Metallurgi

Metallurgikurs v/Arne Espelund, Folldal 2005

1. Hvorfor metallurgi i museene?

• Naturfag og humanistiske fag kan berike og utfylle hverandre

• Realfagene kan supplere og komplettere historisk og arkeologisk materiale

• Realfagene kan bedre forståelsen av historiske prosesser

• Realfagene kan av og til løse problemer eller lette forståelsen av hva som skjer i for eksempel metallframstilling


2. Myrmalm

• Myrmalm er felt ut i vann ved at jernholdige mineraler løses opp i oksygenfattig miljø, og seinere oksideres til et jernhydrat i kontakt med luft

• Myrmalmen er finkornet, okeraktig og umagnetisk• Ved oppvarming av myrmalm med et visst kvarts-

innhold dannes jern i form av gammahematitt (Fe2O3) som er rød og magnetisk


3. Myrmalmbasert jernproduksjon

• Datert jernframstilling bygd på myrmalm/ sjømalm i Norge fra ca år 300 f.Kr.

• Påvist tre ulike metoder, fullstendig ”teknologi-skifte” mellom hver uten klar overføring fra forrige prosess

• Jernet framstilles i fast form, ikke flytende

• Det ønskede sluttproduktet er smibart jern


4a Perioder og metoder - myrmalm

• Metode 1: År 300 f. Kr. - 600 e. Kr. • Smelting i sjaktovner (usikker form) med

underliggende slaggrop. Bruk av furu, satt direkte til i sjakta? Ikke blåsebelger?

• Gir nokså slaggfritt, men karbonrikt jern som må etterbehandles for å brenne ut karbon. Ikke etterprøvd med godt resultat.

• Påvist i Trøndelag, og spredt på Østlandet og Vestlandet


4b Perioder og metoder - myrmalm

• Metode 2: År 700 - 1300 (1500):

• Smelting i små sjaktovner, fyrt med trekol framstilt i separat grop, sidetapping av slagg, uttak av jern gjennom sjakta.

• Gir nokså slaggfritt, men karbonrikt jern (som metode 1). Ikke etterprøvd med godt resultat.

• Påvist på Østlandet, Sørlandet + Gauldalen


4c Perioder og metoder - myrmalm

• Metode 3: År 1400 - 1800

• ”Evenstad-metoden” - nøye beskrevet av Ole Evenstad med tekst og tegninger i 1782.

• Negravde sjaktovner, uttak av fast jern og slagg med spade.

• Malm tilsettes i flere omganger, slaggen flyter lett.

• Gjenskapes bl.a. på Skogmuseet i Elverum.


5. Bergmalmbasert jernframstilling• Også her tre ulike teknikker påvist i Norge:• 1540 - ca 1600 - tysk rennherdmetode, jernet

framstilt i fast form som ved blestring, Fossum.• 1620 - ca 1900 (fra 1200-tallet i Sverige) -

masovnsproduksjon, flytende råjern, fersking i herdeovn. Sørlandskysten, Østlandet + Mostadmarka.

• 1955 - 1989 (Mo i Rana) - elektro lavsjakt-ovn, fersking i konverter (luft el. oksygen)

• (+ Tinfos i Tyssedal - fortsatt råjernproduksjon!)


6a Råstoffer i masovnen - malm

• Bergmalm er definert som en bergart med et visst innhold av metall som kan utvinnes

• I Arendalsmalmen er det magnetitt (Fe3O4 - oksygen er bundet til jernet og må ut i prosessen)

• Røsting og pukking før smelting er nødvendig • Røsting er brenning av malm i fast form (først

over åpen varme med fri lufttilgang)• Pukking (knusing) kan gjøres manuelt eller i

mekanisk knuseverk (hamring eller valsing)


6b Råstoffer i masovnen - trekull

• Trekull brukes for oppvarming og reduksjon

• Reduksjon: karbon (C) binder oksygen, som slippes ut som gasser (magnetitt - Fe3O4 - skal reduseres til Fe - reint jern)

• Reduksjonsprosessen tar tid -> ovnshøyde

• Starten på reduksjonen skjer i røstinga

• Om CO-gass på veg opp avkjøles og forbruker karbon, går det med for mye kull


6c Råstoffer i masovnen - kalk

• Kalk (CaCO3) brukes som slaggdanner

• Kalk er nødvendig for å fjerne kvarts (kvitstein, SiO2 - silisiumdioksid)

• Brenning av kalk krever energi, fordel å brenne kalken i forvegen

• Mengden kalk - og mengden kvitstein - påvirker slaggsammensetninga, og dermed jernkvaliteten


7a Masovnen - konstruksjon• Tidlige masovner (middelalder) mindre enn de vi

kjenner - kanskje ca 4 m høye/4,5 m breie• Trolig firkanta innvendig, leire/sand-foring• Faktorer som var viktige for resultatet: høyde,

plassering, innvendig form, forvarming, blåsing, malmstørrelse, kullstørrelse….

• Produksjonsmengder: • Rundt 1380: 100 kg/dg, rundt 1780: 3 t/dg (9 m

høy), rundt 1980: 700 t/dg (20 m høy)!


7b Masovnen - prosessen• Fra 1780 - bedre forståelse av kjemi og

forbrenningsprosesser -> stor utvikling i masovnsteknologien

• Hovedideen er å få slagget til å flyte, noe som krever bestemte tilsetningsstoffer og en viss temperatur - da kan reint jern skilles ut

• Avfallsproduktene er slagg (ulike stoffer) og gasser (blanding av CO og CO2,fordi uedle metaller ikke bruker opp CO)

• Masovnen gikk ofte bedre om vinteren enn om sommeren pga tørrere luft (fukt stjeler energi)


7c Masovnen - temperaturer

• Støpejern har sitt laveste smeltepunkt (1145 grader) ved 4,5 % karboninnhold

• Teoretisk kan råjern inneholde opp mot 7 % karbon, men det krever mye høyere temp.

• Reint jern smelter først ved 1537 grader

• Det er teoretisk ”umulig” å komme over 1400 grader i en sjaktovn (kan vises ved å regne på varmebalanse), bortsett fra lokalt ved innblåsinga


8. Om støpejern og fersking

• Karbonet i råjern kan opptre som grafitt - ”grått støpejern” - eller som cementitt (Fe3C) - ”kanthvitt” eller ”hvitt støpejern”

• Langsom avkjøling hindrer danning av cementitt, krymping og sprekkdannelse

• Å ferske (av frischen/friske): å gjøre det sjuke jernet friskt, dvs. smibart

• Fersking skjer ved å brenne ut (ikke banke ut!) karbon og bearbeide jernet mekanisk


9. Om stål

• Stål= jern m/ 0,2 - 0,8 % karbon (cementitt)

• I jernvinna oppsto stål direkte

• Moderne stål er utstøpt fra flytende tilstand

• Tilsetning av mindre edle metaller (f.eks. mangan) krever høyere smeltetemperatur

• Fasthet påvirkes av kornstørrelse, legerings-emner, varmebehandling, eller ev. kalddeformasjon (”tynsling” - tynnslåing)


10. Hamring, valsing, herding

• Hamret og valset jern kan ha ulik kvalitet - kanskje pga temperaturen ved bearbeiding?

• Herding ved bråkjøling er vanlig for skjærende verktøy, og forutsetter karboninnhold mellom 0,4 og 0,8 %

• Bråkjøling hindrer omfordeling av atomer, og man får austenitt som er ekstremt hard (i stedet for ferritt som er mykere)

• Litt oppvarming etterpå (anløping) hindrer sprøhet

Metallurgi

Education

Transcript of Metallurgi