Hutnictwo w Polsce ma bogatą historię sięgającą czasów średniowiecza. Najstarsze ślady hutnictwa żelaza na terenie naszego kraju są datowane na około 2000 lat. Na ziemiach polskich prowadzono wytop rud metali: żelaza, miedzi, cynku i ołowiu. Zapis najstarszej gałęzi przemysłu stanowią żużle powstające w wyniku przeróbki wydobywanych rud metali. O tym, co się w nich znajduje i jak interpretować dane, opowiadają prof. dr hab. Aleksandra Gawęda oraz dr inż. Krzysztof Kupczak z Wydziału Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.

Prof. dr hab. Aleksandra Gawęda i dr inż. Krzysztof Kupczak

– W związku z tym, że tradycje górnicze i hutnicze, szczególnie w południowej Polsce, są bardzo bogate, aż prosiło się, aby pochylić się nad tym tematem. Począwszy od Złotego Stoku w Sudetach, gdzie pozyskiwano złoto, poprzez obszar Górnego Śląska i zachodniej Małopolski z rudami cynku i ołowiu, aż po Staropolski Okręg Przemysłowy w dzisiejszym województwie świętokrzyskim, gdzie wydobywano miedź i żelazo – wszędzie tam znaleźć można pozostałości działalności górniczo-hutniczej i obróbki metali. To właśnie one stały się dla nas kluczowym źródłem informacji – mówi prof. dr hab. Aleksandra Gawęda.

Temat ten podjął dr inż. Krzysztof Kupczak, który postanowił możliwie najdokładniej odtworzyć warunki, w jakich prowadzono wytop hutniczy na przestrzeni setek lat. Realizowany przez niego grant był więc kontynuacją projektu zrealizowanego w latach 2018–2025 przez dr. Rafała Warchulskiego, prof. UŚ, oraz prof. dr hab. Aleksandrę Gawędę.

– Kluczowe dla oceny procesu metalurgicznego były parametry, takie jak: temperatura, lepkość stopu, szybkość chłodzenia, a także redukcyjność środowiska podczas wytopu. Informacje te można uzyskać dzięki badaniu składu żużli, czyli pozostałości powstających w wyniku wydobywania metali z rud – wyjaśnia dr inż. Krzysztof Kupczak.

Najstarsze próbki pochodziły z przełomu naszej ery, a badania kończyły się na wieku XIX. Wybór zakresu dat był nieprzypadkowy, wszystko zależało bowiem od tego, w jakim okresie wydobywano dane metale i jaki materiał do badań udało się pozyskać. Najstarsze próbki związane były z produkcją żelaza. Najpóźniej, bo w XIX wieku, zaczęto produkować cynk, ponieważ dopiero wtedy odkryto skuteczny sposób otrzymywania go w formie metalicznej z rudy.

– Przygotowania do realizacji grantu zaczynaliśmy od identyfikacji miejsc, w których mogłyby się znajdować interesujące nas żużle. Kolejnym etapem były analizy petrograficzne i chemiczne zebranego materiału. Mając te dane, mogłem zająć się rekonstrukcją procesów wytopu interesujących mnie metali – mówi geolog.

Naukowiec sięgał też do różnych źródeł historycznych. Jak przyznaje, najlepszym punktem odniesienia była De Re Metallica. Dzieło Georgiusa Agricoli, napisane w XVI wieku, stanowiło kompendium wiedzy o górnictwie oraz metalurgii. To nie tylko opis procesów, ale i urządzeń stosowanych w przeszłości. Dr inż. Krzysztof Kupczak na podstawie tych opisów przygotował wiele graficznych rekonstrukcji dawnych urządzeń. Opracował również specjalny program komputerowy pozwalający ocenić lepkość stopu, temperaturę oraz stopień redukcyjności środowiska panującego podczas wytopu.

Rekonstrukcja huty w Złotym Stoku (u góry) i Miedzianej Górze (na dole)

– Warto dodać, że program ten spotkał się z dużym zainteresowaniem ekspertów. Otóż dr hab. inż. Marian Niesler, jeden z recenzentów rozprawy doktorskiej dr. inż. Krzysztofa Kupczaka, wyraził zainteresowanie współpracą, co bardzo nas cieszy. Są szanse, że program ten nie będzie służył wyłącznie badaniu historycznych procesów metalurgicznych, lecz przyczyni się także do rozwijania współczesnych etapów produkcji różnych materiałów – podkreśla prof. Aleksandra Gawęda.

Żelazo

– Spośród wszystkich interesujących mnie metali najłatwiej można było wydobyć żelazo. Historia wydobycia sięga też najstarszych czasów – mówi dr inż. Krzysztof Kupczak.

W tym przypadku rudę wkładano do tzw. pieca dymarkowego. Był to najstarszy typ pieca hutniczego wykorzystywanego w Europie Środkowo-Wschodniej i Środkowo-Północnej. Do środka, oprócz rudy, trafiał także węgiel drzewny, który pełnił rolę źródła ciepła oraz reduktora. W wyniku rosnącej temperatury powstawało żelazo o gąbczastej strukturze. Reszta w formie płynnego stopu (żużla) migrowała do specjalnej kotlinki.

Złoto

Historia wydobycia złota, podobnie jak w przypadku żelaza, sięga prehistorii. Z czasem udoskonalano metody pozyskiwania kruszcu.

Odkrycia dr. Krzysztofa Kupczaka ujawniają fascynujący proces pozyskiwania złota od XV do XVII wieku. Początkowo tworzono stop siarczkowy-arsenkowy, w którym koncentrował się cenny kruszec. Następnie dodawano ołów, co ponownie pozwalało na jego akumulację. Kluczową rolę odgrywał tu piec szybowy z wysoką komorą. W kolejnym etapie, już w piecu kupelacyjnym, metal oddzielano od ołowiu poprzez utlenianie.

– Ta procedura rozpalała wyobraźnię! Były to czasy, gdy kwitła alchemia, a marzenia o transmutacji, czyli przemianie ołowiu w złoto za pomocą kamienia filozoficznego, były na porządku dziennym – mówi prof. Aleksandra Gawęda. – Wystarczy zanurzyć się w lekturze Hrabiny Cosel Józefa Ignacego Kraszewskiego, by poczuć ducha epoki i zrozumieć, jak bardzo te poszukiwania fascynowały ówczesnych ludzi – dodaje badaczka.

Tymczasem w hutach nie działa się żadna magia, tylko zachodziły tam całkiem dobrze poznane przez nauki przyrodnicze procesy, a naukowcy prowadzili swoje eksperymenty.

Ołów

W Polsce ołów pozyskiwany był od XI wieku. Historia jego wydobycia dobiegła końca w 2020 roku, kiedy to zamknięto ostatnią kopalnię rud cynku i ołowiu w Olkuszu. Dawniej, w procesie hutniczym, wykorzystywano rudy siarczkowe. Pierwszym krokiem było uwolnienie metalu z siarki poprzez prażenie w wysokiej temperaturze, co powodowało zmianę siarczków w tlenki. Następnie prażoną rudę mieszano z węglem drzewnym i przetapiano w piecu szybowym w temperaturze sięgającej 1150°C. W tym gorącym procesie ołów – ciężki i gęsty – spływał na dno pieca, podczas gdy lżejszy żużel gromadził się na górze, stanowiąc poprodukcyjny odpad.

Miedź

Kolejny metal, którego proces pozyskiwania badał dr inż. Krzysztof Kupczak, stanowiła miedź. Z perspektywy historycznej, pierwszym etapem produkcji metalu było wytapianie rud siarczkowych w celu uzyskania surowego stopu siarczkowego. Gdy zakumulowana w nim została miedź, ponownie ten materiał przetapiano w warunkach utleniających, co powodowało oczyszczenie stopu z siarki tak, że pozostawała jedynie metaliczna miedź.

Cynk

Z historią wydobycia tego metalu wiąże się z kolei ciekawy przypadek Johanna Christiana Ruberga, któremu zawdzięczamy rozwój przemysłu cynku w Polsce. Ten niemiecki wynalazca był sztygarem w kopalni Emanuelssegen w Murckach, a także zarządzał hutą szkła w Wesołej. Eksperymentował z wytopem cynku, a zaprojektowany przez niego w 1798 roku piec z czterema muflami dał początek hucie cynku, także zlokalizowanej w Wesołej. Opracowana przez niego metoda została nazwana śląską i przyczyniła się do wzrostu opłacalności produkcji tego metalu na skalę przemysłową.

– Wydawałoby się, że dzięki swoim wynalazkom powinien stać się bogaczem. Niestety, mimo próby ochrony procesu produkcyjnego wiedza o nim stała się powszechna i zaczęła być wykorzystywana w innych hutach, a sam Ruberg umarł w nędzy – komentuje dr inż. Krzysztof Kupczak.

W historii metalurgii momentem przełomowym było zastosowanie wielkich pieców do produkcji stali na skalę przemysłową. To skok technologiczny, po którym rozpoczęła się walka o ciągłe ulepszanie procesów produkcyjnych.

Prace badawcze dr. inż. Krzysztofa Kupczaka nad żużlami stanowią nie tylko fascynując podróż w głąb historii metalurgii, ale również cenny wkład w analizy środowiskowe. W pozostałościach po wydobywaniu rud pochodzących z różnych okresów historycznych wciąż znajduje się wiele pierwiastków, które mogą być uznane za szkodliwe dla człowieka. Niektóre z nich, jak podkreśla prof. Aleksandra Gawęda, są na tyle stabilne, że nie zagrażają środowisku w perspektywie najbliższych kilkudziesięciu czy nawet kilkuset lat. Choć żużle kryją w sobie fascynującą historię dawnych procesów produkcyjnych, nie można wykluczyć, że ich pozostałości mogą stanowić zagrożenie dla organizmów. Dogłębne badania próbek z różnych zakątków naszego kraju pozwalają poznać pełny obraz wpływu tych historycznych pamiątek na środowisko.