Výzkumy - Experimenty
Technické muzeum
 
Experimentální tavby železa v Technickém muzeu Brno
Historie pokusného tavení železa v rekonstrukcích metalurgických aparátů, jejichž pozůstatky byly nalezeny na archeologických výzkumech, začala už více než před 110 lety. Prvním (a ostatně velmi úspěšným) badatelem na tomto poli byl G. Wurmbrandt (1877), ale skutečné vědecké základy k metalurgickým experimentům byly položeny až v padesátých letech našeho století. Je přitom třeba říci, že naše země patřily k prvním, které se na tomto směru metalurgicko - archeologického zkoumání podílely. 
Rudická Seč - experimentální dobývka rudy v povrchovém ložisku (obr. 1-3).
- 
    Pozornost byla zprvu věnována nadzemní šachtové peci typu  Scharmbeck a vtesané peci, rekonstruované podle nálezů v huti v Želechovicích na Uničovsku, (Pleiner 1969a). Na počátku sedmdesátých let navázala pak na tyto pokusy skupina badatelů soustředěná kolem blanenského muzea, kde čerpala z výsledků archeologického výzkumu v kraji. (Souchopová 1986, 10)
     Prvním podnětem pro realizaci série taveb byl nález pozůstatků nadzemní šachtové pece z 11. století n.l. Pocházela z hutnické dílny v rozsáhlém raněstředověkém  těžebně hutnickém revíru  ve střední části Moravského krasu, který je za současného stavu bádání největším dosud známým hutnickým centrem z tohoto období na území západních Slovanů. Odkryv už čtrnácti hutnických dílen  přinesl nejen pozůstatky redukčních  pecí a vyhřívacích výhní, ale i dostatek dalších dokladů výrobní činnosti - zpracování rudy před tavbou, polotovary železa, pozůstatky používaného dřevěného uhlí , různé typy dyzen na jednotlivých lokalitách, pracovní nářadí atd. Archeologicky zachycená výrobní činnost tam navíc probíhala v dlouhém časovém rozpětí, od 8. do 11. století n.l., což umožnilo sledovat vývoj hutnictví železa v době vzniku, rozkvětu a po zániku říše Velkomoravské a pomocí srovnání s nálezy hutnických pozůstatků na jiných lokalitách vyvodit i některé závěry související se společenskou a hospodářskou situací té doby.
- 
Samotná experimentální tavba ve Staré huti u Adamova (obr. 4-11)

    V další fázi experimentů proběhly dvě tavby v rekonstrukcích nadzemních šachtových pecí, jejichž pozůstatky byly objeveny při výzkumu extenzivního hutnického střediska z mladší doby římské v Sudicích u Boskovic. S úspěchem se setkala druhá tavba, kdy bylo dosaženo výtěžku 13% hmotnosti vložené železné rudy (Stránský - Souchopová - Ludikovský 1978, 464 - 467). Tavby byly prováděny přímo na nádvoří blanenského muzea a sloužily tak zároveň k popularizaci prováděného archeologického výzkumu.

- 
Třetí etapa experimentálního výzkumu železářství se opět vrátila k rekonstrukci pece z výše uváděného raněstředověkého hutnického revíru střední části Moravského krasu. Tentokrát to byla rekonstrukce pece označené jako vestavěná pec s tenkou hrudí, která byla na našem území poprvé zjištěna právě v dílnách střední části Moravského krasu. V maďarské literatuře je označována podle eponymního naleziště jako pec typu Imola,  a datovaná do 10.-13. století n.l. (Gömöri - Kisházi 1985, 339). V Moravském krasu bylo však prvních pět exemplářů popisovaného hutnického aparátu odkryto v hutnické dílně  z 9. století n.l. (Souchopová 1986, 24), takže lze předpokládat, že odtud se tento typ rozšířil do Karpatské kotliny, přičemž některé nálezy na Ukrajině nasvědčují tomu, že Slované si konstrukci tohoto typu přinesli  ze svých výchozích oblastí. V maďarské literatuře je rozšíření vestavěných pecí s tenkou hrudí uváděno v souvislost s vytvářením velkých politicko - hospodářských celků (Gömöri 1989, 130) a současná situace archeologického výzkumu nasvědčuje pravdivosti této hypotézy (k tomu viz: Souchopová, 1992, 131 - 3). Při experimentálních tavbách s popisovaným typem pece navíc není třeba pracovat s domýšlenými fakty. 
  - 
    Archeologický výzkum velkomoravské hutě v polesí Olomučany, lesním oddělení 98, přinesl nejen objevy velmi dobře zachovaných pecí (takže pokusné tavby nejsou prováděny v rekonstrukcích, ale v replikách těchto objektů), ale také doklady o způsobu přípravy rudy před tavbou, úlomky strusek z odpichu, a doklady forem i kvality finálních výrobků dílny. Experiment může tato fakta využít a přinést srovnatelné a poměrně spolehlivé poznatky o skutečnostech, které se v archeologických nálezech  neodrážejí, a to poznatky o vlastních podmínkách  tavby a jejím technologickém základě. Je pravda, že , snad i díky zkušenostem z předchozích sérií experimentů, byly pokusné tavby v tomto typu pece velmi přínosné. Prokázalo se že pec byla skutečně velmi výkonná, neboť při nejúspěšnějším experimentu bylo dosaženo výtěžku 44% houbovitého železa z vložené rudné vsázky. Znamenalo to získání 8,80 kg celistvé, struskou prostoupené, ale hutné železné houby z 20 kg železné rudy . Zároveň byla  prokázána i možnost vypouštění značné části strusky. (Souchopová a kol.1985, 29)
Výsledky experimentálních taveb jsou přínosem z hlediska archeologického i technického, pomáhají ale také velmi dobře propagovat výsledky práce muzea. K tomuto účelu byly v blanenském muzeu a v současné době v Technickém muzeu v Brně pořádány tzv. "Dny dávného hutnictví železa", kdy byly předvedeny tavby v různých typech pecí nalezených na archeologickém výzkumu a to v některých případech i kostýmovanými hutníky. V technické rezervaci Stará huť u Adamova, která leží na okraji dávného hutnického areálu, je budována expozice malých hutnických pecí na přímou výrobu železa  z rud pod širým nebem. Dá se říci, že všechny tyto aktivity se těší zájmu veřejnosti, naším základním záměre ale zůstala koncentrace na získávání vědeckých poznatků.
Takto je směrována i současná linie pokusných taveb, která probíhá od roku 1993 v areálu Technického muzea v Brně Stará huť u Adamova. Pro tento účel navázalo muzeum kontakty s Vysokým učením technickým v Brně. Popisované sérii pokusů předcházel znovu teoretický rozbor problematiky redukce železa z rud, opírající se o poznatky moderní metalurgie. Volba vstupních surovin vycházela ze zmíněných výsledků archeologického výzkumu (Souchopová 1986, 24). Ten dal především k dispozici přesný tvar pece, dále pak informace o vsázce - ze složení strusek je patrné, že byla použita kvalitní ruda s vysokým obsahem železa. Hlušina obsahovala především SiO2 a dále CaO v množství, které neovlivní výrazně vlastnosti strusky, a malá množství dalších složek. Jako hlavní dva parametry určující provoz pece a celý proces redukce a shlukování železných zrn se jeví spotřeba paliva/čas a doba dohořívání po ukončení rudných vsázek. Oba tyto parametry jsou velmi snadno sledovatelné bez náročných přístrojů. Vhodnou rychlost chodu pece byl zkušený hutník schopen rozeznat "od oka" při použití měrových jednotek jako kbelík, ošatka atd. 
     Ponechání vsázky v peci do druhého dne pochopitelně není třeba měřit. U doby dohořívání není rozhodující její délka, ale existence ponechání uzavřené pece po nějakou dobu v klidu. Rychlost hoření je měřítkem uvolněného tepla a množství spalin, tím i teploty s důsledkem i v chemickém složení spalin a rozložení oxidačních a redukčních pásem v peci. Po tavbě je pec i s okolím dobře prohřátá a vysušená. To umožňuje i po ukončení tavby pokračování procesu redukce a shlukování zrn železa v zaizolované peci. Otázkou je, jestli to bylo, či nebylo výhodné, a zda tato skutečnost mohla být velkomoravským hutníkům známa.
     Další významné vlivy jsou pražení rudy a předsušení pece. Oba tyto vlivy souvisí se snížením energetických nároků o výparné teplo vody obsažené v rudě a v tělese pece. U rudy navíc dochází při pražení i na otevřeném ohni k prvnímu stupni redukce a výraznému zvýšení redukovatelnosti rudy. V celé sérii se nevyskytnul úspěšný pokus s nepraženou rudou ve vsázce.
     Kvalita rudy je rozhodující pro tvorbu strusky, ve které jsou jediným tavidlem oxidy železa. Jejich potřebné množství ve strusce pro dosažení tekutosti je cca. 60%. Toto prostředí je nezbytné pro spékání vyredukovaných zrn železa. (Barák 1995)

Na základě získaných poznatků byl  navržen následující technologický postup redukce železa v kusové peci s tenkou hrudí.

  1. tavbu připravte v dostatečném předstihu, opatřete si kvalitní hematitovou rudu nadrcenou na velikost 5-8mm, zdroj vzduchu schopný dodávat minimálně 0,75 dm3/s/dm2 vzduchu (vztaženo na průřez pece v úrovni dyšen - tento požadavek splní patrně většina vysavačů), 8 kg dřevěného uhlí na každý dm2 průřezu pece, uhlí nadrťte na rozměr 2-4 cm
  2. pec postavte minimálně dva dny před datem tavby, pracovní otvor ať má dostatečnou velikost, která vám umožní manipulaci s velkými struskovými slitky, v opačném případě pec po první tavbě rozbijete
  3. věnujte dostatečnou pozornost tvarování vnitřního tvaru pece, nejmenší průměry šachty nevolte menší než 150 mm, šachta se zužuje směrem vzhůru, výmaz musí být hladký
  4. den před vlastní tavbou uspořádejte pražení rudy v postavené peci, předsušenou pec rozdmýchejte, naplňte uhlím a dále přisazujte rudu a uhlí v poměru 2:1 při stálém dmýchání, po zpracování cca 2 kg/dm2 (průřezu pece) rudy zakryjte kychtový otvor a ukončete dmýchání
  5. v den tavby z pece vyberte vypraženou rudu 
  6. proveďte nutné opravy
  7. naplňte pec do úrovně dyšny dřevěným uhlím, na něm rozdělejte oheň nebo lépe přeneste žhavé uhlíky a pec zazděte a zahajte dmýchání
  8. naplňte pec uhlím až po kychtu a po celou tavbu  přisazujte veškeré suroviny po malých dávkách tak, aby pec zůstala stále plná
  9. první část tavby je předehřev pece, přisazujte pouze dřevěné uhlí
  10. dmýchání udržujte na takové intenzitě, aby spotřeba paliva byla cca 0,7 - 0,8 kg/h/dm2 průřezu pece
  11. po vznícení kychtových plynů můžete přisazovat vypraženou rudu v poměru ruda : uhlí - 1:1
  12. po ukončení vsázek (po zpracování minimálně 1,2 kg/dm2 průřezu pece rudy) přisaďte asi 2/3 obsahu pece dřevěného uhlí
  13. ukončete dmýchání a plnou pec uzavřete i na kychtě
  14. pec rozeberte nejdříve 12 hodin po ukončení dmýchání
  15. struskové slitky rozbijte a vyseparujte kusy vyredukovaného železa
  16. vše dokumentujte a veďte tavební protokol, výsledky publikujte nebo sdělte Technickému muzeu v Brně.


Literatura:
BARÁK, M.1995: Diplomová práce "Experimentální výroba železa v peci z doby Velké   Moravy", VUT Brno , ÚMI.
GÖMÖRI, J. 1989: The Hungarian Bloomeries, in: Achaeometallurgy of Iron 1967 - 1987. Praha, 125 - 138.
GÖMÖRI, J. - KISHÁZI, P. 1985: Iron Ore Utilization in the Carphatian Basin up to the Midle Ages with special Regard to Bloomeries in Western Transdanubia, in: Neogene Mineral Resources in the Carpathian Basin. Budapest, 232 - 255.
PLEINER, R. 1969: Experimental Smelting of Steel in Early Medieval Furnaces, PA LX, 458 - 487.
SOUCHOPOVÁ, V. a kol. 1985: Experimentální tavby v rekonstrukcích vestavěných dýmaček z období Velké Moravy, Regionální sborník okresu Blansko ´85. Blansko, 24 - 37
SOUCHOPOVÁ, V.1986: Hutnictví železa v 8.-11. století na západní Moravě, StAÚ  ČSAV v Brně  XIII/1. Praha.
SOUCHOPOVÁ, V. 1992: The Main Tendencies of Development of West Slav Iron Metallurgy from its Origin until the 11th Century, in Medieval Europe 1992, vol. 3. York,131 - 136.
STRÁNSKÝ, K. - SOUCHOPOVÁ, V. - LUDIKOVSKÝ,  K. 1978: Pokusné tavby na přímou výrobu železa z rud v šachtových pecích na Blanensku, Slévárenství XXVI/11,  464 - 467.
 

Summary:
Experimental Iron Smelting in Technical Museum in Brno  (by Věra Souchopová, Martin Barák, Jiří Merta)
    The present paper refers to a history of metallurgical experiments provided on prehistoric and early medieval iron furnaces. The pioneer on this field was G.  Wurmbrandt (1877), but serious scientifical basis was put in the fifties of this century.  After research of Želechovice and Schramberk types leaded by R. Plainer, Regional museum in Blansko followed  in seventies  with reconstruction of early medieval  furnace excavated near by Blansko , in the major discovered metallurgical center of west Slaves of that period. Experiments dealed with Roman period type of device too. Now  the experiments returned to the early medieval type founded in Moravian Karst. Technical Museum provides experimental smelting  in the area of a technical site Old Forge Josefov (Stará huť u Adamova) now. Besides scientifical target, the activities help to propagate work of the museum.
 
 

Autoři textu: Věra Souchopová, Martin Barák, Jiří Merta
Autoři stránky: Martin Hložek - Michal Soukup
   
Výzkumy - Experimenty
Technické muzeum