Teorie fyzikální podobnosti aplikovaná na pochody přímé výroby železa z rud v šachtových pecích

Karel Stránský

Článek se zabývá metodikou vyhodnocení metalurgických experimentů umožňující vyhodnocení provozních parametrů kusové pece a procesu tavby v průběhu experimentální tavby pomocí bezrozměrných kriterií podobnosti. Metodika se opírá o terorii fyzikální podobnosti.

Na základě obecných znalostí metalurgického procesu a dále zkušenosti z experimentu byly vybrány základní parametry experimentu a ty byly následně transformovány v bezrozměrná kriteria. Na základě těchto kriterií potom lze srovnávat realizované experimenty.

Autor dále pojmenovává jednotlivé fáze experimentální tavby.

Článek se stal metodickým základem pro práci následujících desítek let.

K OTÁZCE HMOTNOSTNÍ BILANCE STARÝCH ŽELEZÁŘSKÝCH HUTNICKÝCH POCHODŮ

KAREL STRÁNSKÝ, JIŘÍ BAŽAN, JIŘÍ MERTA, VĚRA SOUCHOPOVÁ, LUBOMÍR STRÁNSKÝ

Vysoká chemická heterogenita základní rudné vsázky, nestejnoměrnost chodu procesů přímé výroby železa z rud, režimu dřevouhelných vysokých pecí a režimů zkujňování vyrobeného surového železa v kujnicích výhních, které se zcela přirozeně odrážejí v nestejnorodosti chemického složení, vlastností a chování předmětů jednotlivých produktů, je principiální příčinou, která brání exaktnímu fyzikálně-chemickému popisu dnes již po více než pět generací trvajícím zániku těchto železářských technologií. V posledních desetiletích byly na mnohých pracovištích, v rámci činnosti muzeí, kateder a ústavů vysokých škol, pracoviště Akademie věd, i zájmových organizací, uskutečněny pokusné tavby, jejichž cílem bylo rekonstruovat pochody přímé výroby železa z železných rud.

Většina pokusných taveb byla zároveň provázena základní hmotnostní bilancí, tj. sledováním hmotností rudné vsázky, zvážením vyprodukované železné houby a strusky, a také kovářským zpracováním vyrobeného železa na prakticky používaný výrobek (nože, sekyrky, sekáče aj.).

Navzdory do jisté míry omezené vypovídací hodnotě informací obsažených v souboru dosavadních nálezů jsme se pokusili, na podkladě analýz železářských produktů (želez a strusek) pocházejících z teritoria obou zmíněných vrchovin, podat alespoň základní hmotnostní bilanci zaniklých železářských pochodů. Tato bilance je podána pro pochody přímé výroby železa z rud, tavení v dřevouhelných vysokých pecích a zkujňování dřevouhelného surového železa.

METALOGRAFICKÝ ROZBOR ŽELEZNÉHO POLOTOVARU Z TAVBY V REKONSTRUKCI PECE S TENKOU HRUDÍ PROVEDENÉ 14. 5. 2008 VE STARÉ HUTI U ADAMOVA

JIŘÍ HOŠEK, JIŘÍ MERTA, MARTIN BARÁK

Článek přináší metalografické vyhodnocení výsledků experimentálních taveb železa v rekonstrukcích kusových pecí z období Velké Moravy. Experimenty byly provedeny v areálu Staré huti u Adamova v letech 2008 a 2009. 

EXPERIMENTÁLNÍ TAVBY ŽELEZA VE STARÉ HUTI U ADAMOVA V SEZONÁCH 2008 A 2009

MARTIN BARÁK, JIŘÍ MERTA, ONDŘEJ MERTA, LENKA GRYCOVÁ

V sezónách 2008 a 2009 (workshopy v květnu a září) byly realizovány experimentální tavby železa. Při několika pokusech bylo dosaženo kvalitního výsledku jak z hlediska množství železa, které bylo vyredukováno, tak z hlediska kvality produktu tavby. Bylo přistoupeno i k základnímu zhutnění železné houby. Text článku popisuje podmínky, postupy a výsledky experimentů. V závěru se pokouší shrnout poznatky a nastolit otázky pro další zkoumání technologie - přímé výroby železa v kusové peci z období Velké Moravy.

Fyzikálně chemická podobnost při těžbě a hutnickém zpracování polymetalických a železných rud

Karel Stránský, Lubomír Stránský, František Kavička, Simona Hutařová, Drahomíra Janová, Bohumil Sekanina, Věra Souchopová, Jiří Merta

V příspěvku je předložena možnost využití teorie fyzikálně chemické podobnosti ke sjednocení pohledu na těžbu a hutnické zpracování polymetalických a železných rud. Je ukázáno, že základní vlastnosti těžených polymetalických a železných rud je možno charakterizovat rozměrovými fyzikálním a chemickými vlastnostmi čistých těžených kovů. K těmto vlastnostem lze počítat měrnou hustotu, teplotu tavení, teplotní vodivost a skupenské (latentní) teplo. Tyto základní rozměrové veličiny charakterizující vlastnosti zmíněných rud je možno doplnit teplotou jejich redukčního zpracování a dobou redukčního žíhání v primitivních hutnických pecích vytápěných dřevěným uhlím. Je ukázáno, že těchto šest rozměrových veličin může být ve smyslu tří teorémů fyzikální podobnosti, tj. Pí teorému, teorému rozměrové homogennosti a teorému rozměrové nezávislosti, vyjádřeno cestou dvou bezrozměrových kritérií podobnosti, tj. podobnostních čísel. Kromě proměnlivé doby redukčního tavení značí zbývající čtyři rozměrové veličiny fyzikálně chemické vlastnosti obou druhů rud polymetalických i železných. Běží přitom o rudy, které jsou v přírodě svými vlastnostmi navzájem pevně, tj. stabilně svázány. Pro 20 zmíněných prvků je tato vazba podle dat experimentálně změřených rozměrových veličin velmi silná a uplatňuje se s korelačním koeficientem 0,6129. Tento korelační vztah je pro použitý log-log vztah mezi oběma podobnostními čísly silně statisticky významný.

Workshopy starého železářství v areálu Staré huti u Adamova – zpráva

Ondřej Merta

Technické muzeum v Brně provádí ukázkové a experimentální tavby v železářských kusových pecích založené na informacích získaných během archeologických výzkumů raně středověkých železářských hutí ve střední části Moravského krasu. Na ukázkové tavby pro veřejnost, konané od roku 1993, navázaly experimentální tavby realizované v areálu Staré huti u Adamova. Od roku 2009 jsou pořádány Workshopy starého železářství s mezinárodní účastí.

Obecné počátky přímé výroby železa a její vývoj na našem území

Jiří Merta

V oblasti východní Anatolie započala již na konci 3. milénia př. n. l. výroba železa tzv. přímým způsobem, kdy je produktem tavby železná kovatelná houba. Tento prostor je shodný s oblastí počátků zpracování měděných rud. Odtud se znalost výroby železa šířila do Středomoří a do přilehlých městských států Předního východu. Z tohoto období není znám konkrétní typ železářské redukční pece, šlo patrně o výheň s postupně vznikající šachtou. Při pobřeží Středozemního moře vznikla postupně řada významných železářských středisek (západní Kréta, jižní Řecko, Elba). Do střední Evropy znalost železářské výroby pronikla přes Balkán. Již od 6. stol. př. n. l. zpracovávaly halštatské huti místní rudy. K rozmachu železářské výroby došlo ve společenství keltských kmenů, které užívaly šachtových pecí se zahloubenou nístějí, jejíž schéma převzaly později germánské kmeny a užívaly ji po více jak pět století. Dalším typem pece byl aparát s dómovým vnitřním prostorem schopný produkovat značně hmotné houby (do 50 kg). V západní Evropě známe šachtové pece o výšce až 2,5 m, které využívali také Římané (Les Martys), podobně jako pecí z alpské oblasti (Magdalensberg). Z období raného středověku je známo několik hutí roztroušených po území Evropy, v nichž probíhal na sobě nezávisle vývoj výroby surového železa. Jednalo se o pece s kamennou obezdívkou a vnitřním průměru šachty kolem 1 m a výšce cca 3 m. V českých zemích vedl vývoj od zahloubených keltských pecí známých z výrobní komory severozápadně Prahy, přes samostatně stojící šachtové pece germánských kmenů (Boskovická brázda), po slovanské železářské huti užívající postupně zadlabané pece typu Želechovice a zadlabané pece s tenkou hrudí situované v bateriích (období Velké Moravy – severní Pomoraví, Moravský kras). Od počátku nového tisíciletí je užívána samostatně stojící šachtová pec. Dokumentace vývoje železářství v českých zemích v období 12. až 13. století, tedy v období formování městských aglomerací, je značně skoupá. Přitom právě toto období přináší řadu zásadních změn spojených se zvýšenou potřebou železa krytou postupně zaváděnými železářskými hamry vybavenými vodními koly. Vodního kola bylo užíváno patrně nejdříve k pohonu zvětšujících se měchů, které umožnily i zvětšení tavicí pece a zvýšení její produkce. V alpských zemích dosahovaly v novověku kusové železářské pece výšky až 5 m a produkovaly železnou houbu o hmotnosti až 1000 kg. Tento v českém prostředí nový typ pece je užíván od poloviny 16. století do postupného zavedení vysoké pece vyrábějící nepřímým výrobním způsobem slévatelné surové železo s vyšším obsahem uhlíku (kolem 2–4 % C). Vysoká pec se vyvinula mimo naše území a její užívání se k nám rozšířilo ze saské strany Krušných hor na konci 16. století. V některých oblastech Evropy však bylo užíváno výhňových pecí, v oblastech Skandinávie vystřídaly na konci středověku šachtové pece, v západním Středomoří pokračoval jejich vývoj a užívání až do konce 18. století (korsická výheň, katalánská výheň).

PŘÍSPĚVEK K ŽELEZÁŘSKÉ VÝROBĚ NA UNIČOVSKU V RANÉM STŘEDOVĚKU – Z ARCHEOLOGICKÝCH VÝZKUMŮ V DOLNÍ SUKOLOMI A BRNÍČKU

Hana Marešová

Cílem práce je seznámení se dvěma raně středověkými lokalitami a především s nimi spjatou železářskou výrobou. Lokality jsou geograficky vymezeny společně s přírodními podmínkami střední Moravy a dále je zkoumáno osídlení na Uničovsku. Je popsán systém slovanského železářství v českých zemích, do kterého je zasazeno železářství na Uničovsku v období raného středověku. Stěžejní částí práce je samotná analýza lokalit Brníčko a Dolní Sukolom, zhodnocení nálezových situací, charakteristika železářských pecí, které jsou zařazeny do systému železářství na Moravě. Dále je proveden rozbor artefaktů i ekofaktů z obou lokalit.
Lokality ležící severně od města Olomouce, v blízkosti města Uničova, vykazovaly již předchozí osídlení a na raně středověké osídlení plynule navázalo osídlení středověké a novověké. Hovoříme o území, které bylo ideální pro slovanské osídlení a následně i pro vznik kovozpracujícího střediska produkujícího železo nejen pro oblast Uničovska.
Tři dolnosukolomské pece můžeme podle analogie s pecemi z lokality Želechovice chronologicky zařadit do přelomu 8. a 9. století. Ve všech případech můžeme hovořit o pecích vtesaných do terénu se zahloubenou nístějí, s dlouhým tunelem v hrudní partii a s podkovovitou dutinou v zadní stěně šachty. Pouze jediná nalezená železářská pec na lokalitě Brníčko je díky keramickému materiálu zařaditelná do období 11.–12. století. Ačkoliv v této době nastává nástup nadzemních šachtových pecí s kotlovitě zahloubenou nístějí, je z popisovaných nálezů zřejmé, že hutníci v pozdějších stoletích pracovali i s jinými typy pecí. Pro železářské pece z tohoto chronologického období jsou typické kotlovitě zahloubené nístěje.
Důležitým zjištěním k rozpoznání železářských pecí byla analýza strusky, provedená na vzorcích z obou lokalit. Díky chemické analýze se nám podařilo prokázat, že hutnící z obou lokalit i ze známé dílny u Želechovic využívali stejné železorudné magnetit-hematitové ložisko. Lze tedy předpokládat, že všechny hutnické dílny, které v raném středověku na Uničovsku pracovaly, využívaly tento bohatý zdroj rudy.

REVEALING THE SURFACE PATTERN OF MEDIEVAL PATTERN WELDED IRON OBJECTS – ETCHING TESTS CONDUCTED ON RECONSTRUCTED COMPOSITES

Adam Thiele, Jiří Hošek, Márk Hazamza, Béla Török

Pattern welding is a forging technique used for making and employing laminate composites that reveal a surface pattern after polishing and etching. The technique was widely used within the period of the late 2nd to the 14th century AD in the manufacture of ostentatious swords, scramasaxes, knives and spear-heads. Although pattern welding derived from piling wrought iron and steel together, deliberately created surface patterns were, since the 2nd century at the latest, revealed by composites employing phosphoric iron as the basic constituent.
As the readability of the patterned surfaces is significantly enhanced by etching, one can assume that historical pattern welded objects were somehow etched. Hence, the basic question arises: which material combination and what etching parameters lead to the most contrasting and visible pattern? Another important question is: how can archaeometallurgists and conservator-restorers reveal surviving pattern welded elements of archaeologically excavated iron objects without a risk of misinterpretation and destabilization of the objects studied?
In an attempt to answer these questions, samples detached from patterned welded rods combining phosphoric iron, wrought iron and steel were ground and etched using six different acids (which could be available in the 2nd–14th centuries) under various conditions concerning acid concentration, temperature and etching time. The etching test revealed that the most visible pattern appears in the case of composites combining phosphoric iron and tempered steel, when hydrochloric acid is applied as etchant. When concerned parts of archaeological iron objects are subjected to etching, applying a weak solution of nitric acid in gradually increased concentration or temperature seems to be the most convenient method for the particular purpose.

ARCHEOMETALURGICKÝ PRŮZKUM PRODUKTŮ Z EXPERIMENTÁLNÍ TAVBY ŽELEZA V REKONSTRUKCI ŠACHTOVÉ PECE SE ZAHLOUBENOU NÍSTĚJÍ

Jiří Kmošek

Práce se zabývá vyhodnocením experimentálně získaných produktů z přímé redukce železa z rud v replice železářské pece z doby laténské. Pro rozbor železné houby, kovářsky zpracovaných polotovarů, železářské strusky a železné rudy byla použita optická a elektronová mikroskopie, optická emisní a rentgenová fluorescenční analýza, elektronová mikroanalýza a rentgenová difrakční analýza. Analýzami bylo zjištěno,
že produktem tavby je železná houba s nehomogenní distribucí uhlíku, s oblastmi čistého feritu a charakteristickými strukturami podeutektoidní oceli. V překovaném polotovaru železné houby byl dokumentován zvýšený obsah uhlíku a přítomnost ledeburitické struktury. Významnou strukturní fází přímo redukovaného železa jsou v tomto případě struskové vměstky, obsahující wüstit, fayalit a amorfní skelnou fázi.

THE 7TH FROM THE SOIL TO THE IRON PRODUCT – THE TECHNOLOGY OF MEDIEVAL IRON SMELTINGIRON SMELTING CAMP IN HUNGARY IN 2015

Adam Thiele

Nowadays, the development of technology rushes past the people of the machine-based technical civilisation, therefore we fail
to understand the technological wonders that surround us. One of these is the ancient technology of iron smelting. Every summer, a five-day long international Iron Smelting Camp is organised
in Somogyfajsz in which you can get to know the hard and laborious work through which we will get from the iron ore
to the iron products.

CHARAKTERIZACE ŽELEZÁŘSKÝCH STRUSEK Z POKUSNÉ TAVBY REALIZOVANÉ TECHNICKÝM MUZEEM V BRNĚ V ROCE 2012

Radovan Svoboda, Zdeněk Dolníček, Karel Malý

V práci byla provedena charakterizace variability fázového složení, chemického složení jednotlivých fází a základních fyzikálních vlastností železářských strusek, získaných při pokusné tavbě Technickým muzeem v Brně v roce 2012. Pro analýzu fázového složení strusek byly použity metody polarizační mikroskopie a elektronové mikrosondy. K podrobnému studiu bylo vybráno pět makroskopicky odlišných strusek. Strusky jsou kompozičně značně heterogenní. Převažujícími fázemi jsou olivín, sklo a wüstit, ale jejich poměry se v jednotlivých struskách velmi liší. Olivíny jsou téměř čisté fayality a jejich chemismus se v porovnání s historickými struskami z různých lokalit téměř shoduje. Chemické složení skelné fáze je značně heterogenní, podstatnou složkou jsou SiO2 , FeO, Al2O3 , CaO a K2O. Analýza chemismu spinelidu u jedné ze strusek prokázala, že se jedná o magnetit s 24 % hercynitu.

In Memoriam JIŘÍ MERTA

DM a OM

Nezbývá nám, nežli začít smutnou zprávou. 29. ledna zemřel jeden z „otců zakladatelů“ konference Archeologia technica a tohoto periodika, Jiří Merta. Věříme, že jeho jméno s nimi bude i nadále spojováno, stejně tak jako zůstane součástí minulosti, současnosti, ale i budoucnosti Technického muzea v Brně, Staré huti u Adamova, Workshopů starého železářství, Setkání ve střední části Moravského krasu, Spolku Františka, Šlakhamru a dalších dějů, na nichž se podílel.