Projekt des Monats

Direktreduktion vor 3000 Jahren

Abb1: Projektteam: v.l.n.r. Vanessa Welsch, Dennis Senges, Gabriel Montalto (Dillinger Hütte), Alexander Klemens, Marco Pohlmann, Elena Walber, Loki Frei (TP Metallgestaltung), Teofanis Polichroniadis-Fleig (TP Metallgestaltung, Bauleitung), Prof. Dr. Stefan Trapp

Am 6. Oktober 2023 wurden am MINT-Campus (SFTZ) in einem wissenschaftlichen Projekt zwei historische Rennöfen errichtet – ein römischer und ein keltischer. Unter der Leitung von Teofanis Polichroniadis-Fleig und Loki Frei von TP-Metallgestaltung sowie mit Unterstützung von Gabriel Montalto von der Dillinger Hütte und Studierenden des Umwelt-Campus Birkenfeld wurden die Öfen aus Lehm und Ziegelsteinen gebaut. Ziel des Projekts war es, alte Techniken der Eisenherstellung zu rekonstruieren, deren chemische Prozesse detailliert zu analysieren und die Direktreduktion dieser Öfen zu zeigen.

Der Aufbau der Rennöfen orientierte sich an historischen Vorbildern, jedoch wurden moderne Anpassungen vorgenommen. So wurden elektrische Gebläse zur Belüftung verwendet, während früher Tretbälge oder natürliche Windströmungen an Hängen genutzt wurden. Dies war entscheidend für die Kontrolle der Temperatur, die im Betrieb eine zentrale Rolle spielt. Nachdem die Öfen errichtet waren, wurden sie durch ein Holzfeuer im Inneren vollständig getrocknet, um die für den Betrieb erforderliche Stabilität zu gewährleisten.

Am zweiten Tag begann der eigentliche Betrieb der Rennöfen. Der keltische Ofen wurde mit Sinter, einem eisenhaltigen Material mit einem Eisenanteil von 54 Prozent, und der römische Ofen mit Pellets, die 66 Prozent Eisen enthalten, befüllt. Zur Erzeugung der hohen Temperaturen wurde Holzkohle verwendet, wobei im Masseverhältnis 1:1 zwischen Holzkohle und Erz beschickt wurde. Die Temperaturen lagen während des Prozesses zwischen 1000°C und 1200 °C. Bei diesen Bedingungen bildete sich in beiden Öfen eine sogenannte Luppe, ein Gemisch aus Eisen und Schlacke. Der keltische Ofen produzierte 20,7 Kilogramm Luppe, der römische Ofen 13,68 Kilogramm.

Die chemischen Vorgänge, die in den Rennöfen abliefen, basieren auf der Reduktion von Eisenoxiden zu Eisen. Zunächst wird Hämatit (Fe₂O₃) bei Temperaturen unter 450 °C zu Magnetit (Fe₃O₄) oxidiert. Dieser Schritt ist notwendig, da Hämatit nicht direkt reduziert werden kann. Ab 500 °C beginnt die eigentliche Reduktion: Mithilfe von Kohlenmonoxid (CO), aus dem unvollständigen Verbrennungsprozess der Holzkohle, wird das Magnetit zu Eisen(II)-oxid (FeO) reduziert. Bei Temperaturen über 1000 °C erfolgt schließlich die Reduktion zu reinem Eisen. Für eine optimale Reduktion ist ein Kohlenmonoxid-Überschuss erforderlich, der bei den erreichten Temperaturen von 1200 °C gegeben war.

Nach dem Betrieb der Öfen wurden die Luppen entnommen und metallographisch untersucht. Diese Analysen zeigten deutliche Unterschiede in der Gefügestruktur. Die Luppe im unteren Bereich des Ofens hatte größere Körner und einen sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt. Dies lässt sich auf niedrigere, aber konstante Temperaturen durch Schlackenachfluss erklären (sog. Grobkornglühen). Der obere Bereich der Luppe lag näher an der Sauerstoffzufuhr. Die dort höheren Temperaturen fallen nach unten recht schnell ab. Dieser Temperaturgradient unterbindet die Kohlenstoffdiffusion. So weist das obere Luppengefüge mehr Kohlenstoff in Form von Perlitlamellen auf. Die Korngröße ist kleiner als unten.

Das Projekt bot den beteiligten Wissenschaftlern und Studierenden die Möglichkeit, alte metallurgische Verfahren zu erforschen und in einen modernen wissenschaftlichen Kontext zu setzen. Neben der Auseinandersetzung mit Themen wie Diffusion, Mischkristallbildung und der Gefügeentwicklung im Eisen ermöglichte es auch, historische Techniken der Eisenherstellung praktisch nachzuvollziehen. Das Projekt wird fortgesetzt: Die gewonnenen Luppen sollen weiter ausgeschmiedet und hinsichtlich ihrer Struktur und chemischen Zusammensetzung analysiert werden.