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Verhütter/in
Der Verhütter[1] gewinnt aus metallhaltigen Mineralien, den sogenannten Erzen, das reine Metall.
Erz enthält neben dem interessierenden Metall praktisch immer auch noch andere Bestandteile. Die unbrauchbaren Mineralien, welche die sogenannte „Gangart“ bilden, werden bei der Verhüttung vom Metall geschieden. Auch Verunreinigungen werden herausgelöst. Das Metall selbst liegt meist in Form von Verbindungen vor; es wird durch während der Verhüttung ablaufende chemische Reaktionen in die elementare Form überführt. (Einige wenige Metalle können auch in der Natur in elementarer Form gefunden werden; die wichtigsten sind Gold, Silber, Kupfer, Platin, Antimon und Arsen.)
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Der Anteil an reinem Metall, den ein Erz enthalten muss, damit sich der Abbau lohnt, ist von Metall zu Metall verschieden: Während Eisenerz zum Beispiel aus mindestens 50% Eisen bestehen soll, liegt die unterste Grenze bei Gold bei 0,0001%.
Nach dem Abbau wird das Erz zunächst aufbereitet: Noch beim Bergwerk wird das Material zerkleinert, und unbrauchbare Gesteinsstücke werden aussortiert. Damit erfolgt eine erste grobe Konzentrierung des Metalls.
Bei der klassischen Verhüttung wird das Erz im Verhüttungsofen geschmolzen. Dabei entsteht als Abfallprodukt die sogenannte „Schlacke“, welche eine geringere Dichte hat als das geschmolzene Metall, nicht mit diesem mischbar ist und daher als klar abgegrenzte eigene Schicht auf der Metallschicht schwimmt. Die Schlacke besteht einerseits aus Gangart und Verunreinigungen des Erzes, andererseits aus vor dem Schmelzen zugefügten Zuschlagsstoffen. Letztere haben den Zweck, den Schmelzpunkt der Schlacke zu erniedrigen und zugleich ihre Fliessfähigkeit zu erhöhen. Lässt man die Schlacke abfliessen, bleibt darunter das gereinigte Metall zurück.
Geschichte
Der Übergang von der Steinzeit zu den Metallzeiten begann von ca. 7000 v. Chr. an in Westasien. Zunächst konnten bloss Metalle verarbeitet werden, die in der Natur gediegen, d.h. in elementarer Form vorlagen und weich genug waren, dass sie auch in kaltem Zustand verformt werden konnten. Dies waren vor allem Kupfer und Gold.
Für die Entwicklung der Verhüttungstechnik war eine Innovation auf einem anderen Gebiet richtungsweisend: In der Jungsteinzeit begannen Menschen, Keramik herzustellen, d.h. im Töpferofen gebrannte Tongefässe und -objekte. Mit dem Töpferofen wurde Feuer in der handwerklichen Produktion erstmals gezielt eingesetzt. Ab dem 7. Jahrtausend v. Chr. breitete sich die Herstellung von Keramik in Westasien aus. Und mit Tiegeln aus Keramik nahm schliesslich auch die Verhüttung von Erz ihren Anfang.
Kupfersteinzeit
Das erste Metall, das in grossem Massstab durch Verhüttung gewonnen wurde, war Kupfer. Die Kupferverhüttung wurde im späten 6. Jahrtausend v. Chr. ungefähr gleichzeitig und unabhängig voneinander auf dem Balkan und in Persien entwickelt. Damit beginnt in Westasien ein neues Zeitalter: das Chalkolithikum oder die Kupfersteinzeit. Europa hinkte um Jahrhunderte hintennach, eine Ausnahme war Spanien, wo sich in der Nähe des heutigen Almeria (Andalusien) Verhüttung bereits im 5. Jahrtausend nachweisen lässt.
Die ersten verhütteten Erze waren vermutlich die Kupferminerale Malachit, Azurit und das relativ seltene Cuprit: Sie kommen nicht nur nahe der Erdoberfläche vor und sind durch ihre auffällige Färbung leicht zu finden, sondern lassen sich auch mit einfachsten Methoden verhütten. Ein Tiegel und Holzkohle reichen aus, um unter Erhitzung aus dem Erz das Metall zu gewinnen.
Für andere Erze sind aufwendigere Verfahren notwendig. Häufig werden sie zum Beispiel vor der eigentlichen Verhüttung „geröstet“, eine Technik, die wahrscheinlich erst in der Bronzezeit (s. unten) erfunden wurde: Das Erz wird an der Luft bzw. unter Luftzufuhr erhitzt und wandelt sich dabei in ein Zwischenprodukt um, das nun einfach zu verhütten ist. In Öfen mit ausreichend Sauerstoffzufuhr können beide Prozesse nacheinander in einem Arbeitsgang erfolgen.
In der Frühzeit der Metallgewinnung wurde die Verhüttung normalerweise innerhalb der Siedlungen durchgeführt. Man verwendete überwiegend Keramiktiegel, die man mit einem Gemisch aus Metallerz und Holzkohle füllte. Hie und da gab es erste, sehr einfach gebaute Öfen: Man grub ein Loch in den Boden und kleidete die Grube mit Steinen aus. Zum Anfachen der Glut benutzte man Blasrohre.
Kupfer blieb bis zum Ende des Chalkolithikums das hauptsächliche, in den meisten Regionen sogar das einzige Metall, das durch Verhüttung gewonnen wurde. Blei und Silber kamen im späten 4. Jahrtausend v. Chr. in Anatolien und Persien hinzu, ein wenig später dann in grossen Mengen auch in Mesopotamien.
Bronzezeit
Um 3000 v. Chr. begann in Westasien die Bronzezeit. Die Verhüttungstechnik machte einen Sprung. Zum ersten Mal wurden nun richtige Öfen gebaut, und zwar nunmehr in der Nähe der Erzlager, typischerweise auf Hügeln. Eine Öffnung auf der Windseite sorgte für Luftzufuhr. In diesen Öfen konnten erheblich grössere Mengen Erz verhüttet werden als es bisher möglich gewesen war. Das gewonnene Metall wurde in Barren transportiert und am Zielort von Schmieden oder Giessern zu fertigen Produkten verarbeitet.
Im 2. Jahrtausend v. Chr. folgten weitere Innovationen: Die Schlackenbildung wurde durch gezielte Zugabe von geeigneten Stoffen verbessert; der neu erfundene Blasebalg sorgte dafür, dass die Öfen auch bei Windstille betrieben werden konnten. Die Luftzufuhr konnte damit zudem erheblich erhöht werden, was wiederum den Bau von grösseren Öfen sowie höhere Temperaturen ermöglichte. Ein weitverbreiteter Ofentyp am Ende der Bronzezeit war der Schachtofen, ein gemauerter Kamin, dessen prinzipieller Aufbau bis in die Neuzeit hinein im wesentlichen gleich blieb.
Umweltverschmutzung und Gesundheitsrisiken
Die Kehrseite des Fortschritts war eine massive Kontamination der Umwelt in den Bergbaugebieten: Die Anreicherung von Schwermetall im Boden, in den Flüssen und im Grundwasser sowie die Freisetzung von Russpartikeln und Gasen in die Atmosphäre erreichten an vielen Orten gesundheitsschädigende Ausmasse. Moderne Berechnungen haben ergeben, dass im Römischen Reich durch die Metallproduktion jährlich mehr Abgase in die Luft gelangten als im 19. Jahrhundert. Für die damaligen Verhütter, aber ebenso allgemein für alle Menschen, die in den Bergbaugebieten lebten, hatte die Verschmutzung permanente Vergiftung zur Folge. Auf die Krankheitsbilder lässt sich vom heutigen Wissensstand aus schliessen; zu ihnen gehörten akute Beschwerden wie Übelkeit und Erbrechen, Vereiterung der Nasenscheidewand oder Lungenentzündung ebenso wie langfristige Folgeschäden, darunter Nierenversagen, Lungenkrebs, Leberschäden oder Bluthochdruck, welche häufig zu einem frühen Tod führten.
Eisenzeit
Um ca. 1200 v. Chr. beginnt in Vorderasien und im östlichen Mittelmeerraum mit der Entwicklung von Eisenverhüttungsverfahren die Eisenzeit. Eisen war bereits zuvor in geringen Mengen als zufälliges Nebenprodukt bei der Kupferverhüttung angefallen, für die gezielte Verhüttung von Eisenerz waren jedoch eigene Methoden erforderlich. Entscheidend ist, dass geschmolzenes Eisen mit dem in der Holzkohle enthaltenen Kohlenstoff Verbindungen eingeht. Die Materialeigenschaften der verschiedenen Eisenarten sind abhängig vom Kohlenstoffgehalt:
- Reines Eisen ist relativ weich und kann sehr gut durch Schmieden bearbeitet werden, lässt sich hierdurch aber nicht härten. Auch ist es korrosionsanfällig.
- Stahl enthält 0.01-2% Kohlenstoff. Stahl ist erheblich härter als reines Eisen, kann ebenfalls gut geschmiedet werden und ist zugleich weniger korrosionsanfällig.
- Gusseisen (Roheisen) enthält mehr als 2% Kohlenstoff. Es ist so spröde, dass es sich nicht zur Bearbeitung durch Schmieden eignet. Die dünnflüssige Schmelze lässt sich aber sehr gut vergiessen; das entstehende Produkt ist korrosionsbeständig, abnutzungsresistent und äusserst formstabil.
Reines Eisen hat mit 1539°C einen sehr hohen Schmelzpunkt. So hohe Temperaturen konnten in den Öfen der Eisenzeit nicht erreicht werden, das Eisenerz musste somit im festen Zustand verhüttet werden. Unmittelbares Produkt der Verhüttung war der sogenannte Eisenschwamm (auch: Luppe), ein porenreicher Metallklumpen, der durch Schlacke, Kohlestücke und Reste von Erz verunreinigt war. Diese Fremdkörper mussten durch heisses Schmieden aus dem Eisen gepresst werden. Zur Umwandlung in Stahl wurde das Eisen anschliessend aufgekohlt: Es wurde in Kohlepulver erhitzt und danach abgeschreckt. Die Gewinnung von Stahl aus Eisenerz war somit ein sehr aufwendiger und langwieriger Prozess.
Frühe Metallurgie in China
Metallgewinnung und Metallbearbeitung begannen in China später als in Westasien; die ältesten metallenen Artefakte stammen aus dem 3. Jahrtausend v. Chr. Möglicherweise dienten die Steppenbewohner als Vermittler metallurgischer Techniken. Chinas metallurgische Entwicklung verlief von nun an aber weitgehend unabhängig von derjenigen in Westasien und Europa; in vielem war China dem Westen zeitweilig sogar weit voraus. So zum Beispiel in der Herstellung und Verarbeitung von Gusseisen: Schon im 5. Jahrhundert v. Chr. wurden in China Hochöfen zur Gewinnung von Gusseisen gebaut, welches gegossen oder zu schmiedbarem Stahl umgewandelt wurde. Im 1. Jahrhundert n. Chr. wurden leistungsfähige Blasebälge entwickelt, die durch Wasserkraft angetrieben wurden und den Betrieb grosser Hochöfen ermöglichten. Demgegenüber blieb die Herstellung von Gusseisen in Europa bis ins späte Mittelalter unbekannt.
Griechische und römische Antike
Eine enorme Steigerung der Metallproduktion brachte die griechische und römische Antike mit sich. Metalle wurden überall gebraucht: Für die Herstellung von Waffen und Rüstungen (→ Klingenschmied, Harnischschmied, Helmschmied), Münzen (→ Stempelschneider), Schmuck (→ Goldschmied, Silberschmied), Alltagsgeräten, Skulpturen (→ Bronzegiesser). Die ungesunde Arbeit in den Bergwerken und an den Verhüttungsöfen wurde nun vielfach von Sklaven und Kriegsgefangenen verrichtet.
Europa in Mittelalter und Renaissance
Nach dem Untergang des römischen Reiches kamen in Westeuropa Erzbergbau und Verhüttung praktisch zum Erliegen. Als im Hochmittelalter die Metallproduktion wieder einsetzte, geschah dies vorerst auf einem technologisch niedrigeren Niveau, als es in der Antike erreicht worden war; es dauerte eine Weile, bis man erneut einen Stand erreicht hatte, von dem aus neue Entwicklungen möglich wurden.
Mit der Entdeckung von Erzvorkommen war häufig der Aufschwung von Städten oder ganzer Regionen verbunden. Zentren des Bergbaus entwickelten sich im deutschen Raum zum Beispiel um den Rammelsberg und das Erzgebirge. Durch Silbervorkommen im Schwarzwald wurde unter anderem auch Basel reich.
In der Eisenverhüttung kam es im Spätmittelalter zu entscheidenden Innovationen. Bereits im Hochmittelalter hatte man zum Antrieb der Blasebälge, welche den benötigten Sauerstoff in die Öfen einbrachten, zunehmend Wasserkraft genutzt. Die verbesserte Sauerstoffzufuhr erlaubte den Bau grösserer Öfen, in welchem erheblich grössere Mengen Erz verhüttet werden konnten. In diesen Öfen, den sogenannten Stücköfen, wurden nun aber auch erstmals Temperaturen erzeugt, die den Schmelzpunkt von Eisen erreichten oder ihn überschritten. Das Resultat war Gusseisen (Roheisen), das zusammen mit der Schlacke aus dem Ofen floss. Dies war zunächst keine willkommene Entdeckung. Das Gusseisen mit seinem hohen Kohlenstoffgehalt war spröde und nicht schmiedbar. Das Problem wurde mit der Entwicklung eines Verfahrens gelöst, mit welchem der Kohlenstoffgehalt reduziert werden konnte: Beim sogenannten Frischen schmolz man Gusseisen im Frischeofen in einem Tiegel auf und sorgte mithilfe eines Blasebalges für einen beständigen Luftstrom über der Schmelze. Durch den Sauerstoff wurde der Kohlenstoff oxidiert, das Gusseisen wurde in Schmiedeeisen oder Stahl umgewandelt.
Wasserkraft wurde auch genutzt, um die Aufbereitung des Erzes zu mechanisieren: In den sogenannten Pochwerken wurde das Erz von wassergetriebenen Hämmern zerschlagen, was zu einer enormen Leistungssteigerung führte.
Von der Frühen Neuzeit bis zur Gegenwart
Die Reformationskriege des 16. Jahrhunderts und der Dreissigjährige Krieg 1618-1648 stürzten das kontinentale Europa in eine lang anhaltende wirtschaftliche Krise. Auch der Bergbau war betroffen: Viele Hüttenwerke wurden zerstört, der Abbau in den Bergwerken wurde in einigen Regionen völlig eingestellt. Ab der Mitte des 17. Jahrhunderts setzte der Wiederaufschwung ein. Die Hüttenwerke des späteren 17. und des 18. Jahrhunderts hatten eine stark erhöhte Nachfrage nach Metallen zu befriedigen. Sie entwickelten sich zu Grossbetrieben. Trotz massiv gesteigerter Produktion in den Berg- und Hüttenwerken wurde die Metallmenge, welche in der römischen Antike produziert worden war, erst im 19. Jahrhundert erstmalig übertroffen. Ein wesentlicher Faktor hierbei war die industrielle Revolution, die im 18. Jahrhundert in England begonnen hatte und von dort aus auf den Kontinent übergriff. Ein Grossteil der Erfindungen und Innovationen der ersten Phase der Industrialisierung richtete sich auf deren unmittelbare Grundlagen: Bergbau und Verhüttung. Hier erfolgte der Einsatz von Maschinen besonders früh. Viele Arbeitsschritte wurden mechanisiert.
Von besonderer Bedeutung war die Entwicklung eines Verfahrens zur Umwandlung von Steinkohle in Koks. Bei der Verbrennung von Steinkohle wird Schwefel und Rauch freigesetzt, Steinkohle eignet sich deshalb für den Verhütter schlecht als Brennmaterial. Koks hingegen besteht fast nur noch aus Kohlenstoff und verfügt über einen sehr hohen Heizwert. Koks, in England bereits zu Beginn des 18. Jahrhunderts erstmals eingesetzt, ermöglichte insbesondere auch den Betrieb grösserer Hochöfen und damit eine erhöhte Metallproduktion.
Zahlreiche weitere Erfindungen und verbesserte Verfahren – Bessemerbirne, Konverter, automatische Sortierung von Erz durch Flotation, Schwebeschmelzverfahren, um nur eine kleine Auswahl zu nennen – hatten im 19. und 20. Jahrhundert eine enorme Produktivitätssteigerung der Hüttenwerke zur Folge. Die Entdeckung neuer Metalle führte zu vollständig neuen Methoden der Verhüttung. So wird zum Beispiel Aluminium, 1808 erstmals beschrieben, durch einen elektrolytischen Prozess gewonnen. Für Metalle mit sehr hohen Schmelzpunkten, beispielsweise Wolfram (Schmelzpunkt: 3422°C), wurde die bereits im Mittelalter bekannte, aber bis anhin kaum zur Anwendung gelangte Pulvermetallurgie weiterentwickelt.
Aus dem harten, körperlich aufzehrenden und gesundheitsgefährdenden Handwerk der antiken und mittelalterlichen Verhütter ist im 21. Jahrhundert ein weitgehend mechanisierter Beruf geworden. Die heutigen Hüttenwerke sind in der Wahl ihrer Standorte auch nicht mehr an die Nähe von Erzvorkommen gebunden. Ein Seehafen für den kostengünstigen Umschlag von Erz sowie eine gute Energieversorgung reichen aus. So importieren beispielsweise chinesische Stahlwerke Eisenerz aus Australien, verhütten es zu Stahl, und exportieren diesen wiederum in zahlreiche Länder der Welt.
Verhüttung in der Schweiz
Die Schweiz verfügt über einige Erzvorkommen, und Spuren von Bergbau und Verhüttung lassen sich bis in die Bronzezeit zurückverfolgen. Im Mittelalter nahm die Verhüttung deutlich zu, erst der Anschluss an das internationale Eisenbahnnetz Mitte des 19. Jahrhunderts brachte einen Einbruch: Da schwere Massengüter nun über weite Strecken billig transportiert werden konnten, wurden Abbau und Verhüttung der vielfach schwer zugänglichen schweizerischen Erze zunehmend unwirtschaftlich. Im Ersten und Zweiten Weltkrieg kam es, unterstützt vom Bund, zu einem letzten Aufblühen der Metallgewinnung, insbesondere aus Eisen-, Kupfer- und Blei-Zink-Erzen. Danach wurde ein Bergwerk nach dem anderen stillgelegt, und die Hochöfen erloschen: 1966 (Gonzen) und 1967 (Herznach) schlossen die beiden grössten Erzbergwerke, und 1983 ging in den Eisenwerken in Choindez auch der letzte Hochofen der Schweiz aus.
[1] Für bessere Lesbarkeit wird nur die männliche Form verwendet.
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Literatur
Bärtschi Hans-Peter: Die industrielle Schweiz vom 18. ins 21. Jahrhundert. Aufgebaut und ausverkauft, Baden 2011.
Freivogel Max, Zandonella Valentin: Eisen – Schmiedehandwerk, Kunsthandwerk, Kunst, Schaffhausen 1976.
Neukirchen Florian: Von der Kupfersteinzeit zu den Seltenen Erden. Eine kurze Geschichte der Metalle, Berlin/Heidelberg 2016.
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