18 augusti 2013

Järn i Kina och Sverige

Det gamla järnverket i Avesta är numera konstmuseum och värt ett besök. Den stora hyttan byggd av slaggsten utgör en spännande miljö för moderna konstverk. Men mycket finns också kvar från järn och stål-tillverkningen under slutet av 1800-talet fram till 1930-talet.Vill du läsa om rostugnar och masugnar för tillverkning av tackjärn, och bessemer- och martin-ugnar för färskning av järnet till stålgöt, så finns en kort beskrivning här: Avesta Järnverk Ugnarna  
En av de höga masugnarna i Avesta kunde ge 20 ton tackjärn på ett dygn, totalt gav de tre masugnarna som mest lite över 20000 ton tackjärn per år.
Se här ett litet fint schematiskt bildspel: Bildspel Avesta järnverk
Det fanns cirka 120 masugnar i Sverige för hundra år sedan. Idag finns bara tre masugnar kvar i Sverige, i Luleå och Oxelösund. Kapaciteten på den stora masugnen i Luleå är på 2,5 miljoner ton råjärn per år. Färskning görs nuförtiden med syrgas i en så kallad LD-konverter.

Det jag vill försöka reda ut nedan är hur storskalig järnframställningen var under Songdynastin i Kina på 1200-talet, och jämföra med det svenska bergsbrukets framväxt. Först krävs liten genomgång av begrepp.

Ordet "järn" anses komma av ett gammalt ord "isarno" som lånats in från keltiska, och som har en indoeuropeisk rot. Wordsense.eu anger att roten är kopplad till ordet för blod, som på på agneiska (tokariska A/turfanska) hette ysār. Samma koppling till röd färg finns på finska,  "rauta", som kommer av den röda färgen på rost. Det latinska ferrum vet man inte vad det kommer av, kanske en semitiskt låneord från feniciska.
På kinesiska heter järn tiĕ, ett ord relaterat till färgen svart, jämför engelskans blacksmith.
Referens: "Science and Civilisation in China" Vol. 5, av Joseph Needham et.al.

Tackjärnet har högre kolhalt och är sprött. På engelska heter det "pig iron" då tackorna (ingots) av någon anledning liknas vid kultingar. (Jag hittar inget belägg för att tacka skulle ha med fårtackor att göra) Färskningen minskar kolhalten så att man får gjutjärn (cast iron) eller stål. Riktigt låg kolhalt ger smidesjärn (wrought iron).

Järnåldern börjar med att man tillverkar föremål av smidesjärn, något hettiterna lyckades med ca 1400 f.Kr, men i större omfattning skedde kring medelhavet från 1100 f.Kr. Kinesisk järnålder brukar räknas från 600 f.Kr då användningen av järn får större betydelse där, även om tidigare bruk finns belagt. I västafrika fanns en tidig järnframställning, från 1200 f.Kr och i Skandinavien räknar man järnålder från 500 f.Kr. För äldre historia om järn, se t.ex. Järnets äldre historia

Innan masugnen användes enklare typer av blästerugnar (bloomery) som bestod av gropar eller murade "torn" där malmen varvades med kol och sedan blåstes luft in. Eftersom temperaturen inte blev tillräckligt hög för att smälta malmen helt erhölls ett poröst järn som kallas järnsvamp (sponge iron). Denna kunde sedan bearbetas i flera omgångar för att bli smidesjärn, ett mjukare järn som kunde formas utan alltför höga temperaturer.

En masugn (blast furnace) är en smältugn i form av ett schakt där den rostade malmen satsas i toppen med kalk och kol, och förvärmd luft blåses in i botten. Temperaturen når 1500 grader C, järnets smältpunkt är 1538 grader C. Vid tappningen har råjärnet ca 1250 grader C. Den första kända masugnen i Europa är Lapphyttan i Bergslagen som daterats till slutet av 1100-talet. Se uppsatsen Järnframställning här: Forntida teknik

Gjutjärnet är hårdare men sprödare än smidesjärnet. För att tillverka en bra kniv, en plog eller ett svärd ville man ha fram stål, som i kolhalt ligger mellan 0,25 % - 2 % (0,4 %-1,8 % enligt vissa referense). För detaljerna, se t.ex. stålbyggnadsinstitutets hemsida www.sbi.se, särskilt sidan "Stålets egenskaper".

Masugnar (hyttor) blev vanliga i Sverige, med en årsproduktion som inte gick över 20 ton per år. Under medeltiden fanns minst 200 hyttor i olika Bergslager.
Ferrum lärarhandledning. Under medeltiden levererades ca 1000 ton järn per år till Hansan i Lübeck och Danzig. Utöver det måste järn ha tillverkats som inte såldes.

Per capita blir bara det som såldes till Hansan över 1,2 kg järn per person och år, om vi räknar med 775 000 invånare. befolkningsmängd i Sverige medeltid

Min referens för kinesisk teknikhistoria är Robert Temple "Land of discovery and invention", Multimedia publication 1986, som i sin tur i huvudsak bygger på Joseph Needhams forskning. Needham är den västerländska portalfiguren för allt rörande kinesisk vetenskapshistoria, han kommer jag att återkomma till.

I Kina utvecklas teknik för att tillverka gjutjärn redan 500 f.Kr. En viktig del i detta var att man hade tagit fram dubbelverkande blåsbälgar, som gav en jämn luftström.

Temple förklarar att kineserna hade tillgång till något de kallade "svart jord" som innehöll mycket fosfor och när de satsade cirka sex procent av det i en blästerugn sänkte "smältpunkten" på järnmalmen. Under Han-dynastin tog kejsaren monopol på tekniken. Kring 119 f.Kr fanns 46 "järnbyråer" som övervakade gjutjärnsframställning.

Temple beskriver även att gjutjärnet gjorde det möjligt att tillverka tunna pannor där salt kunde tillverkas genom avdunstning av vatten från underjordiska saltvattenreservoarer. För att värma under pannorna eldades med naturgas som utvanns ur samma borrhål då gasen låg lagrad under saltvattnet. Järnet gjorde det även möjligt att tillverka borrar. Redan under Handynastin ledde detta till en utvecklad salttillverkningsindustri som gav Kina stora inkomster. Se till exempelSaltmuseum Zigong

Under Handynastin utvecklades metoder att tillverka stål, genom att upprepade gånger tillföra luft. Den beskrivs i en taoistisk "uppslagsbok" Huai Nan Tzu redan ca. 120 f.Kr. Metoden kallas "the hundred refinings method", den krävde många upprepade insatser. 

Temple beskriver även hur en annan metod för ståltillverkning utvecklades på 400-talet e.Kr.. Den gick ut på att blanda tackjärn med smidesjärn för att få rätt kolhalter för att få stål. Han citerar "Newly Reorganized Pharmacopoiea" från 638 som kort beskriver tekniken som främst användes för att tillverka svärd och liknande produkter.

Som den första stora järnkonstruktionen brukar man nämna "Iron bridge" i England från 1776. Men i Kina byggdes stora pagoder och andra konstruktioner av järn. Exempel på berömda sådan är pagoden i Luoning, Shantung från 1105.

Under Song-dynastin (960-1279) i Kina bedrevs järntillverkning i stor skala. Enligt Columbia Universitys utmärkta hemsida "Asia for Educators" tillverkades 125000 ton (amerikanska ton) per år kring 1078, vilket skulle ha varit en sexfaldig ökning från 800-talet. Songdynastins järnproduktion

Referensen till dylika beräkningar är Robert Hartwell. I en artikel av Donald Wagner från 2001 ifrågasätts om det går att göra en korrekt uppskattning utifrån de källor som finns. Wagner noterar också en stor variation i hur bergsbruket var organiserat. Hans slutsats är att det inte är orimligt med en produktion på 114 000 ton (metriska ton) per år vilket skulle motsvara 1,2 kg per person och år. Wagner jämför med en siffra för järnproduktion under Han-dynastin på 0,1 kg per person och år.
http://donwagner.dk/SongAdmin/SongAdmin.pdf

Sammanfattning. Lokalt fanns under Songdynastin betydande centra för järnframställning, med en totalt produktion på över 100 000 ton järn. Den relativa storleksordningen av järnframställningen per person var inte större än under svensk medeltid, men de kinesiska bergslagerna var många.