Welkom in de ijzertijd!

De ijzertijd in Brabant

IJzerwinning, de theorie

Dit is het eerste deel van een vierdelige serie over het winnen van ijzer in Nederland van voor de komst van de Romeinen in Nederland (Gegevens over mogelijke ijzerwinning in de Kempen voor de komst van de Romeinse industrie). Deze uiteenzetting tekst kent zijn oorsprong in 1992, toen een eerste versie werd geschreven voor het (toen nog) Prehistorisch Huis Eindhoven, tegenwoordig het Historisch OpenluchtMuseum Eindhoven. Zie ook:
Deel 1 - IJzerwinning, het voorwoord
Deel 3 - IJzerwinning, de praktijk
deel 4 - IJzerwinning, de experimenten

De verspreiding van ijzerverwerking technieken

Het eerste gebruik van ijzer en daarmee de ontdekking van het ijzerwinproces is terug te voeren tot eeuwen voor het begin van onze ijzertijd, in Klein-Azië. Daar verzamelden de bergvolkeren al eeuwenlang metalen en gesteenten, mooi van kleur en variatie. Naast de bestemmingen die ze er al voor gevonden hadden, onder andere als sieraad of kleurstof, bleef men er mee experimenteren. Door op de stenen te slaan, ze te verwarmen en dan weer snel af te koelen om ze te doen splijten merkte men dat bepaalde van deze harde gesteenten in het haardvuur taai en bewerkbaar werden en dat ze van kleur veranderden. Geleidelijk aan voerde men de temperatuur op en merkte men dat ze smolten en gegoten konden worden.

Dat verhitting tot schitterende resultaten leidde, bracht mee dat er steeds meer interesse kwam in het willen behalen van steeds hogere temperaturen. Waar je met een gewoon open vuur 650º Celsius haalt, en pottenbakkers in hun ovens 1100º Celsius, zochten de steenbewerkers naar nog hogere temperaturen. Zo werd koper gewonnen en gebruikt. Deze nieuwe ontdekkingen leidden tot een groeiende productie van sieraden, wapens en werktuigen die later verbeterd werd toen men sterke legeringen ontdekte, zoals brons, dat een mengsel is van (arseen)koper en tin. Het leidde ook tot intensievere mijnbouw en al gauw tot uitputting van gemakkelijk te bereiken ertsaders. Van steeds verder werd brons en tin gehaald: de metalen voorwerpen werden duur betaald! De kennis over metaalbewerking bereikte Europa tot in Zuid-Engeland en Spanje toe.

In de hitte van de koper- en bronsoven merkte men al gauw dat er ook andere ertsen aanwezig waren waarmee men op deze hoge tempraturen kon werken, zoals het taaie en bewerkbare ijzer. De techniek van ijzerbewerking is echter totaal anders dan die van koper of brons. De “oudere” metalen als brons en koper werden gegoten en waren makkelijk hanteerbaar.
Zolang er voldoende koper, goud, zilver, tin voorhanden was, bleef ijzer waarschijnlijk een bijproduct, zwak van kwaliteit en het roestte weg na enige tijd. Nu had ijzer één groot voordeel; de grondstof was overal in grote hoeveelheden te vinden.
De Hittieten heeft de eer gekregen het eerst volop met ijzer te hebben gewerkt.

Aangezien het gaat om kennis van een ingewikkeld proces bestaande uit vele handelingen, die een ontzettende ervaring vereisen, neemt men aan dat deze kennis in het bezit bleef van enkelen, die er veel voor over hadden om dat 'geheim van de smid' te bewaren. Leerlingen zullen vaak eigen familieleden zijn geweest die jarenlang in de leer moesten gaan om zo goed mogelijk het vuur te leren beheersen, ovens te bouwen en het smeedijzer op vaardige wijze tot bruikbare voorwerpen te smeden. Jarenlange scholing is van wezenlijk belang voor het maken van stevige zwaarden, messen, nagels, bijlen en sikkels. De Hittieten zijn er in geslaagd een imperium uit te bouwen op hun kennis van ijzer. Toen rond 1200 vóór Christus het rijk van de Hittieten uit elkaar viel verspreidde de kennis van het ijzer winnen zich over heel Klein-Azië en deels daarbuiten. Smeden reisden op uitnodiging van vorsten, of op eigen initiatief,

naar waar ijzererts en hout veelvuldig voorradig was. Voor de boerenbevolking van Europa en omgeving, ruim 1.000 vóór Christus, moet ijzer een grote aantrekkingskracht hebben gehad, misschien wel meer dan voor de rondtrekkende herdersvolkeren daarbuiten. IJzer vormde een duur, maar zeer doelmatig alternatief voor wat men tot dan toe gebruikte voor de landbouw, de constructie van huizen en schepen en gevechten tussen kleine groepen.

De techniek verspreidde zich ook naar West-Europa, over twee grote traditionele invalswegen:

De importweg over de Zwarte Zee naar het Donaugebied (9e eeuw vóór Christus) naar het Noordelijke Alpengebied (8e eeuw) en van daaruit via de Rijn naar de Lage Landen, de Britse Eilanden en Scandinavië (7e eeuw). We mogen veronderstellen dat langs deze weg vooral smeden zijn getrokken, die uit eigen beweging een nieuwe toekomst hebben gezocht in de buurt van landbouwvolkeren die gretig hun producten afnamen. Met name de Kelten staan bekend om het hoge niveau van hun kennis van metaalbewerking.

De zeeweg via Griekenland (10e eeuw vóór Christus), Italië (8e eeuw), Spanje en Zuid Frankrijk (7e eeuw), Portugal en Engeland (6e eeuw). De verspreiding van de kennis van het bewerken van ijzer wordt hier vooral gezien als het resultaat van de handelstochten van de Phoeniciërs, een Klein-Aziatisch volk dat bij de Hittieten woonde en de smeden wellicht heeft meegenomen naar de steden die ze hebben opgericht in het Mediterrane gebied. IJzer was voor hen belangrijk als exportproduct, grondstof voor wapens en scheepsbouw.

De smid in de Kempen

In de ijzertijd was de Brabantse Kempen een arm gebied, de boeren die hier leefden zullen waarschijnlijk geen goederen gehad hebben om te ruilen en op die manier in bezit van ijzeren voorwerpen te komen. Pas in de late ijzertijd kregen ze de kennis die nodig is voor het zelf winnen en verwerken van ijzer.

Bij opgravingen vindt men zelden ijzeren voorwerpen omdat ze meestal voortijdig zijn weggeroest. Als men dan toch in onze regio ijzeren voorwerpen vindt, kan men moeilijk uitmaken of het gaat om een importproduct of het resultaat van lokale ambacht zijn. Het is moeilijk na te gaan wanneer de verscheidene volkeren van de Benelux overgegaan zijn van ijzeraankoop op ijzerwinning. Het oudste bekende voorwerp in Nederland is een ijzeren pennetje, gevonden op een houten pad het veen in, in Bargeroosterveld in Drenthe, gedateerd in de Midden-Bronstijd (omstreeks 1500 vóór Christus). Het is niet “echt” ijzer, eerder is het verkregen uit het smeden van een stukje gesmolten ijzeroer bij een lage temperatuur (zo’n 700° Celsius). Het is waarschijnlijk gebruikt om brons mee te graveren.

We kennen in Brabant tijdens de vroege ijzertijd zogenaamde 'vorstengraven' die rijk voorzien zijn van bronzen en ijzeren voorwerpen als dure emmers, zwaarden, sieraden en paardentuig, maar dit is nog geen bewijs van lokale productie. Integendeel, ze verwijzen in hun versieringen en productiemethoden naar Zuid-Duitsland en zelfs naar het Etruskisch gebied van Noord Italië. Een gangbare uitleg van het waarom van deze graven is dat het hier ging om plaatselijke edellieden, die hun status onderstreepten met erg dure buitenlandse goederen.
In de Kempen is de ijzerwinning wellicht pas in de latere ijzertijd op gang gekomen, de zogenaamde La Tène periode (450-50 vóór Christus). Aangezien de techniek uit die periode nauwelijks verschillend is van deze uit de latere Romeinse, Karolingische en zelfs laatmiddeleeuwse periode, kunnen de vondsten pas goed gedateerd worden als ze in context gevonden worden met voorwerpen die tijdsgebonden zijn. Het zijn Kelten geweest die in de streken ten zuiden en oosten van de Kempen hebben gewoond en meesters in metaalbewerking waren. Of wij de bewoners van de Kempen in de ijzertijd ook Kelten kunnen noemen is onduidelijk. Er zijn wel sporen van ijzerwinning bekend.

Technische achtergrond

Het ijzer winnen telt grofweg gezegd een drietal stappen:

1	Het bouwen van de oven.
2	Het stoken van de oven en het produceren van een ijzerhoudende massa, loupe of wolf genoemd.
3	Het verwerken van de wolf.

De eerste en laatste stap zullen besproken worden in het praktische gedeelte, later. Nu zal met name het proces dat zich afspeelt tijdens de tweede stap besproken worden.

Reduceren in de oven
Tijdens het stoken van de oven, het daadwerkelijke winnen van ijzer wordt de temperatuur in de oven tot bóven de 700º Celsius gebracht. Dan begint het chemische proces waar het om gaat; het reduceren. Het ijzeroer bevat naast zand ook de belangrijke verbindingen van zuurstof met ijzer (zoals Fe₂O₃) die afgebroken moeten worden. Dat gebeurt door middel van de koolstof uit de houtskool. Deze koolstof (C) gaat verbindingen aan met de zuurstof uit het ijzeroer waardoor er koolstofmonoxide (CO) en koolstofdioxide (CO₂) ontstaat. De koolstof uit de houtskool kan alleen dergelijke verbindingen aangaan met de zuurstof uit het oer, als er verder géén zuurstof in de oven beschikbaar is. Als bij steeds grotere hitte de zuurstof uit het ijzeroer wordt gehaald, spreekt men van reductie. Bij de luchttoevoer, de gaten in de wand waar de blaasbalgen op aangesloten zijn, wordt CO gevormd dat zich naar boven werkt langs de lagen ijzeroer. Hieraan wordt zuurstof onttrokken om over te gaan tot de vorming van CO₂. Het CO₂ kan in de houtskoollagen die tussen de ijzeroerlagen liggen opnieuw koolstof onttrekken en opnieuw overgaan tot CO. In een oven moet er voor de goede gang van zaken meer gereduceerd worden dan geoxideerd, dat wil zeggen dat er meer CO₂ verbindingen gemaakt moeten worden met het zuurstofelement uit het ijzererts dan uit de toegevoerde zuurstof via de blaasbalg. Dit chemisch proces is van wezenlijk belang voor het winnen van ijzer.
Er ontstaan in het proces allerlei samenstellingen van ijzeroxiden zoals Fe₃O₄, Fe₂O₃ en FeO. Deze laatste zware combinatie is in de vrije natuur niet aanwezig. Als dit gevonden wordt bij opgravingen, kan dit gezien worden als het resultaat van bewuste reducerende ijzerertsbewerking.

De chemische reacties kunnen als volgt eenvoudig samengevat worden weergegeven:

2 C (s)	+	O₂ (g)	—>	2 CO (g) als reactieproduct
Fe₂O₃ (s)	+	3 CO (g)	—>	2 Fe (s) + 3 CO₂ (g) als reactieproducten

3 Fe₂O₃	+	CO	—>	2 Fe₃O₄ + CO₂
CO₂	+	C	—>	2 CO
2 Fe₃O₄	+	2 CO	—>	6 FeO + 2 CO₂
6 FeO	+	6 CO	—>	6 CO₂ + 6 Fe

Fe is metallisch ijzer, puur metaal dus.

Deze chemische activiteiten zijn pas mogelijk als de temperatuur hoog oploopt. Bij 900º tot 1000º Celsius moet er met de blaasbalgen extra hard gewerkt worden. Onder in de oven is de massa houtskool en ijzerslak witgloeiend en is het chemische proces in volle gang. In die periode zijn de andere elementen die in het erts zitten in actie gekomen. Het aanwezige zand in de ijzeroer, ook wel kiezelzuur of kwarts (SiO₂) heeft vooral bij aanwezigheid van kalk een smeltpunt van ongeveer 1200º Celsius. Ook de as van de houtskool smelt bij deze temperatuur. Op de heetste plaats in de oven, opgestookt door voortdurende aanblazingen, smelt dus de slak. Let wel: er is geen sprake van “ijzer smelten” omdat het ijzer zélf niet smelt! Het smeltpunt van ijzer zelf is 1528º Celsius.

Als men op dat moment het slakkengat opent, kan de slak naar buiten vloeien. Dit gebeurt als de temperatuur bij het gat hoog genoeg is, al bij ongeveer 1250º Celsius. Een deel van de slak verlaat de oven; bijna de gehele wolf blijft achter, nog niet gesmolten. IJzer komt in microscopische kleine deeltjes bij elkaar tot pareltjes van enkele millimeters en vormen in de slak een taaie massa. Dit noemt men de wolf (of: Loupe, Luppe, Saumon, Ofensau, Stuck, Bloom). Het is smeedijzer, erg zuiver en week, aan elkaar gekit tot een sponsachtige massa, nog vervuild met slak en houtskoolresten. Aangezien deze activiteit zich voltrekt vanaf 1250º Celsius is het behalen van hogere temperaturen niet van wezenlijk belang. Integendeel, het kan hooguit tot resultaat hebben dat de oven kapot wordt gestookt.

De slak
De slak die tijdens het proces de oven heeft verlaten, lijkt op stroop die hard wordt en grillige vormen aanneemt. Het is een glasachtige massa met talloze gaten. Bij opgravingen worden deze slakken in overvloed gevonden. In Nederland werden ze in de Middeleeuwen gebruikt om wegen mee te verharden of om gemeentelijke of kerkelijke gebouwen mee te grondvesten. In de Ardennen zijn ze in later eeuwen soms opnieuw in hoogovens geworpen omdat er nog voldoende ijzer in zat. Slak en wolf zijn niet altijd van elkaar en van ijzererts te onderscheiden, zeker niet na 2000 jaar. Het soortelijk gewicht is echter verschillend. IJzer heeft 7,8 als soortelijk gewicht, de slak meestal 4. De wolf is ook te onderscheiden doordat hij taai blijft terwijl de slak bij het hameren verpulvert.

De wolf
Als men de wolf niet uit de oven kan halen wordt de oven stukgeslagen. Er zitten meestal nog heel wat onvoldoende gereduceerde ijzerslakken in met een hoog FeO gehalte. Op de minst hete plaatsen is er ook nog gewoon niet gereduceerd ijzeroer te vinden, Fe₂O₃, dat aan het reductieproces nauwelijks heeft deelgenomen. Toch kan men ook deze slak onderscheiden van het oorspronkelijke ijzeroer door de grote aanwezigheid van FeO, het kenmerk van een ijzerslak. Ontleding van de slak geeft in de regel 25% kiezelzuur, SiO₂, daarnaast 50% of meer FeO, zo'n 15% Fe₂O₃ en verder alles wat er vooraf in het oer aanwezig was en niet vervliegt zoals kalk, zwavel, fosfor, mangaan en uit het houtas ook kalium en natrium.

Als men de onzuivere wolf uit de oven kan halen, kan hij gloeiend worden uitgesmeed op een aambeeld. De smid hamert zoveel mogelijk restanten van houtskool en slak er uit. Telkens opnieuw verhitten, hameren en uitsmeden geeft uiteindelijk een compact slakkenvrij brok ijzer, een baar of halffabrikaat. De wolf heeft een koolstofgehalte van 0,006 %, dat blijkt uit diverse analyses van onze experimenten. In een smidsvuur gaat de koolstof uit het ijzer/staal en niet erin.
Je smeedt de wolf uit tot platte staven, deze vouw je dubbel en wel je aan elkaar, dan smeedt je ze weer uit en dubbel je ze weer. Hoe vaker je dubbelt hoe meer slak je er uit smeedt en hoe zuiverder het ijzer wordt. Er zit dan nog steeds geen (0,006%) C in het ijzer en als je het in water schrikt wordt het NIET hard.
Wil je koolstof in je ijzer, dan moet je het in koolstofrijke omgeving gloeien bij 700 graden zonder dat Zuurstof (O₂) bij kan, dit noem je: opkolen. Daarvoor leg je een staaf ijzer of je reeds gesmede voorwerp in de koolstof (houtskool poeder, beendermeel of iets dergelijks) en daaromheen doe je leem, dit pakketje laat je langzaam drogen naast een houtvuur dan wederom langzaam werk je het in de gloed, de leem mag niet kapot springen want dan kan er teveel zuurstof bij. De koolstof dringt nu ieder uur 0,1 mm in het ijzer van buiten naar binnen. Heb je een staaf van 5 mm dik en wil je die tot in de kern opkolen dan moet hij dus 25 uur gegloeid worden. Zit er koolstof in het ijzer (het heet dan staal) dan wordt het hard als je het afschrikt in water. Maak je het heet en laat je het langzaam (aan de lucht) afkoelen dan is het zacht. Dit heet uitgloeien. Bij het afschrikken wordt het staal niet alleen hard maar (helaas) ook bros. IJzer daar in tegen is ook als schrik je het af zacht en taai. Heb je nu een staaf van 5 mm dikte die maar 10 uur opgekoold is, dan zal na het afschrikken alleen de buitenste laag van 1 mm hard en bros zijn, de kern van 3 mm blijft zacht en taai. Daardoor zal de staaf minder breken. Door ijzer en staal met elkaar te combineren heffen ze elkaars slechte eigenschappen op: taai tegen bros, hard tegen zacht (buigzaam). Je kan het ook anders combineren: je vouwt een ijzeren (geen koolstof) staaf dubbel, daartussen leg je een volledig tot in de kern opgekoolde staaf. Dit wel je aan elkaar en je smeedt het uit tot je voorwerp bijvoorbeeld een mes. Na het harden is hier de kern hard en bros maar de buitenkanten blijven zacht en taai, je noemt dit een laminaat. Je kunt zo’n pakket van drie lagen ook uitsmeden tot een staaf en dubbelen met weer een staaf staal ertussen: je hebt dan 7 lagen. Dit materiaal is na het harden al een stuk veerkrachtiger dan een laminaat van 3 lagen. Hoe meer lagen hoe meer veerkracht -> de ultieme kling.