Unelte de fier din perioada dacica descoperite la Piatra Rosie


Unelte de fier din perioada dacica desoperite la Piatra Rosiestudiu ingineresc.fragment din:A doua epistola catre hunedoreni, 2007, p.20-27 1.4. Miracolul întâmplării într-o cercetare istorică1.4.1. Prezumţia de nevinovăţie Într-o colaborare cu dl.profesor Sîrbu în anul 2004 am fost pus în faţa unui studiu de caz legat de depozitul de piese şi unelte dacice descoperit la Piatra Roşie. Analiza pieselor din depozitul de piese dacice din fier de la Piatra Roşie trebuia să completeze cadrul tehnologic al producerii fierului la daci. Pentru un metalurg al sec.XXI sondarea cu metode moderne a pieselor din depozitul de piese dacice din fier găsite în apropierea cetăţii de la Piatra Roşie a fost o mare provocare şi în acelaşi timp o aventură tehnică în domeniul metalografiei. Tratând superficial piesele poţi pierde spectacolul evoluţiei tehnice de cca.2000 de ani Am constatat cu uimire că producătorii de fier obţineau destul de facil mai multe categorii de fier:· moale în care % C este scăzut de regulă sub 0,09% tare cu conţinuturi ridicate de carbon % C mai mare de 0,30;· cu analiză chimică apropiată de compoziţiile chimice ale oţelurilor de astăzi, pentru că aveau conţinut de Mn;· carburat superficial prin metode termochimice;Piesele au fost analizate din două puncte de vedere:· Chimic efectuate pe un analizor spectral;· Metalografic prin analiză la microscopS-a dorit găsirea unei metode de analiză a pieselor fară a afecta integritatea fizică a acestora, fapt pentru care au fost inspectate doar la exterior. Analiza chimică şi metalografică efectuată în laboratoarele societăţii Siderurgica Hunedoara[1] a scos în evidenţă lucruri interesante atât pentru elucidarea investigaţiei istoricului, cât şi aspecte deosebit de interesante pentru inginerul zilelor noastre. Prezentăm mai jos comentariile efectate în limbajul inginerului, :· Uneltele sunt cu certitudine obţinute prin forjarea unor lupe de fier obţinute prin reducere directă a minereul de fier ;· Fierul obţinut prin această metodă avea o bună plasticitate la temperaturi normale de 910…1000, 0 C , atunci când fierul este galben deschis la culoare, iar înainte de batere pe nicovala sunt vizibile scântei foarte fine. Temperaturile pentru încălzirea fierului în domeniul de forjare, domeniul austenitic-Feγ, se poate realiza pe o vatră deschisă cu mangal. Este uşor de verificat de către orice curios, în timpul unui weekend: într-o groapă se aprinde focul cu lemn de brad după care se aşază mangalul, când patul de mangal este bine încins se introduce o bară de oţel şi prin intensificarea arderii cu un foi improvizat în cca. 30 min bara metalică este bună pentru forjare.· Starea fizică şi aspectul uneltelor erau foarte bune, ceea ce a permis o restaurare –conservare în condiţii excepţionale. Pentru inginerul practicant, ţinând în mână aceste unelte, este impresionantă starea funcţională a acestor piese astăzi care ar fi făcut cinste multor fierării ţărăneşti din zilele noastre. Precizia forjării lor este remarcabilă, pentru metoda relativ rudimentară de acum 2000 de ani, formele sunt bine rotunjite, ceea ce subliniază o anumită experienţă a forjorului.· Uneltele obţinute din lupe de fier reduse au o particularitate care le fac chimic rezistente la coroziune în comparaţie cu oţelul contemporan, nu sunt afectate în strucura intimă de prezenţa oxigenului aşa cum întâlnim la uneltele recente, fapt ce a permis o păstrare în timp în condiţii bune. Grosimea stratul de oxizi de fier este incredibil de mică pe suprafaţa pieselor. Putem doar să suspectăm că, compoziţia chimică a solului în care au fost găsite şi în care au stat 2000 de ani este responsabilă pentru o asemenea conservare. Trebuie precizat că, dacă solul ar fi avut în compoziţie %Al2O3 şi SiO2 (sol de consistenţa lutului bun pentru oale) iar depozitul, printr-un concurs de împrejurări era postat într-o zonă ferită de umezeală, atunci am putea spune că natura solului a contribuit hotărâror la starea uneltelor din depozitul dacic de la Piatra Roşie;· Trebuie precizat că uneltele de fier din acest depozit provin din bare de fier moale, cu siguranţă %C era sub 0,09%.· La prima analiză efectuată, piesele au compoziţii diferite, dar trebuie spus că s-a analizat de regulă doar stratul carburat al uneltelor, din dorinţa de a nu distruge integritatea acestora. Realizarea %C ridicat la suprafaţă în barele de fier se făcea prin carburarea în mediu carburant (praf de mangal sau cărbune) în gropi sau recipienţi ceramici speciali amenajaţi (vase de ceramică cu gura mai largă pentru a permite manipularea bucăţilor de fier încinse)· Există o legătură între %C din stratul de suprafaţă şi scopul pentru care a fost confecţionată piesa: %C ridicat atunci când piesa era utilizată pentru izbire, lovire sau în angrenaje de uzură care confereau rezistenţă unui anasamblu (topoare , vârfuri de lance, manşon de osie) , % C mediu pentru piese cu rezistenţă medie (daltă, vârfuri de suliţă), % C scăzut (fier moale) pentru piesele care trebuiau să fie tenace (nicovala, tesla). Controlul %C în straturile exterioare ale uneltelor forjate şi tratate termochimic acum 2000 ani era empiric şi avea cu siguranţă la bază timpul de menţinere a uneltei în masa carburantă la o temperatură înaltă, poate şi starea masei carburante (gradul de consum al prafului de mangal la un moment dat determinat de cantitatea d· Putem face o remarcă legată de piesa nr.16 topor cu două spărturi la cap, care are o cu totul altă analiză chimică, datorită prezenţei % Mn în analiză. Conţinutul de Mn este specific oţelurilor contemporane. În cazul acesta piesa se datorează minereului de fier care avea un conţinut semnificativ de Mn. Cu siguranţă bucata de fier din care este confecţionată piesa nr.16 provine din minereu de fier din zăcămitele de la Ghelar sau Teliuc, minereul din Poiana Ruscă având conţinuturi de Mn cuprinse între 0,86 -1,35 %. Termodinamica reducerii oxizilor de Mn este aceeiaşi cu cea a oxizilor de Fe, fapt ce a făcut posibilă apariţia în lupele de fier a unui conţinut însemnat de Mn. Trebuie spus că în metalurgia modernă conţinutul de Mn este realizat numai prin dizolvarea în baia metalică a feroaliajelor cu conţinuturi mari de Mn.· Referitor la piesele cu nr. 16 si 17 remarcăm prezenţa în aceeaşi piesă a două, metale (fieruri) diferite faptul care este mai evident la proba 17, unde sunt îmbinate două bucăţi de material cu % C diferite, în speţă 0,2 şi 0,03, şi piesa cu nr. 16, care are două bucăţi de fier cu un conţinut de C de 0,46 % şi 0,57%. Acest fapt ne îndreptăţeşte să credem că piesele erau lucrate din două bucăţi de fier care erau sudate (lipite) prin batere la cald.1.4.2. Analiza metalografică a pieselorPiesa cu nr. 9, topor fără marcaj, este o piesă excepţională ca formă. Forma este armonios realizată, conducând la concluzia ca fierarul avea un grad însemnat de perfecţionare în profesia de fierar. Conturul este armonios, având simetrie şi echilibru. e cenuşă) după mai multe cicluri;Toporul este realizat prin baterea unei bucăţi de fier în jurul unui drug metalic care a permis realizarea orificiului pentru coadă. Fierul din care a fost realizat toporul este un fier tare, care a fost sudat în zona lamei toporului prin forjarea celor două suprafeţe a aceleiaşi bare cu praf de mangal presărat. Structura metalografică este de tip Wittmannstätten, specifică unor supraîncălziri şi răciri destul de lente. Este o structură specifică pentru acel nivel tehnologic. Apariţia perlitei la o piesă cu % C scăzut o punem pe seama tratamentului termic de carburare-cementare.Piesa cu nr. 15: topor fără marcaj, este o piesă care se înscrie în linia piesei nr.9. Structura metalografică este de tip Wittmannstätten, asemănătoare se structura de la piesa nr.9. Spre deosebire de piesa nr.9 structura este mai grosolană ceea ce denotă o încăl
zire în domeniul austenitic, forjarea toporului urmată de o răcire mult mai lentă în comparaţie cu piesa 9. Structura este specifică răcirilor lente. Putem spune că asemenea structuri ar fi putut conferii toporului o rezistenţă mai scăzută la izbire (şoc).Piesa cu nr. 16: Topor cu două spărturi la cap este o piesa foarte interesantă din punct de vedere metalografic, la microscop structura este ferito-perlitică cu grăunţi mărunţi, în care sunt prinse, ca incluziuni, bucăţi de zgură. Spărtura din muchia toporiştii prezintă o structură specifică unei ruperi fragile, generate de izbirea cu un corp tare.Ipoteză de fabricaţie: discutând în termenii metalurgici contemporani, analiza chimică o putem încadra la marca de oţel de carbon calitate OLC45 ( proba 16 analiza 1 şi 2) pentru o faţă a toporiştii, iar faţa celaltă este OLC55 (proba 16 analiza 3). Trebuie amintit aici că este vorba de analiza chimică a stratului exterioar care este puternic carburat.Conţinutul destul de mare de %Mn în acest fier a permis asimilarea prin difuzie a unui % C însemnat. Acest fapt îi conferă acestei unelte o duritate deosebită, fiind proprie scopului pentru care a fost confecţionată.Analiza în zonele în care s-a putut efectua un studiu macroscopic al fibrajelor structurii cristaline ne îndreptăţesc să afirmăm că:· Piesa este cu certitudine confecţionată din trei bucăţi de fier diferite, astfel: faţa din fier cu 0,46%C şi 80%Mn, faţa a doua un fier cu 0,57%C şi 0,43 %Mn iar capul toporului dintr-un fier cu o analiză chimică nedeterminată. Studiul macroscopic al texturii confirmă că cele trei bucăţi de fier s-au lipit/sudat prin batere/forjare;· Capul toporului este realizat prin lipirea celor trei bucăţi de fier, sub acţiunea unor forţe generate de batere/forjare, cu ciocanul, aplicându-se pe suprafeţele în contact praf de mangal. Suprafeţele încălzite la roşu pe care este aplicat praf de mangal devin prin contact cu o altă bucată de fier un mediu favorabil sudării. Atomii celor două materiale supuse forjări se înterpătrund realizându-se astfel o masă comună.· Lama (tăişul toporului) este realizat prin lipirea/sudarea a două bucăţi de fier, lipire/ sudare realizată prin forjare cu ciocanul până ce piesa a căpătat o formă corespunzătoare pentru destinaţia dorită ;· Structura cristalină este deosebit de fină pentru tehnica acelor vremuri;· Orificiul pentru fixarea cozii era realizat prin forjare pe un şablon de formă dorită, realizat dintr-un drug (bucată de fier);· Cu siguranţă forjorul a evitat răcirea în apă (răcire foarte rapidă) care ar fi putut conduce la constituenţi metalografici foarte fragili pentru zona activă (lama toporului). Lipsa controlul asupra conţinutul de C (fapt lesne de înţeles în condiţiile tehnologice din aceea perioadă) făcea greu de stăpânit dezvoltarea unor tensiuni termice şi structurale (ne referim la o anumită segregaţie a structurii cristaline) fatale care ar fi condus la crăparea uneltei;· Este posibil ca în zona capului uneltei să se fi aplicat un tratament necorespunzător (lesne de înţeles pentru stadiul tehnologic – aceste aspecte tehnologice se întâmplă şi în actualul context tehnologic), aceasta fiind o zonă tensionată structural atât de existenţa celor trei bucăţi de fier lipite/ sudate, cât şi de %C ridicat, fapt confirmat şi de prezenţa acelor spărturi fragile.Piesa cu nr. 17: topor cu două marcaje, este o piese foarte bine executată, o frumoasă formă bine echilibrată, care poate fi dată exemplu în şcolile de forjare pentru metoda aplicată atât pentru obţinere, cât şi pentru tratamentul termochimic aplicat. Structura metalografică este de supraîncălzire, Wittmannstätten. 1.4.3. Ipoteza fabricăriiÎn prima fază lupa de fier a fost forjată sub forma unei bande (un fier lat). Orificiul pentru coada de lemn a fost realizat prin îndoirea latului în jurul unei bare de fier. Lama toporului s-a realizat prin sudarea celor două capete ale latului, prin forjarea până la lipire/sudare după metoda prezentată la piesele anterioare.Toporul prezintă urme de carburare care au conferit piesei o duritate excepţională pe bara de fier cu % C relativ redus în miez. Trebuie spus că materialul de bază din care a fost făcut toporul era un fier moale cu % C 0,03, iar stratul superficial era carburat şi avea un %C de 0,20. Tratamentul de carburare şi călire este un tratament aplicat pentru obţinerea unor suprafeţe dure. Astfel toporul avea o suprafaţă dură, iar miezul era tenace, de aceea, deşi toporul pare să fi fost utilizat, el nu prezintă zone de desprinderi sau ruperi fragile. În cadrul acestui procedeu termochimic, piesa este încălzită la roşu şi se lasă să se răcească într-un recipient în care există praf de mangal sau cărbune (materiale cu % C ridicat). Carbonul difuzează în reţeaua de fier a toporului forjat, realizându-se o cementare superficială. Ulterior piesa este reîncălzită şi răcită în apă pentru călire în scopul durificării. Faptul este confirmat de cele două structuri aflate la adâncimea de 2mm una faţă de alta, prima structură la margine este perlito-feritică, cu grăunţi bine conturaţi de perlită şi separaţii vizibile de ferită la limita de grăunte specifică pentru % C= 0,20, iar la cealaltă în miez o structură feritică care avea slabe separări de perlită la limita de grăunte structură caracteristică pentru %C= 0,03.1.4.4. Concluzii generaleTrebuie concluzionat că, în afara excepţiei legate de piesa cu nr. probă 16, fierul din care erau confecţionate uneltele, piesele dacice prezintă în urma analizei metalografice o structură cristalină echiaxă cu o omogenitate a tratamentului termochimic. Precipitatele de cementită fină sunt repartizate la limita cristaleor de ferită, fenomen specific transformărilor structurale în domeniul 400 – 660 0 C. Globulizarea cementitei este generată cu certitudine de faptul că piesele au fost supuse ulterior forjării unui tratament de menţinere la temperatură ridicată în mediu carburant. Carburările superficiale durificatoare, sunt efectul difuziei atomice (penetrării în reţeaua cristalină de fier a atomilor de carbon), care au diametru mai mic decât cei de fier. Important pentru completarea acestei explicaţii, pentru arheolog şi istoric, este de a clarifica cum (şi de ce) anticii forjori au utilizat fier moale cu rezistenţă scăzută pentru confecţionarea unor unelte la care principala proprietate cerută era rezistenţa. Uneltele analizate erau de regulă utilizate în gospodării, ateliere (sau chiar pe câmpul de luptă), pentru izbire, lovire, despicare , tăiere etc.Piesele sunt fabricate dintr-un fier moale (% C scăzut), cu o forjabilitate foarte bună şi care în zona exterioară a fost curăţită de incluziunile de zgură ajunsă în stare lichidă, fenomen care se produce în timpul baterii la cald a barei de fier cu ciocanul de forje pe nicovală. În zona de batere fierul se lăţeşte, fiind expulzată către suprafaţă şi eliminată.Fenomenul este accelerat dacă bara roşie de fier, după lăţirea prin batere, este lăsată să stea expusă efectului unor oxizi bazici (%CaO).Bara în timpul baterii este introdusă într-o groapă, vas ceramic, etc, în care există amestecuri de cenuşe cu praf de var. Existenţa acestor incluziuni în masa de fier a piesei este determinată de procedeul de obţinere a fierului prin reducerea bulgărilor de minereu. În urma reducerii incluziunile de oxizi (zgură) sunt determinate de ganga minereului şi de modul de dispersie a acestora în bucăţile de minereu. Aceste incluziuni, cu excepţia celor marginale care se eliminau aşa cum am arătat mai sus, rămân prinse în masa fierului exact cum sunt stafidele în cozonacul de Crăciun. Cu siguranţă dacă autorii ar fi deţinut metode mai sofisticate de investigare, la care trebuie precizată şi grija deosebită pentru a nu deteriora piesele din acest depozit, s-ar fi adăugat şi alte concluzii mul
t mai interesante. Investigarea incluziunilor ar fi generat informaţii cu privire la originea minereului şi mai ales la tipul de constituenţi şi analiza chimică a acestora. Acoperirea acestui gol, prin investigaţii ştiinţifice, va genera informaţii legate de istoricul barelor de fier din memoria intrinsecă a piesei de fier. Piesa de fier este obţinută dintr-o lupă de fier care la rândul ei este rezultatul reducerii indirecte şi sau directe (în funcţie de mediul reducător şi de domeniul de temperaturi) a uneia sau mai multe bucăţi de minereu de fier. Incluziunile existente de regulă în zona centrulă a pieselor ne dau informaţii legate de compoziţia chimică a oxizilor care însoţesc oxizii de fier înainte de reducerea minereului.Piesa nr. probă 17 prezintă o structură perlitică cu grăunţi cristalini echiaxiali şi separări de ferită la limita cristalelor de perlită.1.5. Exploatarea minereurilorMajoritatea exploatărilor trebuie să fi fost la suprafaţă şi se efectuau prin săparea de gropi sau puţuri nu prea adânci. Foarte probabil se folosea procedeul exploatării minereurilor cu galerii prin înaintarea în masiv cu front scurt, galerii dispuse pe înclinarea stratului de minereu. Este cert că spiritul practic al omului de la începuturile istoriei l-a determinat să amplaseze cuptorul de reducere cât mai aproape de zăcământul găsit (de cupru sau fier), argumentele economice din ziua de astăzi nu pot fi luate în calcul atunci când analizăm aceste tehnici şi tehnologii. Deşi amplasarea atelierului de prelucrare lângă zăcământ este o axiomă care nu trebuie demonstrată, ea fiind şi un deziderat al zilelor noastre. Acest lucru explică prezenţa unor cuptoare în zona de câmpie, locuri care astăzi nu sunt tradiţionale şi nici specifice pentru tehnicile metalurgice, dar care confirmă dezvoltarea atelierelor de extracţie metalurgică lângă locuri în care minereul util se găsea lenticular la suprafaţa scoarţei terestre, în aglomerări aluvionare. Aceste exploatări miniere nu au lăsat urme detectabile, extracţia făcându-se până la epuizarea zăcământului aluvionar. Mai putem aminti prezenţa de minereuri cu concentraţii mari în element util la suprafaţă fără a se extinde în profunzimea scoarţei terestre, aşa zisele lentile, descoperite şi exploatate în perioada dacică.Intensificarea valorificării minereului de fier de către geto-daci în secolul I î.e.n.- sec. I e.n., în comparaţie cu situaţia din epoca precedentă, consecinţă a cerinţelor crescânde ale societăţii, este o realitate istorică incontestabilă. Ceea ce este important de remarcat este faptul că această intensificare s-a făcut pe baza punerii în valoare, în afara rezervelor miniere din zăcămintele primare a mineralizaţiilor sedimentare locale, de neo-formaţiuni, după cum demonstrează descoperirea de vestigii caracteristice în numeroasele aşezări situate mult în afara perimetrului de zăcăminte primare[1]. În aceste mineralizaţii secundare sedimentare de neo-formaţiune, rezultate în urma procesului de alterare şi precipitaţie, oxizii de fier se găsesc cantonaţi aproape în toate rocile sedimentare cu pigment ca ciment de legătură sau de acumulări, ei putând adopta aspecte structurale extrem de variate. Aceste roci formează lentile sau straturi de grosime nu prea mari, constituind aşa-numitele minereuri de fier sărace[2]. De regulă oxizii de fier se găsesc în compania a numeroase substanţe minerale a căror eliminare ridică probleme tehnice extrem de sensibile şi complexe. De exemplu, sulful îngreunează procesul de reducere şi odată ajuns în componenţa metalului, anulează din calităţile acestuia[3]. Acesta este motivul pentru care metalurgii daci practicau prăjirea şi calcinarea minereului înainte de reducerea acestuia. Aceasta este explicaţia găsirii în săpături a unor bucăţi de lupe, minereu de fier, care prezintă faze parţial prelucrate termic. Trebuie aici spus că prelucrarea termică putea avea două aspecte, după cum se dorea îndepărtarea din minereu a sulfului sau a unei părţi din steril; iar cuptoarele de reducere se deosebeau dimensional de cele de prelucrare termică (prăjire, calcinare).Cu o bogată experienţă în exploatarea bogăţiilor miniere, romanii au concentrat activitatea de valorificare a minereurilor de fier în Transilvania şi Banat şi au intensificat extracţia minereurilor din zăcămintele primare, bogate în oxizi, preluând vechea extracţie şi continuând-o, atât prin băştinaşii daci, cunoscători ai mineritului local, cât şi prin coloniştii aduşi în acest scop din Imperiul Roman. Aşa de pildă, o atenţie deosebită a fost acordată extracţiei minereului de fier de la Teliuc şi Ghelar, unde lucrările s-au desfăşurat, în general la suprafaţă. Totodată ei au exploatat şi în subteran după cum s-a constatat la Teliuc, unde s-au identificat urmele unui abataj cameră cu o lungime de 6m, 4,5m lăţime şi 3m înălţime, săpat cu dalta şi ciocanul[4]. O dovadă a folosirii minerilor daci în exploatarea fierului din zona Teliucului o constituie descoperirea din săpăturile de la Cinciş (Villa Rustica), comuna Teliuc[5].În cazul zonei Hunedoarei problema trebuie privită ceva mai nuanţat; tandemul mină – atelier de extracţie implică o cunoaştere precisă a zonei, deşi cele două coexistă suprapus şi în acest caz, dar dispare caracterul temporar al zăcământului. Zăcămintele de minereu de fier din jurul Hunedoarei şi în special cele de la Ghelar şi Teliuc erau bogate în fier, uşor reductibile şi uşor accesibile, constituind o materie primă excelentă pentru atelierele de extragere a fierului.Interesul mereu crescând al Romei pentru teritoriul dacilor s-a bazat, fără îndoială, pe lângă raţiunile de ordin strategic, şi pe una de ordin economic, bogaţiile solului şi subsolului dac fiindu-le cunoscute romanilor[6].Exploatarea resurselor minerale, mineritul, nu neapărat ca o ocupaţie specializată, a precedat descoperirea metalurgiei şi de asemenea utilizarea metalelor native[7].Menţionez o metodă arhaică, preluată de la bătrânii satului Cinciş-Hunedoara care o ştiu de la strămoşii lor, pentru dislocarea minereului de fier în mină: Extragerea minereului din stâncile Ghelarului şi Teliucului – povesteşte Tîrlea Lăscuţ – se făcea foarte anevoios, se sfredelea în stâncă şi golul lăsat de sfredel se umplea cu apă; se astupa golul cu dop de lemn, pe care îl băteau cu un mai până când stânca se sfărâma. Alteori încălzeau cu foc puternic până se înroşea stânca şi aruncau apa rece peste ea. Din cauza schimbării bruşte de temperatură, stânca se sfărâma[8]. Este probabil ca această metodă să fi fost utilizată şi în Antichitate pe aceste meleaguri, întrucât munca lucrătorilor în minele de fier până în perioada modernă nu a suportat transformări radicale.1.6. Organizarea atelierelor. Instalaţii şi unelte.1.6.1.Organizarea atelieruluiÎncă de la început trebuie făcută remarca legată de progresele pe care le-au făcut metalurgiştii antici de la descoperirea metalurgiei şi până în epoca metalelor, că performanţele s-au îmbogăţit mereu odată cu trecerea timpului[9]. Important pentru progresul cunoştinţelor în metalurgie a fost conceperea unui cuptor care să producă materia primă care să alimenteze atelierele de prelucrare şi făurire a armelor şi uneltelor. În trecut, ca şi în prezent, există o legătură strânsă între cuptor, modul de organizare şi desfăşurare a activităţilor în cadrul atelierului. Organizarea atelierelor se făcea în mod firesc după cum procesul de fabricaţie se înscria în unul din tipurile de mai jos sau o combinaţie a acestora:· procesul de obţinere a lupelor de fier; această fază putea fi făcută în două etape care presupuneau prăjirea minereului, pentru îndepărtarea unei mari cantităţi de zgură. Aceasta era situaţia când minereul pre-redus era prelucrat într-un alt loc decât cel al extracţiei;· pr
ocesul de batere la cald al lupelor de fier pentru îndepărtarea incluziunilor nemetalice. Astfel se obţineau barele sau lingourile de fier, care la rândul lor puteau fi transportate în diferite fierării;· procesul de prelucrare al barelor, lingourilor de fier pentru obţinerea armelor şi uneltelor.De regulă calcinarea, prăjirea prealabilă a minereurilor, se efectua în cuptoare de dimensiuni mai mari şi prevăzute cu canal pentru tiraj (roasting furnaces[10]). Potrivit relatărilor lui Pseudo Aristot, Diodior din Sicilia şi Plinius cel Bătrân, romanii, după ce spălau minereul, îl prăjeau în cuptoare cunoscute şi în metalurgia civilizaţiei dacice[11].De la început trebuie făcută o clasificare a cuptoarelor, pentru a putea înţelege procesul complet de producere a armelor şi uneltelor. Tehnologic existau trei tipuri de cuptoare pentru:v prăjirea, calcinarea minereului;v obţinerea fierului din minereu de fier;v încălzirea fierului pentru forjare.Precizarea aceasta fiind făcută putem să ne imaginăm organizarea atelierelor de obţinere şi prelucrare a fierului. Este posibil să fi existat o organizare a atelierelor în funcţie de tipul de cuptor astfel :v ateliere care prăjeau minereul de fier. Cuptoarele utilizate erau de tip groapă descoperite şi în zona Teliucului.v atelier pentru obţinerea unor turte de fier pre-reduse pentru ateliere aflate la o anumită distanţă de zona bogată în minereu de fier. Este cazul unei părţi din atelierele din zona Teliucului, care tratau termic minereul de fier pentru atelierele de la Grădişte. Cuptoarele utilizate erau cele cunoscute în metalurgia antică a fierului.v ateliere pentru obţinerea lupelor de fier fără a prelucra lupele. Cuptoare identice cu cele folosite pentru pre-reducere;v ateliere pentru obţinerea şi prelucrarea lupelor de fier. Atelierele dispuneau de două tipuri de cuptoare, unul pentru obţinerea lupelor de fier şi un cuptor de încălzire în vederea forjării şi tratamentului termic al uneltelor şi armelor.1.6.2 Cuptoarele pentru obţinerea fieruluiNu se poate preciza cu exactitate cum au arătat primele cuptoare, dar primii metalurgi trebuie să fi utilizat cuptoare amplasate pe panta dealurilor, în care procesele erau stimulate de curenţii ascendenţi care se creau în mod natural. S-a plecat de la ipoteza că foalele pentru suflarea aerului au fost inventate mult mai târziu.Procesele de reducere pentru obţinerea lupelor de fier se desfăşurau cu viteză mică, ele durând de la o zi la mai multe zile. Potrivit acestei metode cuptorul este alcătuit din două canale rectangulare, unul orizontal şi altul vertical, săpate de obicei în flancul unei pante abrupte. Pe vatra cuptorului se aşeza un strat de lemn şi cărbune de lemn, peste care se încărcau bucăţi de minereu de fier în amestec cu lemn şi calcar; tot pe la partea de sus a cuptorului se încărca minereu mărunt de fier, resturi de cenuşă şi zgură de la procesele anterioare şi în final peste gura superioară se punea o lespede de piatră. Procesul se iniţia prin aprinderea materialului combustibil de pe vatră, după care se obtura orificiul de jos pentru a permite o ardere lentă şi mocnită a lemnelor, proces asemănător cu procesul de obţinere a mangalului în bocşe. Asemenea cuptoare sunt utilizate de triburile de băştinaşi din Africa.La începuturi, fierul se extrăgea din minereu în simple gropi căptuşite cu nisipuri şi argile prin batere, stampare. Cu timpul s-au dezvoltat vetrele deschise de dimensiuni mari şi cu circulaţie stimulată a aerului prin insuflare.Cuptoarele de redus s-au descoperit în aproape toate zonele locuite de daci, mult mai numeroase fiind cele destinate producţiei de fier. Ele s-au păstrat destul de prost, totuşi în multe cazuri resturile descoperite au făcut posibilă reconstituirea integrală a formei şi dimensiunilor iniţiale. Cuptoarele geto-dacice de redus minereu feros îşi găsesc analogii în lumea greco-romană sau la celţi[12]. Reducerea minereului feros este doar o primă fază în complicata metalurgie a fierului. Fierul brut, sub formă de lupe, era încălzit şi prin martelare se înlăturau impurităţile, obţinându-se lingouri ce serveau apoi ca materie primă pentru nenumărate unelte, arme şi încă multe alte piese. Toate aceste operaţiuni erau executate în ateliere specializate[13].La Teliuc, pe lângă unelte de minerit şi urme ale exploatărilor vechi, s-au găsit mai multe grămezi de steril, vetre de foc, gropi rotunde cu fundul oval precum şi urmele unui mic cuptor primitiv, boltit, săpat în pământul lutos, cu prezenţa în el a unui bulgăr de fier topit, de forma unui pâinişoare, având o greutate de cca. 3kg semn că minereul extras aici era prelucrat pe loc.Cuptoarele în care se producea bronz au fost rar descoperite şi de regulă acestea erau doar resturi prost conservate. Trecând în revistă cuptoarele în care se prelucrează metalele sau aliajele se pot distinge cuptoare în care minereul:1. vine în contact cu combustibilul prin amestecarea în :a) cuptoare joase la care înălţimea este mai mică decât diametrul;b) cuptoare înalte când înălţimea este mai mare decât diametrul;2. este depus într-un creuzet.Pentru toate tipurile de cuptoare trebuie menţionat că încărcarea (minereul şi combustibilul) se făcea pe la partea superioară. În perete erau practicate mai multe orificii, unele pentru insuflarea aerului, iar altele pentru evacuarea zgurii.Cuptoarele descoperite de C.Daicoviciu în săpăturile de la Grădiştea Muncelului, pe terasele cu ateliere pentru prelucrarea bronzului şi a fierului, se pot clasifica astfel:v formă rectangulară a vetrei, pentru prelucrarea bronzului;v formă rotunjită a vetrei, pentru reducerea fierului.Cuptoarele joase tip groapă erau folosite la reducerea minereului de fier, precum şi la prăjirea minereurilor. Ele au servit, de asemenea, vreme îndelungată, la producerea aramei până la utilizarea cuptoarelor înalte. Cuptorul se realiza în mod simplu, într-o groapă săpată de regulă într-un material refractar, argilă. Dimensiunea lui era redusă, nedepăşind 60-70 cm[14] în diametru şi înălţime. Este posibil ca aceste cuptoare să fi fost folosite în tandem, unul pentru prăjirea minereului iar altul pentru obţinerea lupelor de fier. Tuburile de insuflare a aerului aveau probabil dimensiunile de 11cm lungime, 2,5 cm diametru şi 1 cm grosimea pereţilor. În ceea ce priveşte cuptoarele înalte, ele sunt de tipuri diferite.Cuptorul cu vatră deschisă se baza pe reducerea minereului de fier cu cărbune sau mangal. Cea mai primitivă vatră deschisă era o groapă practicată în sol, de formă conică şi necăptuşită, în care se introduceau bucăţi de minereu în amestec cu mangal. Deasupra acestui amestec se aşeza un strat de cărbuni înroşit, în care se sufla aer cu o ţeavă ceramică, legată de foale. Metoda folosită în acest caz era foarte asemănătoare cu cea aplicată la arderea obiectelor ceramice, de unde se crede că a fost împrumutată. Deoarece arderea avea loc de sus în jos, nu erau asigurate condiţii pentru efectuarea reducerii minereurilor de fier decât în fază solidă (sub 11000 C). Materialul astfel obţinut, numit burete de fier, era un fier poros, amestecat cu steril, din care prin ciocănire fierul era separat de steril şi eventual de cenuşa cărbunilor. În continuare granulele de fier erau sudate prin forjare, în bucăţi mai mari, din care urmau să se confecţioneze armele sau obiectele necesare[15].O a doua metodă de producere a fierului s-a caracterizat prin utilizarea cuptoarelor verticale cu tiraj, folosind un principiu cu totul diferit faţă de vetrele deschise. Spre deosebire de cuptoarele cu tiraj natural în aceste cuptoare tirajul era produs de foale. Curentul de aer insuflat intensifică viteza de reducere a oxizilor de fier. Debitul de aerul insuflat influenţează cinetica proceselor ce au loc în cuptoarele de acest tip cu implicaţie directă asupra duratei procesului, influenţând productivitatea cuptorului[16
], respectiv numărul de lupe produse într-un interval de timp.Specifice civilizaţiei geto-dace sunt două tipuri de cuptoare. Unul este situat în pantă şi are pereţii din pământ, lipiţi cu lut, măsurând 0,70 -1m înălţime şi diametrul fundului de 0,80-0,90m. Curentul artificial de aer era introdus prin discul de lut situat la bază, ce permitea refolosirea cuptorului (tipul a). Cel de-al doilea avea vatra dreaptă ori albiată, pereţi tronconici din pământ şi horn liber (tipul b). Diametrul acestui tip de cuptor era de cca. 0,50m şi înălţimea de 0,70-0,80m. El funcţiona cu curent de aer artificial introdus prin foale. Minereul era aşezat în straturi succesive cu mangal, iar ca fondant se folosea piatra de var[17]. Redăm mai jos descrierea cuptoarelor de acest tip făcută de descoperitorii lor. Pereţii cuptorului care aveau în compoziţie şi pietre erau înalţi de 90 cm; diametrul exterior la bază 75cm, cel interior 45cm. Pe fundul cuptorului, uşor adâncit, se află bucăţi de mangal şi calcar. La 20 cm deasupra fundului se distingea vechiul nivel de călcare peste care se aflau bucăţi de zgură şi perete de cuptor. În dreptul nivelului de călcare, pe circa 30cm, pereţii cuptorului lipseau, lăsând loc pentru uşa observată şi la celelalte cuptoare. Alt cuptor bine păstrat avea pereţii rotunjiţi de circa 70cm. Diametrul exterior la bază, 70cm, cel interior 35cm. Peretele era făcut din lut şi nisip. Fundul cuptorului era acoperit cu zgură şi cărbune. În partea de jos se afla uşa cuptorului, semiovală. Al treilea cuptor, asemă-nător cu cel de-al doilea, se păstrează pe o înălţime de 25cm. Diametrul exterior era la bază de 75cm, cel interior 40cm. În jur erau zgură, cărbune, ţevi suflante. În interiorul cuptorului s-a descoperit fundul unui vas (probabil ajuns aici întâmplător). În cuptor, pe lângă mangal şi minereu, se punea şi piatră de var pentru uşurarea reducerii[18].Cuptoare asemănătoare cu cel dacic de tip Doboşeni, deci cu deschidere laterală la baza cuptorului pentru evacuarea încărcăturii cuptorului după efectuarea reducerii, s-au descoperit şi în alte părţi cum sunt Gera – Tinz (Germania), la est de Nistru, în Polonia, Slovacia, dar ele datează din epoci ulterioare, în special din secolele III –IV e.n.În grupul de ateliere de la Grădiştea de Munte s-au descoperit sute de unelte finite, ori în curs de lucru. Unul dintre ateliere este situat pe o terasă la est de incinta sacră. Vatra de foc a forjei avea diametrul de 1,55×2,70m, iar în imediata lui apropiere s-a găsit circa 1000 kg fier brut sub formă de lupe.Măiestria tehnică a făurarilor geto-daci se evidenţiază în sutele de unelte descoperite nu numai în ateliere, ci şi în nenumăratele aşezări de pe tot cuprinsul Daciei începând din cele mai vechi timpuri, dar mai ales începând cu sec. II î.H. şi, mai cu seamă, în aşezările de tip dava. Marele număr de unelte agricole descoperite atestă că agricultura constituia pentru geto-daci o ocupaţie de bază. Încă din sec. II î.H. geto-dacii foloseau fierul de plug de tip propriu şi într-o mare varietate de forme. Tot din fier au fost lucrate coase, seceri, săpăligi, sape, greble şi altele[19].Lupele de fier, indiferent de mărimea lor, conţin impurităţi mai ales la exterior. Reîncălzirea lupelor permite înlăturarea, prin martelare, a celei mai mari părţi a acestor impurităţi şi transformarea lupelor în lingouri[20]1.6.3 Unelte folosite.Foalele. La cuptoarele şi la vetrele de forjă, aerul necesar întreţinerii arderii combustibilului (aproape fără excepţie mangal) se suflă cu ajutorul foalelor confecţionate din piele şi ramă de lemn[21]. Existau două tipuri de foale :· închis, asemănător cu cele din fierăriile clasice;· cu un capăt deschis, asemănător cu cele utilizate de triburile de aborigeni sau populaţia băştinaşă, care se preta pentru populaţiile nomade, fiind uşor de pliat şi transportat.Fluierul ceramic, din material refractar, argilă, tubulatură prin care trecea aerul din foale în cuptor şi care este utilizată în tehnica prelucrării fierului la daci.Apărătoare metalică, piesă din fier, sub formă de manşon conic, care proteja gura foalelor mai ales la cuptoarele de reducere la care nu se folosea tubulatură ceramică.Desfundătoare, piese sub formă de bare cu secţiune dreptunghiulară, prevăzute la unul din capete cu o parte tubulară longitudinală pentru fixarea unui mâner de lemn. Lungimea desfundătorului variază între 48-69 cm, iar diametrul maxim al manşonului este de 4-5cm.Nicovală. Cele mai frecvente unelte, utilizate în făurării atât la prelucrarea fierului, cât şi pentru prelucrarea bronzului. Ele erau folosite înfipte fiind, cu capătul mai îngust înfipt. Dimensiunile lor sunt variabile, începând de la 10 cm înălţime şi 7-8 cm lungimea laturilor părţii susţinătoare şi până la 18 cm înălţime.Uneltele utilizate la deformare[22] erau baroasele şi ciocanele. Utilizarea acestora nu e legată neapărat de atelierele de făurire, ştiindu-se bine diversitatea de întrebuinţări pe care le pot avea. Baroasele, indiferent de forma lor, puteau servi la mai multe operaţii. În acelaşi timp însă, existenţa câtorva tipuri distincte, cu forme deosebite, arată începutul specializării acestor unelte. Barosul are un corp masiv, patrulater cu muchiile rotunjite şi cu gaură pentru coadă plasată la jumătatea lungimii. Putea servi atât în operaţiile din fierărie, cît şi la zdrobirea minereului. Ciocanele, în majoritatea cazurilor, se deosebesc de baroase nu numai prin greutatea mai redusă, ci şi prin formă.Uneltele de apucat constau exclusiv în cleşti de diferite forme şi mărimi. Aveau forme şi detalii constructive specifice pentru fiecare atelier de fierărie în parte. În Civilizaţia fierului la Daci, prof.Glodariu şi Iaroslavschi disting zece tipuri de cleşti, în funcţie de atelierele analizate. Se poate preciza că în mediul geto-dacic s-a putut constata existenţa unei diversităţi de cleşti, mai bogate decât în lumea celtă[23], aşa încât prezenţa unor asemănări – mai ales pentru tipurile comune relativ simple – nu înseamnă, implicit, preluarea de la celţi a acelor tipuri, aşa cum s-a susţinut. Mai evidente ni se par, în schimb, influenţele romane, cu deosebire pentru piesele databile în sec. I şi care au analogii în lumea romană. Este evidentă preluarea de către făurarii daci a tehnicilor avansate, atât de la celţi cât şi de la romani, peste care s-a suprapus specificul autohton în evoluţie.1.7.Procesul de obţinere a fierului din minereu.Se poate considera că încărcătura şi procesul fizico-chimic erau următoarele:· pe vatră se punea jăratic, apoi mangal până aproape de gura de vânt;· se încărca minereu de fier (granulaţie măruntă) şi alternativ mangal şi calcar;· se aşeza un strat de minereu mărunt şi apoi zgură;· cuptorul se acoperea cu un strat de minereu de fier mărunt.Curenţii de aer, formaţi prin tiraj artificial (ansamblu foale – fluier), favorizau procesul de ardere a carbonului din mangal în faţa gurii de vânt la CO2, care la temperatura din vatră şi în prezenţa carbonului în exces nu era stabil şi forma oxid de carbon.C + O2 = CO2 ; H = -94,2 Kcal / molCO2 + C = 2 CO ; H = 40,5 Kcal / mol2C + O2 = 2 CO ; H = -53,7 Kcal / mol;Temperatura teoretică de ardere pentru schema de reducere de mai sus este 14000C, iar cea reală, dacă se ţine cont de randamentul redus datorat cuptorului, este de maxim 1350 0 C[24].Gazele arse CO, CO2 H2, N2 traversau coloana de încărcătură, perioadă în care avea loc reducerea cu CO:Fe3 O4 + CO = 3 Fe + CO2Fe O + CO = Fe + CO2Temperatura fiind relativ joasă şi coloana de minereu mică, reducerile indirecte erau aproape neînsemnate. Cu cât creştea înălţimea cuptorului, creştea şi proporţia reducerilor indirecte în ansamblul reacţiilor de reducere a oxizilor de fier.Pentru această fază, reacţiile indirecte de reducere pot fi considerate reacţii de
iniţiere a procesului în sine. Reducerea oxizilor de fier se completează cu reducerea directă a acestora în contact cu carbonul din mangal şi cu cel depus în porii bucăţilor de minereu, după schema de mai jos[25] :3 Fe2 O3 + C = 2 Fe 3 O 4 + COFe3 O4 + C = 3 Fe O + COFe O + C = Fe + COBucăţile de minereu deveneau spongioase, adică un amestec de oxizi nereduşi, oxizi reduşi şi granule de fier uşor carburate. În continuare se producea topirea sterilului într-o zgură care antrena bucăţi de fier. În acest moment apărea un amestec de faze, lichidă şi solidă, într-o formă păstoasă care avea o mobilitate ce îi permitea curgerea, prelingerea prin coloana de material din cuptor, sub influenţa forţei gravitaţionale.Acest proces, de fapt un amestec de procese fizice şi chimice, este responsabil de colectarea, pe vatra cuptorului, a produselor dorite de fierarul antic. Condiţiile termodinamice şi chimice fac posibilă reacţia de carburare, care explică în mare parte apariţia a numeroase tipuri diferite de fier (Istoria naturală, 34,143), fier tare şi fier moale. Această reacţie face posibilă apariţia de stropi de fier carburat, fontă, pe vatra cuptorului, lucru confirmat de arheologi.3 Fe + 2 CO = Fe3C + CO , H = -38,58 Kcal / molZgura în această fază este formată din combinaţii (FeO)2SiO2-faialită cu temperatură de topire 12080C, din wustită (soluţie de FeO şi Fe2O3, predominând FeO), Fe3O4 şi puţin Fe2O3, deci este puternic oxidată şi în paralel cu reducerea directă a oxizilor de fier liber din zgură (sau eliberaţi în mică măsură prin disocierea faialitei şi wustitei), are loc decarburarea după o reacţie exotermă (deci cu eliberare mare de căldură), creându-se echilibru în sistem.Această reacţie contrabalansează efectele reacţiei de carburare prezentate mai sus. Nivelul carbonului în lupa de fier depinde de proporţia acestei reacţii în ansamblul procesului:Fe3C + Fe 3 O 4 = 3 Fe + 3 Fe0 + COZgurile în urma acestei reacţii se îmbogăţesc în FeO, devin fluide, se dizolvă puternic minereul mărunt şi se menţine oxidarea. Decarburarea se continuă la temperatură constantă, în stare păstoasă, apoi solidă şi este cu atât mai avansată, cu cât zgura este mai activă (fluidă şi oxidantă) şi acţiunea ei mai îndelungată. Puterea de oxidare şi fluiditatea zgurii, deci decarburarea, pot fi influenţate dacă se modifică componenţa încărcăturii[26] şi caracteristicile constructive ale vetrei. Astfel dacă se utilizează minereu prăjit[27] (uşor reductibil) sau sărac în MnO şi O2, zgura este puternic oxidantă şi decarburarea este avansată. Procesul este accelerat dacă minereurile sunt mărunte.S-a putut aprecia că pentru a obţine 1 t de fier se consumă 3 t mangal şi 1,7t minereu de fier[28].În finalul procesului se efectua un control al calităţii lupei de fier prin crestare. Dacă lupa se cresta şi nu se spărgea, materialul era bun pentru prelucrare prin batere, forjare, martelare. Încălzirea se făcea în cuptoare cu vatră deschisă în care aerul se insufla prin foale. Baterea, martelarea lupelor de fier pentru îndepărtarea incluziunilor, începea atunci când din bucata de material se desprindeau în momentul scoaterii din cuptor mici scântei. Acest lucru îi furniza un indiciu meşterului fierar că materialul este moale, sau, cum se spune astăzi în termeni tehnici, materialul se află în domeniul optim de plasticitate.
Go to Source

Judetul Hunedoara

Related Listing

Place Your Review

Rate this place by clicking a star below :