31.05.21

Wykład 5

1

Metalurgia i 

Odlewnictwo

dr inż. Kowalski Jerzy

Metalurgia żelaza

PIECE DO TOPIENIA METALU

31.05.21

Wykład 5

2

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – do XII w.

ok.. 7000 pne. – przetapianie samorodków złota;

ok.. 6000 pne. – wytapianie ołowiu z rudy;

ok.. 5000 pne. – wytapianie miedzi z rudy;

ok.. 4000 pne. – wytapianie miedzi stopowej z rud mieszanych, 
zawierających As, Pb;

ok.. 3000 pne. – wytapianie cyny z rudy;

ok.. 2500 pne. – otrzymywanie brązu przez stapianie miedzi z 
cyną;

ok.. 1000 pne. – otrzymywanie mosiądzu przez stapianie miedzi z 
rudą cynku.

31.05.21

Wykład 5

3

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – do XII w.

Warsztat odlewniczy – malowidło z grobowca dostojnika Rechmire (Górny Egipt) z 

ok. 1567 – 1320 pne.

 

31.05.21

Wykład 5

4

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – do XII w.

Pracownia odlewnicza według wazy greckiej

31.05.21

Wykład 5

5

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – do XII w.

Rekonstrukcja pieca 
odlewniczego szybowego z 
Olimpii.

8 - miech tłoczący powietrze,

15 - otwór spustowy metalu

31.05.21

Wykład 5

6

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – do XII w.

Piec odlewniczy z tyglem wyjmowanym z XII w. (rekonstrukcja na podstawie 
opisu mnicha Teofila)

31.05.21

Wykład 5

7

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – do XII w.

Piec odlewniczy z tyglem wyjmowanym z XII w. (rekonstrukcja na podstawie 

opisu mnicha Teofila) z tyglem stałym

31.05.21

Wykład 5

8

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – od XVI do XVIII w.

Piec tyglowy z naturalnym dmuchem na palenisku (na lewo) lub na trójnogu (na 

prawo) z okresu Odrodzenia, według V. Biringuccia

31.05.21

Wykład 5

9

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – od XVI do XVIII w.

Piec tyglowy z dmuchem sztucznym na palenisku (na lewo) lub na ognisku 

kowalskim (na prawo) z okresu Odrodzenia według V. Biringuccia

31.05.21

Wykład 5

10

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – od XVI do XVIII w.

Topienie metalu w łyżce odlewniczej na trójnogu (na lewo) lub na ognisku 

kowalskim (na prawo) przy zastosowaniu dmuchu sztucznego z okresu Odrodzenia 

według V. Biringuccia

31.05.21

Wykład 5

11

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – od XVI do XVIII w.

Piece tyglowe stosowane do topienia większej ilości metalu na palenisku z gliny (na 

lewo) lub zbudowanym z cegieł (na prawo) przy zastosowaniu dmuchu sztucznego z 

okresu Odrodzenia według V. Biringuccia

31.05.21

Wykład 5

12

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – od XVI do XVIII w.

Miechy doprowadzające powietrze do pieca odlewniczego z okresu Odrodzenia, 

według V. Biringuccia

31.05.21

Wykład 5

13

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

ok. 3000 pne. – żelazo (stop) meteorytowe;

ok. 1500 pne. – wytapianie żelaza z rud 
(Armenia lub Indie);

ok. VII w. ne.  - początki metalurgii żelza na 
terenach Polski’

31.05.21

Wykład 5

14

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

Schemat dymarki na zboczu pagórka; a) przekrój pionowy; b) widok z góry; 1 – 

nachylenie pagórka, 

2 – otwór doprowadzenia powietrza, 3 – miejsce robocze.

31.05.21

Wykład 5

15

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

DYMARKA

Pierwotny piec hutniczy służący 

do otrzymywania żelaza z rud, z 
zastosowaniem węgla drzewnego. Z 
uzyskanej w dymarce bryły żelaza 
gąbczastego, przez przekuwanie, 
otrzymywano stosunkowo czyste żelazo. 
Proces ten zwany dymarkowym, znano od 
bardzo dawna (w Egipcie 3000 r. p.n.e.).

Początkowo do tego celu służyło 

tzw. ognisko dymarskie - zagłębienie 
(kotlina) w glebie, wyłożone wypaloną gliną. 
Później budowano zagłębione lub naziemne 
gliniane, rzadziej kamienne, piece szybowe 
(których pozostałością są kloce żużla). W 
wyniku dalszej ewolucji pieców dymarskich, 
związanej m.in. ze zwiększeniem wysokości 
szybu, powstał wielki piec, którego rozwój 
doprowadził do zaniechania budowy 
dymarek.

Przekrój dymarki (Muzeum Przyrody i 
Techniki w Starachowicach)

31.05.21

Wykład 5

16

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

ŻELAZO DYMARKOWE.
 

Stal lana, której proces produkcyjny kończy się w pierwszym etapie spustem 

surówki z wielkiego pieca, a w drugim odlewaniem wielotonowych kęsisk gotowej stali, 
jest wynalazkiem prawie nam współczesnym. Jeszcze w połowie XIX w. produkowano na 
skalę przemysłową wyłącznie stal zgrzewną, z wykorzystaniem procesu pudlarskiego, 
który wynalazł w 1784 r. Henry Cont (Anglia), a pierwszą stal w postaci płynnej 
otrzymano dopiero po wynalezieniu konwertora bessemerowskiego do świeżenia surówki 
(1855 r. Henry Bessemer, Anglia). Przez prawie 3000 lat stal, a właściwie żelazo, 
otrzymywano w postaci ciastowatej, porowatej i zanieczyszczonej żużlem masy, którą 
należało oczyścić i zgrzać w jednorodna bryłę. Nie wiadomo, jak wyglądały najstarsze 
piece hutnicze, ani jak dokonano wynalazku otrzymywania żelaza z rudy. Temperatura 
zwykłego ogniska jest zbyt mała do przetopienia rudy i otrzymania łupki żelaznej, a więc 
najprostsza hipoteza, o przypadkowym wytopie żelaza w ognisku obłożonym nie 
kamieniami ale rudą żelaza, wydaje się mało prawdopodobna. Doświadczenie 
przeprowadzone podczas III Festynu Archeologicznego w Biskupinie (1998 r.) przez 
Aleksandra Strzyżewskiego i przeze mnie wykazało, że do takiego niezamierzonego 
wytopu mogło dojść w prostym palenisku brązowniczym. Co prawda nie udało się w 
wyniku tego eksperymentu uzyskać grudek kowalnego żelaza, ale wydatek cieplny i 
temperatura osiągnięta za pomocą prymitywnego miecha, wystarczyły do częściowego 
przetopienia rudy darniowej i spłynięcia żużla na dno paleniska.

31.05.21

Wykład 5

17

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

 

Historyczne metody wytopu żelaza podzielić można (bardzo ogólnie, 

ze względu na postać otrzymywanego żelaza) na dwa sposoby: 

- Metoda dymarska.

  

Uzyskiwano żelazo w postaci gąbczastej masy o ciastowatej 

konsystencji (łupki), wymagającej dalszego przekuwania w celu oczyszczenia 
z żużla i resztek węgla, oraz zgrzania w jednolitą bryłę.
Metoda stosowana w starożytności i we wczesnym średniowieczu.
 

Najstarsza i najprostsza, ale budząca najwięcej kontrowersji jest 

metoda dymarska. Znana w całej Europie już w starożytności, w okresie 
wpływów rzymskich stosowana na ogromną skalę. Na terenach dzisiejszej 
Polski istniało wówczas kilka ośrodków produkcji żelaza - w Górach 
Świętokrzyskich, w okolicach dzisiejszego Opola, Warszawy i Wrocławia. 
Szacuje się, że w czasie swojego największego rozwoju (II - III w.n.e.) zarówno 
w okolicy Warszawy, jak i w Górach Świętokrzyskich produkowano 
przynajmniej 40 - 80 ton żelaza dymarkowego rocznie.

31.05.21

Wykład 5

18

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

 

Na terenach dzisiejszej Polski stosowano tzw.  SZYBOWE PIECE 

DYMARSKIE TYPU KOTLINKOWEGO. Sposób produkcji żelaza tą metodą 
nie jest jednak do końca odtworzony, choć znane są jego teoretyczne 
podstawy.

Schemat przebiegu procesu 
metalurgicznego w 
starożytnym piecu 
dymarskim, według M. 
Radwana

31.05.21

Wykład 5

19

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

 

Do naszych czasów zachowały się tylko pozostałości takich pieców 

hutniczych. Znajdowane na polach resztki glinianych szybów i powstałe 
podczas wytopu kloce żużla, o wadze przekraczającej czasem 160 kg. (Góry 
Świętokrzyskie oraz Pruszków, Brwinów i Milanówek k/Warszawy) a nawet 
300 kg. (Tarchalice - na północ od Wrocławia), bardzo długo nie były 
jednoznacznie wiązane ze starożytną działalnością hutniczą. Dopiero badania 
archeologiczne prowadzone od 1955 r. w okolicach Nowej Słupi (Góry 
Świętokrzyskie) przez Kazimierza Bielenina, ówczesnego kustosza Muzeum 
Archeologicznego w Krakowie, przy współpracy Mieczysława Radwana, 
wówczas docenta Akademii Górniczej w Krakowie, pozwoliły na próbę 
rekonstrukcji takiego pieca. Badania doświadczalne nad jego odtworzeniem 
rozpoczął prof. M. Radwan w 1957 r. W laboratorium AGH w Krakowie, a 
następnie na terenie Starachowickich Zakładów Budowy Samochodów.

31.05.21

Wykład 5

20

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

 

- Metoda wielkopiecowa.

Żelazo otrzymywano w postaci płynnego stopu o wysokiej zawartości 

węgla (surówki) odwęglanej (świeżonej) następnie w procesie fryszerskim 
(żelazo fryszerskie) lub (po 1784 r.) pudlarskim (żelazo pudlarskie). Zaczęto ją 
stosować w X w. w Styrii (Austria), w XII - XIV w. rozpowszechniła się na całą 
Europę.

FRYSZERNIA

Miejsce pracy dawnych pieców, fryszerek (żelazna skrzynia wypełniona 
węglem drzewnym, do której dyszami wdmuchiwano powietrze) do świeżenia 
surówki żelaznej, czyli usuwania zawartego w niej węgla i innych domieszek. 
Proces fryszowania stosowany był od XIII w., wyparty został w XVIII-XIX w. 
przez bardziej wydajny proces pudlarski.

 

PUDLIGARNIA

Miejsce pracy pieców pudlarskich służących do świeżenia surówki 
(oczyszczania surówki z domieszek). Proces pudlarski był procesem 
nowocześniejszym i bardziej wydajnym od fryszowania, a polegał na 
utlenianiu zawartych w niej domieszek w wysokiej temperaturze w piecach 
płomiennych opalanych węglem.

 

31.05.21

Wykład 5

21

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

Fryszerka – piec do przetapiania 
w warunkach utleniających 
niekowalnego produktu z 
dymarki;

1 – sztaba wytopionej surówki, 2 – 
dysza powietrza, 3 – położenie bryły 
żelaza zgrzewnego wsadzonej do 
rozżarzonego węgla drzewnego w 
celu powtórnego nagrzania do 
przekucia.

31.05.21

Wykład 5

22

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

Huta Żelaza w Chlewiskach - obiekt obejmuje zespół wielkopiecowy 

wybudowany przez Francuskie Towarzystwo Metalurgiczne w latach 1882-1892, w 
którego skład wchodzi wielki piec (produkował 13 t surówki na dobę), trzy prażarki rudy, 
wieża wyciągowa (tzw. gichtociąg wodny) oraz warsztat mechaniczny. Piec ten działał aż 
do 1940 r. (produkcję wstrzymali Niemcy) jako ostatni w Europie Środkowej tego typu 
obiekt pracujący w oparciu o węgiel drzewny.

Niezbędną do produkcji rudę uzyskiwano z szybów i kopalń rozrzuconych po 

okolicy, głównie w rejonie Skłobskiej Góry, skąd dowożono ją kolejką wąskotorową, a za 
opał służył węgiel drzewny wypalany w okolicznych lasach. Energię mechaniczną 
zapewniała spiętrzona rzeczka, nad która leżą Chlewiska. Obecnie mieści się tu terenowy 
oddział Muzeum Techniki w Warszawie.

Zabytkowa Huta Żelaza w 
Chlewiskach - Oddział Muzeum 
Techniki w Warszawie

Wielki Piec do wytopu surówki

Urządzenie do nadmuchu 
powietrza do wielkiego 
pieca

31.05.21

Wykład 5

23

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żelaza

Wielki piec

Schemat przebiegu procesu 
wielkopiecowego; linia ciągła – kierunek 
ruchu materiałów wsadowych, linia 
przerywana – kierunek przepływu gazów.

31.05.21

Wykład 5

24

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żelaza

Piec niskoszybowy do 
produkcji surówki; 

1 – zsyp rudy, 2 – odlot gazów, 
3 – obudowa, 4 – wyłożenie 
ogniotrwałe, 5 – 
doprowadzenie dmuchu, 6 – 
trzon, 7 – gar, 8 – dysze.

OTRZYMYWANIE 

SURÓWKI POZA 

WIELKIM PIECEM

31.05.21

Wykład 5

25

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żelaza

Przekrój pieca elektrycznego 
do wytapiania surówki;
1 – styki, 2 – masa elektrodowa, 
3 – zsyp rudy, 4 – odprowadzenie 
gazu, 5 – wykładzina ogniotrwała 
pieca

OTRZYMYWANIE 

SURÓWKI POZA 

WIELKIM PIECEM

31.05.21

Wykład 5

26

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia miedzi

Schemat pieca płomiennego (podstawowy proces w procesie przeróbki 

koncentratu miedziowego);

1 – przestrzeń robocza, 2 – kanał spalinowy, 3 – otwór do palnika.

31.05.21

Wykład 5

27

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia miedzi

Piec szybowy do wytapiania kamienia 
miedziowego (stosowany w Polsce);

1 – urządzenie zasypowe zamknięte 
podwójnym stożkiem, 2 – wylot gazów, 3 – 
dysze, 4 – skrzynie wodne, 5 – murowana 
część szybu, 6 – przewód powietrzny, 7 – 
otwór spustowy

31.05.21

Wykład 5

28

PIECE DO TOPIENIA METALU

Elektrometalurgia stali

Schematy pieców łukowych; a) o nagrzewaniu pośrednim, b) o nagrzewaniu 

bezpośrednim.

31.05.21

Wykład 5

29

PIECE DO TOPIENIA METALU

Elektrometalurgia stali

Schemat pieca indukcyjnego rdzeniowego (kanałowego);

A – cewka pierwotna (wzbudnik), B – rdzeń transformatora, C – kanał wypełniony 

ciekłym metalem, D – zasadnicza komora pieca (zbiornik).

31.05.21

Wykład 5

30

PIECE DO TOPIENIA METALU

Elektrometalurgia stali

Schemat pieca 
indukcyjnego 
bezrdzeniowego;

1 – cewka indukcyjna, 2 – 
tygiel, 3 – wyłożenie 
ogniotrwałe.

31.05.21

Wykład 5

31

PIECE DO TOPIENIA METALU

Elektrometalurgia stali

Schemat urządzenia pieca 
łukowego (typu Heraulta);

1 – trzon, 2 – sklepienie, 
3 – mechanizm przechylający, 
4 – kolumna teleskopowa, 
5 – wysięgnik, 6 – uchwyt 
elektrody, 
7 – silnik napędowy elektrody, 
8 – śruba napędu elektrody, 
9 – transformator, 10 – szyny 
zbiorcze, 11 – kable giętkie, 12 
– pierścień chłodzący 
elektrodę.

31.05.21

Wykład 5

32

PIECE DO TOPIENIA METALU

Elektrometalurgia stali

Schemat próżniowego pieca 
indukcyjnego;

1 – komora próżniowa, 2 – zbiornik z 
dodatkami stopowymi, 3 – cewka 
indukcyjna, 4 – tygiel, 5 – wlewnica, 
6 – wziernik.

31.05.21

Wykład 5

33

PIECE DO TOPIENIA METALU

Elektrometalurgia stali

Schemat budowy próżniowego pieca 
łukowego;

1 – elektroda, 2 – uchwyt chłodzony wodą, 3 – 
tygiel (miedziany krystalizator), 4 – 
odprowadzenie do pompy próżniowej.

31.05.21

Wykład 5

34

PIECE DO TOPIENIA METALU

Elektrometalurgia stali

Schamat elektronowego pieca 
próżniowego;

1 – pierścieniowa katoda, 2 – 
elektroda (stop do przetapiania), 3 – 
wlewek, 4 – krystalizator.

31.05.21

Wykład 5

35

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żeliwa

Żeliwiak bez zbiornika (po 
lewej);

Żeliwiak ze zbiornikiem stałym 
(po prawej)

31.05.21

Wykład 5

36

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żeliwa

h

ko

h

r

h

t,

 m

in

h

m

h

t

h

o

h

t,

 m

ax

h

s

h

k

P o z io m  

d y s z

S tr e f a

s p a la n ia

S tr e fa

r e d u k c ji

S tr e f a

to p ie n ia

S tr e fa

p r z e g r z a -

n ia

S tr e fa

p o d g r z a -

n ia

S tr e fa

o b o ję tn a

C O

C O

2

O

2

t

g

M e ta l

K o k s

G ó r n y   p o z io m

s łu p a

p r z e tw o r o w e g o

K o tlin a

Schemat układu stref w 
żeliwiaku

31.05.21

Wykład 5

37

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żeliwa

1 1

9

8

7

6

4

5

3

2

1

1 0

Żeliwiak z kominowym rekuperatorem 
radiacyjnym (współprądowym);

1 – dzwon do regulacji ciągu, 2 – skrzynia 
zbiorcza dmuchu gorącego, 3 – połączenie 
dylatacyjne, 4 i 5 – walczaki rekuperatora: 
wewnętrzny i zewnętrzny, 6 – użebrowanie 
walczaka wewnętrznego, 7 – izolacja, 8 – skrzynia 
zbiorcza dmuchu zimnego, 9 – palnik, 10 – otwór 
wlotowy, 11 – otwór wsadowy.

31.05.21

Wykład 5

38

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żeliwa

4

3

8

6

7

1

2

5

1 1

1 2

1 4

1 0

1 3

9

Schemat instalacji pieca „Flaven”;

1 – komora przegrzania, 2 – trzon, 3 – ruszt, 4 – komin, 5 – palniki, 6 – waga wsadowa, 7 – 
wózek wsadowy, 
8 – pomost wsadowy wraz z automatyką, 9 – pompa podająca ropę, 10 – wentylator, 11 – 
rurociąg doprowadzający ropę, 12 – przewody powietrzne, 13 – rurociąg wodny, 14 – 
zawór.

31.05.21

Wykład 5

39

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żeliwa

31.05.21

Wykład 5

40

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żeliwa

1 8 0 0

1 6 0 0

1 4 0 0

1 2 0 0

Te

m

pe

ra

tu

ra

 [ 

C

]

Ż

e

liw

ia

k

zw

yk

ły

Ż

e

liw

ia

k 

z 

go

rą

cy

m

dm

uc

he

m

P

ie

c 

pł

om

ie

n

ny

st

ał

y

P

ie

c 

pł

om

ie

n

ny

pr

ze

ch

yl

ny

 n

a 

ro

pę

P

ie

c 

pł

om

ie

n

ny

ob

ro

to

w

y

P

ie

c 

el

ek

tr

yc

zn

y

0

Temperatury przegrzania ciekłego metalu uzyskiwane w różnych 

piecach