Eisenverhüttung mit dem Rennofen

Schematischer Aufbau eines historischen Rennofens.

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Der kleine Alchemist
└─ Eisenoxidpigmente
   └─ Raseneisenerz
      └─ Eisenverhüttung mit dem Rennofen

Eisenverhüttung mit dem Rennofen

Die Eisenverhüttung mit dem Rennofen gehört zu den bedeutendsten technologischen Entwicklungen der Menschheitsgeschichte. Mit diesem Verfahren gelang es bereits während der frühen Eisenzeit, aus natürlich vorkommenden Eisenerzen metallisches Eisen zu gewinnen und daraus Werkzeuge, Waffen sowie Gebrauchsgegenstände herzustellen.

Über mehr als zweitausend Jahre blieb der Rennofen die wichtigste Technologie der Eisengewinnung in Europa. Erst mit der Entwicklung leistungsfähiger Hochöfen im Spätmittelalter und der frühen Neuzeit wurde das Verfahren schrittweise verdrängt.

Die Besonderheit des Rennofens besteht darin, dass das Eisen während des gesamten Verhüttungsprozesses nicht vollständig schmilzt. Stattdessen entsteht eine poröse Eisenmasse – die sogenannte Luppe –, die anschließend durch Schmieden weiterverarbeitet wird.

Geeignete Eisenerze

Eisen gehört mit einem Anteil von etwa fünf Prozent an der Erdkruste zu den häufigsten Elementen der Erde. In der Natur kommt es jedoch fast ausschließlich in chemischen Verbindungen mit Sauerstoff vor und muss daher zunächst aus seinen Erzen gewonnen werden.

Zu den wichtigsten natürlichen Eisenerzen gehören:

• Raseneisenerz
• Bohnerz
• Limonit
• Hämatit
• Magnetit

Während in späteren Jahrhunderten zunehmend tief liegende Lagerstätten erschlossen wurden, spielte in der Eisenzeit vor allem Raseneisenerz eine bedeutende Rolle. Es entsteht in feuchten Niederungen durch natürliche chemische Prozesse und liegt häufig bereits wenige Zentimeter unter der Grasnarbe. Dadurch konnte es ohne aufwendigen Bergbau gewonnen werden.

Vorbereitung des Erzes

Vor der eigentlichen Verhüttung musste das Erz vorbereitet werden.

Hierzu wurde es zunächst auf einem Holzfeuer oder Scheiterhaufen geröstet. Dieser Arbeitsschritt erfüllte mehrere Aufgaben gleichzeitig:

• Feuchtigkeit wurde aus dem Erz entfernt.
• Organische Bestandteile verbrannten.
• Schwefelhaltige Verbindungen wurden weitgehend ausgetrieben.
• Das Erz wurde spröde und ließ sich leichter zerkleinern.

Nach dem Rösten wurde das Material auf etwa walnussgroße Stücke zerschlagen und für den Einsatz im Rennofen vorbereitet.

Der Rennofen

Der klassische Rennofen bestand aus einer etwa 40 bis 60 Zentimeter tiefen Ofengrube sowie einem darüber errichteten Ofenschacht aus Lehm. Häufig wurde der Schacht zunächst aus einem Gerüst aus Ruten gefertigt und anschließend vollständig mit Lehm verstrichen.

Vor der ersten Nutzung musste der Ofen langsam aufgeheizt werden. Dabei brannte der Lehm aus und erhielt seine notwendige Festigkeit.

Anschließend wurde der Ofen schichtweise mit Holzkohle und Erz befüllt. Beide Materialien wurden entweder lagenweise oder leicht vermischt eingebracht.

Die Holzkohle erfüllte dabei eine Doppelfunktion:

• Sie diente als Brennstoff.
• Gleichzeitig lieferte sie das Kohlenmonoxid, das für die chemische Reduktion des Eisenerzes erforderlich war.

Der Verhüttungsprozess

Schematische Darstellung eines weiterentwickelten Rennofens mit Blasebalg und Schlackeabstich.

Nach dem Entzünden entwickelte sich im unteren Bereich des Rennofens eine Temperatur von etwa 1.100 bis 1.300 °C. Im oberen Bereich des Ofenschachtes lagen die Temperaturen deutlich niedriger.

Obwohl diese Temperaturen erheblich unter dem Schmelzpunkt von reinem Eisen (1.538 °C) liegen, reichen sie aus, um den eigentlichen Verhüttungsprozess einzuleiten.

Das im Erz enthaltene Eisen liegt überwiegend als Eisenoxid vor. Während der Verbrennung der Holzkohle entsteht Kohlenmonoxid (CO), das dem Eisenoxid den Sauerstoff entzieht.

Vereinfacht lässt sich dieser Vorgang durch folgende Reaktionsgleichung beschreiben:

Eisenoxid + Kohlenmonoxid → Eisen + Kohlendioxid

Dieser Vorgang wird als Reduktion bezeichnet.

Während das metallische Eisen fest bleibt, schmelzen viele unerwünschte Begleitstoffe des Erzes bereits bei niedrigeren Temperaturen. Sie verbinden sich zu einer flüssigen Schlacke, die sich im unteren Bereich des Ofens sammelt.

Bei später entwickelten Rennöfen konnte diese Schlacke über eine Abstichöffnung regelmäßig entfernt werden. Frühere Ofentypen besaßen eine solche Öffnung häufig noch nicht.

Die Luppe

Am Ende des Brennvorganges befindet sich im Ofen keine flüssige Eisenmasse, sondern ein poröser, schwammartiger Eisenklumpen. Dieser wird als Luppe bezeichnet.

Die Luppe besteht aus:

• metallischem Eisen,
• eingeschlossener Schlacke,
• unverhütteten Erzresten,
• sowie kleinen Holzkohleresten.

Sie stellt das eigentliche Ziel der Rennofenverhüttung dar und bildet den Ausgangspunkt für alle weiteren Schmiedearbeiten.

Da viele frühe Rennöfen keine Entnahmeöffnung besaßen, musste der Ofenschacht nach jedem Brennvorgang teilweise oder vollständig abgetragen werden, um die Luppe entnehmen zu können.

Je nach Größe des Ofens entstanden während eines Brennvorganges häufig zwischen 20 und 100 Kilogramm Schlacke, während die Eisenausbeute meist lediglich etwa 18 bis 30 Kilogramm betrug.

Raffination der Luppe

Die unmittelbar aus dem Rennofen entnommene Luppe war noch kein gebrauchsfertiges Eisen. Sie enthielt zahlreiche Schlackeneinschlüsse und besaß eine ungleichmäßige Struktur. Um daraus einen hochwertigen Werkstoff zu gewinnen, musste sie zunächst raffiniert werden.

Die noch glühende Luppe wurde auf einem Amboss mit schweren Hämmern ausgeschmiedet. Durch die wiederholten Hammerschläge wurden flüssige Schlackenreste aus dem Eisen herausgepresst und die einzelnen Eisenpartikel miteinander verschweißt.

Dieser Arbeitsgang wurde häufig mehrfach wiederholt, bis ein möglichst homogener Eisenblock entstand.

Falten und Ausschmieden

Je nach Qualität des gewonnenen Eisens wurde das Material anschließend in Platten ausgeschmiedet, mehrfach gefaltet und erneut verschweißt.

Das Falten diente dabei nicht in erster Linie der Festigkeitssteigerung, sondern der gleichmäßigen Verteilung des Kohlenstoffs sowie der weiteren Verringerung verbliebener Schlackeneinschlüsse. Gleichzeitig entstand ein homogenerer Werkstoff mit besseren Schmiedeeigenschaften.

Die Anzahl der Faltungen hing stark von der Qualität der Luppe ab. Hochwertiges Material erforderte oftmals nur wenige Arbeitsgänge, während minderwertiges Eisen mehrfach ausgeschmiedet werden musste.

Das Ergebnis war ein zäher, schmiedbarer Werkstoff, der als Schweißeisen bezeichnet wird.

Ausheizen

Eine weitere historische Raffinationstechnik war das sogenannte Ausheizen.

Hierbei wurden Eisenstücke mit einem zu hohen Kohlenstoffgehalt erneut auf Schweißtemperatur erhitzt. Durch die starke Sauerstoffzufuhr verbrannte ein Teil des Kohlenstoffs an der Oberfläche des Werkstücks.

Dadurch verringerte sich der Kohlenstoffgehalt, wodurch das Material wieder besser schmiedbar wurde.

Dieses Verfahren gilt als Vorläufer späterer Frischverfahren, die insbesondere mit der Entwicklung der Hochofentechnik an Bedeutung gewannen.

Stahlherstellung

Reines Schmiedeeisen besitzt nur einen sehr geringen Kohlenstoffgehalt und lässt sich deshalb kaum härten.

Erst durch die gezielte Aufnahme von Kohlenstoff entsteht Stahl. Nach heutiger Definition handelt es sich dabei um eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,02 bis 2,06 Prozent.

Für die Herstellung härtbarer Werkzeuge musste der Kohlenstoffgehalt erhöht werden.

Hierzu schmiedete man Eisenstäbe möglichst dünn aus und legte sie gemeinsam mit Holzkohlepulver in einen verschlossenen Tiegel oder eine geeignete Glühkammer.

Während des mehrstündigen Erhitzens diffundierte Kohlenstoff langsam in die äußeren Schichten des Eisens ein. Dieser Vorgang wird als Aufkohlen oder Zementieren bezeichnet.

Nach dem anschließenden Abschrecken in Wasser oder Öl entstand ein harter Stahl, der sich besonders für Schneidwerkzeuge, Messer, Meißel und Äxte eignete.

Historische Bedeutung

Die Rennofentechnik verbreitete sich während der Eisenzeit in weiten Teilen Europas und blieb über mehr als zwei Jahrtausende das wichtigste Verfahren zur Gewinnung von Schmiedeeisen.

Nahezu jede Region verfügte über kleine Rennöfen, die mit regional verfügbaren Rohstoffen betrieben wurden. Voraussetzung waren geeignete Eisenerze, ausreichend Holz zur Herstellung von Holzkohle sowie Lehm für den Ofenbau.

Erst die Entwicklung leistungsfähiger Hochöfen im Spätmittelalter ermöglichte größere Produktionsmengen und verdrängte den Rennofen allmählich aus der industriellen Eisenherstellung.

In der experimentellen Archäologie wird die Rennofentechnik heute erfolgreich rekonstruiert und liefert wertvolle Erkenntnisse über die Arbeitsweisen früher Metallurgen.

Auswirkungen auf Landschaft und Umwelt

Die Eisenverhüttung erforderte große Mengen an Holzkohle.

Für deren Herstellung mussten erhebliche Mengen Holz verkohlt werden. In Regionen mit intensiver Eisenproduktion führte dies über Jahrhunderte zu einer starken Nutzung der umliegenden Wälder.

Die Köhlerei entwickelte sich deshalb zu einem eigenständigen Handwerk und bildete gemeinsam mit Erzgewinnung, Rennofenbetrieb und Schmiede einen wichtigen Wirtschaftszweig vieler Regionen.

Bedeutung für die Autarkie

Die historische Rennofenverhüttung zeigt beispielhaft, wie grundlegende Werkstoffe ausschließlich mit regional verfügbaren Rohstoffen hergestellt werden konnten.

Für moderne Konzepte der Autarkie steht dabei weniger die tatsächliche Eisenproduktion im Vordergrund als vielmehr das Verständnis traditioneller Fertigungstechniken, regionaler Ressourcen und widerstandsfähiger Produktionsweisen.

Das Wissen über historische Metallurgie vermittelt grundlegende Zusammenhänge zwischen Geologie, Chemie, Physik und Handwerk und trägt zum Verständnis der technischen Entwicklung des Menschen bei.

Siehe auch

• Raseneisenerz
• [[Luppe
• [[Schweißeisen
• [[Stahl
• Holzkohle
• [[Köhlerei
• [[Schmieden