Proměny tisícileté technologie výroby železa

17. 9. 2018 | Aktualita

Proměny tisícileté technologie výroby železa

Lidem trvalo tisíce let, než se naučili vyrábět železo.  Již šest tisíc let před naším letopočtem sice lidé objevili způsob, jak z rudy vyrábět měď, ale do počátku výroby železa jim tehdy zbývalo ještě více než tři tisíce let. Neznamená to ale, že by lidé v té době železo neznali. Dokázali využívat železo, které na Zemi spadlo v podobě meteoritů. Toto železo mělo nicméně vysoký podíl niklu (asi deset procent), a proto se jen obtížně zpracovávalo. Kvůli vzácnosti meteoritického železa se z něj vyráběly jen menší rituální předměty nebo šperky.

Výroba železa z rud začala zhruba dva tisíce let před naším letopočtem na území Malé Asie, Anatolie a Iránu, kde již existovala rozvinutá pyrometalurgická výroba mědi. Stejně jako rozvoji výroby mědi z rud pomohla náhoda, objevili lidé způsob výroby železa shodou okolností při tavbě mědi. K měděným rudám mohla být do pecí přidávána železná tavidla, z nichž během redukce mědi v peci vzniklo železo, které zůstalo v podobě malých kapek ve strusce.

Máme důkazy o tom, že tisíc let před naším letopočtem se železo poměrně hojně využívalo na výrobu zbraní. Do Evropy se výroba železa dostala postupně v pěti stoletích.

Ve druhém tisíciletí před naším letopočtem se pro výrobu mědi začaly používat šachtové pece. Výheň se obestavěla kamennou nebo hliněnou stěnou a prostředí v šachtové peci se rozčlenilo na několik oblastí s různě vysokou teplotou. Nejvyšší teplota mezi 1 200 a 1 400oC byla v dolní části pece, u vstupu dmýchaného vzduchu. Směrem vzhůru teplota klesala, což zajišťovalo vhodné prostředí pro postupnou redukci rudy. Vývoj železářské peci šel podobnou cestou.

Výrobu železa pak významně zefektivnili a industrializovali Římané. Zatímco nalezené haldy strusek z předřímské doby obsahovaly maximálně stovky kilogramů strusky, haldy z římského období už obsahovaly stovky tun strusky. Hlavním důvodem bylo zdokonalení výrobních technologií včetně použití měchů pro lepší dmýchání vzduchu do šachtových pecí.  Ve městě Aillant ve Francii byly nalezeny haldy z římské doby obsahující 300 000 tun železnaté strusky. Takový objem odpovídá výrobě asi 75 000 tun železa.

Železo se vyrábělo v pevném skupenství, když se získávalo přímou redukcí z železných rud za pomocí dřevěného uhlí při teplotách okolo 1 200o C. Toto tzv. svářkové železo bylo pak z pece po jejím rozebrání vyjmuto v podobě houby nebo lupy. Šlo o směs tuhého železa, strusky a nespáleného dřevěného uhlí. Železo proto bylo nutné oddělit a dál zpracovat kováním. Výroba tekutého železa se objevila až v 19. století, kdy se díky technologickému pokroku v peci podařilo dosáhnout teploty okolo 1 500oC, při níž železo taje.

Pece byly v prvních stoletích našeho letopočtu v Evropě kolem 1,6 metru vysoké a zpravidla měly průměr pouhých 30 centimetrů. Na technologii výroby ani výsledném produktu znečistěného železa se dlouho nic neměnilo. V českých zemích se pece hojně vyskytovaly kolem roku 1000 na území Moravského krasu. Na území dnešní Prahy existují doklady o kovářském zpracování železa a tavících pecích v době mezi 9. a 13. stoletím.

Středověká výroba železa byla mnohdy pod kontrolou církevních řádů, které měly k jejímu financování dostatek kapitálu. Ve Francii ovládal řád cisterciáků tři čtvrtiny železářské výroby, v Anglii dokonce veškerou výrobu. Od poloviny 13. století se stává významnou železářskou oblastí českých zemí Žďársko, kde byl od roku 1265 cisterciácký klášter.

Pod taktovkou církve se zrodila první z velkých inovací železářské výroby. Biskup z Durnhamu zřídil v roce 1408 první vodou poháněnou železárnu v Británii. Vodní kolo pohánělo měchy, které foukaly vzduch do pece. Vodou poháněné hamry pak usnadnily zpracování získaného železa. Vodou poháněné měchy dokázaly obsloužit větší pece a velikost železných lup překonala sto kilogramů. Před vodní érou se přitom hmotnost lup pohybovala v jednotkách kilogramů.   Kolem poloviny 16. století se začaly zavádět větší pece také na českém území po vzoru alpských hutnických oblastí. Vyráběla se v nich železná houba s hmotností mezi 150 a 300 kilogramy.

Nepřetržitý provoz měchů díky vodnímu pohonu umožnil konstrukci vysokých pecí. Ty znali už staří Číňané, kteří pomocí vysokopecní redukce železné rudy vyráběli litinu. Jako první v Evropě začali pravděpodobně používat vysoké pece Švédové, nicméně první doložená vysoká pec v Evropě stála v italském městě Ferriere. V Čechách se první dvě vysoké pece objevily na konci 16. století a na Moravě na začátku 17. století.

Oproti železářské šachtové peci, z níž se železo vždy po skončení tavby vyjímalo ve formě tuhé lupy, bylo z vysoké pecui možné železo dostat tekuté. Nutné ale bylo zvýšit poměr rudy a paliva, aby se vytvořila lepší redukční atmosféra, v níž získávalo železo vyšší obsah uhlíku, čímž klesala teplota jeho tání k 1 200oC. Hutníci časem zjistili, že vyšší konstrukce pece umožňuje rudě zůstat v redukčním prostředí déle, což šetří palivo (v té době ještě stále dřevěné uhlí). Výroba musela být nepřetržitá, aby se neztrácelo vytvořené teplo a neplýtvalo se materiálem. Počátkem 16. století trvala například nepřetržitá tavba v peci ve francouzském městě Bourbon celé dva měsíce. Odhaduje se, že kolem roku 1700 se v Evropě vyrobilo za rok 150 až 185 000 tun železa.

V 17. století začali hutníci experimentovat s výrobou železa pomocí černého uhlí. V roce 1709 byla v Británii zažehnuta první vysoká pec s použitím koksu. O 33 let později byl vodní pohon měchů poprvé nahrazen atmosférickým parním strojem. Začal tím pozvolný vývoj parních dmychadel, které měchy postupně zcela nahradily. Díky nasazení uhlí a parního stroje se mohla výroba železa přesunout z oblastí bohatých na vodu a dřevo do míst s dostatkem uhlí.

Tato revoluce se projevila také v razantním zvýšení produkce železa, zejména v Anglii. Zatímco v roce 1720 se v zemi vyrobilo 20500 tun železa, převážně s použitím dřevěného uhlí, v roce 1806 se produkce díky použití koksu a parních dmychadel vyšplhala na 250 tisíc tun.

V českých zemích se začala výroba železa ve vysokých pecích zavádět v 18. století. Zatímco v roce 1700 se u nás vyrobilo 3 500 tun železa, o 130 let později to již bylo 20 464 tun.  V 19. století se výroba koncentrovala do míst s výskytem železných rud (kolem Králova Dvora, Vítkovic a Třince) a do míst výskytu uhlí pro výrobu koksu (Kladno a Ostravsko).

Další významnou technologickou změnu přineslo dmýchání horkého vzduchu do vysoké pece. První experimenty pracovaly s teplotou větru 27oC, přičemž již při této teplotě se zlepšila kvalita železa a tekutost strusky. Teplota vháněného větru postupně rostla až na 140oC, kdy hutníci zjistili, že potřebují silnější externí zdroje tepla. Výsledkem byla konstrukce trubkových ohřívačů větru. Během pouhé stovky let se téměř čtyři tisíce let stará technologie výroby železa, která do té doby prošla výraznou proměnou jen zavedením vodního pohonu, proměnila k nepoznání až do dnešní průmyslové podoby.

Použité zdroje:

F. Tylecote: Historie metalurgie. Přeloženo z anglického originálu A History of Metallurgy, Maney 2002

Jiří Merta: Obecné počátky přímé výroby železa a její vývoj na našem území. Archeologica Technica 23, 2012

Výroba železa a oceli. Institut geologického inženýrství Hornicko-geologická fakulta VŠB-TU Ostrava. Dostupné z geologie.vsb.cz/loziska/suroviny/vyroba_zeleza.html