Eisenverhüttung

Bei der Eisenverhüttung wird Erz mit Holzkohle in einem kleinen Lehmofen erhitzt, dem Blasebälge Luft zuführen. Dieser Rennofen liefert gewöhnlich eine feste, kohlenstoffarme Luppe. Der Schmied verdichtet sie und verarbeitet sie zu Schmiedeeisen.

Was es ist

Innen ist eine rohe Luppe ein Schwamm aus Eisen und Schlacke. Erst stundenlanges Schmieden macht daraus einen Stab.

Eisen gehört zu den häufigsten Elementen der Erdkruste, doch als Metall findet man es fast nie. Es steckt als Oxid in Erzen: im roten Hämatit, im schwarzen Magnetit, im braunen Raseneisenerz, das man aus Sümpfen gräbt. Beim Verhütten wird diesen Erzen der Sauerstoff entzogen, und das Metall bleibt zurück.

Fast dreitausend Jahre lang diente dazu der Rennofen, ein etwa meterhoher Ofen aus Lehm, in dem Holzkohle im Luftstrom der Blasebälge brennt. Er liefert die Luppe, einen schwammigen Klumpen aus Eisen, in dem noch Schlacke steckt. Glühend gehämmert wird die Luppe zu Schmiedeeisen, das zäh ist und sich leicht schmieden lässt. Pflugscharen, Nägel und Schwerter wurden daraus gemacht, bis in Europa am Ende des Mittelalters der Hochofen an seine Stelle trat.

Wie es funktioniert

Vor der Luftdüse verbrennt die Holzkohle und heizt den Ofen auf. Weiter oben im Schacht, wo Sauerstoff knapp ist, bildet sie Kohlenmonoxid. Dieses Gas steigt durch die Beschickung und nimmt dem Eisenoxid dabei den Sauerstoff weg. Das Erz gibt seinen Sauerstoff in Stufen ab, und oberhalb von etwa 900 °C läuft die Reaktion schnell.

Die Luppe wird zuerst heiß mit leichten Schlägen verdichtet; zwischen den Schmiedegängen kann man sie wieder erhitzen.

Der Ofen arbeitet bei rund 1.100 bis 1.200 °C und liefert gewöhnlich eine feste, kohlenstoffarme Luppe. Reines Eisen schmilzt bei 1.538 °C; kohlenstoffreiches Eisen kann jedoch schon bei Rennofentemperaturen schmelzen. Kieselsäure und andere Erzminerale verbinden sich mit einem Teil des Eisenoxids zu eisenreicher Schlacke, die je nach Zusammensetzung bei etwa 1.180 °C fließen kann. Die Schlacke läuft an der Düse vorbei nach unten. Durch dieses Tonrohr tritt die Luft ein, und knapp darunter sammeln sich die Metallkörner zur Luppe. Die Schlacke wird durch einen Bogen am Ofenfuß abgelassen oder sammelt sich in einer Grube darunter.

Die Luppe kommt als glühende, poröse Masse voller Schlacke und Holzkohle aus dem Ofen. Eine brüchige Luppe braucht anfangs vorsichtige Schläge, etwa mit einem Holzhammer. Sie kann auch erst abkühlen und vor dem Verdichten erneut erhitzt werden; sofortiges Hämmern bei Weißglut ist nicht zwingend. Wiederholtes Erhitzen und Schmieden verdichtet das Metall und treibt einen großen Teil der Schlacke aus. Der Gewichtsverlust hängt von der Luppe und der Schmiedearbeit ab. Der Kohlenstoffgehalt ist meist niedrig und ungleichmäßig, sodass weiches Eisen und Stahlbereiche in derselben Luppe vorkommen können.

Bauanleitung

Was folgt, ist der Ablauf einer kleinen Verhüttung in groben Zügen, keine Bauzeichnung mit Maßen. Man braucht Lehm, gemischt mit Sand und Stroh, dazu Erz, sehr viel Holzkohle, Blasebälge oder ein Gebläse und eine Mannschaft für einen ganzen Tag.

Das Erz vorbereiten. Das Erz im offenen Feuer rösten, damit das Wasser entweicht und es mürbe wird, dann in etwa zentimetergroße Stücke brechen. Die Holzkohle auf etwa zwei Zentimeter zerkleinern und den Staub aussieben, damit das Gas durch die Beschickung strömen kann.

Den Schacht aufbauen. Auf trockenem Boden einen Lehmzylinder errichten, etwa einen Meter hoch und innen 25 bis 30 cm weit, mit Wänden von mehreren Fingern Stärke. Unten ein Loch für die Düse lassen und einen Bogen, den man öffnen und mit Lehm wieder verschließen kann. Mehrere Tage langsam trocknen lassen und zum Schluss innen ein kleines Feuer machen.

Vorheizen und beschicken. Den Schacht mit Holzkohle füllen und Luft zuführen, bis er auf ganzer Höhe glüht. Bei WIRG-Versuchen werden etwa 1 kg Erz und 1 kg Holzkohle je Charge im Abstand von 10–15 Minuten zugegeben; insgesamt werden 15–20 kg von beidem je Durchgang angegeben. Das sind 15–20 Doppelchargen, entsprechend etwa 2,5–5 Stunden Beschickung bei diesem Takt, ohne fünf Stunden ununterbrochenes Nachlegen vorauszusetzen. Die angegebene Dauer von rund fünf Stunden umfasst das abschließende Ausbrennen; das Vorheizen kommt hinzu. Zusätzliche Holzkohle für das Vorheizen und die letzte reine Holzkohlecharge einplanen: Die Doppelchargen decken den gesamten Brennstoffbedarf nicht ab.

Den Wind regeln. Temperatur und Absinken der Beschickung beobachten und die Luftzufuhr so anpassen, dass Reduktion und Schlackenfluss weiterlaufen. Die Kohlenstoffaufnahme hängt vom Verhältnis von Holzkohle zu Erz, der Ofenatmosphäre, der Verweilzeit und der Schlackenchemie ab. Mehr Luft allein lässt keine sichere Aussage über die Bildung von Gusseisen zu: Manche Versuche ergaben bei höherem Luftdurchsatz kohlenstoffärmeres Eisen. Angestaute Schlacke bei Bedarf abstechen; WIRG nennt einen ersten Abstich nach etwa drei Stunden.

Herausholen und verdichten. Nach dem Ausbrennen der letzten Charge die Ofenbrust öffnen und die Luppe mit der Zange herausnehmen. Bei einer brüchigen Luppe vorsichtig beginnen, etwa mit einem Holzhammer, und erst kräftiger schlagen, sobald sie besser zusammenhält. Abkühlen und erneutes Erhitzen vor dem Verdichten sind ebenfalls möglich. Zwischen den Schmiedegängen in der Esse nachheizen, bis ein zusammenhängender Stab entsteht.

Sicherheit. Ein Rennofen arbeitet bei über 1.100 °C. Flüssige Schlacke verursacht tiefe Verbrennungen und Brände. Im Freien auf freiem, trockenem Boden arbeiten, fern von trockenem Gras, und trockenen Sand bereithalten. Werkzeuge und den Boden am Abstich trocken halten. Wasser darf weder heiße oder flüssige Schlacke berühren noch in den heißen Ofen gelangen: Die schlagartige Dampfbildung kann eine Explosion auslösen. Lederstiefel, Handschuhe, Schürze und Augenschutz tragen und nie vor dem Abstichbogen stehen. Oben entweicht Kohlenmonoxid: Das Gesicht von der Öffnung fernhalten und niemals in geschlossenen Räumen verhütten. Feuchter Lehm oder feuchtes Erz kann beim Erhitzen platzen.

Geschichte und Entwicklung

Eisen wurde bearbeitet, bevor man es verhütten konnte. Einige der ältesten Eisengegenstände sind aus Meteoriten gehämmert, die Nickel enthalten. Funde sprechen für frühe Verhüttung in Anatolien, in der heutigen Türkei; Ort und Zeitpunkt der Erfindung bleiben jedoch unsicher. Bruchstücke aus Kaman-Kalehöyük, die auf etwa 1800 v. Chr. datiert werden, enthalten zum Teil Kohlenstoffstahl, und ihr ungleichmäßiger Kohlenstoffgehalt spricht für Schmiede, die noch experimentierten. Um 1250 v. Chr. schrieb der hethitische König Hattusili III. einen Brief über die Herstellung von „gutem Eisen“.

Um 1200 v. Chr. wurde Eisen im Nahen Osten breiter genutzt, wobei die Regionen es zu unterschiedlichen Zeiten übernahmen. Die Verhüttung war schon vorher bekannt. Um 1100 v. Chr. war es auf Zypern und in der Levante gebräuchlich, der größte Teil Europas verwendete es ab etwa 800 v. Chr., und um 500 v. Chr. kannte man Rennöfen vom Mittelmeer bis nach Skandinavien. Anders als Kupfer und Zinn für die Bronze ließ sich Eisenerz fast überall abbauen.

Topfblasebälge: Pumpt man die Lederbezüge abwechselnd, strömt die Luft ohne Unterbrechung.

Afrika hatte eigene Traditionen, mit Öfen in Nubien schon im 7. Jahrhundert v. Chr. und in Westafrika spätestens im 6. China lernte die Verhüttung im Rennofen wahrscheinlich um das 8. Jahrhundert v. Chr. aus dem Westen kennen und ging früh zu Öfen über, die heiß genug waren, um flüssiges Gusseisen zu erzeugen.

In Europa wogen die Luppen jahrhundertelang etwa zwei Kilogramm, klein genug, um sie von Hand zu schmieden. Römische Öfen, bis zu zwei Meter hoch, lieferten Luppen von 10 bis 15 kg, und um 1500 konnten wassergetriebene Hämmer Luppen von 100 kg und mehr bearbeiten. Der Hochofen von Lapphyttan in Schweden war bereits seit der Mitte des 12. Jahrhunderts in Betrieb. In den späteren Jahrhunderten des Mittelalters verbreiteten sich Hochöfen stärker und erzeugten um 1500 Gusseisen in großen Mengen; Rennöfen gingen allmählich zurück. Die katalanischen Schmieden in Spanien und Südfrankreich arbeiteten noch Mitte des 19. Jahrhunderts.