Donnerstag, 20. Mai 2010

Organisatorisches zum Holzkohlemeiler in Elsarn

Anbei die bisherige Einteilung der Feuerwachen für den Holzkohlemeiler in Elsarn




Dienstag, 27. April 2010

Lange Nacht und langer Winter für einen Rennofen

Im Zuge der Langen Nacht der Museen im Oktober 2009 konnten wir (Erich Nau und Stefan Eichert) im Innenhof des Stadtmuseums Villach eine experimentalarchäologische Vorführung mit Eisenverhüttung und Bronzeguss gestalten. Im Folgenden wollen wir speziell den Eisenverhüttungsprozess vorstellen:


Am Vortag der Präsentation wurde zunächst der Rennofen aus strohgemagertem Lehm aufgebaut. Er hatte eine Höhe von ca. 1 m bei einem Durchmesser an der Sohle (innen) von etwa 30 cm. Nach oben hin verjüngte er sich auf einen Durchmesser von ca. 20 cm. Im unteren Drittel wurde in die Rückseite eine Düse zur Luftzufuhr eingearbeitet. Solche Ofentypen finden sich beispielsweise im mitteleuropäischen Raum häufig im Frühmittelalter.



Der fertig gestaltete Rennofen vor dem Anheizen


Nachdem der Ofen über Nacht leicht trocknen konnte, wurde er am folgenden Morgen mit einem Holzfeuer angeheizt, um ihn vollständig durchzutrocknen.



Der Rennofen beim Anheizen zum Durchtrocknen


Verschließen der Ofenbrust und Ausbessern der beim Trocknen entstandenen Spannungsrisse


Nachdem der Ofen durchgetrocknet war, wurde er zunächst mit einem Holzfeuer unter Luftzufuhr und in weiterer Folge mit Holzkohle auf Betriebstemperatur (ca. 1300°C) gebracht.



Der Ofen wird auf Betriebstemperatur gebracht. Man beachte die rötliche Färbung im oberen Bereich.


Sobald der Ofen die notwendige Temperatur erreicht hatte, begann der eigentliche Verhüttungsprozess. Der Ofen wurde nun abwechselnd mit Lagen aus Eisenerz und Holzkohle, im Verhältnis 1:1 beschickt. Als Rohmaterial wurde Brauneisenerz vom Hüttenberger Erzberg verwendet, welches einen besonders hohen Eisengehalt aufweist.



Beschicken des Ofens mit Erz und Kohle


Das Eisenerz sinkt nun im Ofenschacht langsam nach unten, wobei schrittweise die Reduktion von Eisenoxid zu metallischem Eisen geschieht. Die Nebenbestandteile des Erzes (Gangart) werden ab ca. 1200°C flüssig und sammeln sich an der Ofensohle. Diese sogenannte Schlacke kann nun durch kleine Löcher in der Ofenbrust abgestochen werden.

Abstich der flüssigen Schlacke an der Ofenbrust.


Beim Rennofenprozess verbleibt das Eisen immer im festen Zustand und sammelt sich in Form der sogenannten Eisenluppe im Bereich vor der Düse. Ca. 6 Stunden nach dem Beginn des Beschickungsvorganges war dieser Punkt erreicht. Gegen Mitternacht wurde der Ofen an der Brust geöffnet und die Luppe konnte entnommen werden.

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Öffnen der Ofenbrust und Entnahme der Luppe


Bei der Luppe handelt es sich um ein schwammiges Gefüge aus Eisen mit zahlreichen Einschlüssen von Schlacke und Holzkohle. Unmittelbar nach Entnahme der Luppe wurde diese in einem ersten Schmiedeprozess mit einem Holzhammer bearbeitet und verdichtet.

Verdichten der Luppe mit einem Holzhammer.


Bei diesem Verhüttungsprozess wurden insgesamt ca. 70kg Holzkohle und 16kg Eisenerz verarbeitet. Das Gewicht der gewonnenen Luppe betrug 4kg. Um einen verwendbaren Eisenbarren zu erhalten muss die Luppe im nächsten Arbeitsschritt mehrmals gefaltet und feuerverschweißt werden.

Aus der Luppe geschmiedeter Eisenbarren


Nach der Langen Nacht der Museen stand unserem Rennofen noch ein langer Winter bevor. Er wurde nicht abgerissen, sondern konnte im Innenhof des Museums stehenbleiben. Ziel dieser Aktion war es, den Verfall eines solchen Rennofens zu dokumentieren. Einerseits ging es uns darum, zu ermitteln, wie gut er - ohne Überdachung - Wind, Wetter und Winter standhalten konnte. Andererseits wollten wir die taphonomischen Prozesse dokumentieren und nach dem Abtragen des Ofens im Frühling festhalten, wie sich der Befund im Boden abzeichnet, zumal solche Spuren einen wichtigen Teil der Hinweise darstellen, die von der Archäologie noch von einem ehemaligen Rennofen wahrgenommen werden können.

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Der Verfall des Ofens in wöchentlichen Intervallen von Oktober bis April

Teile der innen aufgeschmolzenen Ofenwand.

Der Boden nach dem kompletten Abtragen des Ofens

Abschließend möchten wir allen danken, die am Gelingen des Experiments beteiligt waren. Hier gilt unser Dank den Mitarbeitern des Museums der Stadt Villach, vor allem Kurt Karpf und besonders Sandra Bertel, die sich weder von schlechtem Wetter, noch von meterhohem Schnee davon abhalten ließ, den Rennofen regelmäßig zu fotografieren. Auch Nina Brundke sei an dieser Stelle herzlich für ihre tatkräftige Unterstützung bei der Langen Nacht der Museen und beim Abbau des Ofens gedankt.

Stefan Eichert und Erich Nau

Dienstag, 30. März 2010

Bronzeguss und Email mit Temperaturmessung

Bereits letztes Jahr hatten wir uns dazu entschlossen, für die Experimente des Arbeitskreises ein Infrarotpyrometer sowie stationäre Temperaturfühler anzuschaffen. Gerade für Versuche, die mit hohen Temperaturen zu tun haben, wie etwa Eisenverhüttung, Glasperlenherstellung, Bronzeguss, Email oder Schmieden war hierfür natürlich ein Gerät notwendig, das auf jeden Fall über die 1000°C Marke messen konnte.

Mittlerweile ist es soweit und uns stehen ein berührungsfreies Infrarotgerät sowie mehrere Sensoren zur Verfügung, die für Temperaturen bis maximal 1600°C geeignet sind.



Einer der stationären Temperaturfühler


Damit die Sensoren nicht durch die Arbeiten beschädigt werden, hat Mathias Keramikröhren auf die nötige Länge zugeschnitten, in denen die Fühler mit Ton fixiert werden können. Dies erlaubt in weiterer Folge die Montage beispielsweise in der Ofenwand eines Renn- oder Schmelzofens.



Keramikröhren als Schutz für die Temperaturfühler


In einem ersten Versuch ging es anfangs darum, die Funktionalität der Messgeräte und die Aufzeichnung der Messwerte wie auch die Verbindung und Übertragung zu einem Computer zu testen.


Die Anordnung der Sensoren in der Feuerstelle

Dazu haben wir ein simples Holzkohlefeuer mit Luftzufuhr über ein Gebläse betrieben. Nachdem ein solider Glutstock vorhanden war, erreichten wir bald Temperaturen bis etwa 1200° C.


Messeinheit für die stationären Temperaturfühler

man beachte den unteren Messwert (1083° C = Schmelzpunkt Kupfer)

Das Gerät kann zwei Temperaturfühler parallel auswerten und außerdem besteht die Möglichkeit die Werte zu speichern oder direkt auf einen Computer zu übertragen.


Direkte Verbindung von den Sensoren zum Notebook


Insgesamt hat alles ganz gut funktioniert. In einem zweiten Schritt wollten wir auch zusätzlich das Infrarotpyrometer testen. Zu diesem Zweck sollte gleich ein praktischer Versuch durchgeführt und dokumentiert werden. Erstens ging es uns darum, die Temperaturentwicklung beim Bronzeguss nachzuvollziehen und zweitens wollten wir auch die für das Emaillieren notwendige Hitze (und Dauer) erstmals messen.
Dafür montierten wir zwei Fühler stationär - einen etwa in Höhe des Gusstiegels am Rand des Kohlebetts, den anderen Tiefer im Kohlebett versenkt, ebenfalls im Randbereich der Feuerstelle. Beide Fühler sind so nahe am Geschehen platziert, dass ihre Messwerte einigermaßen repräsentativ für die Feuerstelle sein sollten, was später mit Infrarotmessung verifiziert werden konnte.


Anordnung der Sensoren

Gemessen wurde in Abständen von wenigen Minuten sowie vor und nach jeder "Manipulation" wie beispielsweise dem Nachlegen von Kohlen. Die Sensoren maßen die Hitze der Feuerstelle und mit dem Infrarotpyrometer ermittelten wir die Temperatur des Tiegels (Innen wie Außen), des Deckels sowie der emaillierten Objekte.

Begonnen wurde um 20:00. Nach einer "Vorglühzeit" von etwa 20 Minuten wurde eine leichte Luftzufuhr gestartet, was sich sogleich in einem Temperaturanstieg von 200-300° C äußerte. Nachdem der Tiegel etwa nach 35 Minuten eingesetzt wurde, ging die Temperatur nach wie vor nach oben. Ein gesprungener Deckel nach 45 Minuten erforderte das Entfernen und Reinigen des Tiegels. Nach dem nochmaligen Einsetzen des Tiegels und dem Zugeben von Holzkohle war die Temperatur innerhalb weniger Minuten bereits um ca. 200° C gefallen. Ab 20:55 wurde die Luftzufuhr verstärkt und die Esse sozusagen auf voller Leistung betrieben. Mehrmaliges Kohlenachlegen wirkte sich in Form von kleinen Schwankungen auf die Temperaturkurve aus. Um 21:20 waren im Tiegel etwa 1100° erreicht und das Kupfer bereits geschmolzen. Kurz darauf wurde ein Teil Zinn zugefügt und um 21:40 erfolgte der Guss.


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Bronzeguss


Temperaturkurve (klicken zum Vergrößern)

Gleich nach dem Guss ging es ans Emaillieren. Dabei wurde die soeben gegossene Fibel (90% : 10 % CU:ZN) und ein Kupferblech mit Glaspulver versehen, um die unterschiedlichen Materialeigenschaften in Bezug auf Email zu beobachten.

Temperatur beim Emaillieren (klicken zum Vergrößern)


Bei etwa 900°C beginnen die Glaseinlagen zu schmelzen

Nach kurzem Vorheizen mit leichtem Gebläse war die Temperatur bereits auf über 800° C, da der Glutstock vom vorangegangenen Guss noch vorhanden war. Kurz nachdem die zu emaillierenden Objekte der Hitze ausgesetzt waren, schmolzen auch schon die Glaseinlagen, sodass die Fibel (max 900° C) und das Blech (max 800° C) innerhalb einer Minute emailliert waren. Die Luftzufuhr wurde gestoppt und die Objekte noch kurz in der Hitze belassen.

Die Objekte beim langsamen Abkühlen in der Feuerstelle

Bei etwa 500-600° C nahmen wir die Objekte aus der Hitze um ihr Verhalten bei einer raschen Abkühlung (Raumtemperatur) zu beobachten. Nach 8 Minuten waren beide Stücke auf etwa 80° C abgekühlt. Wie zu erwarten war, hielten die Glaseinlagen während des raschen Abkühlens auf dem Kupferblech ausgezeichnet, während sie von der Bronze absprangen. Wer also vorhat Bronze nicht nur zu Testzwecken zu emaillieren, sollte diese mit der Glut auskühlen lassen.

Links: Glasauflagen auf Kupfer; Rechts: abgesplitterte Glaseinlagen auf Bronze
nach dem raschen Abkühlen




Mein Dank für tatkräftige Unterstutzung bei diesem Experiment gilt meinen Kollegen, Mathias Mehofer und Roman Skomorowski.