HISTORIE HUTNICKÝCH TECHNOLOGIÍ. Ing. Ladislav Jílek, CSc. a

Transkript

1 HISTORIE HUTNICKÝCH TECHNOLOGIÍ Ing. Ladislav Jílek, CSc. a a VÍTKOVICE - Výzkum a vývoj, spol. s r. o. Pohraniční 31, Ostrava, ČR ladislav.jilek@vitkovice.cz Abstrakt Nejstarší historie zpracování kovů začíná v době kamenné, kdy se objevují prvé případy využívání kovů, které se nacházejí v přírodě v ryzí formě. K objevu redukce mědi došlo na Středním východě asi 6 tisíc let př. K., pak následoval objev výroby bronzu a dalších slitin až po objev redukce železa asi 3000 let př. Kr. S určitým zpožděním se rozvíjí výroba kovů v Číně a Indii. K objevu redukce mědi v Americe došlo asi 700 let př. K. v oblasti dnešního Peru. Redukce se prováděla nejdříve v malé jámě a později v malé peci vytápěných dřevěným uhlím a vyrobené kovy se buďto odlévaly nebo zpracovávaly kováním ručně nebo též pomocí vodních hamrů. Válcovací stolici navrhl Leonardo da Vinci. Prudký rozvoj hutnických technologií je spojen s nástupem průmyslové revoluce, která začala v Anglii použitím kamenného uhlí místo dřevěného uhlí při výrobě železa. Resumé THE HISTORY OF METALLURGICAL TECHNOLOGY The oldest history of metal working began in Stone Age, when first cases of metal employing appeared. The metals, which may be found in nature in pure form. The reduction of copper was found in Middle East about 7 thousand y. BC, after them discovering of production of bronze and other alloys followed. The iron reduction was found about 3000 BC. The metals production in India and China was a bite overdue. In America, the copper reduction was discovered about 700 BC in Peru region. The reduction was done in the first time in a small hole and lather in a small furnace heated by charcoal. The gained metal was either cast or forged by hand, forging with help of water hammer was also used. The rolling mill was designed by Leonardo da Vinci. Fast development of metallurgical technology is connected with the beginning of industry revolution, which started in England in 18 th Century by introducing of bituminous coal for iron production. 1. ÚVOD Kovy jsou významný technický materiál, který se uplatňuje při výrobě nástrojů, šperků a zbraní a k těmto účelům se využívá od prehistorických dob. Jelikož se kovové předměty poměrně dobře zachovaly a archeologové je často nacházejí, daly používané kovy i názvy historickým obdobím. Archeologické nálezy nám umožňují poměrně dobře rekonstruovat postup jejich výroby a zpracování. Naproti tomu písemné zmínky o jejich zpracování, které nacházíme u antických autorů, jsou často nepřesné a plné pověr. 2. ČASOVÁ OBDOBÍ V přírodě se vzácně nacházejí kovy v ryzí formě. Nejčastěji takto bylo možné nalézt měď (Kypr, Kavkaz, Krušné hory, Hořejší jezero aj.), méně často stříbro a zlato a zcela výjimečně železo, které zpravidla bývá meteoritického původu. Tyto materiály začali lidé používat k výrobě ozdob a nástrojů. V Anatólii byly nalezeny kované měděné jehly a šídla datované do 7. tisíciletí př. K. [1]. Institut archeologie Ruské akademie věd v Petrohradě má ve svých fondech větší ploché kameny a menší oválné kameny, na jejichž povrchu 1

2 mikroanalýza prokázala přítomnost kovů, které s v přírodě vyskytují v ryzí formě. Šlo bezpochyby o kovadliny a primitivní kladiva, které sloužily ke zpracování těchto kovů. V Karélii byla objevena pravěká kovářská dílna, v níž se z přírodní mědi kovaly rybářské háčky, jehly, nože a jiné předměty denní potřeby [2]. Systematické zpracování kovů však začalo až po objevení procesu redukce kovů z rud. Za kolébku metalurgie se považuje Střední východ, oblast dnešní Arménie a Iráku. Přehled počátků výroby jednotlivých kovů v různých oblastech světa je v tabulce 1. Tabulka 1. Přibližné počátky výroby hlavních kovů v různých oblastech [1,3,4,5,6] oblast měď arzénový bronz cínový bronz svářkové železo litina plávkové železo Střední východ 4 6 tis. pk 4 tis. pk 2500 pk 3000 pk Čína 2500 pk 1000 pk 500 pk 200 pk Indie 5000 pk 1500 pk 300 pk Středomoří 2000 pk 1300 pk Střední Evropa 3000 pk 1900 pk 600 pk po r.1300 po r.1800 Střední Afrika Amerika 700 pk pk = před Kristem pk Nejdříve byla zvládnuta výroba mědi. Dobře se redukuje, je však poměrně měkká. Funkční části nástrojů se proto tehdy zpevňovaly tvářením za studena. Souběžně s výrobou mědi byla zvládnuta i výroba zlata a stříbra, později se objevuje olovo a cín. Asi 4000 let př. Kr. se objevuje první slitina arzénový bronz, který obsahoval 0,3 až 3 % arzénu, zřídka více. Později se objevuje cínový bronz a nastává doba bronzová. Pro železo se dlouho uvádělo, že jeho výroba byla objevena 1500 př. Kristem v dnešním Turecku, což bylo převzato od starořeckých spisovatelů. V Mezoptamii (dnešním Iráku) byla však v hrobce krále pohřbeného 2750 let př. Kr. nalezena dýka se zlatou rukojetí a ocelovou čepelí, což dobu objevu výroby železa posunuje. Jelikož tato výroba v primitivních podmínkách není snadná, rozšiřovala se jen velmi zvolna. O rozšíření se postarali především Chetité, kteří vybudovali velkou říši v oblasti dnešního Turecka. Železné výrobky vozili do sousedních zemí, výrobní tajemství však přísně střežili. Asi v r př. Kr. však získali výrobní tajemství malé sousední národy, mezi nimi byli Kananejci a Pelištejci (dnešní Palestinci). Díky tomu se rychle vyzbrojili a vyvrátili říši Chetitů. Od nich se pak znalost výroby železa šířila dále a to je teprve považováno za počátek doby železné. Šlo o přímou redukci bez roztavení. Výroba litiny byla zvládnuta v Evropě až ve středověku. Do našich končin dorazila výroba bronzu asi 1900 př. Kr. a výroba železa začala v polovině doby Halštatské. Dalšími oblastmi, kde začala výroba kovů, byla Čína a Indie. Historici nejsou jednotní, zda technologie jejich výroby sem přišla ze Středního východu, či zda zde byla objevena nezávisle. Navíc jsou velmi nejistí v datování archeologických nálezů, dokumentujících počátky výroby kovů v těchto zemích. Další vývoj zde však probíhal rychleji, např. zkujňování surového železa pomocí kamenného uhlí zde bylo zvládnuto již před změnou letopočtu, zatím co v Evropě bylo zavedeno až v 17. stol. v Anglii. Znalost výroby železa se ve starověku rozšířila i do rovníkové Afriky a tato primitivní výroba se zde udržela až do počátku 20. století. V Americe byla výroba mědi objevena asi 700 př. Kr. v oblasti dnešního Peru. Později byla zavedena v oblasti dnešního Mexika. Několik málo století před příchodem Evropanů byla zvládnuta i výroba bronzu. Obyvatelstvo Austrálie a Oceánie žilo do příchodu Evropanů v době kamenné. Přehled důležitých milníků ve zpracování kovů je v tab. 2.

3 Tabulka 2. Přehled hlavních událostí v historii zpracování kovů [1,3,4,5,6] událost místo čas prvé kovové výrobky (z přírodní mědi) v blízkosti nalezišť 8000 pk začátek redukce, lití a tepání dnešní Arménie 6000 pk prvé bronzové nástroje Stř. Východ 4000 pk prvé zpracované železo (meteoritické) Stř. Východ, Egypt 4000 pk prvý vůz Balkán 3200 přk prvé zrcadlo (leštěný měděný plech) Egypt 2920 pk železný předmět pyramida Kefron 2800 pk prvá dýka královský hrob v Ur Mezopotamie 2750 pk výroba drátů z drahých a barevných kovů Čína 2200 pk první meč minojská kultura 1650 pk nezávislé tavení Cu a Sn a jejich slévání Stř. Východ 1600 pk začátek výroby železa Babylonie 1660 pk rozvoj výroby Fe v Indii (příchod Árijců) 1500 pk rozvoj výroby železa v Chetitiské říši 1500 pk použití žulových razidel pro výrobu šperků Mykeny 1500 pk dýka a stříbrná trubka Egypt 1350 pk tažené dráty z měkkých kovů Egypt 1300 pk prvé zámky Egypt 1200 pk stožáry s pozlacenými špicemi bleskosvody Egypt 1170 pk pružinové nůžky Stř. východ 1000 pk Gaukos objevil letování Řecko 692 pk kování koňů (podkovy) Keltové (Galové) 500 pk šroub (u vinařského lisu) Řecko 350 pk Theofratos popsal pocínování železa Řecko 320 pk mlýn s vodním pohonem (Mithirades) 80 pk prvý řetězový most Čína 67 prvá zmínka o olověných trubkách Řím 97 používání uhlí při výrobě kovů Čína lité kostelní zvony Řecko 409 vysoké pece Německo, Francie před 1450 návrh válcovací stolice Leonardo da Vinci 1495 počátek zkujňování ve výhních 17. stol. stolice kvarto pro válcování pásů Švédsko 1705 úspěšné použití kamenného uhlí ve vysoké peci Anglie 1709 Huntsman vyrobil kelímkovou ocel Anglie 1740 Henry Cort obdržel patent na pudlování Anglie 1784 prvá válcovna poháněná parním strojem Anglie 1784 prvá vyválcovaná kolejnice Anglie 1814 prvá válcovna plechů za studena Anglie 1816 Bessemer přihlásil patent na konvertor Anglie 1855 prvá siemens-martinská pec Francie 1864 konstrukce prvé elektrické pece (Siemens) Německé 1878 Úspěšné zavedení thomasova konvertoru Anglie 1878 Mannesmann získává patent na bezešvé trubky Německo 1885 výroba elektrooceli Německo, Francie po r

4 3. REDUKCE Po celá dlouhá tisíciletí se redukovalo dřevěným uhlím, kterého byl na mnoha místech nedostatek, což byl asi hlavní činitel, který omezoval výrobu kovů. Získávání rudy barevných kovů muselo být z počátku velmi obtížné. Lidé původně sídlili pouze v údolích okolo velkých řek, kde nelze rudu na povrchu nalézt, protože zde jsou silné vrstvy naplavenin. Od míst v Arménii, kde byly nalezeny nejstarší důkazy výroby mědi a bronzu, je dnes známé nejbližší naleziště mědi vzdáleno 70 km a naleziště cínu dokonce 200 km. Železné rudy ovšem v naplaveninách je možné nalézt jako bahenní nebo jezerní rudy. Nejstarší archeologické nálezy týkající se výroby železe bývají právě v blízkosti nalezišť těchto rud. Nejdříve se redukce prováděla v jamách, do nichž se po obvodu uložila ruda a doprostřed se dalo dřevěné uhlí. Tavba se prováděla opakovaně. Později se začaly používat pece ve tvaru mísy nebo džbánu uplácané z jílu a slámy. Příklad je na obr. 1. Obr. 1. Obraz nalezený v hrobce Ebe v Egyptě [3] Jak je vidět, vzduch dmychali do pece tehdejší hutníci ústy pomocí rákosu, na jehož konci byl váleček z hlíny. Zřejmě jde o výrobu drahých kovů, v horní část obrázku je faraónova pokladna a u ní úředník přebírající hotový výrobek. Pro dmychání vzduchu se brzy začaly používat kožené měchy. Ve staré Číně používali dvojici měchů, při vytlačování vzduchu z jednoho měchu se nasával vzduch do druhého. Díky tomu dosahovali vyšší teploty a podstatně dříve dokázali vyrobit litinu. V některých oblastech na středomořském pobřeží, kde vanou vytrvalé větry, byly nalezeny přípravky tvaru velké nálevky, které svědčí o tom, že se zde využíval vítr. V Evropě dávní hutníci odcházeli na jaře do hor, kde si obstarali rudu a dřevěné uhlí a postavili si jednoduchý přístřešek, pod nímž prováděli redukci. Na podzim se vrátili se svými výrobky do nížiny. Po celý starověk a středověk se železo vyrábělo tzv. dýmařským procesem. Pec tvaru džbánu vysoká asi jeden metr se dole zaplnila slámou a roštím, nad to se sypaly vrstvy dřevěného uhlí a rud. Z boku se přes výfučnu dmychal do pece vzduch. Tyto pece se stavěly jako nadzemní (je znázorněna na obr. 2), se zahloubenou nístějí nebo jako tzv. vtesané pece, které se budovaly ve vhodném břehu. Redukce probíhala při C, při této teplotě se roztavila struska, která protekla dolů, vyredukované železo však vytvořilo železnou houbu prostoupenou struskou. Pece byly původně hliněné a sloužily pouze pro jednu tavbu, při níž se vyrobilo několik kilogramů nanejvýš několik desítek kilogramů železa. Později se rozměry pecí zvětšovaly. Agricola, který psal své dílo na počátku 16. století, uvádí, že železo se redukovalo v pecích vysokých 4 až 6 m, v jedné tavbě se vyrobilo několik set kilogramů. Pece už byly z kamene (pískovce), vymazávaly se vhodným jílem. Na konci středověku se taky začaly přidávat struskotvorné přísady. Prvé vysoké pece, v nichž docházelo k úplnému roztavení a nauhličení vyredukovaného železa, se objevily v 15. století ve Anglii a ve Francii. Měly objem pracovního prostoru okolo 10 m 3. Zřejmě prvá vysoká pec u nás byla postavena v r ve Dvoře Králové [7]. 4

5 dřevěné uhlí vzduch dřevěné uhlí výduska Obr. 4. Zkujňovací výheň sláma a klestí Obr. 3. Schéma pece se zahloubenou nístějí surové železo 4. ZKUJŇOVÁNÍ Surové železo se nejdříve zkujňovalo v otevřených výhních, jak je vidět na obr. 4. V prohlubni výhně byla hromádka dřevěného uhlí a housky surového železa. Zapálilo s uhlí a dmychal se do něho vzduch. Hutník přehrabával uhlí a železo tak, že se částečně natavovalo a spaloval se v něm uhlík. Nakonec těstovité železo sbalil do lupy. Ta se dále zpracovávala kováním, přičemž se zároveň odstranila struska. Toto železo se označovalo jako svářkové [8]. V 19. století se začaly rozšiřovat pudlovací pece. Šlo o komorové pece, v nichž se zkujňovalo železo obdobným postupem, k vytápění se však používalo kamenné uhlí. Zkujňované železo se nadále přehrabávalo dřevěnými nebo železnými hrably. Při tomto postupu byl vysoký propal. Ve výhních i v pudlovacích pecích se vyrábělo především měkké železo. Ocel s vyšším obsahem uhlíku na nástroje a pružiny se vyráběla od poloviny 18. stol. v kelímcích. Jako vsázka se používalo nauhličené železo, které se snadněji roztavilo. Toto byla první plávková ocel. V kelímkových pecích se dosahoval maximálně 1500 C, což dostačovalo k roztavení oceli s vyšším obsahem uhlíku [9]. V 19. století se objevily Bessemerův a Thomasův konvertor a siemens-martinská pec, které se staly na jedno století dominantními postupy. Zkoušelo se i několik dalších zkujňovacích pochodů, které se však nerozšířily. Na konci 19. stol. byly zkonstruovány prvé elektrické pece, výroba elektrooceli začala počátkem 20. století. ruda 5

6 5. TVÁŘENÍ Hlavním tvářecím postupem v historii bylo kování. Především se používaly vodní hamry. Takovouto kovárnu ilustruje obr. 5. Kováním se dlouho vyráběly i plechy a železné dráty. Např. drátěná košile pro rytíře se dělala z kousků dlouhých 20 až 30 cm, které se svařovaly v ohni. Tažení bylo zvládnuto již ve starověku, ale jen u barevných kovů. Obr. 5. Kovárna s nadhazovacím bucharem. Z vykované tyče bude kotva korábu [3] Válcovací stolici navrhl Leonardo da Vinci, jeho návrh je znázorněn na obr. 6. Válcovací stolice se záhy začala používat, ovšem pouze jako malé ručně poháněná stolice pro válcování H profilů z olova. Tyto profily používali sklenáři při výrobě oken. Kolem r se již válcovaly pásky pro ražení mincí. V r se dokonce válcovaly pásky s vyraženým reliéfem mince. Šlo tedy o prvý případ periodického válcování. Vodou poháněné válcovny se objevily v 17. stol. Prvé stolice ještě neměly stavění válců. S válcováním oceli se začalo až v 18. století. Většina vyrobené oceli se nadále stále zpracovává na tyče a další výrobky kováním na hamrech. Prvá primitivní spojitá trať se objevuje na konci 18. století. Prvé spojité pořadí na drátovně se objevuje v r ve Švédsku a v r v USA (Morgan a Daniels). Na konci 19. století se rozvíjí i výroba bezešvých trubek. Prvé válcovny oceli měly pohon vodním kolem. Válcovny poháněné parním strojem se objevují na konci 18. stol. Vodní pohon neumožňoval reverzaci. Nejdříve se válcovalo na stolicích duo pouze v jednom směru, později se začaly používat stolice typu dvojité Obr. 6. Prvá stolice navržená Leonardem da Vinci [3] duo a trio. Parní pohon umožnil postavit i prvou vratnou trať v r Elektrický pohon byl poprvé použit v r v Německu. 6

7 6. POVĚRY Kolem výroby a zpracování kovů se vytvořila spousta pověr, mnohé z nich byly zaznamenány a nezřídka se stává, že je i dnešní lidé považují za pravdivé. Ukažme si to na příkladech. Plinius starší ve svém díle Naturalis historia uvádí, že slitina electrum tvořená třemi díly zlata a jedním dílem stříbra a která se používala na výrobu pohárů, má zvláštní vlastnost: Octne-li se v poháru vyrobeném z élektra jed, objeví se na kovu oblouky jako na nebeské duze a ozve se praskání ohně [10]. Tuto pověru, vymyšlenou patrně nějakým zlatníkem za účelem zlepšení odbytu, převzala od Plinia Staršího řada autorů až po Isidora ze Sevilly v 7. stol. [11]. Mnoho pověr se váže k výrobě damascenských mečů. Tyto meče jsou štíhlé a mají na povrchu typickou kresbu, některé typy jsou znázorněny na obr. 7. Kresba připomíná strukturu dřeva, jiní ji přirovnávají ke reliéfu na kůži, jde však o řádky karbidů.jsou to nejkvalitnější meče, které se kdy vyráběly. Evropané se s nimi seznámili při křížových výpravách, kupovali si je u kovářů v Damašku, odtud jejich název. Svůj původ však mají v Indii, kde se začaly vyrábět jistě před rokem 1000 př. Kr. Kovaly se i v Persii pod názvem puhad janherder, později i ve Španělsku pod názvem toledské meče a od 16. století i v Rusku (Zlatousťsk) pod názvem bulat, zde se jejich výroba udržela nejdéle. Tradovalo se, že postup jejich výroby je následující: Nejdříve se vyredukuje železo, to se rozdrtí na piliny, smíchá se zrním a dá sežrat slepicím. Z jejich trusu se opět vyrobí železo a to se několikrát opakuje. Není to pravda, kovaly se z polotovarů ve tvarů koláčů, které se dovážely z Indie. Dále se věřilo, že se nejdříve vykuje dlouhá tyč, ta se rozdělí na několik kratších, které se v ohni svaří, znovu se vykuje tyč a postup se několikrát opakuje. Některé meče se skutečně kovaly ze svařených polotovarů, postup se však prováděl pouze jednou. Meče se prý kalily tak, že se rozžhavily a zabodly do otroka. Rytíř, který si meč objednával, musel kováři přivést otroka, který zakalení zaplatil životem. Traduje se, že jeden rytíř si takto pořídil meč a za pár dní uviděl kováře, jak na tržišti prodává otroka, kterého mu dal pro zakalení meče. Udeřil na něho a dozvěděl se, že kalí dva meče v jednom otroku. Fakt je, že ruští kováři kalili tyto meče ve vepřovém sádle a byly stejně kvalitní. Tajemství výroby damascenských mečů bylo vyzkoumáno teprve nedávno. V Indii se nacházelo Obr. 7. Damascenské meče a některé typické kresby [3] ložisko železné rudy, která obsahovala malé množství vanadu. Vyrobená ocel obsahovala 1,0 až 1,5 % uhlíku a 0,02 % vanadu. Obsah uhlíku je 7

8 vysoký, takováto ocel se velmi obtížně kove a je u ní nebezpečí zhrubnutí struktury. Přítomnost vanadu tento vliv kompenzuje. Postup kování byl následující: Prvé kování následovalo po ohřevu na 1100 C, pak se provedl znovu ohřev na 1100 C a výdrž po dobu 48 hod. Následovalo pomalé ochlazení na 700 C a hlavní kování při takto snížené teplotě. Meče kované v Rusku měly stoupající kvalitu až do r. 1750, pak se začala jejich kvalita zhoršovat, v 19. stol byla už nízká. Změna kvality souvisela s tím, že v Indii docházelo k vyčerpání ložiska obsahujícího stopy vanadu. Americkým výzkumníkům se v 90. létech 20. stol. podařilo opět vykovat meče této kvality [12, 13, 14, 15]. Jiným příkladem pověr je výroba zvonů. Odlévají se ze zvonoviny, což je bronz obsahující 78 % mědi a 22 % cínu. V minulosti se tyto zvony odlévaly na staveništi kostela. A tehdy byla rozšířena pověra, že přídavek zlata a stříbra zlepšuje zvuk zvonu. Lidé proto házeli šperky do otvoru v peci, ty však padaly do jamky pod pecí, nikoliv do natavené lázně. 7. ZÁVĚR Historie výroby kovů, která je dnes poměrně dobře probádaná, pěkně ilustruje vývoj techniky i rozvoj společnosti v dané oblasti. Lze ukázat, že v historii vždy byla významná souvislost mezi úrovní zpracování kovů, celkovou hospodářskou vyspělostí a politickou váhou daného státu. LITERATURA [1] REHREN, T. Die Rolle des Kohlentoffs in der prähistorischen Metallurgie. Stahl u. Eisen, 1997, roč. 117, č. 9, s [2] ZIMIN, Ju. A.: Kratkaja istorija kuzněčnogo děla v Rossiji. Kuzněčno-štampovočnoje proizvodstvo, 1997, roč. 39, č. 4, s [3] LIETZMANN, K-D., SCHLEGEL, J., HENSEL, A.: Metallformung, Geschichte-Kunst- Technik, 1. vyd. Lipsko: VEB Deutsche Verlag für Grundstofindustrie, s. [4] SRINIVASAN, S. The Use of Tin and Bronze in Prehistoric Southern Indian Metallurgy. Journal of Metals, July 1998, s [5] SMITH, R. I. The Impact of Metals on Society. Part I: Antiquity Journal of Metals, April 1998, s. 66, 67. [6] HOSLER,D. Recent Insights into the Metallurgical Technologies of Ancient Mesoamerica. Journal of Metals, May 1999, s [7] PLEINER, R aj.: Dějiny hutnictví železa v Československu, díl vyd. Praha: Academia, s. [8] BOHUŠ, O.: Stručné dějiny ocelářství na území Československa v letech , 1. vyd. Praha: TEVÚH, s. [9] DANIHELKA, A. aj.: Dějiny hutnictví železa v Československu, díl vyd. Praha: Academia, s. [10] PLINIUS, G. S. srov. Kapitoly o přírodě. 1. vyd. Praha: Svoboda. 1973, 352 s. [11] ISIDOR ze Sevilly, Etymologiae 16, 1. vyd. Praha, Oikumenh, 2000, 301 s. [12] NAZARENKO, V. R.: Svojstva i sposob izgotovlenija bulatnoj stali. Technologija i organizacija proizvodstva,1986, roč. 27, č. 1, s [13] LANKTON, S. M. A replica of the Sutton Hoo Sword. The Anvil s Ring, Fall 1989, s [14] VERHOEVEN, J. D., PENDRAY, A. H., DAUKSCH, W. E.: The Key Role of Impurities in Ancient Damascus Steel Blades. Journal of Metals, September 1998, s [15] SHERBY, O. D.: Ultrahigh Carbon Steels, Damascus Steels and Ancient Blacksmiths. ISIJ International 1999, roč. 39, č. 7, s