Twoja wyszukiwarka

MIROSŁAW RUTKOWSKI
ŻELAZNE ŁĄKI
Wiedza i Życie nr 5/2001
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 5/2001

Każdy z nas, nawet o tym nie wiedząc, może mieć w przydomowym ogródku niewielkie złoże żelaza.

Wczesną wiosną sąsiad posadził wzdłuż ogrodzenia rząd tuj. Przez całe lato równiutki szpaler szybko rosnących krzewów cieszył nasze oczy. Jednak już jesienią kilka krzewów pośrodku żywopłotu wyraźnie różniło się od reszty rośliny były niższe i słabsze. Zafrasowany sąsiad, podejrzewając, że problem tkwi we właściwościach gruntu, poprosił mnie - geologa o fachową poradę. Obejrzałem glebę wokół niedomagających krzewów - resztki ziemi z dołków pod tuje miały w tym miejscu kolor czerwonobrązowy. Kopczyk kreta nieopodal również intensywnie barwiła ochra. Wniosek był prosty: - Drogi sąsiedzie, ma pan na działce rudę żelaza. Dokładnie rudę darniową. Może nawet niewielkie złoże. Gratuluję. Niestety dalsze wyjaśnienia musiały go rozczarować. Korzyści z posiadania takiego złoża nie można porównać z posiadaniem złoża ropy naftowej. Ruda darniowa jest dość pospolitym surowcem, występuje powszechnie. Można z niej uzyskać żelazo, ale dzisiaj to się nie opłaca.

Jednak kiedyś ta niepozorna, czerwonobrązowa substancja zmieniła bieg historii. Wytopienie z niej żelaza rozpoczęło na naszych ziemiach nową epokę - epokę żelaza.

Łąki podszyte metalem

Powstawanie rudy darniowej. Fragment powiększony: profil litologiczny złoża rudy darniowej w okolicy Muszyńca

Wyobraźmy sobie podmokłą łąkę. Płynie przez nią rzeczka, biorąca początek z porośniętych lasem morenowych wzgórz. Dla nas to nic wielkiego, lecz dla dawnych hutników - a raczej rudników, bo takie nosili miano - to potencjalne źródło surowca i miejsce, które w krótkim czasie może zatętnić życiem i gwarem jako ośrodek przemysłu hutniczego. Wystarczy bowiem zdjąć wierzchnią warstwę gleby, by z dużym prawdopodobieństwem napotkać na głębokości 20-30 cm czerwonobrunatną rudę żelaza, podobną trochę do grubo zmielonej kawy.

Grubość takiego złoża jest zwykle niewielka - od kilku centymetrów do najwyżej 1 m. Ruda ma postać pylistą lub gruzełkowatą, a czasami tworzy twarde, lite płyty o powierzchni do kilkudziesięciu metrów kwadratowych. Jeśli nie ma rudy pod darnią, można jej poszukać w zakolach rzeki, gdzie nurt wyraźnie zwalnia, lub w kieszeniach na zboczach doliny, którą płynie rzeka. Dobrą wskazówką obecności rudy darniowej jest czerwonobrunatne zabarwienie gleby, kretowisk oraz wody w zastoiskach.

Ten typ rudy żelaza występuje na terenie naszego kraju właściwie wszędzie: na Mazowszu, Podlasiu, Mazurach, w Wielkopolsce i w setkach innych miejsc. Polskie zasoby ocenia się aż na 535 tys. t, mimo wielowiekowej eksploatacji i zniszczenia wielu złóż przez meliorację.

Złoża te powstały niedawno - w okresach ocieplenia między kolejnymi zlodowaceniami. Było wtedy wilgotno, a woda jest niezbędna do utworzenia rudy. Przepływając przez osady zawierające związki żelaza, rozpuszcza je. Żelazo przechodzi do roztworu i jest unoszone dalej, aż zmieniające się warunki zewnętrzne spowodują jego wytrącenie w postaci bardzo drobnej zawiesiny tlenków i wodorotlenków. Woda transportuje delikatną zawiesinę, dopóki nie trafi w spokojne miejsce, gdzie może ona opaść. Może to być podmokła łąka lub inne miejsce, gdzie gromadzi się stagnująca woda bagno, staw, podgórskie torfowisko. W miarę upływu czasu żelazisty osad ulega kolejnym przeobrażeniom. Traci wodę i staje się coraz bardziej zbity i twardy - mówiąc potocznie, kamienieje, a naukowo - ulega lityfikacji. Powstaje ruda żelaza. Rudy darniowe różnią się jednak od wszystkich znanych kopalin - złoża te odnawiają się, i to bardzo szybko. Wystarczy odczekać kilka lat i... hokus-pokus - znów można je eksploatować. By było to możliwe, trzeba jednak dokładnie po sobie posprzątać. Przykryć wyeksploatowane złoże darnią, przywrócić przepływ wód. Należy również poczekać, aż odnowi się roślinność i flora bakteryjna gleby. Krótko mówiąc, trzeba przeprowadzić rekultywację złoża.

Właściwość ta od dawna budziła zdziwienie badaczy - siedemnastowieczny przyrodnik i lekarz Jan Jonston pisał: "W Żaganiu, na Śląsku, żelazo odradza się w ciągu dziewięciu lat i na nowo się je wykopuje w tym czasie". Lecz znane są jeszcze krótsze okresy odnowienia złoża - nawet jednoroczne.

Dymarka

Średniowieczna konstrukcja murowana z otworem do usuwania szlaki. Wytop na żywo można obejrzeć w czasie imprezy "Dymarki Świętokrzyskie", organizowanej co roku we wrześniu w Nowej Słupi

Eksploatacja złoża rudy darniowej jest niezwykle prosta - przez wieki podstawową metodą była "wybierka ręczna". Jeśli ruda była wilgotna, suszono ją w pryzmach usypanych pośrodku odkrywki. Rudę występującą w postaci twardych brył kruszono i mielono. Korzystając z rzeczki, można było ją wypłukać - wtedy ruda traciła część zanieczyszczeń, zwłaszcza piasku, a więc wytop był wydajniejszy. Ot i cały proces wydobywczy. Dalsze przetwórstwo było równie proste jak eksploatacja. Wykopywano dołek - "kotlinę" - nad którym budowano stożkowy komin z gliny zmieszanej z igliwiem lub sieczką (rycina obok). W dolnej części komina wydłubywano niewielkie otwory, a dołek uzupełniano o ziemny kanał, służący do dostarczania powietrza i usuwania żużla. Konstrukcja miała wysokość ok. 1-1.5 m i średnicę 40-60 cm. Jest to klasyczna dymarka lub, według archeologów, piec szybowy typu celtyckiego.

Do dołka wrzucano węgiel drzewny po rozpaleniu i ustabilizowaniu ciągu w kominie wnętrze osiągało w krótkim czasie wysoką temperaturę. Następnie ładowano porcje wysuszonej rudy, zmieszanej z węglem drzewnym. Czynność tę powtarzano wielokrotnie. Kanał ziemny dostarczał najwięcej powietrza, prawdopodobnie bez wspomagania miechami. Natomiast przez otwory w dolnej części dymarki w miarę potrzeb wdmuchiwano powietrze za pomocą miechów. Dzięki temu piec osiągał temperaturę ok. 1200°C. Nie wystarczało to do uzyskania płynnego metalu (temperatura topnienia żelaza wynosi 1530°C), ale umożliwiało redukcję tlenków żelaza - powstawało tzw. żelazo gąbczaste.

W wyniku tych zabiegów z pojedynczej dymarki po 24 godzinach uzyskiwano silnie zanieczyszczoną "łupę" żelaza o wadze około 20 kg. Żelazo wygrzewano następnie w specjalnych piecach kopułowych, wielokrotnie przekuwano w celu usunięcia resztek nie wypalonej rudy oraz żużla i doprowadzano do postaci finalnej - sztaby niskowęglowego żelaza kowalnego.

Pierwotnie dymarka była konstrukcją jednorazowego użytku - po wytopie budowano nową. W późniejszym okresie konstruowano także trwalsze piece z kamienia i gliny, zaopatrzone u dołu w otwór do usuwania żużla i szlaki. Były one w stanie wytrzymać kilkanaście wytopów.

Wielki piec

Dymarka przygotowana do rozpoczęcia wytopu - kotlina wypełniona węglem drzewnym

Podstawową wadą dymarki była mała wydajność spowodowana zbyt niską temperaturą wytopu. Wadę tę z czasem usunięto, podwyższając komin i komorę roboczą. Dzięki temu uzyskano żelazo w postaci płynnej - tak powstał wielki piec. Początkowo określenia "wielki" używano trochę na wyrost, ponieważ pierwsze konstrukcje miały nie więcej niż 4 m wy-sokości. Obok takiego pieca budowano kuźnię: młot do przekuwania żeliwa, urządzenie do wyciągania drutu, walcarki do blachy, nożyce. Wszystko napędzane było kołem wodnym, to był już profesjonalny zakład metalurgiczny.

Wytop. powietrze do kotliny dociera kanałem ziemnym, podtrzymując spalanie węgla drzewnego. Wsad - mieszanina rudy i węgla drzewnego - jest napowietrzany dodatkowo miechem. Na dnie kotliny zaczyna sie zbierać szlaka - odpad z przepiatanej rudy

Pierwsze wielkie piece powstały w Styrii (Austria) w X wieku, w XIII wieku w nadreńskich ośrodkach hutniczych były już powszechnie stosowane. W tym samym czasie sporadycznie zaczęły pojawiać się na ziemiach polskich. Upowszechniły się jednak dopiero w XVIII wieku. Rzadziej stosowano w nich niskoprocentową rudę darniową, zastąpiły ją bardziej wydajne rudy syderytowe i hematytowe. Wraz z komplikowaniem się zakładu przetwórczego rosły umiejętności hutników. Wielkie piece i kuźnice obsługiwali już fachowcy z prawdziwego zdarzenia, potrafiący uzyskać zamierzony gatunek żeliwa i stali.

Wytop zakończony. Kotlina i kanał ziemny zostały całkowicie zalane szlaką - powstał kloc żużla. Na żużlu spoczywa wytopiona z rudy łupa zelaza gąbczastego

Wynalezienie wielkich pieców nie znaczyło jednak końca kariery dymarek. Zasilana lokalnym, nie najlepszym surowcem, obsługiwana przez niezbyt fachowy, często przypadkowy personel, dymarka była stosowana obok wielkich pieców jeszcze w XIX wieku. W prawie każdym większym dworze w małych fryszerkach i kuźnicach przetwarzano rudy darniowe na własne potrzeby. Produkty były niskiej jakości, ale wystarczały do zwykłego, domowego użytku.

Pochłaniacz

Występowanie rud darniowych w polsce - stan z początku lat pięćdziesiątych

Rudy darniowe stosowano w Polsce do przemysłowego wytopu stali aż do 1964 roku. Wtedy to wymagania hut oraz dostęp do lepszych surowców spowodowały, że uboga ruda rodem z łąk i zastoisk rzecznych zaczęła odchodzić w zapomnienie. Jednak tylko jako ruda żelaza, ponieważ pojawiło się nowe, zupełnie inne zastosowanie tego surowca.

Odkryto, że rudy darniowe odmian sypkich doskonale nadają się do oczyszczania gazów koksowniczych ze związków siarki - głównie z siarkowodoru. Co więcej, filtry z tej rudy same się oczyszczają - w czasie reakcji wiązania siarkowodoru wydziela się ciepło, które regeneruje mieszaninę filtracyjną.

Dawne hutnictwo mazowieckie - zaznaczono stanowiska archeologiczne

Pochłaniające właściwości rud darniowych można z powodzeniem wykorzystać również w oczyszczaniu innych gazów. Opracowano na przykład metodę oczyszczania ze szkodliwej domieszki siarkowodoru dwutlenku węgla, uzyskiwanego ze źródła wód mineralnych w Krynicy.

Wydaje się, że to nowe zastosowanie rud darniowych może doprowadzić do odkurzenia starych foliałów z dokumentacją tych złóż, obecnie uznawanych przez Prawo Geologiczne i Górnicze za kopalinę uboczną, bez znaczenia ekonomicznego.

Czy jednak eksploatacja rud darniowych dla potrzeb ochrony środowiska nie zagrozi samemu środowisku? Raczej pomoże. Większość krajowych zasobów to zwały i hałdy po starych odkrywkach. Eksploatacja ich byłaby więc jednocześnie rekultywacją zdewastowanych terenów. Użytkowanie nowych odkrywek musi odbywać się w warunkach pełnego poszanowania istniejących cieków wodnych i roślinności, inaczej nie ma mowy o odradzaniu się złóż. Wiedzieli o tym doskonale dawni rudnicy - nie bez przyczyny pracę na nowym złożu zaczynali od starannego zdjęcia darni i podzielenia jej na płaty, które po wydobyciu rudy równie starannie układali na miejscu.

A co z tujami sąsiada?

Dzięki intensywnemu nawożeniu i pielęgnacji kryzys został zażegnany. Tuje posadzone na soczewce rudy darniowej dogoniły wkrótce resztę roślin, a obok żywopłotu wyrasta kopulasta konstrukcja - sąsiad buduje dymarkę.

Zainteresowanym tematem polecamy monografię polskich rud darniowych: Tadeusz Ratajczak, Janusz Skoczylas, Polskie darniowe rudy żelaza, Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków 1999.

Początki hutnictwa

Kolebką metalurgii jest prawdopodobnie Azja Zachodnia na obszarze dzisiejszej Anatolii (Turcja) Hetyci wytapiali żelazo już ok. 5 tys. lat temu, korzystając zarówno z miejscowych rud żelaza, jak i z meteorytów żelaznych. Do miana prekursorów hutnictwa pretenduje jeszcze kilka ośrodków: Armenia, Egipt, Chiny i Indie. W starożytności w całym basenie Morza Śródziemnego była to umiejętność dość rozpowszechniona. Na północ od Alp pojawiła się ok. 2750 lat temu - w okresie halsztackim. Na tereny dzisiejszej Polski przenieśli ją prawdopodobnie Celtowie. W I i II wieku n.e. nastąpił tutaj zaskakująco gwałtowny rozwój tej działalności. Ludy zamieszkujące dorzecze Wisły stworzyły dwa potężne - największe w "barbarzyńskiej" Europie ośrodki przemysłu metalurgicznego: mazowiecki i świętokrzyski. Jedną z przyczyn ich rozwoju była ruda, z której korzystali ówcześni hutnicy łatwo dostępna, prawie nie wymagająca obróbki wstępnej, a na dodatek łatwo topliwa ruda darniowa.

Żelazna toponomastyka

Obok stanowisk archeologicznych dawne hutnictwo dokumentują nazwy miejscowości. Ruda, Rudawka, Rudka, Rudno, Rudniki, Rudzicz oraz Huta, Huciska, Hutki - te nazwy nie budzą wątpliwości. Ale są również nazwy mniej oczywiste, a jednak związane z wydobywaniem i przetwarzaniem rudy żelaza:

  • Żelazowa Wola, Kowale, Kuźniki - od kuźnic, w których przekuwano gąbczaste łupy żelaza, półprodukt z dymarkowego wytopu;
  • Hamry, Homry, Hamerki, Hamrzyska - tych nazwach występuje zniekształcony rdzeń "hammer", z niemieckiego "młot" - to ślady osadnictwa niemieckiego;
  • Fryszarka (osada w Puszczy Solskiej) nazwa pochodzi od "fryszerki" - pieca, w którym prowadzono proces świeżenia surówki;
  • Kopanie, Kopana - te nazwy na Niżu Polskim najczęściej mają związek ze sposobem eksploatacji rudy darniowej.

Polska a upadek Rzymu

Gwałtowny rozwój hutnictwa dymarkowego na Mazowszu i w Górach Świętokrzyskich w I i II wieku n.e. do dzisiaj wprawia archeologów w konsternację. Zadziwia zwłaszcza skala tego zjawiska na jednym tylko stanowisku w Biskupicach koło Brwinowa (ośrodek mazowiecki) doliczono się 3719 dymarek! Ocenia się, że w tym okresie w całym ośrodku mazowieckim wykonano 150 tys. wytopów, z których uzyskano 3 tys. t żelaza. W ośrodku świętokrzyskim wytopiono czterokrotnie więcej. W owych czasach była to ilość ogromna. Jeśli dodamy do tego produkcję wyrobów w specjalistycznych osadach kowalskich, wypalanie wapna potrzebnego do uszlachetniania dymarkowego żelaza, wyrób gliny, miechów, narzędzi do produkcji - otrzymamy obraz dziesiątek tysięcy ludzi zatrudnionych przy największej w Europie, wielkoprzemysłowej produkcji żelaza. Po co stosunkowo prymitywnym ludom zamieszkującym wówczas te ziemie takie ilości żelaza? Odpowiedź może być szokująca - niewykluczone, że właśnie to żelazo spowodowało zagładę Imperium Rzymskiego. W tamtych czasach większość żelaza przeznaczano na potrzeby militarne. Wykonywano z niego miecze, topory, groty strzał i oszczepów - a więc oręż, którym "barbarzyńcy" w krwawych bojach wyrąbali sobie drogę do Rzymu. Z chwilą upadku Imperium i rozpoczęciem okresu wędrówek ludów produkcja ustała. Zaplecze wojenne spełniło swoje przeznaczenie.

Mineralogia rud darniowych

Opis mineralogiczny rud darniowych długo ograniczał się do lakonicznego stwierdzenia, że tworzy ją limonit - naturalna mieszanina złożona z uwodnionych tlenków i wodorotlenków żelaza. Dopiero zastosowanie rentgenograficznych metod badawczych pozwoliło na dokładniejsze rozpoznanie mineralogii rudy. Okazało się, że podstawowym składnikiem są słabokrystaliczne agregaty o wielkości kilkunastu mikrometrów, zbudowane z pojedynczych płytek o rozmiarze 1 m. Mają one skomplikowany skład chemiczny tworzą je związki Fe, Ti, Mn, Ca, Al i Si . Wyróżniono wiele minerałów wchodzących w skład owych agregatów: kwarc, getyt, syderyt, lepidokrokit, skalenie. Duży udział mają też nie w pełni wykrystalizowane tlenki i wodorotlenki żelaza o różnym stopniu uwodnienia. Obok substancji mineralnej występują skamieniałe szczątki roślinne, w których substancja organiczna została częściowo zastąpiona przez żelaziste węglany. Mikrostruktura tych osadów jest niezwykle porowata, co wyjaśnia ich doskonałe własności sorpcyjne, przewyższające niekiedy własności najlepszych krajowych sorbentów naturalnych: bentonitów z Milowic i iłów z Machowa.

Komputerowe dymarki

Technologia dymarkowej produkcji żelaza gąbczastego ma swoją nazwę we współczesnej metalurgii - jest to proces zimny, w odróżnieniu od wielkopiecowego procesu gorącego. Absolutna dominacja procesu gorącego nad zimnym trwała, dopóki nie policzono kosztów. Okazało się, że produkcja dymarkowa jest prawie dwukrotnie tańsza, jeśli wziąć pod uwagę współczesne ceny paliw. Próby wdrożenia procesu zimnego na skalę przemysłową trwały długo, ale w końcu w 1971 roku uruchomiono w Griffith Mine, w prowincji Ontario, w Kanadzie pierwszą prawidłowo pracującą instalację do zimnej redukcji tlenków żelaza. Obecnie na świecie pracuje wiele tego typu urządzeń. Są to poziome piece obrotowe, sterowane komputerowo i zasilane mieszaniną węgla brunatnego z niskoprocentową rudą tlenkową, zwykle odmianą rud darniowych. W temperaturze 1000°C zachodzi ciągły proces redukcji tlenków, a produktem jest granulowane żelazo gąbczaste, przetwarzane dalej w stalowniach. Instalacje są tanie w montażu, lekkie i co ważne znacznie mniejszym stopniu zanieczyszczają środowisko niż klasyczne wielkie piece.