Experiments with iron smelting, Lejre

Experiments with iron smelting

In Denmark several experiments have been conducted with the extraction of iron from bog ore. The smeltings have been carried out in copies of Espevej furnaces, Drengsted furnaces, slag tap furnaces and pit furnaces. Many experiments have been conducted by scouts, evening school classes or staff from the country’s many ‘experience centres’, where iron smelting and forging are activities that attract large numbers of visitors. A typical Danish iron smelting experiment goes as follows: the furnace is built of clay tempered with straw, sand or gravel. The solid bog ore is obtained from West Jutland and contains between 60% and 75% iron oxide and, like most Danish bog ores, a considerable amount of phosphorus oxide. First the ore is roasted over an open fire so that it undergoes a number of physical and chemical changes which benefit the subsequent reduction process. The water evaporates and the organic components are charred. This increases the porosity. Roasted bog ore is dark reddish-brown, porous, light and magnetic. At the same time the furnace is pre-heated. Then it is filled with charcoal and bog ore and the temperature is increased by artificial or natural blowing-in of air. Once the temperature has risen to close to 1200^oC, the slag begins to flow. The furnace is filled repeatedly with charcoal and roasted bog ore – often in the weight ratio 1½:1 or 1:1. The process lasts between 10 and 30 hours depending on the furnace type and progress.

Iron sponge

Several attempts have been made to give an objective assessment of the stages of the iron processing. One useful method is to measure the density of the pieces. The unprocessed iron sponge (4.5- 5.5 g/cm³) has a lower density than the slightly processed iron sponge (5.1-5.7 g/cm³) – which is correspondingly lower than the density of blocks (5.5-6.6 g/cm³) and bars (6.5-7.5 g/cm³) and substantially lower than in the finished iron implements (around 7.5 g/cm³).

Iron blooms
The only furnaces from which we in Denmark know the result of a reduction are the small, late slag tap or pit furnaces. One has to imagine that the red-hot iron sponge was taken directly from the furnace, laid on a stone and pressed lightly together so that in shape it resembled a large, round cheese; then it was raised on edge and split from one to three times with an axe. From Denmark we know of two whole blooms split in four, as well as ‘fingers’ of at least four more blooms. They are all stray finds.

Kniv

Lille kniv fra grubehus på Vester Egesborg

Teknologiske knivtyper/Различные технологические типы ножей/Technological Knife Types

På grundlag af metallurgiske analyser af 62 danske jernknive kan der defineres seks teknologiske knivtyper: seks forskellige måder smeden kunne fremstille en jernkniv på. Typerne antages at være delvis funktionsspecifikke og deres anvendelse i tid og rum varierer. Type I: Kniv smedet af et eller flere stykker jern med et kulstofindhold på under 0,35 %.
Type II: Kniv smedet af to eller flere stykker jern med et kulstofindhold på under 0,35 %. Svejsesømmen er bevidst lagt i knivens midterlinie.
Type III: Kniv smedet af en eller flere stykker jern med et kulstofindhold på over 0,35 %.
Type IV: Kniv smedet af tre eller flere stykker jern. Den eller de midterste stykker jern indeholder mere end 0,35 % kulstof. De yderste stykker jern indeholder under 0,35 % kulstof.
Type V: Kniv smedet af tre eller flere stykker jern. Den eller de midterste stykker jern indeholder mere 0,35 % kulstof og er ikke ført igennem til knivens ryg. De yderste stykker jern indeholder under 0,35 % kulstof.
Type VI: Kniv smedet af to eller flere stykker jern, hvor knivæggen er et stykke jern med over 0,35 % kulstof. Den, eller de øvrige stykker jern, har et kulstofindhold på under 0,35 %.

На основе металлургических исследований 62 датских железных ножей можно выявить шесть технологических типов, то есть шесть различных способов, с помощью которых кузнец мог изготовить железный нож. Они менялись с течением времени и от места к месту.
Тип I: Нож, сделанный из одной или более частей железа с содержанием углерода ниже 0,35 %.
Тип II: Нож, сделанный из двух или более частей железа с содержанием углерода ниже, чем 0,35 %. Сварочный шов преднамеренно помещен точно вдоль по геометрической оси ножа.
Тип III: Нож, сделанный из одной или более частей железа с содержанием углерода выше чем 0,35 %.
Тип IV: Нож, сделанный из трех или более частей железа. Средняя часть или части железа содержат углерод в количестве более 0,35 %. Железо, из которого сделаны внешние части ножа, содержит менее 0,35 % углерода.
Тип V: Нож, сделанный из трех или более частей железа. Средняя часть или части железа содержат более 0,35 % углерода и не доходят до задней части ножа. Боковые части содержат менее 0,35 % углерода.
Тип VI: Нож, сделанный из двух или более частей железа, где край ножа изготовлен из железа с содержанием углерода более 0,35 %. Другие части железа имеют содержание углерода ниже 0,35 %.

On the basis of metallurgical analyses of 62 Danish iron knives one can define six Technological Knife Types: six different ways in which the smith could produce an iron knife. The usage in time and space varies.
Type I: Knife forged from one or more pieces of iron with carbon content lower than 0.35 %
Type II: Knife forged from two or more pieces of iron with carbon content lower than 0.35 %. The weld was deliberately placed along the centre line of the knife
Type III: Knife forged from one or more pieces of iron with carbon content higher than 0.35 %
Type IV: Knife forged from three or more pieces of iron. The middle piece or pieces of iron contained more than 0.35 % carbon. The outermost pieces of iron contained less than 0.35 % carbon.
Type V: Knife forged from three or more pieces of iron. The middle piece or pieces of iron contained more than 0.35 % carbon and were not extended through to the back of the knife. The outermost pieces of iron contained less than 0.35 % carbon.
Type VI:  Knife forged from two or more pieces of iron where the knife edge is a piece of iron with more than 0.35 % carbon. This or the other pieces of iron had carbon content lower than 0.35 %

Датское железо

Железо, которое, начиная с до-римского периода железного века и вплоть до средневековья добывалось из датской болотной руды, существенно отличается от того железа, которое окружает нас сегодня. Оно ведет себя по-другому на наковальне под молотком кузнеца. Изделия, выкованные из болотного железа, не походят по качеству и внешнему облику на предметы, сделанные из железа в наши дни. Разница состоит, в основном, в том, что, во-первых, в отличие от современного, болотное железо содержит шлак, и, во-вторых, болотное железо неоднородно по качеству. Нельзя сказать, что болотное железо лучше или хуже, чем современное. Оно просто другое. Современные кузнецы охотно работают с болотным железом. Оно хорошо сохраняет высокую температуру и его легко сваривать.

Датское железо

Особенность технологии сыродутного или прямого восстановления железа из руды состоит в том, что в течение всего процесса железо остается твердым. Оно никогда не бывает в расплавленном виде. При сыродутном процессе жидкой, расплавленной субстанцией является шлак, который и отделяется от твердого железа. Вот почему железная крица , полученная сыродутным способом из болотной руды, обычно содержит шлак, и, наоборот, шлак содержит железо. Продукт сыродутного процесса – крица (то есть пористая губчатая масса железных частиц)- неоднородна по своей структуре, ее качество может изменяться в пределах нескольких сантиметров, но химически болотное железо является очень чистым. Обычно оно содержит меньше сотых долей инородных материалов. Из них наиболее важны два - углерод и фосфор. Есть много свидетельств тому, что древние датские мастера умели искусно управлять процессом выплавки железа так, чтобы железная крица отвечала всем необходимым для дальнейшей обработки качествам.

Чистое железо

В древности и средневековье наиболее часто использовалось чистое железо. Из него делали застежки, гвозди, стремена, мотыги и лезвия для кос. В Дании в до-римский и римский железный век для ковки использовалось достаточно чистое железо хорошего качества, в то время как железо позднего железного века и эпохи викингов содержит значительно большее число и более крупные шлаковые включения. С годами датские кузнецы обрабатывали все большие количества чистого железа, и для того, чтобы удовлетворять возрастающие потребности, железоплавильщикам необходимо было получать все больше и больше железа из руды.

Углеродистое железо

Углерод увеличивает такие качества железа, как твердость и сопротивление износу. Железо, содержащее углерод в количестве больше, чем 0,35 % – углеродистое железо или сталь – может быть сделано еще тверже, если его закалить в воде или масле. В поздний железный век и в эпоху викингов, углеродистое железо поступало в Данию из Норвегии, как в виде железных брусков, так и в форме уже готовых орудий и инструментов. Углеродистое железо использовалось в колющих и рубящих частях орудий, для тех поверхностей, которые должны были противостоять изнашиванию или сильному давлению. Ножи редко изготавливались целиком из углеродистого железа. Вместо этого кузнецы комбинировали мягкое, чистое и твердое углеродистое железо сообразно функциональным назначениям разных частей ножа. 

Фосфористое железо

Большая часть древнего датского железа обычно содержит фосфор в количестве до 0,9 %. Фосфористое железо обладает свойствами твердости, ломкости и имеет блестящий серый цвет. На рубеже эр в Дании изготавливались ножи полукруглой формы, лезвия которых состояли из двух кусков фосфористого железа, и шов от их сваривания проходил точно по геометрической оси ножа. Это были изящные, тонкие инструменты. Фосфористое железо использовалось также в сочетании с чистым железом в топорах и ножах, где оно могло замещать или дополнять углеродистое железо. В военном деле фосфорное железо применялось для изготовления мечей с узорчатыми лезвиями. Техника узорчатой ковки технически относительно легко выполнима для фосфористого железа, и в результате получаются удивительно красивые серебристые узоры на протравленных и отполированных лезвиях. Фосфористое железо еще не до конца исследовано в Скандинавии и Европе, но, без сомнения, датское фосфористое железо обладало необыкновенным потенциалом, все стороны которого еще до сих пор не раскрыты.

 

Шлак

Морфологически, различаются два типа шлака: (1) шлак, который вытекал или выплескивался из формирующейся железной крицы в течение процесса нагрева (плавильный шлак); и (2) шлак, который выдавливался из куска сыродутного железа в процессе его проковки (кузнечный шлак). Эта классификация может быть и далее продолжена; в случае плавильного шлака, в зависимости от того, застывал ли шлак внутри  горна или вне его, он назывался «шлаковым блоком» или «шлаком выпуска» соответственно. Таким образом, от процесса восстановления болотной руды в железную крицу остается шлак, морфологические признаки которого зависят от типа используемого горна. Напротив, от процесса очищения крицы от шлака и ее проковки остается кузнечный шлак. Кузнечный шлак заключает в себе мелкую окалину, округлые выплески шлака, мелкие фрагменты железной крицы и частички железа. Но в процессе очистки крицы некоторое количество шлака все-таки остается и в самом куске железе. Шлаковые включения можно увидеть через микроскоп и их можно охарактеризовать в соответствии с принятыми в шведской Службе Стандартов Железа SS 11 11 16 диаграммами II для описания неметаллических включений. В этой системе описывается внешний вид включений шлака, и дается числовая оценка их количества. Включения шлака могут быть круглыми (AS и DH), овальными (AH и DM), плоскими (AM и AT), или они могут составлять длинные непрерывные полосы (CH и СМ). Химический состав шлака зависит, помимо других факторов, также от состава болотной руды, используемой при восстановлении железа. Сравнивая химический состав шлаковых включений в железных объектах с составом шлака из железоделательных горнов, можно примерно оценить, откуда было привезено железо, использовавшееся для изготовления данного предмета. Трудность в определении происхождения болотного железа состоит в неоднородности состава железа.

Sjællandsk myremalm - mere end en teoretisk mulighed

Myremalmen ligger lige under overfladen i Holbæk Museums område

Myremalmen er skrabet frem - magnet = 20 cm



Klumpen af myremalm er vippet op - magnet = 20 cm



Iron knives from Denmark - 500 BC - AD 1500

Iron knives are well suited to historical analysis of the production, distribution and consumption of iron. With the knives as one’s point of departure the work can encompass a long, continuous chronological development, for knives were forged throughout the two thousand years when the farmers produced iron from the Danish bog ore. So far metallurgical analyses have been published of two knives from Hagestad in Scania, eight knives from Haithabu/Hedeby, ten knives from Illerup Ådal, two knives from Idskov and one knife from Vogn. In addition two iron knives from Hedegård, one from Hørup and eight knives of Technological Knife Types I and II have been published in summary form. The present study comprises the metallurgical analysis of 62 knives, 14 of which have been dated to the Early Iron Age (c. 100 BC-200 AD) and 47 to the Late Iron Age and Viking Age (c. 200-1000 AD). It is evident from the analyses that the Danish forging technology was chronologically, functionally and perhaps also regionally determined. One can establish six technological knife types: six different ways in which the smiths combined pure iron and carbon iron when they forged knives.

Knife forged from one piece of iron containing less than
 0.35% carbon

Knives forged from one piece of iron

Knives forged from one (or more) pieces of iron that contain less than 0.35% carbon and where no welded joint has been laid along the centre line of the knife are defined as Technological Knife Type I. In Denmark knives were forged in this way throughout the two thousand years when the farmers produced iron from Danish bog ore. Out of 14 iron knives from the Pre-Roman and Early Roman Iron Age found in graves and analysed, 12 (= 85%) are of Technological Knife Type I. This knife type is not quite as frequent in the graves from the Late Iron Age and Viking Age, making up 7 out of 36 (= 19%). The slag inclusions in the iron in four Viking Age knives of pure iron have been analysed with a view to establishing the provenance of the iron. The ore used for the iron in the knife from Stengade II Grave HÅ was dug up West Jutland; in the knife from Bogøvej Grave S I-II it was dug up on the Scandinavian Peninsula; while the two-edged knife found in Kaagaarden Grave EC was forged from iron extracted from eastern Danish bog ore. Only the iron in the knife from the woman’s grave Ketting Grave XV may have been produced from local bog ore.

A semicircular knife from the Early Iron Age, where the weld was deliberately
 placed along in the centre line of the knife

Knives forged from two pieces of iron with af weld along the centre line

Knives forged from two (or more) pieces of iron that contain less than 0.35% carbon and where the weld was deliberately placed along in the centre line of the knife are defined as Technological Knife Type II. Among the investigated iron knives from the Danish Iron Age and Viking Age, the type is a rare but distinctive element. It has been observed in a semicircular knife from the Early Iron Age and in a narrow, very pointed knife where the tang is almost twice as long as the blade, from the Late Iron Age.

Knives forged from carbon iron

Knives forged from one or more pieces of iron containing more than 0.35% carbon are defined as Technological Knife Type III. Of the 62 knives analysed, two knives were forged with this technique, one of which only has a very slightly elevated carbon content.

Knives forged from two pieces of pure iron and one piece of carbon iron

Knives forged from three (or more) pieces of iron, where the middle piece or pieces were extended right through to the back of the knife and contained more than 0.35% carbon, and where the outermost pieces contained less than 0.35% carbon, are defined as Technological Knife Type IV. Of 40 analysed knives from Late Iron Age graves, 22 were forged as Technological Knife Type IV. NM C 5906 is so far the earliest dated Danish knife that was forged as Technological Knife Type IV. The knife was found in Grave 5 at the burial site Lousgaard on Bornholm and can be dated to shortly before the year 600. The carbon iron that was used for the knife cannot be traced to the Danish area.

 Knife forged from two pieces of pure iron and one piece of carbon iron
Viking Age, Bornholm, Denmark 

Knives forged from two pieces of iron and one short piece of carbon iron

Knives forged from three (or more) pieces of iron, where the middle piece or pieces were not extended all the way through to the back of the knife and contained more than 0.35% carbon, and where the outermost pieces contained less than 0.35% carbon, are defined as Technological Knife Type V. Four Danish iron knives of Technological Knife Type V have been found. They have all been dated to the Viking Age. They are single-edged, straight iron knives from Grave BTY at Kjølvejen/Over Hornbæk, Grave 332 at Nordre Grødbygård, Grave DB at Stengade II and probably from Grave XVI at Ketting.

Knives forged from pure iron with carbon iron in the blade

Knives forged from two (or more) pieces of iron, where the knife-edge was welded on as one or more pieces of iron with over 0.35% carbon, are defined as Technological Knife Type VI. Knife FRM S7x89 from Birkely is the only knife in the study that was forged in this way.