Železo je materiál, který zásadně ovlivnil vývoj lidstva a neustále je klíčovým kovem v mnoha oblastech průmyslu. Jen málokdo však mohl na vlastní oči vidět, jak se z rudy stane kov.
Cílem projektu bylo postavit starý římský model pece a železo vytavit. Tato práce probíhala v oblasti Hořovicka a Kokořínska, které byly ve středověku významné těžbou a zpracováváním rudy. V rámci toho byla vytěžena železná ruda, postavena malá redukční pec a provedena a zdokumentována úspěšná tavba. Stavby byly porovnány s výsledky minulého projektu.
Uhlím se na rozdíl od minulých prací nešetřilo a pec byla stále udržovaná plná až po okraj. Po chvíli začaly praskat spoje s dvířky i stěny pece a ze stěn komínu začaly šlehat plameny. Opravy novými vrstvami jílu se ukazovaly jako bezvýsledné a neustále odpadávaly. (Obr. 4). Pec přestala praskat až později, když se stěny prohřály a teplota se přestala zvyšovat.
Cílem projektu bylo postavit starý římský model pece a železo vytavit. Tato práce probíhala v oblasti Hořovicka a Kokořínska, které byly ve středověku významné těžbou a zpracováváním rudy. V rámci toho byla vytěžena železná ruda, postavena malá redukční pec a provedena a zdokumentována úspěšná tavba. Stavby byly porovnány s výsledky minulého projektu.
Stavba pece
Projekt začal stavbou pece. (schéma viz. Obr. 7) V projektu byly použity rady a návody z minulých prací [1]. Nejdříve byla vykopána podzemní část pece - nístěj. (obr. 1) Do té byl vložen svazek větví a slámy tvořící lešení pece, tzv. kopyto (obr.2). Okolo toho se postavil komín. Jako stavební materiál byla zvolena šamotová hmota, která se rozmíchává s vodou. Tato hmota má oproti WBTS jílu, použitého minulou skupinkou, větší žáruvzdornost. Oproti minulým projektům také nebyla do jílu přidávání suchá tráva ani ostřivo (písek). Pro zpevnění stěn pece byla mezi vrstvy jílu vložena jako pojivo jutová tkanina (velikost oka 50 mm, 120g/m2). Také byly do jejích stěn zabudovány tenké rovné třísky dřeva, jako podpůrná konstrukce (obr 2.), které byly na doporučení z materiálů [1], suché, aby se vlivem žáru nezdeformovaly a odpařovaná voda neroztrhala stěny. Hotová pec zhruba dva a půl dne schla (obr 3.) a v průběhu byla 2x vypalována. To se ale ukázalo jako nedostatečné, protože při tavbě na peci vznikaly četné praskliny a chvílemi šlehaly ze stěn pece plameny. Celý projekt včetně tavby byl fotografován v 5 minutových intervalech. Výsledné fotografie byly následně zpracovány do krátké sekvence. Zároveň bylo vše pečlivě foceno a postup podrobně popisován.Ruda
Těž
Ruda byla natěžena u vodní nádrže v Ejpovicích (obr. 11). V této oblasti se nachází ložiska oolitické železné rudy s poměrně malým obsahem železa - max. 30% (viz obr. 8). Železo je obsažené v hornině hematitu (Fe2O3 ). Ten se zde nachází v podobě malých vejčitých zrn (ooidů). Ruda vznikla na dně moří v období ordoviku - asi před 485 miliony let. Bylo natěženo 260 kg rudy, ale zdaleka ne vše bylo použito k tavbě.Chemické procesy v průběhu tavby
Čisté železo (Fe0) se z rudy (např.: hematit Fe2O3, siderit FeCO3, magnetit Fe3O4) získává nepřímou redukcí. Celá redukce probíhá ve třech krocích:
Pražení (1)
První redukce (1) probíhala v otevřeném ohni. Tomuto procesu se říká pražení rudy. Nemagnetický hematit (Fe2O3) je redukován, čímž změní svou krystalickou strukturu a stává se z něj magnetit (Fe3O4), který je magnetický a hlavně snáze tavitelný. Tím se sníží spotřeba energie při tavbě. Magnetit byl z popela separován magnety a roztloukán na malé kusy (o průměru max 1 cm). Z popela bylo získáno asi 55 kg magnetitu.Tavení (2, 3)
Poté je získaný magnetit redukován v peci (2). To se děje po zapálení tzv. kychtových plynů (obr. 5 oxid uhelnatý - CO, oxidy síry a dusíku) za teploty cca 1200°C. Za tohoto tepla (2,3) se kyslíky z magnetitu oddělují ze sloučeniny a váží se na oxid uhelnatý (CO), který pak v podobě oxidu uhličitého (CO2) uniká do atmosféry. Čisté železo (Fe⁰) pak zůstává uvnitř společně s vytavenými zbytky rudy a dohromady tvoří tzv. strusku, která vyplňuje vnitřek pece.Tavba
Šest hodin před zahájením tavby byl v peci zapálen oheň. Po šesti hodinách přikládání dřeva se nístěj (podzemní prostor pece) naplnila žhavými uhlíky. Následně byla přidělána dvířka pece se šamotovou trubkou, do které se později vsadila trubka vysavače. V 19:12 byl komín naplněn až po okraj dřevěným kovářským uhlím a byl zapojen dvoucestný vysavač, který do pece po celou dobu tavby vháněl vzduch a rozdmýchával oheň. Od této chvíle, až do ukončení tavby, byla v 15 minutových intervalech, laserovým teploměrem měřena teplota na hrudi pece. (viz graf 1).Uhlím se na rozdíl od minulých prací nešetřilo a pec byla stále udržovaná plná až po okraj. Po chvíli začaly praskat spoje s dvířky i stěny pece a ze stěn komínu začaly šlehat plameny. Opravy novými vrstvami jílu se ukazovaly jako bezvýsledné a neustále odpadávaly. (Obr. 4). Pec přestala praskat až později, když se stěny prohřály a teplota se přestala zvyšovat.
Že je v peci dostatečná teplota na vsázku rudy, signalizovalo zapálení tzv. kychtových plynů (obr. 5), což jsou oxid uhelnatý, oxidy síry a dusíku, uvolňujících se pálením uhlí. Jejich vzplanutí se projevilo zbarvením plamene do modra až fialova, doprovázeným velkým množstvím jisker (obr. 5), a stalo se tak zhruba 2 h a 10 min. od začátku tavby. Vsázka rudy probíhala vždy společně se vsázkou uhlí a to v objemovém poměru cca 1:4. V 7:07 ráno se ucpala šamotová trubka, čímž se zablokoval přísun vzduch. Než se podařilo přívod vzduchu obnovit, vyhasly kychtové plyny a už se nepodařilo je znovu rozdmýchat, proto jsme byli nuceni tavbu ukončit.
Na komín pece byly položeny dlaždice, byly ucpány přívody vzduchu a pec se nechala chladnout. Asi po dalších šesti hodinách byla pec rozebrána a části materiálu pomocí magnetů roztřízeny (struska, čisté železo, tzv. železná houba). (Obr. 6, 9). Dále byly zpracovávány pouze magnetické části. Kusy vytaveného železa byly magnetické a nedaly se dále rozbíjet, byly však kujné. Vytavené železo bylo po očištění stříbřitě šedé.
Jak v průběhu stavby pece, tak i v průběhu tavby jsme se poučili a zlepšili postup a průběh oproti minulým pokusům [1,2]. To ukazuje i graf teploty, kde se nám podařilo dosáhnout mnohem větších hodnot (viz graf 1). Větší teploty, kterých jsme dosáhli, mohou být způsobené tenčími stěnami, a nebo jsme teplotu mohli měřit na jiném místě.
K lepšímu výsledku tavby přispělo pečlivé pražení rudy - tím, že byla oolitická ruda před pražením natlučena na menší kusy byla lépe vypražena a tavba probíhala rychleji. Největší problém bylo nedostatečné vysušení pece a následné praskání stěn komínu (obr. 4). Řešením v tomto případě může být prodloužení vysychání pece, čímž by se však celý projekt prodloužil o několik dnů. Velké problémy také působila ucpávající se šamotová trubka, kvůli které jsme museli tavbu předčasně ukončit. Ve výsledku se experiment povedl. Dále byly doplněny materiály z minulých let a rady, aby se dopomohlo lepšímu a účinnějšímu průběhu podobných experimentů[1] , a proto byl celý proces podrobně zdokumentován slovně, fotograficky i pomocí sekvence.
Na komín pece byly položeny dlaždice, byly ucpány přívody vzduchu a pec se nechala chladnout. Asi po dalších šesti hodinách byla pec rozebrána a části materiálu pomocí magnetů roztřízeny (struska, čisté železo, tzv. železná houba). (Obr. 6, 9). Dále byly zpracovávány pouze magnetické části. Kusy vytaveného železa byly magnetické a nedaly se dále rozbíjet, byly však kujné. Vytavené železo bylo po očištění stříbřitě šedé.
Závěry
U nádrže v Ejpovicích bylo natěženo 260kg oolitické železné rudy. Z popela se poté podařilo vytáhnout 55 kg vypraženého magnetitu (nebyla vypražena zdaleka všechna vytěžená ruda). Z toho bylo 40 kg vsazeno do pece a ze strusky se nakonec podařilo získat 247 g čistého železa (viz obr. 10). Může se zdát, že je to málo, ale oproti dřívějším pracím je to ale velký posun.Jak v průběhu stavby pece, tak i v průběhu tavby jsme se poučili a zlepšili postup a průběh oproti minulým pokusům [1,2]. To ukazuje i graf teploty, kde se nám podařilo dosáhnout mnohem větších hodnot (viz graf 1). Větší teploty, kterých jsme dosáhli, mohou být způsobené tenčími stěnami, a nebo jsme teplotu mohli měřit na jiném místě.
K lepšímu výsledku tavby přispělo pečlivé pražení rudy - tím, že byla oolitická ruda před pražením natlučena na menší kusy byla lépe vypražena a tavba probíhala rychleji. Největší problém bylo nedostatečné vysušení pece a následné praskání stěn komínu (obr. 4). Řešením v tomto případě může být prodloužení vysychání pece, čímž by se však celý projekt prodloužil o několik dnů. Velké problémy také působila ucpávající se šamotová trubka, kvůli které jsme museli tavbu předčasně ukončit. Ve výsledku se experiment povedl. Dále byly doplněny materiály z minulých let a rady, aby se dopomohlo lepšímu a účinnějšímu průběhu podobných experimentů[1] , a proto byl celý proces podrobně zdokumentován slovně, fotograficky i pomocí sekvence.
Matilda Vyhnálková
Literatura:
- [1] KUDLÁČEK, Tomáš. Experimentální tavba železné rudy v malé redukční peci [online]. Praha, 2013 [cit. 2022-20-09]. Dostupné z WWW: <http://archiv.prirodniskola.cz/expedice/ralsko2018/2018-geologie-archivacni-zprava-tavba.pdf> Gymnázium Přírodní škola, o. p. s.
- [2] ADAMCOVÁ, Dominika. Tavba železné rudy v rekonstrukci středověké pece [online]. Praha, 2013 [cit. 2022-20-09]. Dostupné z WWW: <http://archiv.prirodniskola.cz/profilove-prace/2013-2014/PP-Adamcova-2014.pdf.> Ročníková práce. Gymnázium Přírodní škola, o. p. s.
