Przełomowe odkrycie polskich archeologów: rozwikłali tajemnicę świętokrzyskich dymarek.
Po kilkudziesięciu latach badań nad starożytnym hutnictwem polskim naukowcom udało się wreszcie wytopić metaliczne żelazo w replice pieca sprzed 2 tys. lat. To sukces archeologii eksperymentalnej
– Prawdziwy przełom! Nareszcie efekty eksperymentalnego wytopu porównywalne są z tym, co znajdujemy na stanowiskach archeologicznych – cieszy się Andrzej Przychodni, archeolog i prezes Świętokrzyskiego Stowarzyszenia Dziedzictwa Przemysłowego (ŚSDP).
Podczas doświadczenia przeprowadzonego 11 listopada naukowcom udało się uzyskać 8-9 kg żelaza z 50 kg rudy. Dla porównania dotychczas z 30-40 kg było to najwyżej kilkaset gramów metalu, i to nie najlepszej jakości.
Zagłębie Europy
Żeby zrozumieć wagę tego dokonania, trzeba się cofnąć do początków naszej ery. Wtedy w rejonie Gór Świętokrzyskich działało największe zagłębie hutnicze Europy Środkowo-Wschodniej. Pracowało w nim co najmniej 700 tys. pieców dymarskich. Z ich urobku korzystały prawdopodobnie nie tylko plemiona barbarzyńskie zamieszkujące obecne ziemie polskie.
Do naszych czasów zachowały się głównie charakterystyczne kloce żużla, czyli odpadu, który pozostawał po "wytopie". Masowo odkrywano je już w latach 50. i wtedy mniej więcej naukowcy zaczęli pracować nad odtworzeniem procesu wytopu.
Zaczynali właściwie od zera. Nie wiedzieli nawet, jak wysoki powinien być piec. Odkrycia kolejnych dymarek też niewiele wnosiły – znajdowano tylko dolną część pieca i niewielką jamę wypełnioną żużlem.
Gdy badacze po raz pierwszy zrekonstruowali taki "piec" z niską obudową, uzyskali w nim temperaturę ledwie 500 st. C – za mało, żeby związki żelaza zawarte w rudzie uległy redukcji.
Ruda i węgiel drzewny
Po latach doświadczeń i eksperymentalnych wytopów, prowadzonych głównie przez naukowców z AGH i Muzeum Archeologicznego w Krakowie, udało się ustalić, jak wyglądał piec dymarski sprzed 2 tys. lat i to, co dawni hutnicy do niego wkładali.
Jak tłumaczy dr Szymon Orzechowski, archeolog z Uniwersytetu Jana Kochanowskiego w Kielcach i członek ŚSDP, piece z regionu Gór Świętokrzyskich były jednorazowego użytku. Składały się z dwóch podstawowych części – niewielkiej jamy, tzw. kotlinki, do której spływał żużel, oraz glinianego szybu o bliżej nieokreślonej wysokości.
Ta wysokość zależała od rodzaju zastosowanego dmuchu, ale nie przekraczała 170 cm. – Surowcem do "wytopu" była ruda żelaza i węgiel drzewny w proporcjach 1:1,5 – wylicza dr Orzechowski.
W samym piecu nad powierzchnią były umieszczone otwory dmuchowe, przez które dostawało się powietrze, a do kotlinki czasami doprowadzano tzw. kanał, który umożliwiał lepszą wentylację.
Co ważne, w takim piecu osiągano temperaturę powyżej 1200 st. C, przy której możliwa jest redukcja tlenków żelaza zawartych w rudzie. Samo żelazo w formie gąbczastej łupki powstawało nad kotlinką na wysokości otworów dmuchowych.
Jak to wyglądało w praktyce, mogą się przekonać od prawie 50 lat goście Dymarek Świętokrzyskich, plenerowej imprezy w Nowej Słupi.
Jak oni to robili
Naukowcy nie ukrywali jednak, że mimo wielu lat prób nadal nie osiągnęli biegłości naszych przodków. Problem tkwił w oddzieleniu żelaza od żużla. Podczas eksperymentów byli w stanie wytworzyć produkt zawierający 10-20 procent metalicznego żelaza i 80-90 proc. żużla.
– W praktyce powstawał konglomerat, w którym żelazo przyjmujące różne formy, np. ziaren, płytek, siatek, wymieszane było z żużlem. Taki materiał nie nadaje się do obróbki przez kowala – tłumaczy dr Ireneusz Suliga z AGH i członek ŚSDP.
Największym problemem okazało się odseparowanie żużla od uzyskanego żelaza. Żeby zapanować nad jego upłynnianiem i utrzymać żelazną łupkę na właściwym miejscu, naukowcy chwytali się różnych sposobów, m.in. wypełniali kotlinkę słomą lub drewnem, robili rusztowania z patyków.
Ta ostatnia metoda sprawdzała się do momentu przepalenia konstrukcji. Wtedy cały wsad gwałtownie wpadał do kotlinki.
Przełom nastąpił dopiero w ostatnich miesiącach, podczas eksperymentów prowadzonych przez Adriana Wronę, doktoranta na Uniwersytecie Jana Kochanowskiego w Kielcach, historyka i członka ŚSDP.
W ciągu trzech lat wykonał on ok. 30 wytopów i zwrócił uwagę na proces nawęglania żelaza opisany już przez Arystotelesa.
– Płynny żużel jest w nim czynnikiem chroniącym nawęglane żelazo przed utlenianiem oraz transportującym i umożliwiającym zespolenie się kolejnych cząstek żelaza – tłumaczy Wrona. – A my przez lata traktowaliśmy żużel głównie jako odpad produkcyjny.
Grunt to poduszka
Uczony zaczął eksperymenty, na początku nawet z wykorzystaniem pieców innych niż świętokrzyskie. – Chciałem opanować technologię i otrzymać żelazo w jakimkolwiek piecu – mówi dzisiaj.
Próbował więc wytopów w piecach skandynawskich, zrekonstruował napowierzchniowy piec z czeskich Lodenic, a także japoński piec do wytopu stali tamahagane. Równocześnie obserwował doświadczenia innych badaczy, m.in. dwóch amerykańskich pasjonatów Skipa Williamsa i Lee Saudera oraz Jensa Jorgena Olesena, duńskiego eksperymentatora, który uczestniczył w Dymarkach Świętokrzyskich. – To efekt pracy wielu ludzi. Szczególną rolę odgrywał Szymon Orzechowski i członkowie ŚSDP – podkreśla Wrona.
Badacz doszedł też do wniosku, że trzeba utrzymać wsad i tworzące się żelazo ponad kotlinką, na poziomie otworów dmuchowych. Wypełnił więc kotlinkę węglem drzewnym. – Zastosowanie poduszki węglowej umożliwia powolne spływanie płynnego żużla do kotlinki, który zastygając, tworzy tym samym swego rodzaju konstrukcję ażurową "rusztowania", na którym opiera się powstająca nad nim łupka żelaza – tłumaczy naukowiec. I chociaż żużel jest bardzo gorący, to nie wypala węgla, który jest w szczelnie zamkniętej i pozbawionej tlenu kotlince.
W efekcie tworzące się żelazo jest utrzymywane na właściwym poziomie. – Szczelność kotlinki to podstawa. Tworząca się różnica ciśnień i temperatur pomiędzy kotlinką i szybem ogranicza spływ żużla, utrzymując go w górnej części kotlinki, gdzie tworzy się "rusztowanie" – wyjaśnia Wrona.
Gdy na poziomie wlotu powietrza jest już dostatecznie dużo płynnego żużla i wyredukowanej rudy, kotlinkę trzeba rozszczelnić, a żużel do niej spłynie. – Zamykanie i otwieranie kotlinki pieca może być powtarzane w zależności od przebiegu całości procesu – podkreśla Wrona.
Nie tylko teoria
Co ważne, udało się ten proces kilka razy powtórzyć podczas wytopów eksperymentalnych. Jeden z nich przeprowadzono na początku października w Muzeum Przyrody i Techniki w Starachowicach, podczas I Seminarium Dymarskiego. – W efekcie powstała w pełni zgodna ze źródłami archeologicznymi autorska metoda uzyskiwania żelaza w piecu kotlinkowym typu świętokrzyskiego – podkreśla Andrzej Przychodni. – Otrzymano łupki, które w ok. 90 proc. składają się z żelaza i nadają się do obróbki przez kowala!
Teraz przed naukowcami stoi inny problem – precyzyjne określenie złóż, z których korzystali starożytni hutnicy. Musiało być ich kilka.
– Na potrzeby badań wykorzystano rudę z Bośni i Hercegowiny uzyskaną dzięki uprzejmości firmy ArcelorMittal, którą mieszano z rudami z hałd starachowickiego Zakładu Wielkopiecowego. Ta ruda była dobrze przebadana, zawierała stosunkowo niewiele krzemionki i gwarantowała powtarzalność, tak ważną przy eksperymencie – tłumaczy Adrian Wrona.
Z wyników ostrożnie cieszy się Ireneusz Suliga, metalurg. – Jeszcze bym poczekał ze świętowaniem do czasu pełnej analizy fizykochemicznej, która będzie przeprowadzona w laboratoriach AGH. Ale informacja, że żużel zgodnie z oczekiwaniami spłynął i uzyskano stosunkowo dużo żelaza, jest bardzo zachęcająca. To znaczący postęp i prawdopodobnie potwierdzenie tez zmarłego dwa lata temu prof. Kazimierza Bielenina – ocenia Suliga.
Odkrycie może być przydatne również dla współczesnych technologów.
– We współczesnym procesie wielkopiecowym żelazo powstaje w wyniku tzw. redukcji pośredniej, a warunki procesu prowadzą do utworzenia surówki, którą trzeba przerabiać na stal – mówi Ireneusz Suliga. – W starożytnych dymarkach zachodziła redukcja bezpośrednia, a rezultatem procesu było czyste, kowalne żelazo.
autor: Marcin Sztandera
źródło: http://wyborcza.pl