EU-Projekt am Museum der Westlausitz I Die Lebenswelt vor 1800 Jahren I Archaeologie und Oekologie im Dialog der Generationen I Oekologischer Fussabdruck der Germanen I Eisenverhüttung I Raseneisenerz I Rennfeuerofen

Anfänge der Eisennutzung
Eisen gehört zu den wichtigsten metallischen Werkstoffen und hat entscheidend die Entwicklung der menschlichen Geschichte beeinflusst. Als Metall war Eisen wohl schon seit dem 6. Jahrtausend v. Chr. bekannt, wie einzelne kleine Schmuckgegenstände aus dem Vorderen Orient nahelegen. Wenige, aber sichere Belege über die Nutzung des Eisens stammen erst aus dem 4. Jahrtausend v. Chr., so z. B. aus El Gerzeh und Armant in Ägypten oder aus Ur in Mesopotamien. Jedoch sind diese Funde noch nicht mit einer umfangreichen Verhüttung von Eisenerzen im Rennfeuerverfahren in Verbindung zu bringen. Ihre hohen Nickelgehalte verweisen zunächst noch auf die Nutzung von Meteoriteneisen.
Die Anfänge der Eisenproduktion im sogenannten Rennfeuerverfahren sind erst im letzten Viertel des 2. Jahrtausends v. Chr. in Anatolien und in den benachbarten Ländern des Vorderen Orients zu suchen. Dieses Verfahren lieferte schmiedbares Eisen, das sich deutlich den bisher üblichen Kupferlegierungen an Härte und Zähigkeit überlegen zeigte.
Erst im Verlauf des 9. Jh. v. Chr. gelangten die Kenntnisse und das Verfahren dieser Eisenproduktion auch nach Mitteleuropa, wo es teilweise bis in die Neuzeit (ab 16. Jh. n. Chr.) hinein das einzige Mittel zur Eisengewinnung blieb. Abgelöst wurde es durch das modernere Roheisenverfahren.

Germanische Eisenproduktion in der Oberlausitz
Die Gewinnung von Eisen war in der germanischen Kultur (1. – 4. Jh. n. Chr.) von großer Bedeutung, denn die wichtigsten Werkzeuge, Geräte und Waffen wurden aus Eisen hergestellt.
Als Rohstoff diente das weit verbreitete und reichhaltig vorkommende Raseneisenerz, eine Eisenverbindung, die sich unter wechselnden Grundwasserständen bzw. unter Staunässe innerhalb kurzer Zeiträume in den oberen Bodenschichten auf natürliche Weise bildet und zudem sehr leicht abbaubar ist. Wie umfangreich die damaligen Rohstoffquellen gewesen sein müssen, lässt sich noch anhand der bis in die Neuzeit hinein abgebauten Lagerstätten abschätzen. Heute verhindern Melioration und moderne Landwirtschaft in weiten Gebieten eine umfangreiche Neubildung dieses Erzes bzw. führen zu einer schnellen Zersetzung der Vorkommen. Von den heute mehr als 200 in der Oberlausitz bekannten Raseneisenerzvorkommen könnte nur noch ein verschwindend geringer Teil im Rennofen verhüttet werden, da Eisengehalt oder Mächtigkeit zu gering ausfallen.
Die Verhüttung des Erzes wurde in denkbar einfachen Schachtrennöfen aus Lehm vorgenommen, die über einer eingetieften Herd- bzw. Schlackeabflussgrube errichtet wurden – ihre Prozessführung war dagegen vergleichsweise komplex (siehe unten). Als Brennmaterial dienten Holz und Holzkohle. Öffnungen im unteren Ofenbereich sorgten durch den Kamineffekt während der Brennphase für den benötigten Sauerstoff. Zusätzlich konnten über Tondüsen auch Blasebälge zur Regulierung der Luftzufuhr angeschlossen werden. Im Schnitt besaßen solche Öfen Abmessungen von 1,2 m x 0,6 m. Ziel des Verhüttungsprozesses war nicht die Erzeugung von flüssigem Roheisen, sondern die Erzeugung und Trennung von Schlacke und kohlenstoffarmer, schmiedbarer Luppe bzw. von härtbarem Stahl. Zu den Voraussetzungen für einen erfolgreichen Verhüttungsprozess gehörte die Verfügbarkeit an guten Rohstoffen in benötigter Menge und das Vermögen die relativ niedrigen Prozesstemperaturen von ca. 1150 – 1200 °C zu beherrschen und zu steuern. Sie liegen unterhalb des maximal möglichen Temperaturniveaus dieser Öfen (siehe unten).
Nach dem Verhüttungsvorgang musste der Ofen zerschlagen werden, um an die Luppe zu gelangen. Rennfeueröfen waren somit Einwegöfen. Überliefert sind uns daher im günstigsten Fall die kompakten Schlackeklötze in den Herdgruben. Hinzu kommen seltener Bruchstücke des Ofenschachtes und Tondüsenfragmente. Überwiegend finden sich nur einzelne verstreute Reste der Rennfeuerschlacke.
Insgesamt sind aus der Oberlausitz etwa 50 Schlackefundplätze bekannt. Davon sind 26 eindeutig als Verhüttungsplätze zu identifizieren, wenngleich die Erhaltungsbedingungen nur teilweise eine genaue Datierung erlauben. Während der frühen Eisenzeit (8. – 5. Jh. v. Chr.) ist bisher in der Oberlausitz noch keine Verhüttung belegt. Offensichtlich wurde das Eisen damals noch importiert. Der überwiegende Teil der Fundstellen ist germanisch (2. – 4. Jh. n. Chr.) (z. B. Altliebel, Burgneudorf, Merzdorf, Milkel, Weißkollm, Jahmen, Jänkendorf, Lomske) mit einem Schwerpunkt in spätgermanischer Zeit bzw. in der späten römischen Kaiserzeit (3. – 4. Jh. n. Chr.). Wenige Fundplätze gehören in das slawische Frühmittelalter und sind damit jünger.
Die Verhüttungsplätze liegen in der Oberlausitz häufig an Terrassenkanten über Flussniederungen und auf leichten Erhebungen – wegen der Luftbelastung wurden sie auch abseits der Siedlungen errichtet. Das Raseneisenerz sowie das Holz für die Kohle stammten in der Regel aus der unmittelbaren Umgebung. Die Verhüttungsplätze wurden nur saisonal und teilweise über mehrere Jahre als Handwerkerplätze genutzt. Siedlungsspuren oder Hausgrundrisse sind auf ihnen nicht vorhanden, dagegen Reste der Holzkohlemailer zur Deckung des enormen Kohlebedarfes. Nur wenige Fundplätze der Oberlausitz sind vollständig erhalten und untersucht. Die Größe der Werkplätze richtete sich prinzipiell nach der Anzahl der errichteten Öfen und schwankt bei 10 bis weit über 60 Ofenanlagen zwischen 250 qm und 2 ha. Zum Vergleich: Der größte germanische Verhüttungsplatz Deutschlands lag in der Niederlausitz bei Wolkenberg. Hier wurden auf einer Fläche von ca. 220 ha über 1000 Rennöfen nachgewiesen.

Wissenswertes zum germanischen Rennofenverfahren
Der Rennofenprozess lässt sich in drei Phasen einteilen. In der ersten, der Vorheizphase, wird der Ofen auf die nötige Prozesstemperatur gebracht. In der folgenden Beschickungs- und Verhüttungsphase wird eine Mischung aus Holzkohle und Erz (Verhältnis ca. 1:2 bis 1:3) oder beide Komponenten in Wechsellagen in den Ofen gegeben. Dieser Vorgang wird mehrfach wiederholt. Die letzte, abschließende Nachheizphase umfasst den Zeitraum von der letzten Erzbefüllung bis zum Abschluss des Ofenganges.

Aus den bis zu hundert Kilo schweren Schlackeklötzen in den germanischen Herdgruben wird ersichtlich, dass sich ein Ofengang über einen Zeitraum von mehreren Tagen hinziehen konnte. Der Verbrauch an Erz und Holzkohle übertraf dabei das Gewicht der erzeugten Schlacke um ein Vielfaches. Die Ausbeute an Eisen war abhängig von der Qualität des Erzes und der Dauer des Ofenganges – prinzipiell sollte von mehreren Kilogramm ausgegangen werden.
Der Verhüttungsprozess hatte zum Ziel, durch Reduktion den eisenhaltigen Teil des Erzes vom Sauerstoff zu befreien und alle nichtmetallischen Bestandteile des Erzes (die Gangart) in Schlacke zu überführen. Dabei erfolgt der Abbau des Sauerstoffes vom dreiwertigen Eisen (Fe2O3) über Magnetit (Fe3O4) und Wüstit (FeO) zu metallischem Eisen. Reduktionsmittel ist dabei das bei der Verbrennung der Holzkohle entstehende Kohlenmonoxid (CO) des CO/CO2-Gasgemisches oder bei direktem Kontakt der feste Kohlenstoff der Holzkohle. Der benötigte Sauerstoff wird entweder durch natürlichen Luftzug oder durch den Betrieb von Blasebälgen zugeführt.

Für Qualität und Zusammensetzung des Raseneisenerzes sind die Bildungs- und Lagerstättenbedingungen entscheidend verantwortlich. Prinzipiell ist Raseneisenerz kein Erz im geologischen Sinne, sondern eine nachträglich verfestigte Sedimentfraktin des Bodens. Sie besteht neben Eisen(III)-oxid (Fe2O3) überwiegend aus Eisenhydroxid (2Fe2O3·3H2O bzw. mineralogisch Limonit), Kieselsäure (SiO2) und enthält noch Beimengungen von MnO, CaO, Al2O3, SO2 und P2O5, wobei nur MnO und P2O5 stärkeren Einfluss auf den Reduktionsvorgang nehmen können.

Üblicherweise wurde das Raseneisenerz vor der Verhüttung durch Röstung an Eisenoxid (Fe2O3) angereichert. Durch Erhitzen der kompakten Erzbrocken in einem offenen Feuer auf einige hundert °C wird Eisenhydroxid zu Eisenoxid dehydratisiert und u. a. störende organische Bestandteile und ein Teil des Schwelfels im Erz entfernt. Durch das Rösten nimmt die Festigkeit des Erzes derart ab, dass es sich sehr leicht in die benötigten Korngrößen des Feinkieses (2 – 6 mm) zerkleinern lässt. Minderwertige Anteile/Partien mit hohem Sandanteil können danach ebenso leicht abgetrennt werden.

Die Qualität und Verarbeitbarkeit des im Rennofen erzeugten Eisens wird neben den Anteilen an Silizium (Si), Mangan (Mn), Schwefel (S) und Phosphor (P) vor allem durch den Anteil an Kohlenstoff (C) bestimmt. Dabei gilt, je wärmer der Ofen gefahren wird, desto höher ist der durchschnittliche Kohlenstoffgehalt des Eisens. Entscheidenden Eisfluss auf die erreichbare Temperatur haben dabei die Parameter: Heizwert und Masse der Holzkohle, (zugeführte) Windmenge sowie die Querschnittsfläche des Ofens in Höhe der Lufteintrittsöffnungen und dessen Isolationsverhalten. Bei entsprechendem Zusammenspiel dieser Komponenten können damit im Ofen durchaus Temperaturen von über 1300 °C erzielt werden. Diese Spitzenwerte sind nur im unmittelbarem Bereich der Lufteintrittsöffnungen vorhanden – mit wachsender Entfernung zu ihnen nimmt die Temperatur schrittweise ab. Prinzipiell konnte bei ausreichender Luftzufuhr und entsprechend hohen Temperaturen im Rennofen Roheisen erzeugt werden. Roheisen besitzt einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 2,06 %. Es ist weder warm noch kalt verformbar und müsste aufwendig entkohlt werden, um daraus ein schmiedbares Eisen (Stahl) zu produzieren. Es war damit nicht das angestrebte Produkt des Rennofens. Deutlich wird das auch durch die Untersuchungsergebnisse zahlreicher germanischer Rennofenschlacken. Durchweg sind es niedrig schmelzende Schlacken. Sie setzen sich aus 55 – 70 % FeO + Fe2O3+ MnO, 20 – 30 % SiO2 und zu 10 –15 % aus anderen Oxiden, wie CaO, Al2O3, MgO und P2O5 zusammen. Mineralogisch bestehen sie hauptsächlich aus Fayalit (Fe2SiO4) und Wüstit („FeO“). Fayalit besitzt einen sehr niedrigen Schmelzpunkt von 1200 °C. Durch die Bestandteile an CaO, Al2O3 und P2O5 wurde der Schmelzpunkt dieser Schlacken noch weiter herabgesetzt. Das Ziel der germanischen Metallurgen lag demnach in der Produktion einer kohlenstoffarmen, schmiedbaren, schwammigen Masse: der Eisenluppe. Dafür waren nur Temperaturen bis 1200 °C nötig. Die Luppe muss nach dem Ofengang mehrmals erhitzt und geschmiedet werden, um die anhaftende Schlacke und andere störende Einschlüsse (Holzkohle, Erzpartikel) zu entfernen.

Der hohe Eisengehalt der untersuchten Schlacken von 55 – 70 Gew. %. macht deutlich, dass nur ein kleiner Teil des Eisenoxides bei der Verhüttung unter Einwirkung des Kohlenstoffs aus der Holzkohle zu Eisen reduziert wird. Der überwiegende Teil bildet mit der Gangart, den Alkalien der Holzkohlenasche sowie teilweise mit der Ofenwandung eine silikatische Schlacke aus. Daher konnten zur Eisenerzeugung nur sehr hochwertige Raseneisenerze verhüttet werden (> 60 % FeO), wenn keine Flussmittel zur Hilfe genommen wurden, für die es auch keine Nachweise gibt. Trotz Luftströmung und Gebläse ergeben sich sehr starke Temperaturunterschiede im Rennofen und relativ kleine Bereiche, in denen die zur Schlackenbildung notwendig hohen Temperaturen von über 1150 °C erreicht werden. Im unteren Ofenschacht werden die Eisenoxide zu FeO reduziert und nur in geringen Mengen bis zum metallischen Eisen. Tritt das Erz in Temperaturzonen oberhalb 1150 °C ein (unmittelbar oberhalb der Düsen), bildet sich eine sehr FeO-reiche Schlacke, in der metallische Eisenpartikel enthalten sind. Diese eisenhaltige Schlacke durchtropft den Lufteintritts-/Düsenbereich. Unterhalb dieser Zone wird die stark FeO-haltige Schlacke bei abnehmenden Temperaturen und unter Anwesenheit von glühender Holzkohle reduziert. Die sich dabei aus dem FeO der Schlacke bildenden Eisenpartikel sintern mit den schon vorhandenen festen Eisengranalien zur sogenannten Luppe zusammen. Die fayalitische Schlacke fließt durch Poren und Öffnungen der sich bildenden Luppe in die Herdgrube ab.

Unser Vorhaben und Experiment
Im Rahmen unseres Projektes/unserer Forschungs-AGs unterziehen wir die oben aufgeführten theoretischen Kenntnisse zum Rennofenverfahren einer Überprüfung im Praxistest, um diese kritisch beurteilen und diskutieren zu können.
Unser Ziel besteht in der Erzeugung einer schmiedbaren Eisenluppe aus lokalem Raseneisenerz im „germanischen“ Rennofen und deren Verarbeitung zu einfachen Werkzeugen. Dokumentiert werden der Rohstoffverbrauch und mit modernen Messmethoden die Temperaturen im Ofen bzw. durch Laboruntersuchungen die Zusammensetzungen von Erz und Verhüttungsergebnissen. Unsere Öfen werden sich – soweit nachgewiesen und möglich – in der Konstruktion an historischen Vorbildern orientieren. Moderne Hilfsmittel, wie z. B. Luftgebläse, sollen für die Umsetzung nicht eingesetzt werden.

Über unsere Ergebnisse wird hier weiter berichtet werden.