Археометаллургический шлак
| Часть серии о |
| Железный век |
|---|
| ↑ Бронзовый век |
| ↓ Древняя история |
Археометаллургический шлак — это шлак , обнаруженный и изученный в контексте археологии . Шлак, побочный продукт процессов обработки железа, таких как плавка или ковка , остается на месте обработки железа, а не удаляется вместе с продуктом. Поскольку погода хорошая, она легко доступна для изучения. Размер, форма, химический состав и микроструктура шлака определяются особенностями процессов обработки железа, применявшихся во время его образования.
Обзор
[ редактировать ]Руды, используемые в древних процессах плавки, редко представляли собой чистые соединения металлов. Примеси были удалены из руды посредством процесса шлакования , который включает в себя добавление тепла и химикатов. Шлак — это материал, в котором собираются примеси руд (известные как пустая порода ), а также футеровка печи и древесная зола. Исследование шлака может дать информацию о процессе плавки, использовавшемся во время его образования. [1]
Находка шлака является прямым свидетельством того, что плавка происходила в этом месте, поскольку шлак с места плавки не вывозился. С помощью анализа шлака археологи могут реконструировать древнюю деятельность человека, связанную с работой с металлом, такую как ее организация и специализация. [2]
Современные знания о шлаковании дают представление о древнем производстве железа. В плавильной печи может сосуществовать до четырех различных фаз. От верха печи до низа фазы представлены шлаком, штейном, шпейсом и жидким металлом. [3]
шлак можно разделить на печной, выпускной и тигельный В зависимости от механизма производства . Шлак выполняет три функции. Первая – защитить расплав от загрязнения. Второе – принять нежелательные жидкие и твердые примеси. Наконец, шлак может помочь контролировать подачу рафинирующих сред в расплав.
Эти функции достигаются, если шлак имеет низкую температуру плавления, низкую плотность и высокую вязкость , что обеспечивает жидкий шлак, хорошо отделяющийся от плавящегося металла. Шлак также должен сохранять свой правильный состав, чтобы он мог собирать больше примесей и быть несмешиваемым с расплавом. [4]
такие факторы, как идентичность выплавляемого металла, типы используемой руды и технические параметры, такие как рабочая температура, газовая атмосфера и вязкость С помощью химического и минералогического анализа шлака можно узнать шлака.
Боевой порядок
[ редактировать ]Природные железные руды представляют собой смеси железа и нежелательных примесей или пустой породы . В древности эти примеси удаляли путем шлакования . [5] Шлак удаляли методом ликвации , то есть твердую пустую породу переводили в жидкий шлак. Температура процесса была достаточно высокой, чтобы шлак мог существовать в жидком виде.
Плавка велась в печах различного типа . Примерами являются цветная печь и доменная печь . Состояние в печи определяет морфологию, химический состав и микроструктуру шлака.
Блюмерная печь производила железо в твердом состоянии. Это связано с тем, что процесс цветения проводился при температуре ниже температуры плавления металлического железа. Окись углерода в результате неполного сгорания древесного угля медленно диффундирует через горячую железооксидную руду, превращая ее в металлическое железо и углекислый газ .
Доменные печи использовались для производства жидкого чугуна. Доменная печь работала при более высоких температурах и в более тяжелых восстановительных условиях, чем печь Блюмери. Более высокая восстановительная среда была достигнута за счет увеличения соотношения топлива и руды. Больше углерода вступало в реакцию с рудой, в результате чего получался чугун, а не твердый чугун. Кроме того, полученный шлак был менее богат железом.
Для изготовления «выпускного» шлака использовался другой процесс. Здесь только древесный уголь в печь добавляли . Он вступил в реакцию с кислородом и образовал окись углерода , которая превратила железную руду в металлическое железо. Ожиженный шлак отделялся от руды и удалялся через выпускной свод стенки печи. [6]
Кроме того, флюс (очиститель), древесная зола в состав шлака внесли свой вклад и футеровка печи.
Шлак также может образовываться во время кузнечного дела и переработки . Продуктом процесса блюмирования являются неоднородные блюмы захваченного шлака. Кузнечная обработка необходима для того, чтобы разрезать и удалить застрявший шлак путем повторного нагрева, размягчения шлака и последующего его выдавливания. С другой стороны, рафинирование необходимо для чугуна, полученного в доменной печи. При переплавке чугуна в мартене углерод окисляется и удаляется из чугуна. В этом процессе образуется и удаляется жидкий шлак.
Анализ шлака
[ редактировать ]Анализ шлака основан на его форме, текстуре, изотопной характеристике, химических и минералогических характеристиках. Аналитические инструменты, такие как оптический микроскоп , сканирующий электронный микроскоп ( SEM ), рентгеновская флуоресценция ( XRF ), рентгеновская дифракция ( XRD ) и масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой ( ICP-MS ), широко используются при исследовании шлака.
Макроанализ
[ редактировать ]Первым шагом в исследовании археометаллургического шлака является идентификация и макроанализ шлака в полевых условиях. Физические свойства шлака, такие как форма, цвет, пористость и даже запах, используются для первичной классификации, чтобы гарантировать получение репрезентативных образцов из шлаковых отвалов для будущего микроанализа.
Например, шлак обычно имеет морщинистую верхнюю поверхность и плоскую нижнюю поверхность из-за контакта с почвой. [7]
Кроме того, макроанализ отвалов шлака может дать оценку общего веса, который, в свою очередь, может быть использован для определения масштаба производства на конкретном месте плавки.
Объемный химический анализ
[ редактировать ]Химический состав шлака может многое рассказать о процессе плавки. РФА является наиболее часто используемым инструментом для анализа химического состава шлака. [8] С помощью химического анализа можно определить состав шихты, температуру горения, газовую атмосферу и кинетику реакции.
Состав древнего шлака обычно представляет собой четвертичную эвтектическую систему CaO-SiO 2 -FeO-Al 2 O 3 , упрощенную до CaO-SiO 2 -FeO 2 , дающую низкую и равномерную температуру плавления. [8] : 21 В некоторых случаях эвтектическая система создавалась в зависимости от соотношения силикатов и оксидов металлов в пустой породе , а также типа руды и футеровки печи. В других случаях флюс . для создания правильной системы требовался [9]
Температуру плавления шлака можно определить, нанеся его химический состав на тройную диаграмму . [10]
Вязкость шлака можно рассчитать по его химическому составу по уравнению:
где является индексом вязкости. [11]
Благодаря недавним достижениям в методах ротационной вискозиметрии также широко изучаются вязкости шлаков оксидов железа. [12] [13] В сочетании с исследованиями фазового равновесия этот анализ обеспечивает лучшее понимание физико-химического поведения шлаков при высоких температурах.
На ранних стадиях плавки разделение плавящегося металла и шлака не является полным. [9] Следовательно, основные, второстепенные и микроэлементы металла в шлаке могут быть индикаторами типа руды, используемой в процессе плавки. [8] : 24
Минералогический анализ
[ редактировать ]оптический микроскоп , сканирующий электронный микроскоп , рентгеноструктурный и петрографический анализ Для определения типов и распределения минералов в шлаке можно использовать . Минералы, присутствующие в шлаке, являются хорошими индикаторами газовой атмосферы в печи, скорости охлаждения шлака и его однородности. Тип руды и флюса, используемых в процессе плавки, можно определить, если в шлаке присутствуют элементы неразложившейся шихты или даже металлические таблетки.
Шлаковые минералы подразделяются на силикаты , оксиды и сульфиды . Бахман классифицировал основные силикаты в шлаках по соотношению оксидов металлов и кремнезема . [1] [8] : 171
- Соотношение MeO : SiO 2 примеры силиката
- 2:1 фаялит
- 2 : 1 монтичеллит
- 1,5 : 1 мелилит
- 1 : 1 пироксен
- Соотношение MeO : SiO 2 примеры силиката
Фаялит (Fe 2 SiO 4 ) — наиболее распространенный минерал, встречающийся в древних шлаках. Изучая форму фаялита, можно грубо оценить скорость охлаждения шлака. [14] [15]
Фаялит реагирует с кислородом с образованием магнетита :
- 3Fe 2 SiO 4 + O 2 = 2FeO Fe 2 O 3 + 3SiO 2
Поэтому газовую атмосферу в печи можно рассчитать по соотношению магнетита и фаялита в шлаке. [8] : 22
Наличие сульфидов металлов позволяет предположить, что использовалась сульфидная руда. металлов Сульфиды переживают стадию окисления перед плавкой и поэтому также могут указывать на многостадийный процесс плавки.
Когда фаялит обогащен CaO, образуются монтичеллит и пироксен . Они являются показателем высокого содержания кальция в руде. [1]
Изотопный анализ свинца
[ редактировать ]Изотопный анализ свинца — это метод определения источника руды при древней плавке. Изотопный состав свинца является отличительной чертой рудных месторождений и очень мало меняется на протяжении всего месторождения. Кроме того, изотопный состав свинца в процессе плавки не меняется. [16]
количество каждого из четырех стабильных изотопов свинца В анализе используется . Они есть 204 Пб, 206 Пб, 207 Pb и 208 Пб. Соотношения: 208 Пб/ 207 Пб, 207 Пб/ 206 Pb и 206 Пб/ 204 Pb измеряют масс-спектрометрией. Кроме 204 Pb, — свинца все продукты радиоактивного распада урана изотопы и тория . При отложении руды уран и торий из руды отделяют . Таким образом, месторождения, образовавшиеся в разные геологические периоды, будут иметь разные свинца сигнатуры изотопов .
- 238 В → 206 Pb
- 235 В → 207 Pb
- 232 Th→ 208 Pb
Например, Гауптманн провел изотопный анализ свинца шлаков из Файнана, Иордания . Полученная сигнатура была такой же, как и сигнатура руд из доломитовых , известняковых и сланцевых месторождений в районах Вади Халид и Вади Дана в Иордании . [8] : 79
Физические знакомства
[ редактировать ]Древний шлак трудно датировать. У него нет органического материала, с помощью которого можно было бы провести радиоуглеродное датирование . В шлаке нет никаких культурных артефактов, таких как керамические черепки, которые можно было бы датировать. Прямое физическое датирование шлака посредством термолюминесцентного датирования может быть хорошим методом решения этой проблемы. Термолюминесцентное датирование возможно, если шлак содержит кристаллические элементы, такие как кварц или полевой шпат . Однако сложный состав шлака может затруднить этот метод, если не удастся изолировать кристаллические элементы. [17]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Бахманн Х.Г. Идентификация шлаков на археологических раскопках , Институт археологии, Лондон, 1982.
- ^ Мальдонадо Б. и Ререн Т. «Ранняя выплавка меди в Иципарацико, Мексика» в Journal of Archaeological Science , 2009, том 36.
- ^ Торнтон CP и др. «Производство шписса (арсенида железа) в период ранней бронзы в Иране» в Journal of Archaeological Science 2009, том 36, стр. 308-316.
- ^ Мур Дж. Химическая металлургия Баттерворт-Хайнеманн, Оксфорд. Второе издание, 1990 г., стр. 152.
- ^ Craddock PT Добыча и производство ранних металлов Издательство Эдинбургского университета, Эдинбург, 1995.
- ^ «Археометаллургия» в Руководстве Центра археологии [Брошюра]. Английское наследие, Уилтшир, 2001 г.
- ^ Тумиати С. и др. «Древняя шахта Серветт (Сен-Марсель, Каль д'Аоста, Западно-итальянские Альпы): минералогический, металлургический и угольный анализ печных шлаков» в Archaeometry , 2005, том 47, стр. 317–340.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Гауптманн А. Археометаллургия меди: свидетельства Файнана, Джордана Спрингера, Нью-Йорк, 2007.
- ^ Jump up to: а б Крэддок П. «Научное исследование ранней добычи и плавки» в Хендерсоне Дж. (Ред.) Научный анализ в археологии Комитет археологии Оксфордского университета, Оксфорд, Институт археологии, Лос-Анджелес и Институт археологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Распространяется Oxbow Books, 1989, стр. 178–212.
- ^ Кьярантини Л. и др. «Производство меди в Баратти (Популония, южная Тоскана) в ранний этрусский период (9–8 века до н.э.)» в Journal of Archaeological Science, том 36, стр. 1626-1636, 2009.
- ^ Чем ниже Kv, тем выше вязкость.
- ^ Рагхунатх, Шрикант (апрель 2007 г.). Измерение высокотемпературной вязкости в шлаках (под ред. Диссертации). Брисбен, Австралия: Университет Квинсленда.
- ^ Чен, Мао; Рагхунатх, Шрикант; Чжао, Баоцзюнь (июнь 2013 г.). «Измерения вязкости шлака FeO-SiO2 в равновесии с металлическим Fe». Металлургические операции и операции с материалами B . 44 (3): 506–515. дои : 10.1007/s11663-013-9810-3 . S2CID 95072612 .
- ^ Дональдсон CH «Экспериментальное исследование морфологии оливина» в журнале «Вклад в минералогию и петрологию», том 57, стр. 187–195, 1976.
- ^ Эттлер В. и др. «Минералогия средневековых шлаков от выплавки свинца и серебра» в книге «К оценке исторических условий плавки» в Archaeometry vol 51:6 p987-1007, 2009.
- ^ Стос-Гейл З., А. «Исследования изотопов свинца металлов и торговля металлами в Средиземноморье бронзового века» в Хендерсоне Дж. (ред.) Научный анализ в археологии Комитет археологии Оксфордского университета, Институт археологии, Лос-Анджелес, Институт археологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. 1989 стр. 274-301. Распространяется Oxbow Books.
- ^ Хаустейн М. и др. «Датирование археометаллургических шлаков с использованием термолюминесценции» в Archaeometry 2003, 45:3, стр. 519-530.