Zde je ke stažení její část, zabývající se historií kovů a výrobou

Zde je ke stažení její část, zabývající se historií kovů a výrobou

Výroba oceli v průběhu
věků
Pavel Švanda
Univerzita Pardubice
DFJP – KMMČS
[email protected]
http://www.upce.cz/dfjp/kmmcs.html
[email protected]
http://svanda.webz.cz
Nástroje v lidské historii
2006 – Forbes – 20 největších vynálezů lidstva:
1 Nůž
2 Abakus
3 Kompas
4 Tužka
5 Postroj
6 Kosa
7 Puška
8 Meč
9 Brýle
10 Pila
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Hodinky
Soustruh
Jehla
Svíčka
Váhy
Hrnec
Dalekohled
Libela
Rybářský háček
Dláto
 první nože z úštěpků kamene (asi před 2,5 mil let
předchůdci člověka), později pazourek a
obsidián, kovy, dnes opět obsidián a keramika
hrot oštěpu asi
10 000 BC
škrabka
 většina prvků kovy, ale 
 využití kovů je relativně mladé – zlato cca 6000BC, měď
cca 4200BC, stříbro cca 4000BC, olovo cca 3500BC, cín
cca 1750BC, železo z rudy cca 1500BC, rtuť cca 750BC
 výroba bronzu smísením cínové a měděné rudy před
tavbou asi 2500BC
 první „nový“ kov až arsen v 13. stol, relativně čistý až
1641 (z arseniku)
 polovina 16. stol. antimon
 1595 bismut, jako kovový element určen až 1753
 zinek znám v Číně již kolem roku 1400, ale patentování
výroby destilací 1738 (William Champion) – rozšířeno
používání; před rozšířením moderního způsobu výroby
dovážen z Asie jako Indický cín
 cínový mor – kovová β-modifikace stabilní nad 13,2°C,
pod touto teplotou stabilní šedý, práškový -cín;
autokatalytický proces, není chemická destrukce; možné
omezení přídavkem Sb, Bi (brání rekrystalyzaci)
 1781 – začíná výroba mosazi (Cu+Zn)
 16. stol. – v Mexiku objeven „nový“ kov – platina; dovoz
z Nového Světa zakázaný (byla zneužívána na výrobu
pozlacených mincí - levnější než zlato)
 do roku 1700 známo pouze 12 kovů: Au, Ag, Cu, Pb,
Hg, Fe, Sn, Pt, Sb, Bi, Zn, As
 kovy objevené v 18. stol.: 1735 kobalt, 1751 nikl, 1774
mangan, 1781 molybden, 1782 tellur, 1783 wolfram,
1789 uran, 1789 zirkonium, 1791 titan, 1794 ytrium,
1797 berylium, 1797 chrom (celkem 12) (pouze
laboratorní vzorky, redukce uhlíkem, pouze W vodíkem)
 => za necelých 8000 let bylo poznáno jen 24 kovů
 dnes je známo téměř 90 kovů
 první kovy byly málo čisté, čištění zlata od stříbra bylo
uměním od samého počátku (obvykle převádění Ag na
rozpustné sloučeniny (chloridy, sulfidy))
 1807 - Sir Humphrey Davy použil Voltův článek
k elektrolýze vody a roztoku sody a potaše; rozklad vody,
ale při použití Pt elektrody na katodě vznikaly kuličky
šedavého kovu – sodík a draslík
 stejným způsobem byly záhy poté připraveny vápník,
baryum a stroncium
 1817 – frakční destilací zinku připraveno kadmium
Tv(Cd) = 765°C, Tv(Zn) = 906°C, (obvykle izomorfní kov
v zinkové rudě)
 1825 Oersted – chemická výroba hliníku, velmi obtížné
 1828 chrom
 1841 Askin – oddělení kobaltu a niklu ze směsi
 1825 Oersted – chemická výroba hliníku, velmi obtížné
 1827 – výroba hliníku redukcí sodíkem
 1886 – zcela nezávisle na sobě P. L. T. Héroult (F) a C. M.
Hall (USA) objev výroby elektrolýzou oxidu hlinitého
z taveniny kryolitu => dodnes
1852
1854
1855
1856
1867
1858
1886
1200
600
250
75
60
25
17
zlato 660
zavedení Devilleova procesu Na/AlCl3
1888
1890
1895
1900
1950
1965
1980
1989
11,5
5,0
1,15
0,73
0,40
0,54
1,53
1,94
zavedení Héroult- Hallovy elektrolýzy
minimum
Cena kovového hliníku ($ za kg)
výroba v roce 1885 – 15 tun, 1900 - 8000 tun, 1999 – 24
mil. tun
1999
– 24 mil. tun
objevy dalších kovů a rozvoj jejich používání
Železo - historie výroby a
zpracování železa
 první používané železo meteorického původu (siderity
(neplést se sideritem FeCO3), slitiny Fe-Ni + Ir, Ge, …)
 řada slavných zbraní opředených pověstmi obsahuje
tento „vzácný kov“
Jeden z mnoha
fragmentů železného
meteoritu
nazývaného Canyon
Diablo,
který byl nalezen na
svahu Arizonského
meteorického kráteru
Widmanstättenova struktura železného meteoritu
 první archeologické nálezy železa použitého člověkem
kolem 5000 BC, v Iráku (Samarra), Iránu (Tepe Sialk) a
Egyptě (El Gerseh), použito na ozdoby
 archeologové počítají dobu železnou v oblasti Malé Asie
asi od 2. tis. BC
 první písemné zmínky o železe (výrobě) již v egyptské
„Knize mrtvých“
 rudy železa byly těženy již dříve (v malém množství), jako
taviva při výrobě bronzu => nálezy zbytků
vyredukovaného železa v retortách ještě před počátkem
doby železné
 v době bronzové bylo železo někde nazýváno jako černá
měď, bylo považováno za nerafinovanou měď
 přeceňování schopnosti našich předků – viz.
„nerezavějící“ sloup v Dillí, stáří asi 1600 let
Železné rudy
 železné rudy po hliníku druhé nejrozšířenější v zemské kůře
 z chemického hlediska lze rozdělit železné rudy do 5 skupin:
• bezvodé oxidy:
o oxid železitý Fe2O3 - hematit neboli krevel
o oxid železnatoželezitý Fe3O4 - magnetit
• hydratované oxidy
o hydrohematit
o götit
o limonit (hydrogötit)
o turit - směs hydrohematitu a götitu
• uhličitany
o uhličitan železnatý FeCO3 - siderit (ocelek)
• sulfidy
o pyrit - disulfid železnatý FeS2, kyz železný FeS
• křemičitany
o hydratovaný hlinitokřemičitan železnatý - chamozit
(Fe,Mg)15Al10Si11O52.16H2O (přibližný vzorec), nevhodné
pro výrobu železa ve vysoké peci
 patří sem i ilmenit FeTiO3, ale to je titanová ruda
 hematit - Fe2O3 v čistém stavu 70 % Fe a 30% O; v
přírodě se vyskytuje s obsahem železa asi 60%; je tmavě
červené až ocelové barvy, matného nebo kovového lesku;
hlušina obsahuje především SiO2 a malá množství Al2O3,
CaO, MgO
 hematit je ruda snadno redukovatelná, obsahuje obvykle
méně jak 0,05% fosforu
 hodí se k výrobě slévárenského surového železa
(hematitu)
 není přitahován magnetem
 bývá jemně rozptýlen v mnoha nerostech a horninách,
dodává jim červenou až červenohnědou barvu
 magnetit - na železo nejbohatší rudou; oxid
železnatoželezitý, s obsahem až 70% Fe
 redukuje se obtížně a proto jeho běžné využití v pravěku
není příliš pravděpodobné, existuje ale důkaz o tavení
hematit-magnetitové rudy v slovanské době v
Želechovicích na Severní Moravě
 hydratované oxidy - podle obsahu chemicky vázané
vody rozlišujeme čtyři druhy:
o hydrohematit, při n<1, obsahuje v čistém stavu
62-69% Fe, tmavě červené barvy;
o götit při n=1, tj. Fe2O3.H2O (= „FeO.HO“),
obsahuje v čistém stavu 62,9 až 63%Fe, má
tmavě šedou barvu;
o limonit (hydrogötit), při 1,5>n>1, obsahuje v
čistém stavu 59,8 až 63% Fe, tvoří beztvarou
hmotu žluté až šedé barvy, obvykle obsahuje
mnoho hydroskopické vlhkosti
o turit je směs hydrohematitu a götitu a obsahuje
v čistém stavu 63 až 65 % Fe, je beztvarý, tmavě
červené až černé barvy.
 všechny hydratované oxidy obsahují podstatně méně
železa než odpovídá čistým minerálům, jsou obyčejně
velmi dobře redukovatelné
 hlušiny jsou velmi různorodé, většinou v nich převládá
SiO2
 vznik rozkladem téměř všech nerostů obsahujících železo
= > typické druhotné nerosty
 někdy se hromadí vlivem povrchové vlhkosti ve svrchních
partiích ložisek různých rud (v tzv. oxidačních pásmech)
=> vzniklému útvaru se říká " železný klobouk";
ukazatelem jiných ložisek, neboť bývá nápadně zbarvený
do hněda nebo do červena
 nápadná barva, měkkost a snadnost dobývání spolu s
lehkou redukovatelností této rudy lákala staré hutníky a
kovkopy
 siderit (ocelek) - FeCO3, obsahuje v čistém stavu
48,3%Fe; jako železná ruda má pouze 25-40%Fe; má
šedou barvu
 proti limonitu mívá nižší obsahy manganu a fosforu
(0.01-0.02%),bývá znečištěn SiO2, což mu dodává
kyselý charakter
 redukce není obtížná, byl -li předem vypražen za
přístupu vzduchu
 pyrit – často izomorfně doprovázen dalšími kovy
(neželeznými), pro které je ruda těžena
 na vzduchu pyrit snadno zvětrává na sírany železa,
rozpustné ve vodě, a na limonit; tyto minerály pak tvoří
"železný klobouk" ložisek sulfidů (=> žádný přírodní
kámen používaný ve stavebnictví nesmí obsahovat
pyrit, protože ten se velmi brzy rozkládá)
záměrná výroba železa se vyvíjela pro technologické obtíže
pomalu a četnější nálezy pocházejí až z doby 1200-1000 let
BC, první nálezy vytaveného železa – Hittite v Malé Asii
(mezi 1700 a 1400 BC)
nejstarší dochovaný nález svářkového železa pochází z ústí
větrací šachty „velké pyramidy v Gize“, před rokem 2800 BC
umění výroby železa asi vzniklo na několika místech
nezávisle na sobě před rokem 2000 BC
z Malé Asie se umění výroby železa rozšířilo do Egypta a
asi 900 let BC do Řecka
první výroba probíhala v „díře v zemi“, získaná železná
houba byla čištěna kováním
patrně velmi záhy byly použity měchy ze zvířecích kůží =>
kromě železné houby i tekutá litina
z počátku byla litina nežádoucí (tvrdá, křehká) <= nebylo
možné kovat, odlétat železo neuměli
umění cementace či nitrocementace bylo známo asi již na
přelomu 13. a 12. stol. BC, v té době bylo známo i kalení
(nálezy hornických špičáků s kalenou a popuštěnou špicí)
systematická výroba železa doložena v 15. stol. BC
v severovýchodním Turecku
kolem 1100 BC byla výroba rozšířena Blízkém Východě a
jižní Evropě, částečně na Kypru, běžnou se zde stala kolem
900 BC
kolem 900 BC „dovezena“ do střední Evropy (Keltové, např.
Halštatská kultura (Rakousko) už znala cementaci),
laténská (Švýcarsko) kultura již hojně používala ocel
kolem 600 BC Etruskové rozšířili výrobu železa do střední
Itálie a Katalánie (Španělsko) – patrně „import“ z Asie, ne od
Keltů
období 500 – 300 BC výroba po celé Evropě (i v Irsku;
římská říše)
okolo r. 500 BC bylo již železo v řeckém světě stejně běžné,
jako bronz
vedle výroby železných nástrojů a zbraní, se hojně
používaly železné svorníky ke konstrukci staveb; antická
sídla jsou jimi doslova poseta
ve střední Evropě bylo střediskem metalurgie železa do 4.
stol. BC římské Noricum v dnešním Rakousku; v západní
Evropě to byla Katalánie
v raném středověku jsou již střediska výroby kvalitní oceli
roztroušena po celé Evropě
koncem laténského období (1. stol. BC) keltští kováři
objevili kovářské svařování měkkého a tvrdého
(nauhličeného) železa => svářkový damašek
v průběhu středověku bylo ceněno umění italských,
německých a také arabských metalurgů, v novověku a
během industriální revoluce byla vyspělou technologií
pověstná Anglie a Švédsko
největším problémem, se kterým se metalurgie různým
způsobem vyrovnávala až do 19. stol., je vysoký bod tání
čistého železa => teploty 1540°C bylo dosaženo až ve vysoké
peci a do té doby se železo zpracovávalo při teplotě nižší
byla-li již dříve připravena tavenina, byla to uhlíkatá litina,
která taje již při 1200°C
první pece, používané až do doby římské, se sestávaly z
mísovité jámy s jílovou klenbou a otvorem pro odvod kouře
na vrcholu. Ve spodní části pece byla umístěna jedna či dvě
výfučny, jimiž se vzduch dmýchal koženým měchem
Výroba železa v ranných dobách
Vsázka obsahující rudu a dřevěné uhlí se uložila do
jámy a zakryla jílovou klenbou, kterou bylo nutno po
skončení tavby opět prolomit. Produktem tohoto
procesu byly slinuté kusy železa promísené se
struskou a zbytky paliva. Směs se nejprve
roztloukala, přičemž se nekovové podíly rozdrtily,
rozpadly a uvolněné hrudky železa se na kovářské
výhni skovávaly do větších kusů. Při kování se
oxidovala část nečistot, zvláště uhlík, a tak se železo
stávalo lépe kovatelné. Struktura takto vyrobeného
železa byla heterogenní a obsahovala oddělené fáze
strusky a krystalů železa o různém složení. Proto jsou
archeologické nálezy tak nepravidelně zkorodované.
Hefaistova dílna, šachtová pec na výrobu železa, kovář při práci, malba na attické váze z Orvieta, v
popředí jsou na kovadlině skovávány slinuté kusy získaného kovu. 7. stol. BC
 složení raných artefaktů je velice rozmanité a
odpovídá kvalitě místní rudy => nečistoty (obsah po
dlouhá staletí nedokázali lidé ovlivnit) měly vliv na
kvalitu oceli
 => již starým Řekům bylo známo, že ocel z různých
rud se hodí k různým účelům
 podle písemných zmínek ocel z Lakonie je dobrá na
vrtáky a dráty, lydská ocel na meče, stejně jako
pozdější norická ocel, zatímco sinopská ocel se hodí
na tesařské nářadí.
 Po celý starověk a středověk byl veden čilý obchod s
různými ocelemi, jehož střediska byla např. v
Insbrucku, Kolíně, Norimberku nebo v Liége.
 u historických ocelí je běžné složení rozdílné dle
místních rud, obvykle uhlík (1-4%), setiny procent
křemíku, fosforu, síry, manganu, chrómu, mědi a
niklu...
 o postupu výroby a původu rudy vypovídá složení
strusky uzavřené mezi krystality a fyzikální struktura
samotného železa
 na základě metalografických a rentgenografických
zkoumání se například soudí, že nejstarším
způsobem zvyšování pevnosti čepelí bylo kování za
studena (při 600-700°C) a teprve u řeckých nálezů se
nachází struktura martenzitická struktura (kalená
ocel)
 ve starověkém Římě nastal prudký rozvoj výroby
železa v souvislosti s požadavky armády a stavitelství
=> objem výroby lze odhadovat z nálezů strusky, jejíž
množství se v předrománských sídlech měří nejvýš na
stovky kilogramů, zatímco římské manufaktury
produkovaly již stovky tun
 došlo také k větší specializaci dílen, zvláště těch které
provozovaly samy legie – ve 4. - 5. stol. se v městě
Lucca vyráběly meče, zatímco v Cremoně špičky ke
kopím
 o rozměrech vojenského zásobování vypovídá
archeologický nález armádního skladu ve Skotsku,
který obsahoval na pět tun hřebíků různých velikostí
 Římané dovedli technologických vynálezů využít ve
výborně organizované výrobě, stavebnictví a civilní
správě => rozlehlá římská říše a celý romanizovaný
svět se staly prostředím, ve kterém se nové poznatky
bez překážek šířily; na sklonku římského impéria byla
řada technologií ve všeobecném evropském povědomí,
které nedokázaly zahladit ani zmatky raného
středověku
 v římské době se vedle mísovitých pecí začaly používat
šachtové pece vysoké 1.5 m, v nichž bylo možno
dosáhnout vyšší teploty a lepšího oddělení strusky a
surového železa => produktem byly opět neroztavené
kusy svářkového železa, tekutou strusku však již bylo
možno vypouštět otvorem na dolním konci pece
 otvor byl obvykle během tavby uzavřen jílovou zátkou
s malým otvorem pro zasunutí výfučny měchu. Kusy
surového železa se vyjímaly horem a zpracovávaly se
kováním, které mělo za cíl železo homogenizovat a
snížit obsah uhlíku
 v Evropě existuje několik skupin, které se pokoušejí
o repliky starověkých taveb, pokusy činí i TM Brno,
obdobný způsob používají i mečíři vyrábějící repliky
japonských mečů
 Experimenty prováděné ve Staré Huti u Adamova
TMB, používala se replika pece galořímského typu
(již asi od 2. stol. BC)
Schéma galořímské pece pro
tavbu železa
pece pro tavbu se stavěly ze žárupevných jílů
(cihlářské hlíny); použity byly cihly, které se vzájemně
pojily hlínou
spodní část pece byla vyrobena z granitových bloků,
na nich byla z cihlářské hlíny vlastní pec
samotná nístěj měla v průměru kolem 30 až 50 cm,
šachta pro zakládání surovin se zužovala asi na
průměr 20 cm
vnitřní části pece byly vymazány směsí jílu a
drceného dřevěného uhlí
po zhotovení se pec vysušila (opatrným topením)
rozehřátí pece a postupné vkládání vsázky pražená
ruda + dřevěné uhlí
ruda se před zakládáním do pece pražila pro vysušení
(snížení potřebného množství tepla na redukci) a
prvotní redukci
pro dosažení dostatečné teploty nutno dovnitř dmýchat
vzduch (zpočátku ruční měchy, od pol. 13. stol. i využití síly
vody)
narozdíl od vysoké pece je železo nahoře - pevná železná
houba sedí na vrstvě dřevěného uhlí a struska klesá až na
dno nístěje
některé konstrukce pecí umožňují dokonce odpich strusky
tavba by měla trvat tak dlouho, dokud je pec schopna
práce, obvykle kolem 20 hodin
po dokončení vlastních redukčních pochodů bylo možno
nechat pec chladnout různou rychlostí a tým bylo
získáváno i železo mírně odlišných vlastností (dle stupně
nauhličení)
v pecích obvyklé velikosti trvala výroba s jednou vsázkou
kolem 20 kg železné rudy a asi 25 kg dřevěného uhlí
(postupně vsazováno) 4-10 hodin; výsledkem bylo do 9 kg
železné houby
získané houbovité železo bylo poté kovářsky přečištěno
obsah uhlíku v kovářském železe byl velmi nízký, že
bylo nutno pro potřeby kalení nebo povrchového
vytvrzování (kovářské nástroje) železo uhlíkem
obohacovat
Theophilus popisuje, jak se vykované nástroje natřely
sádlem, zabalily do pásů kůže a uzavřely vrstvou jílu.
Nějakou dobu se pak vypalovaly ve výhni, nakonec se jíl
a kůže rychle odstranily a nástroje se zakalily ve
studené vodě. Tímto postupem se povrchová vrstva
obohatila uhlíkem a dusíkem (vzniká cementit Fe3C a
nitrid železa)
povrchové zušlechtění dává původ ke zkazkám o
kalení v moči, krvi nebo ve hnoji
průběh kalení se sledoval vizuálně podle tvorby
charakteristicky zbarvených oxidů, jak to popisuje
rukopis z 16. stol.: „Železo se rozpálí tak, aby se na něm
objevily malé zlatě zbarvené skvrnky. Pak se ponoří do
vody a je-li po zakalení namodralá barva povrchu příliš
intenzívní, nebude čepel dostatečně tvrdá a kalení bude
třeba opakovat. Podle jiného předpisu je třeba železo
rozpálit na barvu mezi žlutým a bílým žárem a pak
zchladit ve vodě, oleji nebo rostlinné šťávě. Je-li po
vytažení z vody povrch nafialovělý, je třeba předmět ještě
ponořit, až dostane namodralou barvu.“
obdobným způsobem se tepelné zpracování oceli
provádí dodnes
Moderní svářkový damašek (Autor P. Dohnal)
zhruba ve 3. stol. BC byl objeven postup výroby
damaškové oceli
nejprve to byl klasický „litý“ damašek (wootz, bulat,
bulat, …), později svářkový (vrchol v 18. stol.)
damašek v sobě kombinuje vlastnosti nízkouhlíkové
(měkká, houževnatá) a vysokouhlíkové (tvrdá, křehká)
oceli
průměrný obsah uhlíku ve svářkovém damašku cca
0,5%, v litém cca 1,5%
svářkový damašek díky jemné struktuře pevnější a
houževnatější než svářková ocel
wootz, bulat, pulad, pravý damašek, litý damašek,
… - byl vyráběn do 18. stol., pak byl postup zapomenut
objev 500 – 200 BC v Indii, kelímkový způsob
rozšíření do okolních zemí v 1. stol., do Evropy až
s křižáckými válkami
dva typy – z nižších teplot o vysokém obsahu uhlíku (22,5%) nebo z taveniny za vyšších teplot cca 1,6% C (vliv P,
kolem 0,1%; 0,05 – 0,206%)
1823-4 Jean Robert Breant (Francie) – identifikace
mikrostruktury wootzu
pokusy o znovuobjevení již 18. stol., první úspěchy ruský
metalurg Pavel Anosov 1838
rozpoznal důležitost chladnutí oceli pro tvorbu vzorku,
provedl úspěšné pokusy s reprodukcí pravého damašku;
sledoval vliv různých příměsí v tavicím kelímku, včetně
diamantů
v Číně a Japonsku oproti Evropě jednoznačně
převažovala výroba uhlíkaté litiny (3-4% uhlíku) a ocel
se nejprve dovážela z Indie, posléze se vyráběla
dekarbonizací litiny
surové železo (tekuté) v Číně na přelomu 6. a 5. stol.
BC (dáno i rudami s vyšším obsahem P, nižší Ttá)
pec s komínem a dmycháním vzduchu, použití
černého uhlí již ve 3. stol BC
neobvyklý byl i proces nauhličování – ponoření měkké
oceli do taveniny litiny, poté překování (5. stol. AD)
čínskou zvláštností je časné využívání vysoce
kvalitního uhlí (antracitu), kterého jsou v některých
provinciích velké depozity; existují doklady, že antracit
byl převažujícím palivem již na konci 11. stol.
velmi překvapivý nález tvárné litiny z doby dynastie Han a
Wei (206 BC až 225 AD), objev výroby až 1948; analýza
neprokázala modifikátory, patrně byl ideální poměr Mn/S
v rovníkové Africe patrně nebyla doba bronzová, zrovna
nástup doby železné
existence ohnišť se zbytky dřevěného uhlí a kousíčky
železa v 3. tis. BC => důkazy špatně ověřitelné pro velmi
korozivní prostředí
„snadnost“ výroby dána velmi vysokým obsahem P v rudě i
rostlinách => nižší b.t.
primitivní způsob výrob v hliněných pecích (výška 1,3 - 6
m) zůstal do počátku 20. stol.
krátké meče v Číně z houbovitého železa v 7 stol. BC,
zlatem zdobené čepele již 2.-1. stol BC, výroba svářkovým
postupem (překládáním 5x až 8x)
později „nauhličovací“ metoda - ponoření měkkého železa
do taveniny litiny a následné přehnutí a kovářské svaření
Japonsko
 je proslulé výrobou „samurajských“ mečů, které byly
spolu se středověkými španělskými a německými meči
tím nejdokonalejším, co člověk vyráběl
 první meče v Japonsku až v 4. a 5. stol., patrně dovoz
z Číny
 výroba oceli v pecích tatara od 6. stol.;
 tvary prvních pecí byly různé a byly pro malé množství
železa
 v 8. stol. byly pece obdobné těm evropským – vertikální
s kruhovým nebo čtvercovým půdorysem
 obdélníkový tvar cca 1x2-3 m, výška asi 1,2 m se
ustálil v 11. -13. stol. („vysoká pec naležato“)
 vzhled raných pecí je znám, ale druh oceli/železa ne;
spíše železo, které se pak kovářsky oduhličovalo
 pece se vyráběly ze žáruvzdorných jílů a hlín
 „moderní“ pec tatara vznikla roku 1692, kdy byl
zkonstruován vahadlový měch poháněný nohama (do
té doby se do pece foukalo ústy nebo ruční měch)
 výroba oceli v Japonsku pecích tatara se místy udržela
až do pol. 19. stol - z 10t železného písku a 12t
dřevěného uhlí vzniklo 2,5t tama-hagane; cena
takového bloku oceli je asi 100 tis. $, tj. 20x více než
běžné oceli
 v polovině 18 stol. byla pec tatara asi 1,1 metru
vysoká, 1 metr široká a 3 metry dlouhá; na stranách
stály „fuigo“ – dmychadla na vzduch
 tatara byla vybudována s ohledem na dostupnost
železné rudy ve formě „černých písků“
 v tataře bylo možné vyrábět dvěma procesy: kera-oshi
(doslova „výroba oceli“) a zuku-oshi („výroba surového
železa“, litiny)
 metoda kera byla vhodná právě pro výrobu základní
svářkové oceli pro výrobu mečů a podobných nástrojů
 litina má nižší bod tání, takže se dala použít
k přímému odlévání předmětů, ale často se použila ke
kovářskému snížení obsahu uhlíku a ze získané oceli
sage-gane („nízkouhlíková ocel“) se vyráběly nože
 železné písky používané pro výrobu byly dvojího druhu
- masa používaná hlavně na kera-oshi (ocel), a akome
používané pro zuku-oshi (litina)
 železné písky masa obsahovaly v sobě kousíčky žuly (a
dalších kyselých hornin) a obsahovaly malé množství
titanu
 železné písky akome obsahovaly diorit (bazický) a
obsah oxidu titaničitého byl vyšší než 5%
Japonská pec pro tavení oceli a litiny, včetně úpravy podloží
 metoda kera-oshi byla používána hlavně na severní
straně hor Chugoku (hlavní naleziště písků masa)
 celý proces od zapálení pece po její vyhasnutí trval kolem
70 hodin (tři dny nepřetržitého dmychání do pece)
 proces začínal vsázkou železitých písků (mají nízký bod
tání a výtečnou redukovatelnost) a poté byla vložena
vrstva dřeveného uhlí
 poté byla pec zapálena, vznikla první kapalná struska –
v tento okamžik pec začala produkovat teplo (zahájení
exotermních reakcí) - fáze komori
 při dalším zvyšování teploty se začínalo tavit i surové
železo - fáze post-komori
 kera (tedy ocel) je získána redukcí oxidů železa (z rudy);
reakce probíhají v této fázi velmi bouřlivě, z pece šlehají
extrémně žhavé (jasně zlaté) plameny - fáze agari
 do pece jsou dále přihazovány další podíly železitých
písků masa, zvětšuje se velikost houbovitého železa
(kera); v této fázi se také začínají výrazně ztenčovat stěny
pece (není možné opakované použití), proces v peci tatara
se blíží ke konci – fáze kudari
 výsledkem takovéhoto procesu je tedy kolem 2,8 tuny (asi
2,7x1m x 200-300 mm) kera (oceli) a dalších 0,8 tuny
surového železa z asi 13 tun železitých písků a asi 13 tun
dřevěného uhlí
 stěna pece se během procesu odtavila z 200-400mm na
50-100 mm
 z pohledu moderní výroby oceli je účinnost získání oceli
velmi malá, jen asi 28%
 nejlepší části ze slinutého bloku oceli se po rozbití
vybíraly - tama-hagane (“skvostná ocel”), základní
materiál pro další výrobu mečů
 maximální množství tama-hagane - z 2,8 t kera byla
maximálně tuna
 murage -mistr, který ovládal technologii a na celý proces
dohlížel
 po celou dobu procesu hleděl do plamenů tatary pro
kontrolu podmínek v peci, řídil přidávání rudy a uhlí (dle
rychlosti procesů v peci), musel udržet podmínky v peci
stabilní
 vzhledem k extrémní zátěži očí u murage velmi rychle
dochází k poškození zraku
 technologie zuku-oshi měla pouze několik odlišností proti
kera-oshi, hlavně: i) použití železitých písků akome jako
zdroje železa; ii) dmyšná trubice je níže a má jiný sklon
(vzduch lépe proudí celým objemem pece; iii) úhel dolní
části pece je menší; iv) železný písek je přidán až po
dřevěném uhlí
 vzhledem k nutné vyšší teplotě tavby je proces delší, trvá
obvykle 4 dny
 metoda zuku-oshi byla hlavním způsobem výroby železa
mimo oblast Chugoku
 získané houbovité železo (tamahagane, proces kera) se
rozbilo a podle barvy a struktury lomové plochy se třídilo
na kusy s různým obsahem uhlíku
 postu výroby mečů „klasickou“ metodou až v období
Heian (794 - 1185 AD)
 skládáním vrstev s různým obsahem uhlíku se vyráběly
meče (tvrdé ostří vždy, různá kombinace boky, jádro,
hřbet)
 občas bylo tamahagane nahrazováno wootzem z Indie
 ocel na výrobu mečů, nejtvrdší část tama-hagane,
obsahovala asi 1-1,5% C, ocel sage-hagane asi 0,7%,
a ocel s nejnižším obsahem uhlíku 0,1% - 0,3%
 kromě uhlíku ocel prakticky neobsahovala další
legury, ruda byla velmi čistá
 ostří 1,2-1,7% C, měkké jádro kolem 0,2% C
 díky výjimečnému složení rudy obsahovala ocel jen
0,02-0,03% P a 0,006% S
 vzhledem ke způsobu výroby obsahovala ocel relativně
vysoké množství oxidických vměstků a zbytkůstrusky,
které jsou měkké (proti oceli) a během tváření (kování
a překládání) se zmenšovala jejich velikost a
zrovnoměrnilo rozložení => kompozit s měkkými zrny,
houževnatý
 kalení na hamon dále zlepšilo vlastnosti čepele
ve 12. stol. použití vodních hamrů => ulehčení a zrychlení
výroby
vynálezem raného středověku je použití vodního
dmychadla, písemné doklady pocházejí až z 13. stol.
(použití asi již v 6. stol.)
intenzívní dmýchání a dostatečná výška pece (nejméně 2
m) umožnily dosáhnout teploty až 1300°C, která je
potřebná k tavení uhlíkaté litiny i strusky, což poprvé
umožnilo oddělit obě fáze v kapalném stavu
vedle tavby litiny se udržela stará technologie výroby
svářkového železa vylepšená o způsob snižování obsahu
uhlíku způsobem připomínajícím pudlování
v Ilsenburgu dávala vysoká pec koncem XVI. stol. denně
750 kg surového železa
zkujňování surového železa se provádělo v pecích
podobných zkujňovacím výhním – tzv. frišování: v nístěji se
železo zkujňovalo po kapkách v proudu vzduchu (spalování
Si, Mn, C); provádělo se s jedním ingotem i opakovaně
v Evropě se v 16. a 17. stol. vyvíjí organizace
manufakturní výroby a zdokonalování výrobních
technologií
v 16. stol. již převažovala výroba litiny, která byla
posléze rafinována na ocel
první vědecké dílo zabývající se metalurgií byla
Agricolova De Re Metallica, Basilej 1556
pece svým tvarem připomínají vysokou pec a jejich
výška se pohybuje okolo 2,5 m
plavená a pražená ruda se plnila do kelímků, v nichž se
redukovala a tavila na ingoty
později se u větších pecí s kontinuálním provozem ruda
mísila s palivem a odpichovým otvorem ve spodní části
pece vytékala tavenina uhlíkaté litiny a struska; vzduch
byl do pece přiváděn dvěma vodními dmychadly a pec
byla vyzděna pískovcem
postupně se dařilo zvládnout technologii kontinuálního
provozu a na konci 17. stol. již bylo obvyklé, že pec
pracovala bez přestávky dva měsíce a pak ji teprve bylo
nutno odstavit, aby byla vyčištěna a opravena
velikost pecí se postupně zvětšovala, zvláště po té, co se na
počátku 18. stol. začal používat koks (v Británii první
pokusy při tavbě železa r. 1709 Abraham Darby, ve větším
měřítku od r. 1750) => moderní typ vysoké pece
v průběhu 18. stol. se litina začíná prosazovat nejprve při
odlévání děl, posléze v konstrukci strojů i při odlévání
drobných předmětů, jako je litinové cínované nádobí
od pol. 19. stol. se začínají prosazovat litinové
architektonické prvky, tak typické pro secesi
se zlepšující se kvalitou litiny to jsou nejprve dekorativní
prvky a zábradlí, v průběhu 19. stol. pak stále složitější
konstrukční prvky, až nakonec celé mostní a střešní
konstrukce
1740 Benjamin Huntsman (Anglie) - kelímková ocel,
původně vynalezena na kvalitnější hodinová pera,
v podstatě jen přetavená ocel (vyrobená jiným způsobem)
výroba v peci vytápěné koksem (teplota až 1600°C), v ní
10-12 keramických kelímků po cca 15 kg železa
po rozpálení kelímků se do nich vsazovalo surové železo +
tavidlo pro snazší odstranění nečistot, tavení asi 3 hodiny,
odlití taveniny do ingotu, překování
kelímková ocel kvalitní, ale stále malovýroba - 1873
Kruppovy závody v Essenu - 52,5 t těžký odlitek pro dělo z
1800 kelímků
provoz ocelářské huti kolem r. 1870 popisuje velmi přesně
Jules Verne v románu Ocelové město:…
svářková pudlová ocel – (angl. to puddle = mísit, míchat;
pověstné „jádro pudla“ (des Pudels Kern × puddeln; Goethe
- Faust))
A - nístěj; F – ohniště; C – komín
s regulační klapkou tahu; D – zeď
oddělující ohniště od nístěje pro
zabránění kontaktu železa s
palivem
 nístěj spočívá na podkladě z traverz, chlazených ze
spodu
 po zavezení nístěje (železo a struska) se železo roztaví
bez přístupu vzduchu, pak začíná zkujňování
(„spalování“ uhlíku a fosforu, převod do strusky)
 pro zlepšení kontaktu železa s kyslíkem se taveninou
musí míchat pudlovací tyčí
 při zkujňování železo houstne a nabaluje se na tyč
 těstovitý balvan rozdělí se na 6-8 dílů, tzv. dejlů čili
vlků, z nichž u zadní stěny pece vytéká při prudším
ohni řídká, fosforem bohatá struska
 vlk se bucharem překová pro odstranění strusky,
převálcuje se na tyče, které se vážkou do paketů
 pakety ve výhni zahření svarovou teplotu a znovu
překovou pro odstranění zbytků strusky a pro svaření
do bloku (nebo polotovaru pro válcování)
 při paketování se dá vložit i staré kujné železo pro
recyklaci
 do pudlovací se vsazuje 200-300 kg, za 24 hod. se
provede 10-20 cyklů
 opalu bývá 5-15% z surového železa
 spotřebované uhlí odpovídá váze surového železa,
při výrobě oceli asi o třetinu více (vyšší teplota po
delší dobu)
 ruční pudlování je namáhavé, bylo nahrazováno
stroji, ocel však méně homogenní
 svářkové železo a svářková ocel vždy obsahují jistý
podíl strusky => nižší pevnost, menší pevnost ve
sváru (na povrchu se odlupuje a na svarových
místech třepí)
 přechod k plávkové oceli (zkujňování
v konvertorech)
Legendární meče
 výroba mečů byla vždy na špičce pokroku
(vojenství vždy o krok napřed)
 pokrokové technologie se rozšířily často v důsledku
vývoje zbraní
 výjimečné zbraně jsou již v nejstarších legendách Durandal v Písni o Rollandovi; Excalibur v králi
Artušovi; Balmung, meč Siegfrieda (Píseň o
Nibelunzích); Svatováclavský meč, údajný meč
svatého Václava; Tizon, meč El Cida; Pán prstenů –
Hadhafang (Arven), Sting (Frodo), Glamdring
(Gandalf Bílý), Narsil (Elendil – Aragorn), …
 použití mečů i v církevních obřadech (pasování na
rytíře, korunovace krále)
 velmi zajímavé „pověry“ ohledně výroby mívají
reálný základ – damaškový meč byl po vykování
ohřát na kalicí teplotu a poté předán jezdci na koni,
který tryskem ujížděl do jeho zchladnutí (šetrnější
kalení na vzduchu)
 tvar mečů se měnil v čase i prostoru, vždy
optimalizace vzhledem k použití (bod, sek) i
k dostupným materiálům (krátké široké× rapíry)
 od samého počátky mívaly meče tvrdé ostří
(navařené nebo cementované) a houževnaté jádro
 bronzové => železné meče 3.-2. stol BC (punské
války) – výrazně odolnější železný meč převládl
 první meče ze svářkového damašku v Evropě
doloženy v 3. stol., spojitost mezi strukturou
damašku a vlastnostmi až v 10. stol.
 proslavené vikingské meče jsou neznámého původu
(kořist nebo koupě)
moderní svářkový damašek je mnohdy dělán jen na
efekt, používání čistého niklu pro vyšší kontrast
„lanový damašek“ je z jednoho materiálu, kontrast
dán povrchovou oxidací při ohřevu před svařením
mozaikový damašek
damašek práškovou metalurgií „objeven“ 1990 kombinace pevného martenzitu (1. vrstva) a velmi
tvrdých karbidů v měkčí matrici (2. vrstva)