Rennofen

Projektwoche Rennofen
Ein Beitrag von Rolf Imdahl

Herr Crampen (der Schulschmied) und Herr Imdahl (Chemielehrer) haben sich zur Aufgabe gesetzt, einen Rennofen mit Schülern zu errichten und diesen zu betreiben, um die Technik der Eisenherstellung als grundlegende seelische/handwerkliche Erfahrung den Schülern mitteilbar zu machen. Der Ofen heißt Rennofen, weil aus ihm die Schlacke rinnt, welche bei 1200 Grad Celsius flüssiger ist als das teigige Eisen, welches versintert.

An dem Projekt nahmen 15 Schüler der Klassen 9, 10 und 11 teil, wobei auch fünf Schüler unserer Nachbarschule, einer Sonderschule mittaten. Die so genannte „Lange Ofennacht“ erwies sich als sozial bindend, da die meisten Schüler der Gruppe von ca. 18:00 Uhr des einen bis 8:00 Uhr des anderen Tages den Prozess der Verhüttung bewachten, indem die Öfen durchgehen beheizt wurden.

1. Aufbauplan und Technik der Verhüttung

 Sie brauchen einen ebenen Platz, Rasen oder Acker, auf dem Sie für einen Ofen ca. einen Platzbedarf von vier Quadratmetern einplanen müssen. Wenn das Gelände etwas abschüssig ist, sollten Sie den Anstich nach unten legen, ggf. eine Rinne nach unten schon vor graben. Wesentlich für den Ort der Verhüttung ist aber, dass er ein gutes Stück von Bäumen, Dächern oder brennbarem Material entfernt liegt, da der Funkenflug des Ofens erheblich ist.
Auf dem Boden legen Sie zunächst acht ganze Ziegelsteine zu einem Quadrat. In der Mitte muss eine Vertiefung eingelassen werden von ca. 20 cm. Im versetzten Verbund mauern sie nun mit dem Lehm vier Lagen hoch. Innen und außen wird das Mauerwerk mit Lehm dünne bestrichen, um eine ungeregelte Luftzufuhr zu unterbinden.
 Am Besten man verstreicht den Innenraum nach jeder vierten Lage, weil man sonst nicht mehr so gut drankommt. Auf die vierte Mauerlage wird in einer der Ecken das Lüftungsrohr gelegt, ca. sieben Zentimeter von der Mauer in den Schacht geschoben und ca. 30 Grad abwärts geneigt (mit Steinsplitter unterlegen).
Hier entsteht die Luppe, vom Rohr abwärts. Das Rohr muss vorher mit Gips eingeschmiert werden, damit es in der Glut nicht zuschmilzt. Nun baut man die fünfte Lage auf und schließt somit das Rohr in die Mauer mit ein. Alle entstandenen Löcher zum Brennraum werden mit Lehm zugeschmiert. Ab der siebten Lage reduziert man den Durchmesser des Schachtes um einen halben Stein, also entweder halbiert man die Steine, oder man legt eine Seite mit zwei, die gegenüberliegende ebenfalls mit zwei Steinen, die restlichen aber mit nur einem Stein.
Ab der siebten Lage mauert man so weit, bis man ca. 80 bis 85 cm von der Rohrspitze entfernt ist. Der Ofen soll gut verschmiert werden. Behalten Sie eine gut Portion des Lehms bereit für die weitere Abdichtung nachdem Sie den Ofen erhitzt haben.

Das Gebläse haben wir über einen dicken Plastikschlauch mit Panzerband an das Rohr angeschlossen. Bei aller Gluthitze wird das Rohr außerhalb der Mauer nur warm, man kann es mit der Hand umfassen ohne sich zu verbrennen.
 
Der Ofen muss zu Beginn, auch wenn er noch lehmfeucht ist, mit Papier und Hölzern (Dachlattenstücke) gefüllt und angezündet werden. Wir haben danach mindestens eine Stunde lang den Ofen mit Holz weiter gefeuert, bis die Wasserdampf-Schwaden entwichen sind und Rauch aus den Ritzen drang. Dann haben wir zwei Säcke Holzkohle hinein gegeben (übrigens direkt aus der Tüte) und gewartet, bis diese in heller Glut brannte – geregelt durch die Luftzufuhr. Dann haben wir das Gebläse gedrosselt, Holzkohle nachgeschüttet bis zum Ofenausgang und gewartet, bis man den entstehenden Qualm entzünden konnte. Dabei sollte man eine Fackel benutzen, Streichhölzer waren nicht so geeignet. Man muss nämlich mit einer gewissen Vorsicht das Luft-Rauchgemisch entzünden, da es sich auch explosiv entzünden kann. Wenn diese Kohlenmonoxid-Flamme entstanden ist kann man zum ersten Mal das Erz hinzugeben.

Einen Ofen haben wir mit jeweils eine Tasse Erz beschickt, den anderen mit eine ganzen Lage Erz. Hierbei muss man darauf achten, dass man die Flamme nicht erstickt, was bei uns mehrfach geschah! Wenn der Ofen wieder ein Stück hinunter gebrannt ist, wird Holzkohle nachschüttet. Dann haben wir eine Weile gewartet, bis der Schacht wieder ein wenig Raum gab und haben Eisenerz nachgelegt. Diesen Prozess haben wir solange fortgesetzt, bis wir kein Erz mehr hatten. Dann haben wir ca. eine Stunde lang noch mit Holzkohle gefeuert und dann nicht mehr weiter beschickt.

Die Verhüttung ist ein Prozess, den man beständig beobachten und führen muss. Daher sind Ofenwachen in der Nacht sehr nützlich. Die anderen können dann etwas schlafen, um dann beim Wachewechsel die Aufgabe zu übernehmen. Unsere Schüler haben nahezu alle die Nacht durchwacht, wir Lehrer auch.

Wir haben von ca. 18:00 Uhr an gefeuert und die Nacht durch bis etwas 6:00 Uhr, dann hatten wir kein Erz mehr. Bis 7:00 Uhr haben wir dann durchbrennen lassen und von diesem Zeitpunkt an nur noch gewartet, dass der Ofen abkühlt. Die Luppe kann nur aus dem Ofen geholt werden, wenn man diesen abbaut, bzw. umstößt. Daher sollte man auch tunlichst Lehm als Mörtel nehmen.

Bis 8:30 Uhr waren die Öfen noch heiß, so dass wir nur einen geöffnet haben. Auch von diesem kam uns noch eine deutliche Gluthitze entgegen. Die Luppe hatte sich unterhalb des Belüftungsrohrs gebildet, war ein riesig verbackener Kloß, der nur mit heftigen Stößen einer Eisenstange vom Mauerwerk abbrach. Nach dem Auskühlen (am nächsten Tag) konnten wir mit einem Trennschleifer Stücke von der Luppe trennen. Im Vergleich waren die Ergebnisse beider Öfen ähnlich, wir haben sehr große Luppen erhalten. Wir lagen mit der Temperatur bei ca. 1100 Grad Celsius, was wir zu Beginn nachgeprüft haben. Mit dem Gebläse kann man die Temperatur erhöhen oder erniedrigen. Wichtig ist es aber, nicht zu heiß zu werden, denn der Rennofen versintert das Eisen nur, es schmilzt das Eisen nicht.

Wir haben, so Herr Crampen als Schmied, ein Gusseisen erzeugt. Dieses ist schlecht schmiedbar und müsste „aufgefrischt“ werden, d.h. in einer Thomasbirne unter Sauerstoffeinblasung zu reinem Eisen überführt werden. Dies kann uns aber nicht gelingen, so dass wir mit dem Eisen vorsichtig eine Schmiedearbeit beginnen werden. Hier kann nur noch der Schmied sein Kunst beweisen.

Wir haben das Eisenerz sehr klein vorbereitet (ca. 2 mm Korngröße), was eine sehr große Verschmutzung der Schmiede ergab. Wenn man das Eisenerz von Thyssen Krupp gespendet bekommt, wäre eine geringere Korngröße von Vorteil, denn man hat dort Möglichkeiten, die es in Schulen nicht gibt.

Der Ofen heißt Rennofen, weil aus ihm die Schlacke rinnt, die eben bei 1200 Grad Celsius flüssiger ist als das teigige Eisen, das versintert. Wir haben dann auch unten den Ofen geöffnet, in dem wir ein Loch in den Boden gestoßen haben, um in die Vertiefung unter dem Schacht zu kommen. Leider floss keine Schlacke. Das hatte sicherlich zwei Gründe: 1. Das Eisenerz ist sehr rein und birgt somit wenig Schlackeanteile. 2. Wir haben kaum Zuschläge wie Kalk o.ä. hinzu gegeben, so dass natürlich auch deshalb nicht fließen konnte.

2. Materialbedarf und Materialquelle

Wir haben, um Variationen der Verhüttung möglich zu machen, den Bau von drei nebeneinander stehenden Rennöfen geplant. Dazu wurden zunächst in der Vorplanung 300 Backsteine, ca. 150 kg Lehm und 200 kg Holzkohle heran geschafft. Konkret wurden 600 halbe Backsteine, zwei Wannen mit ca. 150 Liter Gesamtvolumen Lehm und 210 Kg Holzkohle besorgt.

Zur Belüftung haben wir drei Eisen-Rohre mit einem Durchmesser von ca. 5 cm und einer Länge van ca. 80 – 90 cm gebraucht. Die Belüftungsrohre wurden an der im Ofen liegenden Seite mit einem Gipsmantel umkleidet, der das Schmelzen des Rohres verhindern sollte.

Ein Gebläse wurde uns auf Nachfrage freundlich von Institut für Ofenbau in Aachen ausgeliehen, das einen Durchsatz von maximal 40 Liter pro Minute schaffte.

Wesentlich für die erste Befeuerung und das Trocknen des Lehms ist ebenfalls eine große Menge an trockenem Holz.

Für die Bearbeitung beim Bau und bei der Verhüttung eines Ofens werden folgende Dinge notwendig:

• einen Spaten,
• ein Stock zum Umrühren des Lehms,
• ggf. ein Bottich zum Anrühren des Lehms,
• eine Gießkanne,
• eine Maurerkelle,
• ein Hammer, um die Steine ggf. zu halbieren,
• ein metallenes Kehrblech oder eine kleine Gartenschaufel für das Erz, eine Schubkarre,
• ein Beil,
• eine Fackel (aus Pech),
• einen Feuerlöscher (kein Wasser, denn das würde die erhitzten Steine sprengen).

Zur Temperaturmessung im Ofen eignet sich ein dickeres Bandeisen mit einer Länge von ca. 2 m.

Materialquelle:
Die Ziegelsteine haben ich aus einem Abriss besorgt, wobei es sich um so genannte Feldbrandsteine handelte, die daher einen Preis von ca. 50 Cent pro Stück hatten. Einen großen Teil konnten wir wiedergewinnen. Einen weiteren Teil konnten wir unbearbeitet lassen. Wir haben also insgesamt für einen Ofen ca. 50 ganze Steine verbraucht. Wenn ein Elternteil der Schule einen Abriss hat, oder davon hört, kann es sein, dass man für die Steine nichts bezahlten muss – außer dem Transport, der nicht ganz leicht vonstatten geht.

Die Holzkohle aus Argentinien hatte nicht nur den Vorteil, neben der Billigholzkohle aus diversen Supermärkten nicht aus dem Urwald zu stammen, sondern hatte ebenfalls einen höheren Brennwert, da das Holz eine sehr hohe Dichte besaß (1,2 Kg/dm3). Die Stückigkeit ist auch ein wichtiges Kriterium, Pressholzkohle ist nicht sehr gut geeignet. Der Preis war mit 1,85 € pro 3 Kg sehr niedrig, da der Geschäftsmann unser Projekt unterstützen wollte. Auch hier war der Transport zeitintensiv. Wir haben schlussendlich für zwei Öfen 120 kg gebraucht.

Das Eisenerz wurde dankenswerter Weise von der ThyssenKrupp Steel AG gespendet; dabei hatten wir drei Eimer á ca. 7 Liter mit einem deutlichen Gewicht von ca. 70 kg, wobei zwei Eimer schon zerkleinertes Eisenerz ca. 1cm vorlag und ein Eimer mit gesintertem Material. Einen Eimer Zuschlag (Kalk) haben wir ebenfalls erhalten. Auch hier ist an den Eigentransport zu denken. Wir haben die gesamte Menge des Erzes und zudem noch einen Eimer Hammerschlag eingesetzt.

Der Lehm war in zwei Wannen schon vorhanden, musste aber zunächst streichbar gemacht werden, d.h. mit Wasser aufgeschlämmt werden. Leider hatten wir durch die sorglose Arbeitsweise einzelner Schüler, oder der geizigen Annahme der Lehrer wegen, zu wenig Lehm. Wir haben dann noch zwei Sack Lehmputz mit Strohhächsel besorgt, der aber für unsere Zwecke einen zu hohen Preis hatte (zwei Sack für 80 €). Ein Bigpack (ein Kubikmeter) war wesentlich billiger und entsprach auch unserem Bedarf, war aber als Nothilfe nicht handelbar (es musste sehr schnell gehen, da uns der Lehm in der Bauphase ausgegangen war).

3. Bericht über die pädagogische Arbeit

Der Zeitplan sah die Einleitung des Projektes mit Einführung in die theoretische Technik, die Materialkunde und die Gruppenbildung vor. Dieser kurzen Zeit im Klassenraum folgten die Bauphase, die Vorbereitung der Erze und die Verhüttung. Zum Abschluss war die Veredelung der „Luppe“ geplant.

An dem Projekt nahmen 15 Schüler der Klassen 9, 10 und 11 teil, wobei auch fünf Schüler unserer Nachbarschule, einer Sonderschule mittaten. Die theoretische Einführung wurde von den Schülern zwar höflich, jedoch weniger intensiv aufgenommen. Klar war allen, dass wir aus dem Erz das Eisen herstellen wollten. Manchem blieb die Tatsache, dass wir nicht Herausschmelzen, sondern einen chemischen Prozess betreiben, verschlossen. Die Mehrzahl kannte die Reduktion schon aus dem Chemieunterricht der 9. Klasse.

Ein wesentliches Merkmal des Projektes waren die Herkunftsgeschichten der Materialien, die zu einer inneren Verbindung zu den benutzten Werkstoffen führte.
∑ Die Ziegelsteine stammen aus dem Umraum, aus einem Abriss einer Scheune; die Herkunft des Ziegellehmes kann auf eine Lehmgrube in der unmittelbaren Nachbarschaft zurückgeführt werden. In mehren Autofuhren kamen die Steine von Nörvenich nach Aachen.
∑ Der Lehm wurde aus einem vergangenen Projekt eines Lehmhüttenbaus übernommen. Dessen Herkunft blieb ungewiss.
∑ Das Eisenerz, gespendet von der ThyssenKrupp Steel in Duisburg, stammte aus Brasilien und wurde aus dem Seeweg nach Deutschland gebracht.
∑ Die Holzkohle stammte aus Argentinien, jedoch nicht aus Urwaldbeständen, sondern aus dem Holz des sehr harten Quebranchobaumes, der aus den Trockenwäldern und Baumsavannen stammt. Wir haben sie in einem Kölner Großmarkt bei einem argentinischen Unternehmen abgeholt.
Bei den Erklärungen zur Herkunft konnte man den inneren Bezug an den Kommentaren der Schüler ablesen, die sich vor allem über die Ziegelsteine und die örtliche Lage von Nörvenich Gedanken machten.

Die Schüler teilten sich selber in vier Gruppen auf, wobei zunächst die Schüler der Parzivalschule und die der Freien Waldorfschule unter sich blieben. Eine Kleingruppe beschäftigte sich nur mit der Dokumentation, die einen vorführbaren Film ergeben sollte. Eine weitere Gruppe sollte das Material heranschaffen, eine sollte die Baustelle vorbereiten, d.h. einebnen und pflanzenfrei machen. Die vierte Gruppe sollte die Erze vorbereiten.

Nach zunächst nur zaghafter eigener Einteilung konnte unter Eingrenzung durch die Lehrer die Gruppen Gestalt annehmen. Im Weiteren zeigte sich aber, dass die Zugehörigkeit zu einer Gruppe nicht starr eingehalten wurde, sondern sich nach den Notwendigkeiten richtete, die der Brennprozess vorgab.

Die in Aussicht gestellte praktische Arbeit zum Rennofenbau zeigte sich als wahrer Schülermagnet. Die vereinbarte Pause nach dem theoretischen Teil wurde kaum eingehalten, denn die Schüler besichtigten den Bauplatz der drei Rennöfen.

Die Vorstellung, Material heranzuschaffen war erstmal eine einfach, zeigte sich aber im Verlauf der Bauarbeiten als eine recht anstrengende Arbeit. Die Gruppe, die den Bauplatz vorbereitete, hatte sich dagegen keinerlei Vorstellungen gemacht, wie eine solche Arbeit aussehen sollte, konnte sie auch nicht an den Erfordernissen messen, da diese erst in der praktischen Ausübung erfahren wurde. Somit wurde vom Lehrer mehr angeordnet als vorher als notwenig erachtet wurde. Die Erzvorbereitung übernahm im Großen und Ganzen die Schülergruppe aus der Parzivalschule. Diese zeichnete sich durch eine grundsätzliche Zuverlässigkeit aus, mit der das Erz vorbereitet wurde, wobei diese Arbeit eine ausnehmen schmutzige und eintönige war. Die Dokumentationsgruppe, zwei Schüler aus der 11. Klasse, begannen ihre Arbeit sehr zuverlässig und griffen zudem in den Arbeitsprozess mit ein, den sie für helfenswert erachteten. Nach einer anfänglichen Einarbeitungszeit konnten nahezu alle Schüler unter geringer Motivation von Seiten der Lehrer ihre Arbeiten für den Gesamtprozess sorgfältig leisten.

Die im Theoretischen gelegene Gestaltungsidee haben die Schüler nur annähernd aufgenommen und vertrauten sich daher den von den Lehrern ausgegebenen Anweisungen und Gestaltungsplänen an – im echten Sinne also Lehrlinge.

Beim Bau der Öfen formierten sich die Gruppen wieder neu und durchmischten sich ebenfalls. Neben einem Ofen, der von 9.Klässlern in gemeinschaftlicher Arbeit errichtet wurde, konnte ein 11.Klässler mit Unterstützung und zeitweiliger Gestaltungs-Übernahme durch einen 10.Klässler einen individuellen Aufbau erstellen.

Neben der handwerklichen Geschicklichkeit und einfachen Konstruktion der Öfen war ebenfalls eine gewisse Überwindung im Umgang mit dem Werkstoff Lehm notwendig. Alle Schüler überwanden die Scheu, sich in der Bauphase schmutzig zu machen.

Die Vorbereitung der Eisenerze bündelte im Vorfeld der Verhüttung noch einmal alle Kräfte, denn die Gesteine sollten auf eine Korngröße von ca. 2 mm gebracht werden, was die Kapazität der Vorbereitungsgruppe bei Weitem überstieg. So wurden alle Schüler an die Zerkleinerung der Erze gesetzt, wobei die Notwendigkeit dieses Schrittes im Arbeitsprozess eine Motivation von Lehrerseite verringerte.

Die so genannte „Lange Ofennacht“ erwiese sich als sozial bindend, da die meisten Schüler der Gruppe von ca. 18:00 Uhr des einen bis 8:00 Uhr des anderen Tages den Prozess der Verhüttung bewachten, indem die Öfen durchgehen beheizt wurden. Auch der innere seelische Bezug zu einer Eisenverhüttung, sowohl im emotionalen wie auch im körperlich-physischen Sinne, wurde durch den hell leuchtenden Rennofenprozess gefestigt.

Die Eröffnung der Öfen am anderen Morgen zeigte handgreiflich die Urgewalt der Eisenverhüttung durch die noch nach Stunde des erloschenen Feuers herrschende Strahlungshitze. Kaum physisch ertragbar und doch erwartungsfreudig drängten sich alle Schüler um den aufgebrochenen Ofen. Auch die Suche nach der Luppe, das von Seiten der Lehrer ebenfalls authentische Bangen um den Erfolg der Arbeit, zeigte eine tiefe Wirkung in der emotionalen Beziehung zum Werkstoff Eisen. Die Nachbearbeitung der entstandenen Eisenschwämme konnte in der zur Verfügung stehenden Projektzeit nicht durchgeführt werden. Hier fehlt noch eine Verbindung zu dem bekannten Weltbereich der Schüler, die natürlich erwarten, dass aus dem unförmigen Eisenbrocken ein Nagel, eine Messerschneide, ein Hufeisen entstehen kann. Da die Luppen noch vorhanden sind und der Unterrichtsbereich Schmieden bei uns einen Stellenwert haben, wird die Weiterverarbeitung im kommenden Schuljahr möglich werden.