Archeolodzy przemysłowi znaleźli liczne średniowieczne warsztaty krzemieniarskie pochodzące głównie z okresu osiedlania się Węgrów na terytorium dzisiejszych Węgier oraz z epoki Awarów i Arpadów (7-13 wiek). Na podstawie znalezisk można zrekonstruować średniowieczną węgierską kulturę żelaza.
Po raz pierwszy na Węgrzech uzyskaliśmy dostęp do utraconej wiedzy średniowiecznych wytapiaczy żelaza i kowali, ożywiając i ucząc się na nowo średniowiecznej technologii wytopu żelaza.
Każdego lata w Somogyfajsz organizowany jest pięciodniowy międzynarodowy Iron Smelting Camp. W obozie tym 25 uczestników może doświadczyć odrodzenia średniowiecznego przemysłu żelaznego. Do dyspozycji mamy tylko kilka miechów ręcznych i kilka metrów sześciennych drewna opałowego, aby do końca obozu móc wykuć prawdziwe wyroby z żelaza. W pierwszych dniach obozu wypalamy w stosie węgiel drzewny do procesu kowalstwa i kucia, zbieramy rudę darniową z pobliskich złóż rudy żelaza znajdujących się w potokach oraz budujemy repliki pieców krzemiennych, które można zobaczyć w Muzeum Krzemieniarstwa w Somogyfajszu. W drugiej połowie obozu przetapiamy zebraną rudę żelaza, a na koniec z wykwitów żelaza wykuwamy wyroby żelazne. W ten sposób często przechodzimy od ziemi do wyrobu żelaza….
Tło archeologiczne
Do tej pory na Węgrzech odkopano ponad 300 wczesnośredniowiecznych warsztatów kowalskich; przez Jánosa Gömöri w zachodnich Węgrzech (głównie w komitacie Somogy i w komitacie Győr-Moson-Sopron) (Gömöri, 2000) oraz w północno-południowych Węgrzech (głównie w komitacie Borsod) przez Gusztáva Hecenasta (Heckenast et al, 1968). W trakcie tych wykopalisk znaleziono wiele przedmiotów związanych ze starożytną technologią, takich jak pozostałości:
- stosów z węglem drzewnym (w których wyrabiano węgiel drzewny);
- dołków dogrzewających (palenisko kuźnicze, w którym rozgrzewano wykwit żelazny do temperatury kucia);
- dołków do prażenia rudy żelaza (w których przygotowywano rudę żelaza do wytopu żelaza);
- pieców (w których wytapiano żelazo i produkowano wykwit żelazny).
Głównym elementem technologii był sam piec. Istniały dwa typy wczesnośredniowiecznych pieców krzemiennych zlokalizowanych w Kotlinie Karpackiej: wolnostojący i wbudowany (patrz rysunek 1)(Gömöri, 2000).
Do naszych eksperymentów zawsze używaliśmy wbudowanego pieca typu Somogyfajszi, ponieważ jest to piec masywny i w tym samym piecu można było przeprowadzić kilka procesów wytopu w tych samych, powtarzalnych warunkach. Piec typu Somogyfajszi został znaleziony po raz pierwszy podczas wykopalisk w warsztacie bloomery z X wieku n.e. w Somogyfajsz (Gömöri, 2006). Podobne piece były używane w całym komitacie Somogy (patrz raporty z wykopalisk archeologicznych (Gallina i Somogyi, 2004. Gallina i in., 2007)).
Na podstawie wykopalisk archeologicznych można stwierdzić, że piec typu Fajszi miał wysokość około 70-100 cm i był wbudowany w boczną ścianę dołu warsztatowego. Doły warsztatowe miały głębokość 50-80 cm, szerokość 3-4 m i były kwadratowe lub w kształcie podkowy końskiej. W ścianach bocznych znajdowało się kilka pieców. Miały one kształt stożka, średnica wewnętrzna paleniska wynosiła około 30-40 cm, a średnica wewnętrzna gardzieli 10-15 cm. W przedniej części pieca znajdował się otwór o szerokości 20-30 cm, który podczas procesu wytopu zamykany był napierśnikiem. Do otworu w murze wkładano tyjkę, do której można było podłączyć jeden lub dwa miechy ręczne (Gömöri, 2000).
Od ziemi do wyrobu żelaza: etapy technologiczne
W celu odtworzenia pełnego zakresu średniowiecznego procesu wytopu bloomeryzmu podejmowane są następujące kroki:
Krok 1. Wyrabianie węgla drzewnego
Krok 2. Zbieranie bagiennej rudy żelaza
Krok 3. Budowa pieców w dołach warsztatowych
Krok 4. Wytop żelaza
Krok 5. Wykuwanie wykwitu żelaza
Warto podkreślić, że to co robimy to nie tylko spektakularne eksperymenty z wytopem żelaza, ale ożywiamy cały proces technologiczny od zbierania rudy darniowej do wytwarzania wyrobów z żelaza. Co więcej, potrafimy wytwarzać z wykwitu żelaznego stal spajaną szablonowo, co jest szczytowym osiągnięciem współczesnej technologii. Jest to unikat w skali światowej. Na większości międzynarodowych sympozjów koncentrujemy się jedynie na eksperymentach związanych z wytapianiem żelaza, używając do tego celu przemysłowej rudy żelaza o wysokiej zawartości Fe, co gwarantuje sukces procesu.
Krok 1. Wytwarzanie węgla drzewnego
Proces wytwarzania węgla drzewnego przebiega zgodnie z etapami technologicznymi, które możemy zaobserwować nawet dzisiaj: technologia nie zmieniła się na przestrzeni wieków. Najpierw rąbiemy drewno opałowe (głównie dąb) i budujemy stos węgla drzewnego z około 2 m2 porąbanego drewna opałowego, pozostawiając komin w środku. Następnie przykrywamy stos opadłymi liśćmi i trawą, aby następna warstwa – ziemia – nie przedostawała się do środka przez małe otwory wentylacyjne. Następnie stos przykrywa się kilkucentymetrową warstwą mokrej ziemi. Stos węgla drzewnego rozpala się przez komin: wrzucamy do niego kawałki palącego się drewna i tlące się węgle, a gdy stos zaczyna dymić, przykrywamy komin. W celu przeprowadzenia pirolizy (proces, w którym drewno traci wodę i staje się węglem drzewnym) wykonujemy małe otwory wentylacyjne z boku stosu węgla drzewnego, aby wpuścić trochę tlenu. Potrzeba około 70-80 godzin, aby stos węgla drzewnego o powierzchni 2 m2 był gotowy. Kiedy dym wydobywający się ze stosu staje się niebiesko-szary, a wewnątrz stosu czuć suchość, stos jest gotowy do otwarcia. Przed otwarciem stosu, przykrywamy go jeszcze trochę mokrą ziemią, aby się schłodził. Po otwarciu stosu upewniamy się, że wciąż tlące się kawałki węgla drzewnego są spryskiwane wodą, aby uniknąć niebezpieczeństwa pożaru (patrz rys. 2).
Krok 2. Zbieranie bagiennej rudy żelaza
Do naszych eksperymentów z wytopem używamy bagiennej rudy żelaza, w przeciwieństwie do przemysłowej rudy żelaza wydobywanej głównie z pasmowych formacji żelaza (BIF). Wspólną cechą bagiennych rud żelaza jest to, że znajdują się one blisko powierzchni ziemi, co czyni je łatwymi do zebrania. Po drugie, można je znaleźć na terenach, które kiedyś były mokradłami lub bagnami, a wytwarzane są głównie przez bakterie. Na Węgrzech bagienne rudy żelaza można znaleźć na dwóch obszarach: w regionie Nyírség (północno-wschodnie Węgry) i w komitacie Somogy (południowo-zachodnia część kraju). W Nyírség jest niewiele archeologicznych dowodów na działalność bloomeryzmu w średniowieczu, do tej pory nie znaleziono żadnych śladów wytopu żelaza, natomiast w Somogy znajdują się znaleziska archeologiczne świadczące o tym, że intensywny wytop żelaza miał miejsce w okresie celtyckim, rzymskim, awarskim i węgierskim (Gömöri, 2000).
Grzybowe rudy żelaza tworzą soczewki pod ziemią, które można znaleźć w korytach potoków, gdzie potok wyerodował jeden do dwóch metrów poniżej poziomu gruntu (zob. Thiele i Kecsmár, 2013 w celu uzyskania szczegółowych informacji na temat geologicznego i archeometalurgicznego tła bagiennych rud żelaza w komitacie Somogy). Z tych soczewek ruda żelaza może być zbierana przy pomocy łopat, szpadli i kilofów. Zebrane bryły rudy żelaza płucze się w koszu w strumieniu, który wypłukuje brud i piasek.
Przed wytopem rudę żelaza prażymy w prażalni. Dno dołu wyłożone jest gliną, aby do pieca z rudą żelaza nie dostała się ziemia. W dole rozpalamy duży ogień i wrzucamy do niego kawałki rudy żelaza, a następnie pozwalamy, aby ogień palił się przez około dziesięć godzin. Podczas tego procesu uwalnia się woda zawarta w rudzie żelaza, a jej struktura staje się luźniejsza, co ułatwia wytop. Na koniec łamiemy wypaloną rudę żelaza na 2-3 cm kawałki, aby ułatwić załadunek rudy żelaza do pieca podczas procesu wytapiania (patrz rysunek 3).
Krok 3. Budowa pieców
Piece, których używamy do naszych eksperymentów z wytapianiem, są wbudowane w boczne ściany dołu warsztatowego (Gömöri, 2006). Najlepszym miejscem na wykopanie dołu warsztatowego jest zwykle zbocze w lesie, gdzie drzewa dają cień i chronią przed deszczem. Piece buduje się z gliny zmieszanej z piaskiem, które można znaleźć w korytach potoków i w okolicy. Kiedy piec jest gotowy, trzeba go wysuszyć, co trwa około jednego dnia. Zwykle rozpalamy ogień wewnątrz pieca, aby przyspieszyć ten proces.
Przed procesem wytopu wykonujemy również tujery, które łączą miech z piecem. Tujery są również wykonane z gliny. Zbudowanie dobrego, dobrze działającego pieca wymaga wielu umiejętności i doświadczenia (patrz rysunek 4).
Krok 4. Wytop żelaza
Proces wytopu rozpoczyna się od wstępnego rozgrzania pieca. Kiedy piec jest już rozgrzany, wypełnia się go żarzącym się węglem drzewnym. Na wierzchu umieszczamy na przemian jedną warstwę prażonej rudy darniowej i jedną warstwę węgla drzewnego. Po około 2-3 godzinach żużel jest wybierany z pieca przez otwór do wybierania żużla wbudowany w ścianę piersiową pieca. Żużel zawiera substancje nieżelazne pochodzące z rudy żelaza oraz pewną ilość żelaza, którego nie udało się zredukować z rudy.
Należy zauważyć, że w przeciwieństwie do nowoczesnego hutnictwa, żelazo pozostaje w stanie stałym przez cały proces wytopu. Wykwit żelaza tworzy się w palenisku pieca. Struktura wykwitu żelaza jest gąbczasta i zawiera pewną ilość żużla.
Proces wytopu kończy się, gdy wykwit żelaza osiągnie wielkość ściany napierśnej pieca, tak że można go usunąć, łamiąc tylko ścianę napierśną. W ten sposób piec może być użyty ponownie z nową ścianką piersiową.
Po usunięciu wykwitu żelaza jest on ściskany na kłodzie drewnianym młotkiem. Do jednego eksperymentu wytopu zużywamy około 20 kg wypalonego żelaza bagiennego, 30 kg węgla drzewnego, a cały proces wytopu trwa 10-12 godzin (patrz rys. 5).
Krok 5. Wykuwanie wykwitu żelaza
Kwit żelazny jest znacznie trudniejszy do wykucia niż współczesna stal, ponieważ jest on pełen wtrąceń żużlowych, które otwierają się podczas procesu kucia, powodując pęknięcia materiału. Jeśli pęknięć jest dużo, struktura wykwitu żelaznego przypomina warstwowe ciasto. W celu zamknięcia pęknięć stosuje się spawanie kuźnicze. Po wielu latach eksperymentów, możemy obecnie wykuwać z wykwitu żelaznego nawet spawane wzorcowo ostrza noży lub mieczy (patrz rys. 6).