deren Verhüttung zu Eisen nachweisbar. Dieser bedeutende Wirtschaftszweig etablierte sich von da an über Jahrhunderte in der Region. Mit den gestiegenen technologischen Anforderungen an die Qualität des erzeugten Eisens in der Zeit der Industrialisierung des 19. Jahrhunderts kam die alte Tradition der Raseneisenerzverhüttung in der Oberlausitz zum Erliegen. Regionen wie Schlesien und das Ruhrgebiet produzierten nun im moderneren Roheisenverfahren enorme Mengen Eisen in gleichbleibender Qualität.

Die Oberlausitzer Erzvorkommen Raseneisenerz ist aufgrund seiner Entstehung kein Erz im strengen geologischen Sinne. Treffender wird es als Raseneisenstein bezeichnet. Seine Entstehung ist an die sauren Feuchtböden der Senken und Flussniederungen

Pokud jde o Horní Lužici, můžeme přibližně na počátku 8. století př. n. l. v souvislosti s billendorfskou kulturou hovořit o rané době železné předřímského období. Nyní se železo také zde využívalo v rozsáhlé míře a opracovávalo se na různé nářadí, zbraně a ozdobné předměty. Původ používaného železa zůstává až do konce Billendorfské kultury v 5. století n. l. značně nejasný. Železo bylo pravděpodobně téměř výhradně importováno. Nehledě na pár indicií chybějí doposud z tohoto období jednoznačné doklady o výrobě železa v tomto regionu. V následujících 700 letech nelze v Horní Lužici konstatovat žádnou významnější přítomnost člověka. Teprve s počátkem germánského osídlení v době pozdního římského císařství (konec 2. stol. n. l.) lze také poprvé prokázat intenzivní těžbu bahenní železné rudy v lokálních nalezištích a její hutnické zpracování na železo. Toto hospodářské odvětví se od té doby v regionu etablovalo na mnoho staletí. S tím, jak rostly technologické požadavky na kvalitu vyrobeného železa v době industrializace v 19. století, stará tradice hutnického zpracování bahenní železné rudy v Horní Lužici zanikla. Oblasti jako je Slezsko a Porúří produkovaly nyní obrovské množství železa, které bylo vyráběno modernější nepřímou metodou výroby surového železa a vyznačovalo se stálou kvalitou.

Výskyt rudy v Horní Lužici Bahenní železná ruda není na základě svého způsobu vzniku rudou v přesném geologickém smyslu. Výstižnější označení je směs oxidů a hydroxidů železa (něm. „Raseneisenstein” – česky limonit, starší výraz hnědel).

73

Experimente

Ve r s u c h e z u r R a s e n e i s e n e r z v e r h ü t t u n g

mit ihren schwankenden Grundwasserständen gebunden. In geringer Tiefe bildet es sich im Verlauf von mehreren hundert bis wenigen tausend Jahren in einem nur einige Dezimeter mächtigen Bereich des Bodens durch Verkleben der ausgefällten Eisen- und Manganoxide mit den Bodensedimenten. Im Vergleich zur Niederlausitz oder zu anderen Regionen beschränken sich die grundsätzlich nest- und linsenförmig ausgeprägten Raseneisenerzvorkommen der

Abb. 1 Welschgraben bei Steinbach im Lkr. Görlitz mit Ablagerungen von Eisenocker (Limonit). Obr. 1 Potok Welschgraben u Steinbachu v zemském okrese Zhořelec s usazeninami železitého okru (limonit).

74

Jeho vznik je vázán na kyselé vlhké půdy v proláklinách a říčních nížinách s kolísající hladinou podzemní vody. Tvoří se v malé hloubce v průběhu několika set až několika tisíc let ve vrstvě půdy o síle pouze několik decimetrů slepováním vysrážených oxidů železa a manganu s půdními sedimenty. Ve srovnání s Dolní Lužicí nebo s jinými oblastmi se bahenní rudy v Horní Lužici vyskytují jako čočkovitá tělesa nebo mají charakter hnízda a jejich výskyt se

Pokusy


Oberlausitz nur auf kleine Flächen von ein bis fünf Hektar, größere Vorkommen mit einer Ausdehnung von über zehn Hektar sind eine Ausnahme. Primär entscheidend für Qualität und Verwendbarkeit des Erzes im Rennofenverfahren ist die Höhe des Eisengehalts, der je nach Lokalität und Bildungsdauer selbst innerhalb einer Fundstelle erheblich von weniger als 20 bis über 80 Gewichtsprozent (Gew.-%) schwanken kann. Das Eisen liegt im Raseneisenerz neben dem Eisen(III)-oxid (Fe2O3) überwiegend als Eisenhydroxid bzw. Limonit (2Fe2O3·3H2O) vor. Letzteres wird umgangssprachlich auch als Eisenocker bezeichnet und lässt sich in vielen Bächen und Flüssen leicht als schlammige Ablagerung anhand seiner charakteristischen rostroten Farbe erkennen (Abb. 1). Die restlichen Komponenten werden von Kies, Sand oder auch Ton – also im wesentlichen von Siliziumdioxid (SiO2) – und im einstelligen oder darunter liegenden Prozentbereich von weiteren Oxiden gebildet, von denen hier nur Mangan(II)-oxid (MnO), Phosphorpentoxid (P2O5), Kalziumoxid (CaO) und Aluminiumoxid (Al2O3) genannt werden sollen, da diese Einfluss auf das Reduktionsverhalten des Erzes bzw. auf die Eigenschaften des gewonnenen Eisens haben. Eine Besonderheit des Rennofenverfahrens liegt darin, dass durch die Verhüttung nur ein geringer Teil des im Erz enthaltenen Eisens (ca. 20 Gew.-%) auch wirklich zu der gewünschten Eisenluppe reduziert bzw. als metallisches Eisen ausgebracht werden kann. Der Rest des Eisens verbleibt in der Schlacke. Untersuchungen an den alten germanischen Schlacken der Oberlausitz mit einem Resteisengehalt von teilweise weit über 55 Gew.-% (Fe2O3) zeigen das eindrucksvoll. Daraus wird ersichtlich, dass zur Eisenerzeugung im Rennofen nur sehr hochwertiges Erz mit einem Eisengehalt (Fe2O3) von mehr als 80 Gew.-% verwendet werden kann.

omezuje pouze na malé plochy od jednoho do pěti hektarů, větší naleziště o rozloze více než deset hektarů jsou výjimkou. Pro kvalitu a použitelnost rudy k výrobě železa v hrudkovací peci je v první řadě rozhodující obsah železa, který může podle lokality a podle doby, po kterou se zásoba rudy utvářela, dokonce i v rámci jednoho naleziště značně kolísat od méně než 20 do více než 80 hmotnostních procent (hm. %). Železo se v bahenní rudě vedle oxidu železitého (Fe2O3) vyskytuje převážně jako hydroxid železitý resp. limonit (2Fe2O3·3H2O). Ten bývá hovorově označován také jako železitý okr a lze ho podle jeho charakteristické rezavé barvy snadno rozpoznat v mnoha potocích a řekách v podobě bahnivého sedimentu (obr. 1). Zbývající složky tvoří štěrk, písek nebo také hlína – tedy v podstatě oxid křemičitý (SiO2) – a další oxidy obsažené v množství od 9 % až do méně než 1 %. Z nich bychom zde uvedli pouze oxid manganatý (MnO), oxid fosforečný (P2O5), oxid vápenatý (CaO) a oxid hlinitý (Al2O3), neboť ty mají vliv na redukční chování rudy, resp. na vlastnosti získaného železa. Zvláštnost metody výroby železa v hrudkovací peci spočívá v tom, že hutnickým zpracováním lze ve skutečnosti redukovat na požadovanou železnou lupu (hrudku) resp. na vytěžení metalického železa pouze malou část železa obsaženého v rudě (cca 20 hm.-%). Zbytek železa zůstane ve strusce. Působivě to ukazuje zkoumání starých germánských strusek z oblasti Horní Lužice se zbytkovým obsahem železa zčásti vysoce překračujícím 55 hm.-% (Fe2O3). Z toho je patrné, že k výrobě železa v hrudkovací peci může být použita pouze bohatá ruda s obsahem železa (Fe2O3) vyšším než 80 hmotnostních %. V jakém rozsahu byly bohaté rudy v době římského císařství k dispozici v Horní Lužici, nelze z dnešního pohledu uspokojivě zodpovědět, protože celé řemeslo

75

Experimente


In welchem Umfang hochwertige Erze in der römischen Kaiserzeit in der Oberlausitz zur Verfügung standen, lässt sich aus heutiger Sicht nur unbefriedigend beantworten, zumal uns das gesamte Handwerk des Verhüttens mit seinen Vorbereitungen, der Auswahl und Aufbereitung des Erzes etc. nur äußerst bruchstückhaft überliefert ist. Die heutigen Theorien und die damalige, über Generationen gepflegte, handwerkliche Praxis müssen nicht unbedingt übereinstimmen. Allein die Vielzahl der Schlackenfunde spricht für eine große Verfügbarkeit hoch angereicherter Erze in der Kaiserzeit. Durch den jahrhundertelangen Abbau der Erze (Abb. 2), die seit dem Mittelalter immer extensiver betriebene Landwirtschaft und nicht zuletzt durch diverse Braunkohlentagebaue sind heute viele Lagerstätten zerstört. Abgesenkte Grundwasserstände tragen zu einer schnellen Zersetzung der bestehenden Restvorkommen bei.

Abb. 2 Raseneisenerz wurde auch als Baumaterial verwendet. Hauswand aus dem 19. Jh. von Steinbach im Lkr. Görlitz. Obr. 2 Bahenní železná ruda se také používala jako stavební materiál. Domovní zeď z 19. stol. ze Steinbachu v zemském okrese Zhořelec.

76

hutnického zpracování rudy spolu s přípravami, výběrem rudy a její úpravou se nám dochovalo pouze velmi útržkovitě. Dnešní teorie a tehdejší, po celé generace pečlivě udržovaná, řemeslná praxe se spolu nemusejí bezpodmínečně shodovat. Avšak značné množství nalezených strusek svědčí o tom, že v době císařství byly ve značné míře k dispozici vysoce obohacené rudy. Mnohá ložiska jsou dnes zničena díky po celá staletí trvající těžbě rud (obr. 2), zemědělství, které bylo od středověku provozováno na stále větších rozlohách a v neposlední řadě díky různým hnědouhelným povrchovým dolům. Snížené hladiny podzemních vod přispívají k rychlému rozkladu stávajícího zbytkového výskytu rud. Zkoumání současného výskytu bahenních rud v Horní Lužici přinesla více než 200 nalezišť, přičemž v části z nich se rudy vyskytují pouze ve velmi malém množství. Obsah železa potřebný pro zhutnění

Pokusy


Untersuchungen zu den rezenten Raseneisenerzvorkommen der Oberlausitz haben mehr als 200 Fundstellen mit teilweise nur sehr geringen Vorkommen erbracht. Den für eine Verhüttung nötigen Eisengehalt weisen noch 12 Erzvorkommen auf (Abb. 4). Für weitere 19 Fundstellen konnte ein entsprechend hoher Eisengehalt als wahrscheinlich eingestuft werden. Die qualitativ besten Raseneisenerze mit hohem Eisenanteil stammen alle aus dem Oberlausitzer Heide- und Teichgebiet und im Besonderen aus der Umgebung von Luppa/Lomske im Lkr. Bautzen.

Die Germanische Besiedlung und die Verhüttungsplätze Aus der Oberlausitz sind uns heute etwas mehr als 100 germanische Siedlungsplätze der späten römischen Kaiserzeit (Ende 2. Jh. – Ende 4. Jh. n. Chr.) bekannt. Etwa die Hälfte dieser Fundstellen lässt sich nur über wenige Einzel- oder Oberflächenfunde definieren. Befriedigende Aussagen zur Größe und Struktur der Siedlungen sind daher kaum möglich. Auffällig ist, dass mit Ausnahme der Gegend um Bautzen die fruchtbaren Böden des Oberlausitzer Gefildes kaum besiedelt wurden. Stattdessen reihen sich die Siedlungen innerhalb der kargen Oberlausitzer Heide- und Teichlandschaft auffällig eng entlang der feuchten Auen und Flussläufe. Das damalige Klima war warm und nicht zu feucht. Damit entsprach es etwa unseren heutigen Verhältnissen – kälter und feuchter wurde es erst in den nachfolgenden Jahrhunderten der Völkerwanderungszeit. Das Verteilungsbild aus Siedlungen, Schlackefund- und Verhüttungsplätzen sowie rezenten Erzfundorten mit hohem Eisengehalt dürfte an einem Zusammenhang von Erzvorkommen und Siedlungsplatzwahl kaum Zweifel

vykazuje ještě 12 rudných nalezišť (obr. 4). Dalších 19 nalezišť bylo klasifikováno jako pravděpodobná naleziště s výskytem rud s přiměřeně vysokým obsahem železa. Všechny kvalitativně nejlepší bahenní železné rudy s vysokým podílem železa pocházejí z oblasti hornolužických vřesovišť a rybníků a zejména z okolí míst Luppa/Lomske v zemském okrese Budyšín (Bautzen).

Germánské osídlení a místa hutnického zpracování železné rudy Z oblasti Horní Lužice dnes známe více než 100 germánských sídlišť z doby pozdního římského císařství (konec 2. st. – konec 4. st. n. l.). Přibližně polovina těchto nalezišť lze definovat pouze prostřednictvím malého množství ojedinělých nálezů nebo nálezů z povrchových sběrů. Uspokojivé informace o velikosti a struktuře sídlišť jsou proto prakticky nemožné. Nápadné je, že s výjimkou oblasti kolem Budyšína byly úrodné půdy hornolužických plání téměř neosídlené. Místo toho jsou sídliště uspořádána v chudé hornolužické krajině vřesovišť a rybníků a leží nápadně blízko podél vlhkých niv a říčních toků. Tehdejší podnebí bylo teplé a nebylo příliš vlhké. Odpovídalo tedy přibližně našim dnešním podmínkám – chladnější a vlhčí klima přišlo až v následujících staletích v době stěhování národů. Rozmístění sídlišť, míst nálezů strusek a míst, kde probíhalo hutnické zpracování rudy a současných nalezišť rudy s vysokým obsahem železa nás nenechávají na pochybách v tom, že mezi místy výskytu rudy a místy zvolenými pro vybudování sídlišť (obr. 4) existuje

77

Experimente

Abb. 3 Plan der in Zügen angeordneten Ofenbatterie mit hoher Eisenausbringung von Merzdorf, Lkr. Bautzen. Obr. 3 Plán baterií pecí s vysokou produkcí železa uspořádaných do řad - Merzdorf, zemský okres Budyšín.

78


lassen (Abb. 4). Sicherlich boten sich mit der Eisenproduktion und dem Eisenhandel in der ohnehin ertragsarmen Heide- und Teichlandschaft lukrative Alternativen zum klassischen bäuerlichen Leben. Bisher lassen sich in der Oberlausitz 16 Eisenverhüttungsplätze für die späte Kaiserzeit lokalisieren. Hinzu kommt eine Anzahl diverser undatierter Fundstellen mit Ofenschlackenbruchstücken (ca. 50), von denen sich durchaus einige als Reste komplett zerstörter Verhüttungsplätze jener Zeit entpuppen könnten. Die Verhüttungsplätze lagen abseits der Siedlungen, häufig zur Nutzung der Winde an Terrassenkanten über Flussniederungen und auf leichten Erhebungen. Das Erz sowie das Holz für die Kohle stammten aus der unmittelbaren Umgebung. Im Raum Luppa/Lomske, Lkr. Bautzen betragen die Distanzen zwischen den Siedlungen und den Verhüttungsplätzen nur 500 bis 1000 m, zu den Erzlagerstätten sogar unter 500 m. Verhüttet wurde nur saisonal und teilweise über mehrere Jahre an ein und demselben Werkplätzen. Hausgrundrisse sind auf den Verhüttungsplätzen nicht vorhanden, dagegen Reste der Holzkohlemeiler zur Deckung des enormen Bedarfs an Kohle. Die Größe der Werkplätze richtete sich prinzipiell nach der Anzahl der errichteten Öfen und schwankt bei 10 bis weit über 60 Ofenanlagen zwischen 0,025 bis 2 ha. Bedeutsam für die Oberlausitz ist der Verhüttungsplatz bei Merzdorf nördlich von Uhyst. Er ist mit schätzungsweise 600 Öfen, von denen nur etwa 300 dokumentiert werden konnten, nicht nur der größte Verhüttungsplatz der Oberlausitz. Einzigartig ist auch die ein- bis doppelreihige Anordnung (Züge) der Öfen innerhalb sogenannter Ofenbatterien (Abb. 3), was für die hohe Produktivität dieses Platzes bzw. für eine hohe Eisenausbringung der verwendeten Erze spricht. Verhüttet wurde hier wahrscheinlich das

souvislost. Produkce železa a obchodování se železem v krajině vřesovišť a vřesovišť a vodních ploch s tak jako tak nízkými zemědělskými výnosy jistě představovalo lukrativní alternativy ke klasickému zemědělskému způsobu života. Zatím můžeme v Horní Lužici lokalizovat 16 míst, na kterých v době pozdního císařství probíhalo hutnické zpracování rudy. K tomu přistupuje ještě určitý počet různých nedatovaných nálezů úlomků z pecní strusky (cca 50), z nichž by u některých míst nálezů mohlo jít o zbytky tehdejších zcela zničených míst hutnického zpracování rudy. Tato místa ležela stranou sídlišť, často na okrajích teras nad říčními údolími a na mírných vyvýšeninách, aby mohla využívat účinků větru. Ruda i dřevo k výrobě dřevěného uhlí pocházely z bezprostředního okolí. V oblasti Luppa/ Lomske v zemském okrese Budyšín činily

N

0

1m

Pokusy


Abb. 4 Siedlungs- und Verhüttungsplätze der römischen Kaiserzeit und der frühen Völkerwanderungszeit in der Oberlausitz. Obr. 4 Sídliště a lokality hutnického zpracování v Horní Lužici z doby římského císařství a raného období stěhování národů. Verhüttungsplatz místo hutnického zpracování rudy Siedlung sídliště Siedlung mit Eisenschlacke sídliště s pecní struskou Fundstellen rezenter Raseneisenerze (Stand 2000) Naleziště současných bahenních rud (stav 2000) Eisengehalt > 70% obsah železa > 70% Eisengehalt vermutlich auch > 70% obsah železa pravděpodobně také > 70% Auenlehm nivní hlína Bodenwertzahl/ Hodnoty půdy ohne Signatur < 50 bez signatury < 50 51 – 65 66 – 80 0

79

5

10 km

Experimente

Abb. 5 Wolkenberg, Lkr. Spremberg. Detail aus dem Flächenplan mit vier von insgesamt 44 Werkplätzen (1 – 4). Obr. 5 Wolkenberg, zemský okres Spremberg. Detail z plošného plánu se čtyřmi z celkových 44 pracovních míst (1 – 4).


Sumpf- und Morast-Erz aus dem nahe gelegenen Kaschel, Lkr. Bautzen, wofür der relativ hohe Kalkgehalt der Schlacken spricht. Die Fundstelle ist heute durch den Braunkohlenabbau nicht mehr erhalten. Der größte bisher bekannte germanische Verhüttungsplatz Deutschlands lag in der Niederlausitz im brandenburgischen Wolkenberg, ca. 16 km nördlich von Hoyerswerda. Bisher ist es die am besten untersuchte Fundstelle seiner Art. In diesem Schmelzrevier wurden auf einer Fläche von ca. 220 ha insgesamt 44 Werkplätze mit über 1340 Schachtrennöfen nachgewiesen (Abb. 5). Hier wurden über einen Zeitraum von 80 bis 100 Jahren ca. 9,6 t Eisen und 80 t Schlacke produziert. Dafür waren

Herdgrube nístějová jáma Holzkohlemeiler milíř Erzlager deponie rudy

4

Ofenmantelgrube jáma s pláštěm pece

3

1

2 N

0

5m

80

vzdálenosti mezi sídlišti a místy hutnického zpracování rudy pouze 500 až 1000 m, vzdálenost od rudných ložisek byla dokonce ještě menší než 500 m. Hutnění rudy bylo pouze sezónní a probíhalo částečně po několik let na stále stejných pracovních místech. Základy domů se na místech hutnického zpracování rudy nevyskytují. Naproti tomu zde však najdeme zbytky milířů k výrobě dřevěného uhlí, které měly pokrývat vysokou potřebu uhlí při výrobě železa. Rozloha pracovišť se řídila zásadně počtem postavených pecí. Při počtu od 10 až do více než 60 pecních zařízení se rozloha pohybovala mezi 0,025 až 2 ha. Pro Horní Lužici je významné místo hutnického zpracování rudy u Merzdorfu, severně od Uhystu. Nejedná se pouze o největší místo pro hutnické zpracování rudy v Horní Lužici s odhadovaným počtem 600 pecí, z nichž bylo dokumentováno jen přibližně 300. Unikátní je také uspořádání pecí do jedné a do dvou řad v rámci tak zvaných pecních baterií (obr. 3), což svědčí o vysoké produktivitě tohoto místa, resp. o vysokém výtěžku železa u použitých rud. Tavila se zde pravděpodobně bahenní ruda z močálů a bažin z blízkého Kaschelu v zemském okrese Budyšín. Naznačuje to poměrně vysoký obsah vápence ve struskách. Kvůli těžbě hnědého uhlí se toto naleziště do současné doby již nedochovalo. Největší doposud známé místo v Německu, kde germánské kmeny prováděly hutnické zpracování rudy, se nacházelo v Dolní Lužici, v braniborském Wolkenbergu, cca 16 km severně od města Hoyerswerda. Jedná se o dosud nejlépe prozkoumané naleziště svého druhu. V tomto tavicím úseku bylo na ploše cca 220 ha doloženo celkem 44 pracovišť, na nichž se nacházelo více než 1340 šachtových hrudkovacích pecí (obr. 5). Za období 80 až 100 let zde bylo vyprodukováno cca 9,6 t železa a 80 t strusky. Bylo k tomu zapotřebí cca 160 t bahenní železné

Pokusy


ca. 160 t Raseneisenerz und 240 t Holzkohle nötig. Mindestens 12 ha Rein- bzw. Mischbestände aus Eiche mussten dafür in der Umgebung von Wolkenberg allein für die Verhüttung eingeschlagen werden. Die beiden Fundstellen Merzdorf und Wolkenberg sind eine Ausnahme, denn hier standen sowohl Holz als auch Erze in ausreichender Menge bzw. Qualität zur Verfügung. Eisen wurde hier über den Eigenbedarf hinaus als Tausch- und Handelsware produziert. Ob das in jedem Fall auch für die kleineren Verhüttungsplätze zutrifft, muss aufgrund vieler Wissenslücken vorerst offen bleiben.

Das germanische Rennfeuerverfahren Verhüttet wurde das Raseneisenerz in sogenannten Schachtrennöfen. Diese Ofenform war in Mittel- und Nordeuropa weit verbreitet. Die Ofenkonstruktion bestand nur aus einem Lehmschacht über einer Herdgrube. Der Lehm wurde überwiegend mit Stroh, Holzkohle oder zerkleinerter Keramik gemagert, um Hitzerissen während der Heizphase vorzubeugen. Der untere Teil des Schachtes enthielt zwei bis vier Öffnungen, die Tondüsen mit gekoppelten Blasebälgen zur Regulierung der Luftzufuhr und der Temperatur aufnehmen konnten (Abb. 6). Nach dem Verhüttungsvorgang, d. h. der Reduktion des Eisens, musste der Ofenschacht zerschlagen oder abgetragen werden, um an die Eisenluppe in der Herdgrube zu gelangen. Daher ist von den Ofenschächten bzw. der gesamten Verhüttungsanlage nur wenig erhalten geblieben. Oft sind es nur kleine gebrannte Reste, die wenig Rückschlüsse auf die genaue Höhe und Form des Schachtes zulassen. Selten sind ebenfalls Tondüsenfragmente. Im Vergleich zu anderen Regionen mit besseren Erhaltungsbedingungen lässt sich allgemein ein leicht kegelförmiger Ofenschacht mit einer Höhe von etwa 1,2 m rekonstruieren. Ihr oberer

rudy a 240 t dřevěného uhlí. V okolí Wolkenbergu muselo být jen pro zhutnění rudy pokáceno nejméně 12 ha čistých resp. smíšených dubových porostů. Obě naleziště, Merzdorf a Wolkenberg, jsou výjimkou, neboť zde byly rudy i dřevo k dispozici v dostatečném množství, resp. vyhovující kvalitě. Železo se zde kromě vlastní potřeby pro vlastní potřebu vyrábělo jako zboží ke směně a obchodování. Jestli tomu tak bylo i v případě menších míst, kde bylo prováděno hutnické zpracování, tudy zůstává zatím kvůli nedostatku informací nevyjasněno.

Germánské tavení rudy hrudkovacím procesem Bahenní železná ruda se hutnicky zpracovávala v tak zvaných šachtových hrudkovacích pecích. Tento typ pecí byl ve střední a severní Evropě velmi rozšířen. Pecní konstrukce se skládala pouze z hliněné šachty nad zahloubenou nístějí. Hlína byla ostřená převážně slámou, dřevěným uhlím nebo rozdrcenou keramikou, aby se předešlo praskání hlíny v důsledku vysokých teplot během vytápěcí fáze. Ve spodní části šachty se nacházely dva až čtyři otvory, do nichž bylo možné umístit hliněné trubice s připojenými dmýchacími měchy pro regulaci přiváděného vzduchu a regulaci teploty (obr. 6). Po procesu zhutnění, tj. po redukci železa, se pecní šachta musela rozbít nebo strhnout, aby bylo možné dostat se k železné hroudě – tzv. lupě – v zahloubené nístěji. Proto se z pecních šachet resp. z celého zařízení pro hutnické zpracování rudy zachovalo jen velmi málo. Často se jedná pouze o malé spálené zbytky, z nichž lze jen velmi málo usuzovat na přesnou výšku a tvar šachty. Také fragmenty hliněných trubic jsou vzácné. Ve srovnání s jinými oblastmi, kde byly podmínky pro dochování lepší, lze obecně rekonstruovat pecní šachtu mírně

81

Experimente

Abb. 6 Ablaufschema der Verhüttung im Rennfeuerofen: Vorheizphase (1), Verhüttungsphase (2), abgeschlossener Ofengang (3), mögliche Fundsituation bei einer Ausgrabung (4). Obr. 6 Schéma průběhu hutnického zpracování rudy v hrudkovací peci: fáze předehřívání (1), fáze hutnění (2), ukončený chod pece (3), potenciální stav nálezu u při výzkumu (4).


Durchmesser lag bei ca. 0,3 m, der untere wurde durch die Größe der runden ca. 0,4 – 0,6 m großen und etwa 0,5 m tiefen Herdgrube bestimmt. Die Ofenwandung war ca. 5 – 8 cm dick. In der Regel sind es die Herdgruben mit dem darin enthaltenen kompakten Schlackeklotz, die uns Auskunft über die Anzahl der Öfen, die Größe des Verhüttungsplatzes und über den Umfang der Eisenproduktion geben. Teilweise sind solche Schlackeklötze über 100 Kilogramm schwer (Abb. 7). Der Verbrauch an Erz und Holzkohle übertraf dabei das Gewicht der erzeugten Schlacke um ein Vielfaches. Im Rennfeuerverfahren wird zerkleinertes Erz mit Holzkohle unter reduzierenden Verhältnissen (d. h. unter Sauerstoffmangel) verhüttet. Die Qualität des erzeugten Eisens wird vor allem durch seinen Kohlenstoffgehalt bestimmt.

Ofenschacht pecní šachta

Ofenschlacke pecní struska

Erzschichten vrstvy rudy

Stroh sláma

82

Eisenluppe železná lupa (hrudka)

Holzkohle dřevěné uhlí

Holzkohle dřevěné uhlí

1

kuželovitého tvaru o výšce přibližně 1,2 m. Její horní průměr byl cca 0,3 m, spodní průměr byl určen velikostí kruhové zahloubené nístěje o rozměru cca 0,4 – 0,6 m, která byla hluboká přibližně 0,5 m. Stěna pece byla silná cca 5 – 8 cm. Informace o počtu pecí, velikosti místa hutnického zpracování rudy a objemu produkce železa nám poskytují zpravidla zahloubené nístěje, v nichž je obsažen kompaktní struskový slitek. Takové struskové slitky váží někdy více než 100 kilogramů (obr. 7). Spotřeba rudy a dřevěného uhlí přitom několikanásobně překračovala hmotnost vyprodukované strusky. Při výrobě železa hrudkovacím procesem se rozdrcená ruda s dřevěným uhlím zhutňovala redukcí (tj. za nedostatku kyslíku). Kvalita vyrobeného železa je určována především jeho obsahem uhlíku. Přitom platí,

Luftzufuhr přívod vzduchu

1150 – 1200 °C

Herdgrube zahloubená nístěj

Holzkohle/Asche dřevěné uhlí/popel

Stroh/Reisig sláma/klestí

Strohreste zbytky slámy 2

Fließschlacke, Holzkohle, Erzreste tekutá struska, dřevěné uhlí, zbytky rudy

verkohlte Strohreste zuhelnatělé zbytky slámy

3

Pokusy


Dabei gilt, je wärmer der Ofen gefahren wird, desto höher fällt der durchschnittliche Kohlenstoffgehalt des Eisens aus. In den germanischen Schachtrennöfen konnten durchaus Temperaturen von über 1300 °C erzielt werden, wenn das Zusammenspiel von Luftzufuhr, Brennmaterial sowie Größe und Isolierverhalten des Ofens stimmte. Prinzipiell konnte so auch Roheisen mit einem Kohlenstoffgehalt von über 2,06 % erzeugt werden. Es ist jedoch weder kalt noch warm verformbar und müsste aufwendig entkohlt werden, um daraus schmiedbares Eisen (Stahl) mit einem Kohlenstoffgehalt unter 2,06 % zu produzieren. Das Ziel des Verhüttungsprozesses lag demnach in der Erzeugung einer kohlenstoffarmen, schmiedbaren Luppe bzw. in der Herstellung von härtbarem Stahl. Die Prozesstemperaturen mussten daher konstant unterhalb des maximal

že čím je teplota v peci vyšší, tím vyšší je průměrný obsah uhlíku v železe. Při odpovídajícím sladění přiváděného vzduchu, paliva a velikosti a izolačních vlastností pece bylo v germánských hrudkovacích pecích docela možné docílit teplot vyšších než 1300 °C. V zásadě tak mohlo být vyráběno i surové železo s obsahem uhlíku vyšším než 2,06 %. To se však nedá tvářet za studena ani za tepla a muselo by být nákladným způsobem podrobeno oduhličení, aby z něho bylo vyprodukováno kujné železo (ocel) s obsahem uhlíku nižším než 2,06 %. Cílem procesu hutnického zpracování tedy bylo vyprodukovat kujnou lupu s nízkým obsahem uhlíku, resp. vyrobit kalitelnou ocel. Pracovní teploty proto musely být konstantně pod maximální možnou teplotní úrovní těchto pecí

Abb. 7 Herdgruben mit Schlackeklötzen über 100 kg von Wolkenberg, Lkr. Senftenberg. Obr. 7 Zahloubené nístěje se slitky strusky o hmotnosti více než 100 kg z Wolkenbergu, zemský okres Senftenberg.

Reduktionsverlauf vom Eisenoxid zum metallischen Eisen: Průběh redukce oxidu železa na metalické železo: Erz ruda

Kohlenstoff / Gas uhlík / plyn

Fe2O3 + C / CO/ CO2

Magnetit magnetit

Wüstit wüstit

Eisen železo

Fe3O4

FeO

Fe

Ofenschachtfragmente fragmenty pecní šachty Ofenschlacke pecní struska Fließschlacke tekutá struska Sand / Holzkohle / verkohlte Strohreste písek / dřevěné uhlí / zuhelnatělé zbytky slámy 4

83

Experimente


möglichen Temperaturniveaus dieser Öfen im Bereich von 1150 – 1200 °C liegen. Eindrucksvoll bezeugen das auch Funde germanischer Schlacken, die aus mineralogischer Sicht überwiegend aus Fayalit (Fe2SiO4) bestehen. Fayalit besitzt einen Schmelzpunkt von etwa 1200 °C. Ein erfolgreicher Verhüttungsvorgang war daher entscheidend vom Vermögen abhängig, die relativ niedrigen Prozesstemperaturen zu steuern und zu beherrschen. Darüber hinaus musste das Erz den nötigen Anforderungen entsprechen. Erze der Oberlausitz enthalten oft minderwertige Partien mit grobem Kies und hohem Sandanteil, die durch den Siliziumdioxidgehalt (SiO2) entscheidend die Fließfähigkeit der Schlacke beeinflussen. Je höher ihr Anteil ausfällt, um so saurer und zähflüssiger wird die Schlacke und kann im Extremfall den Ofenschacht verstopfen. Eine mechanische Trennung vom Erz ist in diesem Fall das einzige Mittel der Wahl. Dazu wird das Erz im Vorfeld geröstet und über dem offenen Feuer auf einige Hundert Grad Celsius erhitzt, wodurch es aufgelockert und mürbe wird. Unbrauchbare Partien mit Kies und Sand können so leicht entfernt und das Rohmaterial in die gewünschte Korngröße zerkleinert werden. Als weiterer positiver Effekt wird durch die Röstung das im Erz enthaltene Eisenoxid angereichert, da Eisenhydroxid (2Fe2O3·3H2O) zu Eisenoxid dehydratisiert wird. Der Rennofenprozess lässt sich in drei Phasen einteilen. In der ersten, der Vorheizphase, wird der Ofen auf die nötige Prozesstemperatur gebracht. In der folgenden Beschickungs- und Verhüttungsphase wird eine Mischung aus Holzkohle und Erz (Verhältnis ca. 1:2 bis 1:3) oder beide Komponenten in Wechsellagen in den Ofen gegeben, bis der Ofenschacht komplett gefüllt ist. Sackt das Material im Schacht nach, wird eine neue Kohle-Erzmischung eingebracht. Dieser Vorgang wird über mehrere Stunden wiederholt. Durch die Verbrennung der Holzkohle im unteren Teil

84

v rozsahu 1150 – 1200 °C. Účinně to dosvědčují také nálezy germánských strusek, které se z mineralogického hlediska skládají převážně z fayalitu (Fe2SiO4). Fayalit má bod tání přibližně 1200 °C. Úspěšný proces zhutnění byl tedy rozhodujícím způsobem závislý na schopnosti kontrolovat a zvládat poměrně nízké pracovní teploty. Ruda musela navíc splňovat potřebné požadavky. Rudy z oblasti Horní Lužice často obsahují méně hodnotné partie s hrubým štěrkem a vysokým podílem písku, které obsahem oxidu křemičitého (SiO 2) rozhodujícím způsobem ovlivňují tekutost strusky. Čím je jejich podíl vyšší, tím je struska kyselejší a hustší a v extrémním případě může ucpat pecní šachtu. Jedinou možnou volbou je v takovém případě mechanické oddělení rudy. Za tímto účelem se ruda nejprve předem praží a zahřívá nad otevřeným ohněm na teplotu několika set stupňů Celsia. Tím dochází k rozvolnění rudy a ta se stává křehká. Nepoužitelné partie obsahující štěrk a písek se tak dají snadno odstranit a surovinu lze rozdrtit na požadovanou zrnitost. Dalším pozitivním účinkem je skutečnost, že pražením dochází k obohacení oxidu železa obsaženého v rudě, protože hydroxid železitý (2Fe2 O 3 ·3H 2 O) je dehydratován na oxid železa. Proces výroby železa v hrudkovací peci lze rozdělit do tří fází. V první, předehřívací fázi, je pec přivedena na potřebnou provozní teplotu. V následující fázi přisazování a tavení se do pece přidává směs dřevěného uhlí a rudy (v poměru cca 1:2 až 1:3) nebo se pec plní střídavě vrstvami obou složek, až je šachta pece zcela naplněná. Když materiál v šachtě poklesne, přidá se nová směs uhlí a rudy. Tento postup se opakuje po několik hodin. Spalováním dřevěného uhlí ve spodní části pece vzniká za nedostatku kyslíku směs plynů CO/CO 2 obohacená oxidem uhelnatým (CO). Cílem je

Pokusy


des Ofens entsteht unter Sauerstoffmangel ein mit Kohlenmonoxid (CO) angereichertes CO/CO2-Gasgemisch. Ziel ist es, das im Erz enthaltene dreiwertige Eisenoxid (Fe2O3) unter Einwirkung des Kohlenmonoxides vom Sauerstoff zu befreien bzw. zu metallischem Eisen zu reduzieren und alle nichtmetallischen Bestandteile des Erzes als Schlacke abrinnen bzw. abfließen zu lassen. Trotz Luftströmung und Gebläse ergeben sich sehr starke Temperaturunterschiede im Rennofen und relativ kleine Bereiche, in denen die zur Schlackenbildung notwendigen hohen Temperaturen von 1150 – 1200 °C erreicht werden. Dabei werden nur etwa 20 % des im Erz enthaltenen Eisenoxides zu feinen metallischen Eisenpartikeln reduziert, die sich im Idealfall im oberen Bereich der Herdgrube zu einer festen, porösen Eisenluppe verbinden. Der überwiegende Anteil des Eisens verbleibt als Oxid in der Schlacke, die im flüssigen Zustand durch die poröse Luppe hindurch oder an ihr vorbei in den unteren Teil der Herdgrube abfließt oder abrinnt. Dem Rinnen oder Rennen der Schlacke verdankt das Verfahren auch seinen Namen: das Rennofenverfahren. Der Verhüttungsvorgang ist erst beendet, wenn die Herdgrube keine flüssige Schlacke mehr aufnehmen kann, was im Normalfall nach mindestens 8 – 12 Stunden der Fall gewesen sein dürfte. Nun folgt die abschließende Nachheizphase mit Holzkohle, um das restliche Erz im Ofenschacht zu verhütten. Sie kann weitere 2 – 5 Stunden in Anspruch nehmen. Nach dem Verhüttungsvorgang musste der Ofen abgetragen werden, um an die noch glühende Luppe zu gelangen. Der Rennofen war somit ein Einwegofen. Im letzten Arbeitsgang musste die Luppe in kleinere Teile zerschlagene Luppe im Schmiedefeuer mehrmals erhitzt und ausgeschmiedet werden, um das Metall zu verdichten und alle enthaltenen Schlackereste zu entfernen. Sie verlor dabei etwa zwei Drittel ihrer ursprünglichen Größe.

trojmocný oxid železa obsažený v rudě (Fe 2 O 3) zbavit kyslíku za působení oxidu uhelnatého, resp. ho redukovat na metalické železo a všechny nekovové složky rudy nechat v menším či větším množství odtéct jako strusku. Navzdory proudění vzduchu a použitému dmychadlu vznikají v hrudkovací peci velmi výrazné teplotní rozdíly a vysokých teplot 1150 – 1200 °C potřebných pro tvorbu strusky je dosahováno v poměrně malých oblastech pece. Pouze asi 20 % oxidu železa obsaženého v rudě je přitom redukováno na jemné metalické částice železa, které se v ideálním případě v horní části zahloubené nístěje sloučí do pevné, pórovité železné hrudky – lupy. Převážná část železa zůstává jako oxid ve strusce, která v tekutém stavu protéká pórovitou lupou nebo stéká kolem ní do spodní části zahloubené nístěje. Této fázi pomalého nebo rychlého tečení strusky tento postup při výrobě železa vděčí v němčině za své jméno: proces výroby železa v hrudkovací peci (něm. Rennofenverfahren, odvozeno od slovesa rinnen, pomalu téci, vysv. překladatele). Proces hutnění je dokončen, až když nístěj již nemůže přijmout žádnou tekutou strusku, což by normálně mělo nastat nejméně po 8 – 12 hodinách. Nyní následuje závěrečná fáze – dohořívání – za přítomnosti dřevěného uhlí, která slouží k roztavení zbývající rudy v pecní šachtě. Ta může trvat 2 – 5 hodin. Po zhutnění musela být pec zbourána, jen tak bylo možné dostat se k ještě žhnoucí lupě. Hrudkovací pec byla tedy pec jednorázová. V posledním pracovním kroku musela být lupa rozdrcená na malé části několikrát zahřívána ve výhni a vykována za účelem zhutnění kovu a odstranění všech obsažených zbytků strusky. Lupa přitom ztratila přibližně dvě třetiny své původní velikosti.

85

Experimente


Das Experiment

Abb. 8 Versuchsgelände 2010 im ehemaligen Steinbruch Miltitz bei Nebelschütz, Lkr. Bautzen. Obr. 8 Pokusné území v r. 2010 v bývalém kamenolomu Miltitz u Nebelschützu, zemský okres Budyšín.

86

Im Rahmen des dreijährigen EU-Projektes am Museum der Westlausitz bestand die Aufgabe, die theoretisch erworbenen Kenntnisse zum Rennofenverfahren im direkten Feldversuch zu testen und die Ofenkonstruktion so anzupassen, dass damit aus den Oberlausitzer Raseneisenerzvorkommen schmiedbares Eisen hergestellt werden kann. Dabei sollte möglichst auf moderne Hilfsmittel (z. B. elektrische Luftgebläse mit modernen Keramikdüsen) verzichtet werden, um soweit als möglich den damaligen Arbeitsprozess der Verhüttung simulieren zu können. Erhofft wurden Kenntnisse zum Zeitaufwand, zu den aufgebrachten Arbeitsleistungen und zum Umfang der benötigten Ressourcen. Die Eckdaten zur Größe und zum Grundaufbau der Rennöfen sowie zu den benötigten Materialien waren durch diverse archäologische Grabungsergebnisse bzw. aus naturwissenschaftlichen

Experiment V rámci tříletého projektu EU realizovaného při Muzeu Západní Lužice bylo úkolem ověřit přímým pokusem v terénu teoreticky získané znalosti o procesu tavení rudy v hrudkovací pecí a uzpůsobit konstrukci pece tak, aby mohlo být z bahenních rud vyskytující se v Horní Lužici vyrobeno kujné železo. Abychom co možná nejvíc simulovali tehdejší pracovní proces zhutnění rudy, museli jsme pokud možno upustit od použití moderních pomůcek (např. elektrických vzduchových dmychadel s moderními keramickými trubicemi). Doufali jsme, že získáme znalosti, co se týče časové náročnosti, vyrobeného množství a objemu potřebných zdrojů. Klíčové údaje o velikosti a základní konstrukci hrudkovacích pecí a potřebných materiálů jsme měli k dispozici na základě výsledků různých archeologických výzkumů, resp. z přírodovědeckých průzkumů a

Pokusy


Untersuchungen und Experimenten zur Raseneisenerzverhüttung aus anderen Regionen vorhanden. Bei aller Kenntnis war jedoch auch klar, dass nur ein schrittweises, empirisches Herantasten an das alte Handwerk möglich war, wobei unter Umständen nie das Know-how der damaligen Metallurgen erreicht werden würde.

Konstruktion der Öfen Für die Verhüttungsversuche wurde von der Gemeinde Nebelschütz im Steinbruch Miltitz eine Fläche bei Pansch witz-Kuckau, Lkr. Bautzen bereitgestellt (Abb. 8). Da in den Wintermonaten keine Möglichkeiten zur Konstruktion der Öfen im Gelände bestanden, wurden fünf der elf Ofenschächte in der Museumswerkstatt unter Idealbedingungen auf Holzpaletten angefertigt, um sie später in das Versuchsgelände transportieren zu können. Der benötigte naturbelassene Lehm in getrockneter und krümeliger Form stammte aus einer nahe gelegenen Lehmgrube einer ehemaligen Ziegelei bei Lehndorf, Ortsteil von Panschwitz-Kuckau, Lkr. Bautzen. Vor der Verarbeitung wurde der Lehm mehrere Tage in einer extra dafür angelegten quadratischen Grube von 1,3 m Kantenlänge und 0,3 m Tiefe eingesumpft. Sie diente später als Lehm stampfgrube (d. h. Kneten und Mischen des Lehms mit den Füßen) (Abb. 9). In der Werkstatt wurden diese Arbeiten in handelsüblichen Mörtelwannen vorgenommen. Der Lehm wurde grundsätzlich, um Schwund- und späteren Hitzerissen vorzubeugen, mit geschnittenem Stroh (vorzugsweise Roggenstroh, Länge 5 bis 10 cm) im Volumenverhältnis 2:1 bis 3:1 abgemagert. Die Formbarkeit / Bindigkeit des abgemagerten Lehms wurde empirisch ermittelt – d. h., nach dem Trocknen einer Probe sollte der Lehm weder Risse aufweisen noch bei mechanischer Beanspruchung fein krümelig zerfallen.

pokusů týkajících se hutnického zpracování bahenní železné rudy z jiných regionů. Při všech poznatcích, které jsme měli, však bylo také jasné, že náš přístup ke starému řemeslu může probíhat jen postupně, empiricky, přičemž za určitých okolností možná nikdy nezískáme know how tehdejších hutníků.

Konstrukce pecí Pro hutnické pokusy poskytla obec Nebelschütz plochu v kamenolomu Miltitz u Panschwitz-Kuckau, zemský okres Budyšín (obr. 8). Protože v zimních měsících nebylo možné konstruovat pece v terénu, bylo pět z jedenácti pecních šachet zhotoveno v muzejní dílně za ideálních podmínek, na dřevěných paletách tak, aby šachty mohly být později přepraveny na území, kde měly být pokusy provedeny. Potřebná hlína, která byla ponechána v přírodním stavu ve vysušené a drobivé podobě, pocházela z blízkého místa těžby

Abb. 9 Lehmstampfgrube im Steinbruch Miltitz bei Nebelschütz, Lkr. Bautzen. Obr. 9 Jáma na pěchování hlíny v kamenolomu Miltitz u Nebelschützu, zemský okres Budyšín.

87

Experimente


Entscheidend für das Lehm-Stroh-Mischungsverhältnis war die Zugabe weiterer Bestandteile, wie Pferdemist, zerstampfte Holzkohle, Granitgesteinsgrus oder im Verlauf der Versuche zerkleinerte Ofenwandungen der benutzten Öfen (d. h. Schamotte). Der Pferdemist kam nur versuchsweise als Strohersatz zum Einsatz. Luftgetrocknet und stark verfestigt angeliefert konnte er ohne aufwendiges Zerkleinern und tagelanges Einweichen nicht wie gewünscht verarbeitet werden, sodass von einer weiteren Verwendung abgesehen wurde. Auf Granitgesteinsgrus und zerstampfte Holzkohle konnte in dem Moment verzichtet werden, als gebrauchte Öfen als Schamotte recycelt werden konnten. Die Zugabe der unterschiedlichen Magerungsbestandteile zum Lehm hatte keine erkennbaren Auswirkungen auf das Brennverhalten bzw. auf die Festigkeit der Öfen. Allein ein zu geringer Strohanteil führte schon beim Trocknen zu raschen Schwundrissen. Die Kombination aus Stroh und Schamotte erwies sich im Hinblick auf Verarbeitungseigenschaften des Lehms und späteres Brennverhalten als vollkommen ausreichend und damit ideal für den Ofenbau.

Abb. 10 und 11 Aufbau von Ofenschächten in Ringtechnik mit einem Stützgerüst aus Weidenruten in den Werkstatträumen des Museums. Obr. 10 a 11 Výstavba pecních šachet kruhovou technikou s podpěrnou konstrukcí z vrbového proutí v prostorách dílny muzea.

88

hlíny, které zásobovalo bývalou cihelnu u Lehndorfu, místní část Panschwitz-Kuckau v zemském okrese Budyšín. Hlína byla před zpracováním několik dnů máčena ve zvlášť pro tento účel vybudované čtvercové jámě s délkou hrany 1,3 m a s hloubkou 0,3 m. Ta později sloužila jako jáma pro pěchování hlíny (tj. k prohnětení a promíchání hlíny nohama) (obr. 9). V dílně byly tyto práce prováděny v obyčejných vanách na maltu. Hlína byla důsledně ostřena v objemovém poměru 2:1 až 3:1, aby se předešlo trhlinám v důsledku smršťování a pozdějšímu praskání v důsledku vysoké teploty. K ostření byla použita řezaná sláma, (zejména žitná sláma, o délce 5 až 10 cm). Formovatelnost / vaznost ostřené hlíny byla stanovena empiricky – tj. po usušení vzorku nesměla hlína vykazovat praskliny, ani se nesměla při mechanickém namáhání drolit na jemné částice. Rozhodující pro poměr smíchání hlíny a slámy bylo přidání dalších přísad, jako byl koňský trus, rozdrcené dřevěné uhlí, jemná žulová drť nebo stěny z použitých pecí rozdrcené v průběhu pokusů (tj. šamot). Koňský trus byl použit pouze na zkoušku jako náhrada slámy. Protože byl dodán usušený

Pokusy


Der Aufbau der Öfen erfolgte wie beim traditionellen Handtöpfern eines Gefäßes in der Ringtechnik. An einzelnen frühen Exemplaren der Ofenschächte wurde exemplarisch zur Stabilisierung der feuchten Wandung ein Stützgerüst aus Weidenruten eingearbeitet (Abb. 10 und 11). Dafür musste der Lehm breiiger aufbereitet werden. Vorteile bringt dieses Verfahren in unseren Augen nur, wenn der Ofen schnell aufgebaut und noch im nassen Zustand befeuert/getrocknet werden soll, da sonst diverse Verformungen, z. B. durch Absacken der Wandung, eintreten können. Unproblematischer erwies sich der Aufbau ohne Stützgerüst mit etwas zäher aufbereitetem Lehm. Modelliert zu 5 – 8 cm dicken Ringwülsten war so der Aufbau des Ofenschachtes in Abschnitten von jeweils ca. 30 cm in die Höhe möglich. Als noch praktischer erwies sich die Modellierung mit lederhart getrockneten Lehmportionen bzw. rechteckigen „Lehmziegeln”. Dafür wurden offene rechteckige Kastenformen aus Holz eingesetzt. Die feuchten „Ziegelrohlinge” wurden auf einen waagerechten Baumstamm gelegt und erhielten so die benötigte Krümmung (Abb. 12). Historische Belege gibt

na vzduchu a ve velmi pevném stavu, nebylo ho možné zpracovat, jak bychom si přáli, bez namáhavého drcení a několikadenního máčení, takže jsme od jeho dalšího použití upustili. Žulové drti a roztlučeného dřevěného uhlí jsme se vzdali v okamžiku, kdy bylo možné recyklovat použité pece jako šamot. Přidání různých ostřicích složek do hlíny nijak znatelně neovlivnilo chování při hoření, resp. pevnost pecí. Avšak příliš malý podíl slámy způsobil již při sušení brzy trhliny v důsledku smršťování. Ukázalo se, že kombinace slámy a šamotu je s ohledem na zpracovatelské vlastnosti hlíny a pozdější chování při hoření naprosto dostačující, a tedy ideální pro stavbu pecí. Budování pecí probíhalo jako při tradiční ruční hrnčířské výrobě nádoby kruhovou technikou. U jednotlivých raných exemplářů pecních šachet byla ke stabilizaci vlhké stěny vsazena například podpěrná konstrukce z vrbového proutí (obr. 10 a 11). Upravená hlína musela mít v tomto případě řidší konzistenci. Tento postup má podle nás výhodu pouze tehdy, když musí být pec postavena rychle a ještě ve vlhkém stavu vytápěna/vysoušena, protože jinak může docházet k různým deformacím, např. v důsledku sedání stěny pece. Jako méně problematická se ukázala stavba bez podpěrné konstrukce, kdy použitá hlína byla upravena na tužší konzistenci. Modelováním do kruhových švů o tloušťce 5 – 8 cm tak bylo možné stavět pecní šachtu po úsecích vysokých cca 30 cm. Ještě praktičtější se ukázalo modelování šachty částmi hlíny vysušenými do kožovitého stavu, resp. hranatými „hliněnými cihlami”. V tomto případě byly vsazeny otevřené hranaté formovací rámy ze dřeva. Vlhké „nepálené cihly” se kladly na vodorovnou kládu a získávaly tak potřebné zakřivení (obr. 12). Historické doklady o tom však neexistují. Avšak ani s takto připravenými kusy hlíny se nepodařilo stavbu pecních šachet po 30 cm-částech bez delších dob schnutí výrazným způsobem překročit. Při teplotách v místnostech v muzejní dílně

Abb. 12 Rechteckige Lehmportionen werden zum Antrocknen ausgelegt. Obr. 12 Obdélníkové kusy hlíny se rozkládají na vysušení.

89

Experimente

Abb. 13 Schnelles Trocknen der Ofenschächte zieht ständiges Abdichten der Risse mit Lehmbewurf nach sich. Obr. 13 S rychlým sušením pecních šachet je spojeno neustálé utěsňování prasklin hliněnou omítkou.

90


es allerdings dafür nicht. Aber auch mit den so vorbereiteten Lehmportionen konnte der Aufbau der Ofenschächte in 30 cm-Bauabschnitten ohne längere Trockenzeiten nicht bedeutend überschritten werden. Bei Zimmertemperaturen in der Museumswerkstatt betrug die benötigte Zeit zum Antrocknen mindestens 24 Stunden – bei hochsommerlichen Temperaturen im Freigelände dagegen nur ca. drei Stunden. Die kürzeren Trocknungszeiten im Freigelände hatten einen negativen Einfluss auf das Isolationsverhalten des Ofenschachtes. Die Ofenwandungen bekamen deutlich schneller und mehr Risse beim Erreichen hoher Temperaturen (> 1000 °C). Das betraf auch zwei Ofenmodelle, die in der Werkstatt errichtet wurden und dann mehrere Wochen bei Wind und Wetter im Versuchsgelände standen. Ständiges Ausbessern und Verschmieren mit feuchtem Lehmbewurf waren notwendig und erhöhte den Betreuungs- und Wartungsaufwand dieser Öfen beträchtlich (Abb. 13). Zudem sank durch den feuchten Lehmbewurf die Temperatur im Inneren der Öfen. Um dem vorzubeugen, wurden die Ofenwandungen im Verlauf der Experimente in der unteren Hälfte immer dicker konstruiert (15 – 18 cm), obwohl die archäologischen Funde hier nur etwa 5 – 8 cm vorgeben. Feine Risse in der Wandung konnten jedoch nie ganz verhindert werden. So erhielten die Öfen der Serie 2010 im Verlauf des Verhüttungsprozesses eine Lehmbewurfschicht von 1 – 3 cm (Abb. Ofengrafiken). Allein die drei Öfen aus dem Jahr 2011 kamen ohne diese dicke Isolierschicht aus. Ihre untere Wandungsstärke betrug 15 cm. Komplett in der Werkstatt konstruiert, konnten sie vor der ersten Beheizung bei gleichbleibenden klimatischen Bedingungen acht Wochen trocknen (Abb. 15, Ofen 9 – 11). Die Höhen und die Schachtdurchmesser der Ofenschächte wurden im Verlauf der Versuche variiert. Archäologische Befunde gaben hier maximale Höhen

činila doba potřebná pro předběžné vysušení nejméně 24 hodin – při vysokých letních teplotách pod širým nebem naopak pouze cca tři hodiny. Kratší doby sušení pod širým nebem měly nepříznivý vliv na izolační chování pecní šachty. Na stěnách pecí vznikly při dosažení vysokých teplot (> 1000 °C) praskliny výrazně rychleji a ve zvýšené míře. Týkalo se to i dvou modelů pecí, které byly postaveny v dílně a potom po několik týdnů stály za každého počasí v pokusném terénu. Tyto pece bylo nutné neustále opravovat a zamazávat hliněnou omítkou a ve vyšší míře se o ně starat a provádět u nich údržbu (obr. 13). Navíc právě díky nahazování vlhké hliněné omítky klesala teplota uvnitř pecí. Aby se tomu předešlo, byly stěny pecí v průběhu pokusů ve spodní polovině konstruovány se stále větší tloušťkou (15 – 18 cm), ačkoliv archeologické nálezy zde stanoví jen přibližně 5 – 8 cm. Drobným prasklinám ve stěně se však nikdy nedokázalo zcela zabránit. Pece ze série pokusů z roku 2010 tak byly v průběhu procesu hutnění opatřeny vrstvou hliněné omítky o tloušťce 1 – 3 cm (obr. grafické ztvárnění pecí). Pouze tři pece z roku 2011 se bez této silné izolační vrstvy obešly. Tloušťka jejich stěn

Pokusy


von 1,1 – 1,2 m und einen konischen Schacht mit einem unteren Durchmesser von 0,4 – 0,6 cm bzw. einem oberen Durchmesser von ca. 0,25 m vor. Das richtige Verhältnis von Schachtdurchmesser, Menge der durchströmenden Luft und Menge des Brennmaterials bzw. der Holzkohle-Erz-Mischung hat entscheidenden Einfluss auf das Erreichen der nötigen Prozesstemperaturen bzw. auf einen erfolgreichen Schlackeabfluss. Die Öfen mit einem unteren Schachtdurchmesser unter 0,3 m konnten mit unseren Mitteln deutlich schwerer in der Temperatur und im Schlackeabfluss gesteuert werden und neigten schnell zum Verstopfen in den oberen zwei Dritteln der Schächte, was vereinzelt zum vorzeitigen Abbruch des Verhüttungsvorganges zwang (Abb. 14). Schachthöhen von ca. 1,1 m und ein unterer Innendurchmesser ab 0,3 m führten zu positiven Ergebnissen. Grundsätzlich erhielten alle Öfen etwa 10 cm über dem Boden vier über kreuz angelegte Öffnungen von ca. 8 cm Durchmesser (eine ausgerichtet SW – W) zur Aufnahme von Tondüsen. In die beiden ersten Ofenexemplare wurde noch jeweils eine 10 x 10 cm große, verschließbare Öffnung kurz über der halben Höhe des Ofenschachtes angelegt (Abb. 15: 1, 2). Sie sollten als Kontroll- oder eventuelle Arbeitsöffnungen dienen. Im Versuch konnte ihnen aber kein praktischer Nutzen abgerungen werden. Die Durchmesser der Herdgruben entsprachen den Innendurchmessern der Ofenschächte. Ihre Sohlentiefe lag entsprechend der archäologischen Befunde im Schnitt bei 0,3 m. In den ersten Versuchen wurden sie noch mit Lehm ausgekleidet (vgl. Abb. 15 und Abb. 16), um eindringende Feuchtigkeit abzuhalten. In dem ohnehin stark lehmhaltigen Oberboden des Versuchsgeländes erübrigte sich aber diese Maßnahme. Alle Herdgruben erhielten noch einen seitlichen Arbeitsschacht in

v dolní části činila 15 cm. Protože byly kompletně zkonstruovány v dílně, mohly před prvním vytápěním vysychat po dobu osmi týdnů za konstantních klimatických podmínek (obr. 15, pec 9 – 11). Výšky a průměry šachet byly v průběhu pokusů obměňovány. Archeologické nálezy zde předem určovaly maximální výšky 1,1 – 1,2 m a kónickou šachtu se spodním průměrem 0,4 – 0,6 m, resp. horním průměrem cca 0,25 m. Správný poměr průměru šachty, množství vzduchu, který šachtou proudí a množství paliva, resp. směsi dřevěného uhlí a rudy má rozhodující vliv na dosažení potřebných provozních teplot, resp. na úspěšný odtok strusky. U pecí s dolním průměrem šachty menším než 0,3 m bylo s našimi

Abb. 14 Kleiner, geöffneter Ofen mit einem Schachtdurchmesser unter 30 cm. Im unteren Schachtbereich war die Schlacke erstarrt und zwang zum vorzeitigen Abbruch der Verhüttung. Obr. 14 Malá otevřená pícka s průměrem šachty menším než 30 cm. Ve spodní části šachty zatuhla struska a proces hutnění tak musel být předčasně ukončen.

91

Experimente


1

2 3

Abdeckung für Kontrollöffnung kryt kontrolního otvoru

4

Lehmbewurf hliněná omítka Tondüsen hliněná trubice

Granitplatte žulová plotna Lehmbewurf hliněná omítka

Arbeitsschacht pracovní šachta

Verschlusskappen für Düsenöffnungen uzavírací víko trubicového otvoru 5

Abb. 15 Versuchs-Rennöfen der Serien 2010 (1 – 8) und 2011 (9 – 11) sowie erfolgreich verwendete Ofenkonstruktion von Alfred Bullermann aus Friesoythe (Niedersachsen). Obr. 15 Pokusné hrudkovací pece ze sérií pokusů z roku 2010 (1 – 8) a 2011 (9 – 11) a úspěšně použitá konstrukce pece Alfreda Bullermanna z Friesoythe (Dolní Sasko).

92

6

7

8

Pokusy


9

Verhüttungsofen von Alfred Bullermann, Friesoythe (Niedersachsen) pec pro zhutňování rudy Alfreda Bullermanna, Friesoythe (Dolní Sasko) A

10

11 Keramikrohr keramická trubice

0

1m

93

Experimente


Spatenbreite zum besseren Vorheizen und anschließenden Beräumen. Als Verschluss dienten passende Granitplatten und Lehm (Abb. 15). Im Gelände wurde für einen Ofen bei günstigem Wetter eine Bauzeit von mindestens drei bis vier Tagen benötigt. Danach wurde er erstmals angeheizt. Zwei Personen können in dieser Zeit gut zwei bis drei Öfen in versetzten Arbeitsschritten gleichzeitig errichten. Zeitintensiv war vor allem die Aufbereitung des Lehms (d. h. Stampfen und Abmagern). In der Werkstatt konnte, bedingt durch die benötigten Trocknungszeiten, die Errichtung eines Ofenschachtes nicht vor einer Woche abgeschlossen werden. Restlos getrocknet waren sie erst nach mindestens drei weiteren Wochen. Wie die Öfen wurden auch die konischen Düsen aus gemagertem Lehm hergestellt (Länge 20 – 25 cm, Basisdurchmesser 8 – 10 cm). Dazu wurde der Lehm wie ein Zuckerhut über einen zuvor lange gewässerten Stock

Abb. 16 Die Herdgruben wurden in den ersten Versuchen noch mit Lehm ausgekleidet. Obr. 16 Zahloubené nístěje byly při prvních pokusech ještě opatřeny hliněnou vyzdívkou. Abb. 17 Ofen der Serie 2010 mit verschließbarer Kontrollöffnung, Arbeitsschacht und Öffnungen für die Düsen. Obr. 17 Pec ze série roku 2010 s uzavíratelným kontrolním otvorem, pracovní šachtou a otvory pro hubice.

94

prostředky mnohem obtížnější regulovat teplotu a odtok strusky a pece měly tendenci se v horních dvou třetinách šachet rychle ucpávat, což nás v ojedinělých případech donutilo proces hutnění rudy předčasně ukončit (obr. 14). Kladné výsledky přinesly výšky šachet cca 1,1 m a vnitřní průměr ve spodní části od 0,3 m. V zásadě u všech pecí byly přibližně 10 cm nad zemí provedeny do kříže čtyři otvory o průměru cca 8 cm (jeden z nich byl orientován na jihozápad – západ). Otvory sloužily ke vsazení hliněných trubic. V každé z obou prvních pecí byl ještě proveden uzavíratelný otvor o rozměrech 10 x 10 cm, který se nacházel těsně nad polovinou výšky pecní šachty (obr. 15: 1, 2). Tyto otvory měly sloužit jako kontrolní nebo případně pracovní otvory. Při pokusu se však při nejlepší vůli neprokázal žádný praktický užitek. Průměry zahloubených nístějí odpovídaly vnitřním průměrům pecních šachet. Jejich dno bylo podle archeologických nálezů v řezu hluboké 0,3 m. Při prvních

Pokusy


von 1,5 – 2 cm Durchmesser modelliert. Beim Trocknen schrumpfte das Holz und konnte leicht herausgezogen werden. Übrig blieb der gewünschte Luftkanal. Die Düsen wurden im offenen Freibrand ziegelhart gebrannt (Abb. 18). Trotz aller Vorsicht zerplatzte dabei immer gut ein Drittel der Düsen. Über ein Kupferrohr (Durchmesser 22 mm) wurden Blasebalg und Düse miteinander verbunden. Zum Einsatz kamen selbst konstruierte Spitzblasebälge mit Klappventil von 0,6 m Länge und 0,4 m Breite (Abb. 19). Bei geübter Handhabung lag ihre Mindestleistung bei 0,15 m3 Luft pro Minute (ca. 14 Pumpvorgänge in der Minute). Problematisch gestaltete sich zunächst ihre Handhabung. Beim Ansaugen strömte die heiße Luft aus dem Ofen in den Blasebalg und verbrannte ihn. Im Verlauf der Versuchsreihen erhielten sie daher ein einfaches Rückschlagventil (Holz-Leder-Konstruktion). Damit konnte das Ansaugen heißer Luft aus dem Ofen erfolgreich verhindert werden.

pokusech měly ještě hliněnou vyzdívku (srov. obr. 15 a obr. 16), aby zadržovaly pronikající vlhkost. Avšak toto opatření bylo v pokusném terénu v silně jílovité vrchní vrstvě půdy zbytečné. Všechny zahloubené nístěje byly ještě vybaveny boční pracovní šachtou na šířku lopaty pro lepší předehřívání a následné vyprázdnění. Jako uzávěr posloužily vhodné žulové plotny a hlína (obr. 15). Na postavení jedné pece v terénu byly za příznivého počasí zapotřebí nejméně tři až čtyři dny. Až poté se v peci poprvé zatopilo. Dva lidé dovedou za tuto dobu postavit současně dobré dvě až tři pece, když pracovní činnosti vykonávají střídavě. Náročná na čas byla především úprava hlíny (tj. pěchování a ostření). V dílně nebylo možné zhotovit pecní šachtu dříve než za týden. Bylo to podmíněno dobami potřebnými na sušení. Zcela vysušené byly pece až nejméně po dalších třech týdnech. Stejně jako pece vyráběly se i kónické trubice z ostřené hlíny (délka 20 – 25 cm, průměr základny 8 – 10 cm). Hlína se přitom modelovala jako cukrová homole přes hůlku o průměru 1,5 – 2 cm, kterou jsme předtím dlouho máčeli ve vodě. Při vyschnutí se dřevo smrštilo a bylo je tak možné lehce vytáhnout. Požadovaný vzduchový kanál zůstal. Trubice se vypalovaly na otevřeném ohni (obr. 18). Přes veškerou opatrnost přitom vždy alespoň třetina trubic praskla. Dmýchací měch a trubice byly navzájem spojeny měděnou trubkou (průměr 22 mm). Použity byly zahrocené dmýchací měchy vlastní konstrukce s klapkovým ventilem o délce 0,6 m a šířce 0,4 m (obr. 19). Při zručné manipulaci byl jejich minimální výkon kolem 0,15 m3 vzduchu za minutu (cca 14 čerpání za minutu). Manipulace s nimi byla nejdřív problematická. Při nasávání proudil horký vzduch z pece do dmýchacího měchu a propálil ho. V průběhu řady pokusů byly proto měchy vybaveny jednoduchým zpětným ventilem (konstrukce ze dřeva a kůže). Nasávání horkého vzduchu z pece se tak podařilo úspěšně zabránit.

Abb. 18 Brennen von Tondüsen in einer offnen Grube mit Holz und Holzkohle. Obr. 18 Vypalování hliněných trubic v otevřené jámě pomocí dřeva a dřevěného uhlí.

95

Experimente


Verwendete Raseneisenerze und deren Aufbereitung In der Versuchsreihe von 2010 wurde ausschließlich Raseneisenerz aus Steinbach an der Neiße, Lkr. Görlitz verwendet. Es ist dort am Steilufer eines stark durch Ocker verfärbten Bachlaufes, dem Welschgraben (Abb. 1), in faust- bis kopfgroßen und vereinzelt auch tonnenschweren Brocken kurz unterhalb der Humusdecke oder direkt an der Oberfläche zu finden. Neben ockerfarbenen, stark sandhaltigen Konkretionen, die leicht zerbröseln, ist das Vorkommen vor allem durch bläulichgraue bis dunkelgraubraune feste Brocken mit aderartig durchzogenen Hohlräumen und sandiger Matrix gekennzeichnet (Abb. 20). Über die Zusammensetzung der Erze

Abb. 19 Die Blasebälge wurden über Kupferrohre an die Tondüsen angeschlossen. Obr. 19 Dmýchací měchy byly měděnou trubkou připojeny na hliněné trubice.

96

Použité bahenní železné rudy a jejich úprava V sérii pokusů z roku 2010 byla použita výhradně bahenní železná ruda ze Steinbachu an der Neiße, zemský okres Zhořelec (Görlitz). Ruda se tam nachází na strmém břehu potoka Welschgraben výrazně zbarveného okrem (obr. 1). Vyskytuje se těsně pod vrstvou humusu nebo přímo na povrchu v podobě úlomků o velikosti pěsti až lidské hlavy. Ojediněle se najdou kusy o hmotnosti až jednu tunu a víc. Vedle okrově zbarvených konkrecí s vysokým obsahem písku, které se snadno drolí, vyznačuje se naleziště především modravě šedými až tmavě šedohnědými pevnými úlomky, které jsou žilkovitě protkány dutými prostory a obsahují písčitou složku – matrix (obr. 20). O složení rud,

Pokusy


bzw. ihren Eisengehalt bestand zunächst keine Klarheit, da Laboranalysen zu diesem Zeitpunkt noch ausstanden (Abb. 37, Steinbach 1 – 4). So erfolgte die Auswahl der zur Verhüttung benötigten Erzmenge rein subjektiv anhand der Kriterien: Gewicht, Festigkeit, dunkle Färbung und Sandanteil. Für die zweite Versuchsreihe 2011 wurde Raseneisenerz einer Ende der 1990er Jahre beprobten Fundstelle am Haubinteich bei Lomske, Lkr. Bautzen ausgewählt (Abb. 21), das einen vielversprechenden Fe2O3-Gehalt von annähernd 80 – 88 Gew.-% erbrachte (Abb. 37, Lomske 9A–I, 9B-II). Innerhalb der Oberlausitz ist es das ergiebigste Vorkommen mit hoher Eisenanreicherung. Aus archäologischen Untersuchungen war in unmittelbarer Nähe ein Verhüttungsplatz der späten römischen Kaiserzeit bekannt. Die chemische Zusammensetzung der rezenten Erze und der historischen Schlacken des Verhüttungsplatzes legten eine Verwendung von Vorkommen dieser Fundstelle in germanischer Zeit nahe (vgl. Abb. 37 mit Abb. 38). Die in den 1990er Jahren noch zugängliche Erz-Fundstelle von Lomske ist heute überwachsen bzw. alsViehweide in Nutzung. Sie war zu dieser Zeit für uns nicht zugänglich. Alternativ musste auf die vor Jahren am ehemaligen Feldrand aufgestapelten und mit Moos überwachsenen Erzhaufen ausgewichen werden (Abb. 22). Die Erzbrocken besitzen Abmessungen von 25 – 80 cm, weisen im frischen Bruch seltener eine dunkelgraue, häufiger graublaue Farbe oder stellenweise eine Ockerverfärbung auf. Typisch sind hohe Kiesanteile in den Randbereichen, kaum sichtbare Sandanteile und kleinere Hohlräume (Abb. 21: Lomske 1), die teilweise mit Lehm gefüllt sind (Abb. 21: Lomske 3). Vor der Verhüttung wurden die Erzbrocken auf einem offenen Feuer auf mehrere Hundert Grad Celsius erhitzt (geröstet) (Abb. 24), um sie zu trocknen und störende

resp. o jejich obsahu železa jsme nejprve vůbec neměli jasno, protože v té době ještě nebyly provedeny laboratorní rozbory (obr. 37, Steinbach 1 – 4). Výběr množství rudy potřebné pro tavbu tak byl proveden čistě subjektivně na základě těchto kritérií: hmotnost, pevnost, tmavé zbarvení a podíl písku. Pro druhou sérii pokusů v roce 2011 byla zvolena bahenní železná ruda z naleziště u rybníka Haubinteich u Lomske, zemský okres Budyšín (obr. 21), které bylo testováno koncem devadesátých let. Ruda přinesla velmi slibný obsah Fe2O3 v hodnotě přibližně 80 – 88 hm. % (obr. 37, Lomske 9A–I, 9B-II). V Horní Lužici se jedná o nejvydatnější naleziště s vysokým obohacením železa. Z archeologických výzkumů bylo známé místo hutnického zpracování rudy z pozdní doby římského císařství, které se nachází v bezprostřední blízkosti. Chemické složení současných rud a historických strusek na místě hutnického zpracování bylo důvodem k domněnce, že v germánské době byla používána ruda vyskytující se právě na tomto nalezišti (srov. obr. 37 s obr. 38). Naleziště rudy v Lomske, které bylo v 90. letech 20. století ještě přístupné, je dnes zarostlé, resp. je využíváno jako pastvina. V této době jsme k němu neměli přístup. Alternativně jsme museli zvolit rudnou haldu, která se před lety nahromadila na tehdejším okraji pole a zarostla mechem (obr. 22). Úlomky rudy mají rozměry 25 – 80 cm, na čerstvém lomu vykazují vzácněji tmavě šedou barvu, častěji jsou šedomodré nebo mají místy okrové zbarvení. Typické jsou vysoké podíly štěrku v okrajových oblastech, stěží patrné podíly písku a menší dutiny (obr. 21: Lomske 1), které jsou částečně zaplněny hlínou (obr. 21: Lomske 3). Před zhutněním byly úlomky rudy zahřáty na otevřeném ohni na teplotu několika set stupňů Celsia (vypraženy) (obr. 24), aby došlo k jejich vysušení a ke

97

Experimente Abb. 20 Raseneisenerz mit unterschiedlichem Eisenanteil aus Steinbach , Lkr. Görlitz (chemische Zusammensetzung siehe Abb. 37).


Steinbach 3

Obr. 20 Bahenní železná ruda s různým podílem železa ze Steinbachu, zemský okres Zhořelec (chemické složení viz obr. 37).

0

Steinbach 4

Steinbach 2

0

98

1 cm

1 cm

0

2 cm

Pokusy


Abb. 21 Raseneisenerz mit unterschiedlichem Eisenanteil aus Lomske, Lkr. Bautzen (chemische Zusammensetzung siehe Abb. 37).

Lomske 2

Obr. 21 Bahenní železná ruda s různým podílem železa z Lomske, zemský okres Budyšín (chemické složení viz obr. 37).

0

Lomske 3

1 cm

Lomske 1

0

1 cm

0

1 cm

99

Experimente


organische Bestandteile zu verbrennen. Dabei wird das im Erz überwiegend als Eisenhydroxid vorliegende Eisen zu Eisenoxid dehydratisiert (d. h. mit Fe2O3 angereichert). Nach dem Rösten waren die Erze rost- bis ziegelrot gefärbt (Abb. 23). Die Festigkeit hatte abgenommen, sodass sie sich jetzt mit relativ geringem Kraftaufwand mit einem Fäustel in die benötigten Korngrößen von 2 – 6 mm zerkleinern ließen. Dabei mussten minderwertige Kies- und Sandeinschlüsse soweit wie möglich aussortiert werden. Zur Füllung eines 10-l-Eimers wurden etwa 45 Minuten benötigt.

Der Verhüttungsvorgang Vor Beginn der Verhüttung wurde jeder Ofen 2 – 3 Stunden bei offenem Arbeitsschacht nur mit Holz befeuert und so bei ca. 500 °C vorgebrannt (Abb. 25). Hierbei sollte vor allem die Restfeuchtigkeit aus der Ofenwandung entweichen.

Abb. 22 Raseneisenerzhaufen bei Lomske, Lkr. Bautzen. Obr. 22 Hromada bahenní rudy u Lomske, zemský okres Budyšín.

100

spálení rušivých organických složek. Železo obsažené v rudě převážně jako hydroxid železitý je při tom dehydratováno na oxid železa (tj. obohacováno Fe 2 O 3). Po vypražení měly rudy rezavé až cihlové zbarvení (obr. 23). Snížila se jejich pevnost, takže se nyní daly paličkou poměrně snadno rozdrtit na potřebnou velikost zrn 2 – 6 mm. Přitom se musely co možná nejvíc vytřídit méně hodnotné štěrkové nebo pískové vměstky. K naplnění jednoho 10 l vědra bylo zapotřebí přibližně 45 minut.

Proces zhutňování rudy Před začátkem hutnění byla každá pec 2 – 3 hodiny vytápěna s otevřenou pracovní šachtou pouze dřevem a tak předehřáta cca na 500 °C (obr. 25). Přitom se měla ze stěny pece dostat především zbytková vlhkost. Poté

Pokusy


Danach wurde die halb mit Asche gefüllte Herdgrube beräumt, der noch heiße Ofen und die Herdgrube komplett mit Stroh ausgestopft und der Arbeitsschacht verschlossen. Waren die Düsen im leicht abfallenden Winkel (ca. 15°) montiert und die Blasebälge angeschlossen, wurde der Ofen durch die obere Schachtöffnung angezündet. Auf das relativ schnell herunterbrennende Stroh wurde sofort Holzkohle bis zum Ofenrand aufgeschüttet. Mit weiterem Absinken des Brennmaterials wurde dieser Vorgang wiederholt. Über die Blasebälge wurde erst Luft hinzugegeben, wenn die Holzkohle den Düsenbereich erreichte. Von diesem Zeitpunkt an musste kontinuierlich gepumpt werden. Das Stroh verbrennt nur bis unterhalb der Düsenöffnungen. Darunter – d. h. in der Herdgrube – herrscht Sauerstoffmangel. Durch das Stroh bildet sich in der Herdgrube eine Art Polster oder Puffer. Es verhinderte, dass die in den Ofenschacht geschüttete Kohle oder Erzmischung geradewegs und ohne Reaktion am Düsenbereich vorbei in die Herdgrube absackte. Die kontinuierliche Befüllung des Ofenschachtes mit purer Holzkohle – die Vorheizphase – nahm in der Regel zwei oder auch drei Stunden in Anspruch. Mit der ersten Erzbefüllung wurde begonnen, wenn der Ofen komplett heiß

Abb. 23 Erz aus Lomske (oben) und Luppa (unten) mit typischer Rotverfärbung nach dem Rösten. Obr. 23 Ruda z Lomske (nahoře) a z Luppy (dole) s typickým červeným zbarvením po pražení.

0

1 cm

0

2 cm

byla vyprázdněna zahloubená nístěj, naplněná z poloviny popelem, ještě horká pec a nístěj byly kompletně vycpány slámou a pracovní šachta byla uzavřena. Když byly s mírným sklonem (cca 15°) namontovány trubice a připojeny dmýchací měchy, byla pec horním šachtovým otvorem zažehnuta. Na poměrně rychle se spalující slámu bylo ihned nasypáno dřevěné uhlí až po okraj pece. Při dalším poklesu paliva se tento postup opakoval. Dmýchacími měchy byl přidán vzduch až tehdy, když dřevěné uhlí dosáhlo oblasti trubic. Od tohoto okamžiku bylo třeba nepřetržitě pumpovat.

Abb. 24 Rösten von Raseneisenerz auf offenem Feuer. Obr. 24 Pražení bahenní železné rudy na otevřeném ohni.

101

Experimente


war und die nötigen Temperaturen von ca. 1150 – 1200 °C erreicht und gehalten werden konnten. Je nach Größe und Schachtdurchmesser der Öfen fiel diese Zeitspanne unterschiedlich aus. Moderne Thermometer oder Temperaturfühler standen uns zur Überprüfung der hohen Temperaturbereiche nicht zur Verfügung. Eine gewisse Orientierung bot hier der Glühtest mit einer 0,5 cm starken Eisenstange im Düsenbereich (Glühfarbe: gelb bis hellgelb) oder ein einfacher Spritzwassertest an der Ofenwandung. Das Wasser musste in kürzester Zeit im gesamten unteren Drittel des Schachtes restlos verdampft sein. Das Erz wurde in 3 cm mächtigen Schichten von oben in den Ofen gegeben. Darauf folgte eine 10 cm dicke Schicht Holzkohle. Sackte die Ofenfüllung nach,

Abb. 25 Öfen der Serie 2011 beim Vorheizen. Obr. 25 Pece ze série pokusů z roku 2011 při předehřívání.

102

Sláma se spaluje jen po prostor pod otvory pro hubice. Níže – tj. v zahloubené nístěji – je nedostatek kyslíku. Díky slámě se v nístěji vytváří jakýsi polštář nebo nárazník. Ten zabránil tomu, aby uhlí nebo směs rudy nasypaná do pecní šachty klesla kolem prostoru s hubicemi přímo a bez reakce do zahloubené nístěje. Nepřetržité plnění pecní šachty čistým dřevěným uhlím – tj. předehřívací fáze – zabrala zpravidla dvě až tři hodiny. S prvním plněním rudy se začalo, když byla pec kompletně horká a když bylo dosaženo potřebné teploty přibližně 1150 – 1200 °C a tuto teplotu se dařilo udržovat. Tento časový úsek byl různý podle velikosti a průměru šachet pecí. Moderní teploměry nebo teplotní čidla jsme na ověření vysokých teplotních

Pokusy


kamen im gleichen Verhältnis die nächsten Schichten hinzu. Abgedeckt wurde das Erz immer mit Holzkohle, um keine oxidierenden Verhältnisse zu erzeugen. Nach ein bis zwei Stunden begann die Schlacke zu fließen. Sie tropfte im Idealfall in die Herdgrube bzw. in das dort vorhandene Stroh. Dabei verkohlte dieses und machte gleichzeitig Platz für die nachfließende Schlacke. Sobald die Herdgrube gefüllt war und keine Schlacke mehr nachfließen konnte, wurde der Verhüttungsvorgang mit einer Nachheizphase, in der über mehrere Stunden nur Holzkohle gefeuert wurde, beendet (Abb. 26). Zu Beginn der Versuche war noch nicht klar, ob und wie die benötigten Temperaturen erreicht werden. Die Ofenwandungen wurden im Verlauf der Versuche dicker gefertigt. So erhöhte sich das Isolierverhalten der Ofenwandung. Aber wie viele Blasebälge benötigt werden würden – die Öfen hatten dafür vier vorgesehene Öffnungen – und ob eventuell nicht genutzte Düsenöffnungen mit Lehmpfropfen verschlossen sein sollten oder dem natürlichen Luftstrom (Wind) ausgesetzt werden müssen, war unklar. Prinzipiell konnten die richtigen Luftverhältnisse nur über die erreichte oder gehaltene Temperatur in Kombination mit einer gleichzeitig relativ weichen, blauen Flamme (CO-Verbrennung) an der Ofenöffnung bestimmt werden (Abb. 28). Eine spritzig gelbe Flamme signalisierte einen zu hohen Sauerstoffgehalt im Ofen. In diesem Fall würde das Eisen verbrennen (Abb. 27). In den ersten sechs Versuchen 2010 standen uns nur zwei Blasebälge zur Verfügung. Getestet wurden die unterschiedlichen Kombinationen: ein oder zwei Blasebälge, mit und ohne Düseneinsatz, offene oder mit Lehm verschlossene Düsenöffnungen (vgl. Abb. Ofenzeichnungen). Ebenso wurden die Blasebälge in regelmäßigen Zeitabständen während der Verhüttung von Düse zu Düse versetzt.

rozsahů neměli k dispozici. Určitou orientaci nám poskytla zkouška žíháním se železnou tyčí o síle 0,5 cm v prostoru s trubicemi (barva žíhání: žlutá až světle žlutá) nebo obyčejná zkouška s vodou stříkanou na stěnu pece. Voda se musela v co nejkratší době v celé spodní třetině šachty beze zbytku odpařit. Ruda se do pece dávala shora po 3 cm silných vrstvách. Po vrstvě rudy následovala 10 cm silná vrstva dřevěného uhlí. Když náplň pece poklesla, přibyly ve stejném poměru další vrstvy. Ruda byla vždy zakryta dřevěným

Abb. 26 Aufsicht auf den Ofenschacht in der Nachheizphase. Obr. 26 Pohled na pecní šachtu ve fázi dohořívání.

103

Experimente

Abb. 27 Langzeitbelichtung eines Ofenganges bei Nacht der Serie 2011 ohne Düsen und mit vier Blasebälgen. Der starke Funkenflug entsteht nur bei zu hoher Sauerstoffzufuhr. Obr. 27 Dlouhodobé osvětlení chodu pece během noci – série pokusů z roku 2011 bez hubic a se čtyřmi dmýchacími měchy. Silné jiskření vzniká jen při přivádění příliš velkého množství kyslíku.

104


Pokusy


Die Blasebälge waren einfache Pumpblasebälge und keine Wechselblasebälge – d. h., die Luft konnte nur entsprechend dem Pumpintervall zugeführt werden. Der Anschluss nur eines Blasebalgs brachte deutlich zu wenig Leistung (bei 0,15 m3 pro Minute). Zudem wurden dabei die hohen Temperaturen nur an der Lufteintrittsöffnung und auf der gegenüberliegenden Seite erreicht. Ein Schlackefluss kam nur in dem mit Luft beaufschlagten Teil des Ofens zustande. Im Ergebnis versackte der Ofen einseitig. Zwei Blasebälge brachten hier deutlich gleichmäßigere Ergebnisse. Die Pumpfrequenzen mussten aber bei größeren Schachtdurchmessern von 30 cm und mehr über Stunden recht hoch gehalten werden. Drei Exemplare brachten eine deutliche Entspannung für das Bedienpersonal. In der Versuchsreihe von 2011 kamen grundsätzlich vier Blasebälge zum Einsatz, um die Verteilung der zugeführten Luft im Ofen gleichmäßiger zu gestalten. Sie wurden mit ihrem Kupferrohr ca. 2 cm vor den Ofenöffnungen aufgestellt. Dabei wurden keine Düseneinsätze verwendet, da sie im Jahr zuvor in unserer Konstruktionsgröße keinen erkennbaren

uhlím, aby se nevytvářely žádné poměry podporující oxidaci. Po jedné až dvou hodinách začala téct struska. V ideálním případě kapala do zahloubené nístěje, resp. do slámy, která se v ní nacházela. Sláma přitom zuhelnatěla a současně se vytvářel prostor pro následně přitékající strusku. Jakmile byla nístěj naplněná a další struska již nemohla přitékat, byl proces hutnění s fází dohřívání, v níž se po několik hodin topilo pouze dřevěným uhlím, ukončen (obr. 26). Na počátku pokusů ještě nebylo jasné, zda a jak bude dosaženo požadovaných teplot. Stěny pecí byly v průběhu pokusů zhotoveny s větší tloušťkou. Zvýšily se tak izolační vlastnosti stěn pecí. Ale kolik dmýchacích měchů by bylo zapotřebí – pece byly pro tento účel vybaveny čtyřmi otvory – a zda by případně nepoužité otvory pro trubice měly být uzavřeny jílovými zátkami nebo zda musejí být vystaveny přirozenému proudění vzduchu (větru), to nebylo jasné. V zásadě se dařilo správné vzduchové podmínky určovat pouze prostřednictvím dosažené nebo udržované teploty v kombinaci se současně poměrně měkkým, modrým plamenem (spalování CO) na otvoru pece (obr. 28). Svěží žlutý plamen signalizoval příliš vysoký obsah kyslíku v peci. V tomto případě by došlo ke spálení železa (obr. 27). Při prvních šesti pokusech v roce 2010 jsme měli k dispozici pouze dva dmýchací měchy. Byly testovány různé kombinace: jeden nebo dva dmýchací měchy s použitím trubic nebo bez trubic, otevřené otvory pro trubice nebo naopak otvory pro trubice uzavřené hlínou (srov. obr. nákresy pecí). Také jsme dmýchací měchy v pravidelných časových intervalech během tavby přesouvali od trubice k trubici. Dmýchací měchy byly jednoduché čerpací měchy a žádné střídavé měchy – tj. vzduch mohl být přiváděn pouze podle čerpacího intervalu. Připojení pouze

Abb. 28 Eine blaue Kohlenmonoxidflamme ist ein Anzeiger für reduzierende Bedingungen im Ofenschacht. Obr. 28 Modrý plamen oxidu uhelnatého je ukazatelem podmínek probíhající redukce v pecní šachtě.

105

Experimente

Abb. 29 Abgeschmolzene Düsenspitze eines aufgebrochenen Ofens. Obr. 29 Odtavená špička trubice stržené pece.

106


Vorteil erbracht hatten. Darüber hinaus sollte die Wirkung der zusätzlichen, natürlichen Luftzufuhr durch Wind getestet werden (Abb. 27). Ein Variieren der Düsenneigung in den Versuchen von 2010 hatte keine sichtbaren Auswirkungen. Ihre Spitzen reichten etwa 3 – 5 cm in den Ofeninnenraum. Wenn sie abschmolzen, wurden sie während der Verhüttung durch neue ersetzt. Etwa 10 cm längere Düsen, die weiter in das Innere reichen (Spitzen auf ca. 15 cm Abstand) wären besser gewesen (vgl. Abb. 15: A). So hätte sich die Luft und die Temperatur mehr auf das Ofeninnere konzentriert. Die ohnehin nicht sehr langen Düsen verloren durch Abschmelzen an Länge (Abb. 29) und heizten dann unnötig die innere Ofenwandung auf. In der Folge kam es zu einem recht dünnflüssigen Schlackefluss aus dem Lehm der Ofenwandung (Ofenschlacke), auf der das Erz-HolzkohleGemisch wie auf einem Gleitfilm ohne große Reaktion im Düsenbereich in die Herdgrube rutschen konnte (Abb. 30).

jednoho měchu znamenalo zřetelně příliš malý výkon (při 0,15 m3 za minutu). Kromě toho byly vysoké teploty dosahovány pouze u otvoru pro přívod vzduchu a na protilehlé straně. K tečení strusky docházelo pouze v části pece, do níž přicházel vzduch. Výsledkem bylo, že pec klesala jen na jedné straně. Použití dvou měchů zde znamenalo výrazně rovnoměrnější výsledky. Avšak frekvence pumpování musela být u větších průměrů šachty – 30 cm a víc – po celé hodiny udržována na vysoké úrovni. Tři měchy pak znamenaly pro obslužný personál výrazné uvolnění. V sérii pokusů v roce 2011 byly zásadně používány čtyři měchy, aby rozprostření přiváděného vzduchu v peci bylo rovnoměrnější. Měchy byly se svou měděnou trubičkou nainstalovány cca 2 cm před pecními otvory. Nebyly přitom použity žádné nástavce trubic, protože rok předtím při naší konstrukční velikosti nepřinesly žádnou znatelnou výhodu. Kromě toho musel být vyzkoušen účinek doplňkového, přirozeného vzduchu přiváděného větrem (obr. 27). Změna sklonu trubic při pokusech z roku 2010 neměla žádný znatelný vliv. Jejich špičky sahaly přibližně 3 – 5 cm do vnitřního prostoru pece. Když došlo k jejich roztavení, byly během tavby nahrazeny novými. V zásadě by byly lepší trubice přibližně o 10 cm delší, které by sahaly dál do vnitřku pece (špičky trubic uvnitř na vzdálenost cca 15 cm) (srov. obr. 15: A). Tím by se vzduch a teplota více soustředily na vnitřní prostor pece. Trubice, které tak jako tak nebyly moc dlouhé, ztrácely tavením na délce (obr. 29) a potom zbytečně ohřívaly vnitřní stěnu pece. V důsledku toho vytékala opravdu řídká struska (pecní struska) z hliněného materiálu stěny pece, po které směs rudy a dřevěného uhlí sjížděla do zahloubené nístěje jako po kluzké vrstvě bez nějaké velké reakce v oblasti vsazených trubic (obr. 30).

Pokusy


Ergebnisse In den Versuchsreihen 2010 und 2011 mit insgesamt elf Öfen wurden Schlackeklötze mit einem Gewicht von 30 – 45 kg erzeugt (Abb. 32). Einzelne Teilbereiche der Schlacken wiesen eine mehr oder weniger starke magnetische Anziehung auf (Abb. 31) oder enthielten unter Verwendung von Erzen aus Lomske der Serie 2011 kleine, stecknadelkopfgroße Eisenbröckchen. Insgesamt wurden 1,13 m3 Lehm, 0,5 m3 Stroh, 0,2 m3 Schamotte, 1,2 m3 Brennholz, 400 kg Buchenholzkohle und ca. 600 kg Raseneisenerz unterschiedlicher Qualität eingesetzt. Zur Gewinnung einer schmiedbaren Eisenluppe (Abb. 36) reichte grundsätzlich der Eisengehalt des benutzten Erzes nicht aus. Selbst eine gezielte Auswahl der Erze aus Steinbach (Fe2 O 3 < 40 Gew.-%) und Lomske (Fe2 O 3 < 60 Gew.-%) in der Aufbereitungsphase erbrachte keine Verbesserungen (erforderlich Fe2 O 3 > 80 Gew.-%). Testweise wurde in einem Versuch mit Erzen aus Steinbach die gewonnene Schlacke aus einem Ofen nochmals verhüttet. Das Ergebnis war identisch. Die Analyse einzelner Schlackenproben am Rasterelektronenmikroskop zeigte kein metallisches Eisen. Erkennbar sind Nadeln aus Wüstit (FeO), einem Eisenoxid (Abb. 33). Damit hat in den untersuchten Partien der Schlacken keine vollständige Reduktion des Eisenoxides (Fe2O3) zu Eisen (Fe) bzw. überhaupt keine Eisenanreicherung stattgefunden. Die chemischen Analysen der Eisengehalte lassen im Schnitt keine signifikante Erhöhung des Eisengehaltes in den Schlacken im Vergleich zu den Erzen erkennen (vgl. Abb. 37 und 38). Dieses Ergebnis verdeutlichen auch die Mangangehalte. Mangan (hier in oxidischer Form: MnO) verhält sich im Verhüttungsprozess wie Eisen und müsste bei

Výsledky V sériích pokusů v letech 2010 a 2011 byly celkem v jedenácti pecích vyprodukovány slitky strusky o hmotnosti 30 – 45 kg (obr. 32). Jednotlivé dílčí oblasti strusek vykazovaly více nebo méně silnou magnetickou přitažlivost (obr. 31) nebo obsahovaly při použití rud z Lomske u série z roku 2011 drobné hrudky železa velikosti špendlíkové hlavičky. Celkem bylo použito 1,13 m3 hlíny, 0,5 m3 slámy, 0,2 m3 šamotu, 1,2 m3 palivového dříví, 400 kg dřevěného uhlí z bukového dřeva a cca 600 kg bahenní železné rudy různé kvality. Pro získání kujné železné lupy (hrudky) (obr. 36) obsah železa použité rudy v zásadě nestačil. Dokonce ani cílený výběr rud ze Steinbachu (Fe2O3 < 40 hm. %) a Lomske (Fe2O3 < 60 hm. %) ve fázi úpravy nepřinesl žádné zlepšení (zapotřebí by bylo Fe2O3 > 80 hm. %). Při jednom pokusu s rudami ze Steinbachu byla struska získaná z pece na zkoušku ještě jednou vytavena. Výsledek byl stejný.

Abb. 30 Erstarrte, ursprünglich dünnflüssige Ofenmantelschlacke. Obr. 30 Ztuhlá, původně řídká struska z pláště pece.

107

Experimente


einer erfolgreichen Verhüttung ebenfalls eine Anreicherung aufweisen. In beprobten Schlacken sind die Gehalte im Schnitt sogar niedriger als in den Ausgangserzen. Große Probleme bereitete der hohe Sand- und Kiesanteil (d. h. der SiO2-Gehalt) in den Erzen. Eventuell hätte ein Ausschlämmen des Sandes in der Aufbereitungsphase des Erzes zu einem geringeren Sandanteil im benutzten Erz geführt. Zähflüssig wie Kaugummi sammelte sich die Schlacke oft unterhalb der Düsen an der Ofenwandung an – konnte aber in diesem Zustand nicht in die Herdgrube abfließen. In solchen Fällen bestand

Abb. 31 Magnetischer Schlackebrocken. Obr. 31 Magnetické úlomky strusky.

108

Analýza jednotlivých vzorků strusky provedená pod rastrovacím elektronovým mikroskopem neukázala žádné metalické železo. Patrné jsou jehličky wüstitu (FeO), oxidu železnatého (obr. 33). Ve zkoumaných částech strusek tedy nedošlo k úplné redukci oxidu železitého (Fe2O3) na železo (Fe) resp. k obohacení železa. Chemické rozbory obsahu železa neprojevují v řezu žádné signifikantní zvýšení obsahu železa ve struskách ve srovnání s rudami (srov. obr. 37 a 38). Tento výsledek je zřejmý také na základě obsahu manganu. Mangan (zde ve formě oxidu: MnO) se při hutnickém procesu chová jako železo a při úspěšném zhutnění by musel také vykazovat obohacení. Ve zkoumaných struskách je obsah v řezu dokonce nižší než ve výchozích rudách. Velké problémy působil vysoký podíl písku a štěrku (tj. obsah SiO2) v rudách. Případné vyplavení písku ve fázi úpravy rudy by vedlo k nižšímu podílu písku v použité rudě. Struska se ve vysoce viskózní podobě jako žvýkačka hromadila často pod trubicemi na stěně pece – v tomto stavu ale nemohla odtékat do zahloubené nístěje. V takových případech existovalo nebezpečí, že tam při nižších teplotách zatuhne a pec předčasně ucpe, jak se to v několika případech stalo (obr. 35). Abychom nemuseli předčasně ukončit chod pece, bylo možné strusku pomocí dlouhé železné tyče mechanicky strkat do zahloubené nístěje. Proto se pozornost musela neustále soustředit na regulaci odtoku strusky. Často došlo jen zvýšením frekvence pumpování měchů ke zvýšení přívodu vzduchu, a tedy i ke zvýšení teploty a struska pak byla tekutější. Rozbory strusky ale naznačují, že zvýšení teploty bylo příliš vysoké. Díky oxidujícímu prostředí se železo spálilo nebo nedošlo k jeho úplné redukci. Teprve při pokusech z roku 2011 byl k rudě přidán uhličitan vápenatý (přídavek CaCo3 v peci 1/2011) jako zásaditá přísada a dřevný popel. Struska byla řidší a její

Pokusy


die Gefahr, dass sie dort bei niedrigeren Temperaturen erstarrt und den Ofen vorzeitig verstopft, wie in einigen Fällen geschehen (Abb. 35). Um den Ofengang nicht vorzeitig abbrechen zu müssen, konnte die Schlacke mechanisch mit einer langen Eisenstange in die Herdgrube gestoßen werden. Aus solchen Gründen musste sich die Aufmerksamkeit permanent auf die Regulierung des Schlackeabflusses konzentrieren. Häufig wurde nur durch erhöhte Pumpfrequenzen der Blasebälge die Luftzufuhr und damit die Temperatur erhöht, wodurch die Schlacke fließfähiger wurde. Die Schlackeanalysen

tekutost se podařilo optimalizovat. Kromě toho mohly být pece provozovány i v intervalech bez přívodu vzduchu dmýchacími měchy, protože při otevřených otvorech pro vsazení trubic stačil přirozený přívod vzduchu i při slabém větru. Ne vždy byly také zapotřebí současně čtyři používané dmýchací měchy. Potřeba personálu se snížila nejméně ze čtyř na dvě nebo občas (v noci) dokonce na jednu osobu. Proces hutnění trval v průměru přibližně osm hodin. Nejlepších výsledků v průběhu hutnického zpracování rudy (navzdory neexistenci lupy) bylo dosaženo u pece 1/2011. Byla to také pec,

Abb. 32 Zerschlagener Schlackeklotz mit anhaftender Ofenwandung. Obr. 32 Rozbitý slitek strusky s ulpělou stěnou pece.

109

Experimente

Abb. 33 Oberfläche einer Schlacke mit Erz aus Lomske der Serie 2011 mit hellen FeO-Nadeln (Wüstit) in einer REMAufnahme.


suggerieren aber, dass der Temperaturanstieg zu hoch war. Durch ein oxidierendes Milieu verbrannte das Eisen oder wurde nicht vollständig reduziert. Erst in den Versuchen von 2011 wurde Kalziumkarbonat (CaCo3 -Zugabe im Ofen 1/2011) als basischer Zuschlagstoff und Holzasche dem Erz hinzugegeben. Die Schlacke wurde dünnflüssiger und ihr Fließverhalten konnte optimiert werden. Zudem konnten die Öfen auch in Intervallen ohne Luftzufuhr über die Blasebälge betrieben werden, da bei offenen Düseneinschuböffnungen die natürliche Luftzufuhr selbst bei schwachem Wind ausreichte. Auch waren so nicht immer vier gleichzeitig betriebene Blasebälge nötig. Der Personalaufwand

Obr. 33 Povrch strusky s rudou z Lomske ze série pokusů z roku 2011 se světlými jehličkami FeO (wüstit) na snímku z rastrovacího elektronového mikroskopu. Abb. 34 Oberfläche einer Raseneisenerzprobe aus Lomske mit hellen eisenreichen Partien (Fe 2 O 3 > 80 %, MnO 14 %) und grauen Quarzkörnern in einer REM-Aufnahme. Obr. 34 Povrch vzorku bahenní železné rudy z Lomske se světlými partiemi bohatými na železo (Fe 2 O 3 > 80 %, MnO 14 %) a šedými křemennými zrny na snímku z rastrovacího elektronového mikroskopu.

110

0,1 mm

0,5 mm

Pokusy


verminderte sich von mindestens vier auf zwei oder zeitweilig (in der Nacht) sogar auf eine Person. Durchschnittlich dauerte ein Verhüttungsvorgang etwa acht Stunden. Die besten Ergebnisse im Verhüttungsablauf (trotz fehlender Luppe) wurden mit Ofen 1/2011 erzielt. Es war auch der Ofen mit der höchsten Kalziumkarbonatzugabe (vgl. Abb. 38). Einschließlich der Nachheizphase lief er 15 Stunden. Insgesamt wurden mit allen Vorbereitungen für drei Verhüttungsversuche gut vier Wochen benötigt, wobei der Arbeitsprozess bereits mit der Verhüttung endete. Die weiteren Arbeitsschritte des Ausschmiedens der Luppe entfielen zwangsweise. Welchen Einfluss

u které došlo k největšímu přidání uhličitanu vápenatého (srov. obr. 38). Včetně fáze dohořívání pec běžela 15 hodin. Celkem bylo se všemi přípravami na tři hutnické pokusy zapotřebí skoro čtyř týdnů, přičemž pracovní proces končil již se zhutněním. Další pracovní kroky při vykování lupy nuceně odpadly. Jaký vliv by měly změny v pracovním procesu na kvalitu vyprodukovaného železa, jsme proto také nezkoumali. Ještě v roce 1996 byla v Lomske těžena čerstvá bahenní ruda s obsahem Fe2O 3 vyšším než 80 % a obsahem SiO2 téměř 12 hm. %. Naleziště však pro nás bylo přístupné již pouze nepřímo přes starší hromady

Abb. 35 Zähflüssige Schlacke verstopft die Belüftungsöffnung des Ofens. Obr. 35 Viskózní struska ucpává větrací otvor pece.

111

Experimente

112


Pokusy


Veränderungen im Arbeitsprozess möglicherweise Auswirkungen auf die Qualität des erzeugten Eisens haben würden, entzog sich daher ebenfalls einer Untersuchung. Noch 1996 wurde in Lomske bergfrisches Raseneisenerz mit einem Fe2O3-Gehalt über 80 % und einem SiO2Gehalt von knapp 12 Gew.-% geborgen. Die Fundstelle war uns aber nur noch indirekt durch ältere Raseneisenerzhaufen am Waldrand zugänglich. In Laborversuchen wurde dieses hoch angereicherte Erz verhüttet. Dabei konnte aus 17,4 kg Erz mit 25 kg Holzkohle in fünf Stunden eine Eisenluppe von 3,4 kg erzeugt werden. Ausgeschmiedet zu zwei Barren erbrachte das eine Ausbeute von ca. 1,1 kg Eisen. Allgemein betrachtet kann für das Scheitern der Verhüttungsversuche primär das verwendete Raseneisenerz mit einem zu hohen Gehalt an Sand und Kies und vergleichsweise geringen Eisenanteil als Ursache herangezogen werden. Sollte es den damaligen Metallurgen mit ähnlich schlechten Erzen trotzdem gelungen sein eine Eisenluppe auszubringen, dann bleibt uns als Fazit nur die Möglichkeit vor ihrem Können den Hut zu ziehen – allerdings konnten sie auf einen größeren Erfahrungsschatz zurückgreifen.

bahenní železné rudy na okraji lesa. Zhutnění této vysoce obohacené rudy proběhlo při laboratorních pokusech. Ze 17,4 kg rudy spolu s 25 kg dřevěného uhlí bylo za pět hodin vyrobeno 3,4 kg železné lupy. Výtěžek činil cca 1,1 kg železa vykovaného do dvou housek. Z obecného pohledu může být příčinou neúspěchu hutnických pokusů v první řadě použitá bahenní železná ruda s příliš vysokým obsahem písku a štěrku a srovnatelně nízkým podílem železa. Jestliže se tehdejším metalurgům přesto podařilo s podobně nekvalitními rudami dosáhnout železné lupy, pak můžeme na závěr před nimi jen smeknout – měli však možnost využít větších praktických zkušeností.

Abb. 36 Eisenluppe mit einem Gewicht von 15 kg einer Verhüttung von Raseneisenerz im Schachtrennofen von Alfred Bullermann aus Friesoythe (Niedersachsen). Aus einem Viertel dieser Luppe wurde eine Damastklinge ausgeschmiedet. Obr. 36 Železná lupa (hrudka) o hmotnosti 15 kg ze zhutnění bahenní rudy v šachtové hrudkovací peci Alfreda Bullermanna z Friesoythe (Dolní Sasko). Z jedné čtvrtiny této lupy byla vykována damašková čepel.

Abb. 37 und 38 Obr. 37 a 38

113

Experimente

Ve r s u c h e z u r R a s e n e i s e n e r z v e r h ü t t u n g Abb. 37 Chemische Zusammensetzung (Röntgenfluoreszenzanalyse, RFA) verhütteter rezenter Raseneisenerze aus Steinbach, Lkr. Görlitz (Steinbach 1 – 4) und Lomske, Lkr. Bautzen (Lomske 1 – 3) (Analyse Verhüttungsergebnisse/Schlacken siehe Abb. 38). Angefügt sind Vergleichsanalysen von Raseneisenerzen der selben Fundstelle (Lomske) aus dem Jahr 1996, ein erfolgreich verhüttetes Raseneisenerz aus Friesoythe, Lkr. Cloppenburg (Niedersachsen), (BG – Bestimmungsgrenze). Der Gesamteisengehalt der Proben ist jeweils in zwei unterschiedlichen Summen angegeben: * Messwert des Elementes „Fe” (Element-Gehalt) der RFA als Summe (Fe0/2+/3+) aus den vorliegenden Eisenoxiden und metallischem Eisen. ** Berechneter Gesamteisengehalt auf Grundlage des Element-Gehaltes als dreiwertiges Eisenoxid (Fe 2 O 3). Obr. 37 Chemické složení (rentgenová fluorescenční analýza, RFA) zhutněných současných bahenních rud ze Steinbachu, zemský okres Zhořelec (Steinbach 1 – 4) a Lomske, zemský okres Budyšín (Lomske 1 – 3) (analýza výsledků hutnického zpracování/strusky viz obr. 38). Připojeny jsou srovnávací analýzy bahenních rud téhož naleziště (Lomske) z roku 1996, úspěšně zhutněná bahenní ruda z Friesoythe, zemský okres Cloppenburg (Dolní Sasko), (BG – hranice určení). Celkový obsah železa u vzorků je uveden vždy ve dvou různých celkových hodnotách: * Změřená hodnota prvku „Fe” (obsah prvku) z RFA jako součet (Fe 0/2+/3+) vyskytujících se oxidů železa a metalického železa. ** Vypočtený celkový obsah železa na základě obsahu prvku jako trojmocného oxidu železa (Fe 2 O 3).

Gehalt in ppm / Obsah v ppm

Gehalt in Gew.-% / Obsah v hm. % Eisenerzprobe vzorek železné rudy

Fe*

Fe2O3 **

SiO2

P2O5

CaO

Al2O3

MnO

K 2O

SO2

MgO

Ba

Sr

Steinbach 1

27,90

39,90

44,30

0,60

0,06

< BG

0,08

0,58

0,10

< BG

170

20

Steinbach 2

24,34

34,80

52,60

0,49

0,06

< BG

0,08

0,61

0,09

< BG

190

20

Steinbach 3

29,23

41,80

43,00

0,61

0,06

< BG

0,07

0,58

0,09

< BG

170

20

Steinbach 4

26,29

37,60

49,90

0,51

0,06

< BG

0,07

0,61

0,14

< BG

180

20 60

Lomske 1

28,67

41,00

30,20

2,26

0,34

< BG

0,49

1,09

0,12

< BG

510

Lomske 2

39,72

56,80

20,20

1,99

0,34

< BG

3,36

0,74

0,15

< BG

760

70

Lomske 3

24,12

34,50

32,01

2,21

0,84

< BG

1,74

1,47

0,10

< BG

1710

150

Vergleichsanalysen (RFA) rezenter Raseneisenerzen von Lomske, Lkr. Bautzen aus dem Jahr 1996 Srovnávací analýzy (RFA) současných bahenních železných rud z Lomske, zemský okres Budyšín z roku 1996 Lomske-9A-I

52,80

75,50

13,60

3,76

1,09

2,80

1,79

0,42

< BG

0,15

1600

84

Lomske-9B-II

61,70

88,20

7,90

0,73

0,37

1,57

0,35

0,21

< BG

0,06

250

28

0,07

< BG

200

21

Friesoythe, Lkr. Cloppenburg / Niedersachsen 2011 Friesoythe, zemský okres Cloppenburg / Dolní Sasko 2011 Friesoythe

114

56,65

81,00

6,82

1,77

1,27

< BG

0,27

0,13

Pokusy

P o ku s y o t a v e n í b a h e n n í ž e l e z n é r u d y Abb. 38 Chemische Zusammensetzung (Röntgenfluoreszenzanalyse, RFA) ausgewählter Schlacken aus den Verhüttungsversuchen von 2010 mit Erzen aus Steinbach, Lkr. Görlitz (3, 4, 6/2010) und aus der Versuchsreihe 2011 mit Erzen aus Lomske, Lkr. Bautzen (1 – 3/2011). Angefügt sind zwei Vergleichsanalysen von Schlacken der spätkaiserzeitlichen Fundstelle Lomske-3, Befund 11 und 18 (4. Jh. n. Chr.), die auf Erzvorkommen der selben Fundstelle zurückgehen. Der Erzmischung im Ofen 1/2011 wurde ca. 15 –20 % CaCO 3 als Flussmittel zugesetzt, den Erzmischungen im Ofen 2 und 3/2011 Holzasche und in geringer Menge CaCO 3 (unter 5%), (BG – Bestimmungsgrenze). Der Gesamteisengehalt der Proben ist jeweils in zwei unterschiedlichen Summen angegeben: * Messwert des Elementes „Fe” (Element-Gehalt) der RFA als Summe (Fe0/2+/3+) aus den vorliegenden Eisenoxiden und metallischem Eisen. ** Berechneter Gesamteisengehalt auf Grundlage des Element-Gehaltes als dreiwertiges Eisenoxid (Fe2O3). Obr. 38 Chemické složení (rentgenová fluorescenční analýza, RFA) vybraných strusek z pokusů hutnického zpracování rudy z roku 2010 s rudami ze Steinbachu, zemský okres Zhořelec (3, 4, 6/2010) a ze série pokusů z roku 2011 s rudami z Lomske, zemský okres Budyšín (1 – 3/2011). Připojeny jsou dvě srovnávací analýzy strusek z naleziště z doby pozdního císařství Lomske-3, nález 11 a 18 (4. st. n. l.), které se týkají výskytu rudy na tomtéž nalezišti. Ke směsi rudy v peci 1/2011 bylo přidáno cca 15 –20 % CaCO 3 jako tavicí přísada, ke směsím rudy v peci 2 a 3/2011 dřevný popel a v menším množství CaCO 3 (méně než 5 %), (BG – hranice určení). Celkový obsah železa u vzorků je uveden vždy ve dvou různých celkových hodnotách: * Změřená hodnota prvku „Fe” (obsah prvku) z RFA jako součet (Fe 0/2+/3+) vyskytujících se oxidů železa a metalického železa. ** Vypočtený celkový obsah železa na základě obsahu prvku jako trojmocného oxidu železa (Fe 2 O 3).

Gehalt in Gew.-% / Obsah v hm. % Schlacke struska

Fe*

Fe2O3 **

SiO2

P2O5

CaO

Al2O3 MnO

Gehalt in ppm / Obsah v ppm

K2O

SO2

MgO

TiO2

Na2O

Ba

Sr

Cr

V

Zr

As

3/2010

21,68

31,00

63,40

0,32

0,36

< BG

0,12

0,97

0,02

< BG

< BG

< BG

260

40

< BG < BG < BG < BG

4/2010

20,35

29,10

66,40

0,31

0,32

< BG

0,14

0,81

0,03

< BG

< BG

< BG

270

40

< BG < BG < BG < BG

6/2010

18,81

26,90

65,40

0,29

0,45

< BG

0,13

0,94

0,03

< BG

< BG

< BG

270

150

< BG < BG < BG < BG

1/2011

25,17

36,00

32,60

1,56

19,50

3,78

1,40

1,29

0,07

0,40

0,23

0,29

900

100

100

200

100

< BG

2/2011

24,12

34,50

47,60

1,53

4,63

4,87

1,21

2,49

0,08

0,55

0,28

0,52

1000

200

200

100

200

48

3/2011

21,05

30,10

55,20

1,40

4,23

4,92

1,30

2,11

0,07

0,44

0,26

0,48

1000

100

200

100

100

35

Vergleichsdaten von Schlacken der späten römischen Kaiserzeit aus Lomske-3 / Befund 11 und 18 ( 4. Jh. n. Chr.) Srovnávací údaje ke struskám z doby pozdního římského císařství z Lomske-3 / nález 11 a 18 (4. st. n. l.) Lomske 3/11

38,15

54,55

32,53

1,78

1,66

3,43

3,93

0,97

< BG

0,20

0,27

0,16

3350

83

< BG < BG

135

< BG

Lomske 3/18

46,34

66,30

25,39

1,69

1,56

3,14

0,45

0,69

< BG

0,21

0,20

0,13

399

62

< BG

99

< BG

Danksagung Für die Untersuchungen der Erze und Schlacken und die Hilfe bei der Interpretation der Ergebnisse möchten wir an dieser Stelle ganz herzlich Herrn Jörg Büchner vom Senckenberg Museum für Naturkunde in Görlitz für die REM-Untersuchungen und Herrn Dr. Alexander Pleßow vom Institut für Mineralogie der Technischen Universität Bergakademie Freiberg für die RFA-Untersuchungen danken. Unser besonderer Dank gilt dem Kunstschmied Herrn Alfred Bullermann aus Friesoythe in Niedersachsen, der uns aus seinen Erfahrungen mit vielen Ratschlägen hilfreich unterstützte.

86

Poděkování Pokud jde o zkoumání rud a strusek a pomoc při interpretaci výsledků, rádi bychom na tomto místě srdečně poděkovali panu Jörgu Büchnerovi ze Senckenbergova přírodovědného muzea ve Zhořelci za analýzy provedené pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu (REM) a panu Dr. Alexanderu Pleßowovi z Institutu mineralogie Technické univerzity – Báňské akademie Freiberg za rentgenofluorescenční analýzy (RFA). Náš zvláštní dík patří uměleckému kováři, panu Alfredu Bullermannovi z Friesoythe v Dolním Sasku, který nám na základě svých zkušeností pomohl mnoha radami.

115

Versuche zur Raseneisenerzverhüttung Pokusy o tavení bahenní železné rudy

Recommend Documents