Produkcja starożytnego żelaza - Ancient iron production

Główny artykuł: metalurgia żelaza § wytapianie żelaza i epoka żelaza

Produkcja żelaza w starożytności odnosi się do obróbki żelaza w czasach od prehistorii do wczesnego średniowiecza, gdzie wiedza o procesach produkcji pochodzi z badań archeologicznych . Żużel , produkt uboczny procesów obróbki żelaza, takich jak wytapianie lub kowalstwo , jest raczej pozostawiany na miejscu obróbki żelaza niż usuwany razem z produktem. Również dobrze wietrza i dlatego jest łatwo dostępny do badań. Wielkość, kształt, skład chemiczny i mikrostrukturę żużla determinują cechy procesów przeróbki żelaza, jakie zachodziły w momencie jego powstawania.

Przegląd

Zobacz także: Bloomery

W rudy stosowane w dawnych procesów wytapiania rzadko czyste związki metali. Zanieczyszczenia zostały usunięte z rudy w procesie żużlowania polegającym na dodaniu ciepła i chemii. Żużel to materiał, w którym gromadzą się zanieczyszczenia z rud (tzw. Skały płonne ), a także wykładzina pieca i popiół z węgla drzewnego. Badanie żużla może dostarczyć informacji o procesie wytopu stosowanym w czasie jego powstawania.

Znalezienie żużla jest bezpośrednim dowodem na to, że doszło do wytopu w tym miejscu, ponieważ żużel nie był usuwany z miejsca wytopu. Dzięki analizie żużlu archeolodzy mogą zrekonstruować starożytną działalność człowieka związaną z obróbką metali, taką jak organizacja i specjalizacja.

Współczesna wiedza na temat żużlowania daje wgląd w dawną produkcję żelaza. W piecu do wytapiania mogą współistnieć do czterech różnych faz. Od góry do dołu pieca, fazami są żużel, kamień matowy, szlam i ciekły metal.

W zależności od mechanizmu produkcji żużel można podzielić na żużel piecowy, spuszczany lub tyglowy . Żużel ma trzy funkcje. Pierwszym jest ochrona stopionego materiału przed zanieczyszczeniem. Drugim jest przyjęcie niechcianych zanieczyszczeń płynnych i stałych. Wreszcie, żużel może pomóc w kontrolowaniu dopływu mediów rafinacyjnych do stopu.

Te funkcje są osiągane, jeśli żużel ma niską temperaturę topnienia, małą gęstość i wysoką lepkość, co zapewnia ciekły żużel, który dobrze oddziela się od topionego metalu. Żużel powinien również zachowywać prawidłowy skład, aby mógł zbierać więcej zanieczyszczeń i nie mieszał się ze stopem.

Dzięki analizie chemicznej i mineralogicznej żużla można poznać takie czynniki, jak tożsamość wytopionego metalu, rodzaje użytej rudy i parametry techniczne, takie jak temperatura robocza, atmosfera gazowa i lepkość żużla .

Tworzenie się żużla

Naturalne rudy żelaza to mieszanki żelaza i niepożądanych zanieczyszczeń lub skały płonnej . W starożytności zanieczyszczenia te usuwano przez żużel . Żużel usunięto przez upłynnienie , to znaczy stałą skałę płonną przekształcono w ciekły żużel. Temperatura procesu była wystarczająco wysoka, aby żużel istniał w postaci płynnej.

Wytapianie prowadzono w różnego rodzaju piecach . Przykładami są piec dymarski i wielki piec . Stan w piecu determinuje morfologię, skład chemiczny i mikrostrukturę żużla.

Piec dymarzowy produkował żelazo w stanie stałym. Wynika to z faktu, że proces bloomery był prowadzony w temperaturze niższej niż temperatura topnienia metalicznego żelaza. Tlenek węgla z niecałkowitego spalania węgla drzewnego powoli dyfundował przez gorącą rudę tlenku żelaza, przekształcając go w żelazo metaliczne i dwutlenek węgla .

Do produkcji płynnego żelaza używano wielkich pieców . Wielki piec pracował w wyższych temperaturach i przy lepszych warunkach redukcji niż piec dymierski. Większa redukcja środowiska została osiągnięta poprzez zwiększenie stosunku paliwa do rudy. Więcej węgla przereagowało z rudą i wytworzyło żeliwo zamiast litego żelaza. Ponadto wytwarzany żużel był mniej bogaty w żelazo.

Do produkcji „spuszczanego” żużla zastosowano inny proces. Tutaj do pieca dodano tylko węgiel drzewny . Reagował z tlenem i wytworzył tlenek węgla , który zredukował rudę żelaza do żelaza metalicznego. Skroplony żużel oddzielił się od rudy i został usunięty przez łuk spustowy ściany pieca.

Ponadto topnik (środek oczyszczający), popiół z węgla drzewnego i wykładzina pieca wpłynęły na skład żużla.

Żużel może również tworzyć się podczas kowalstwa i rafinacji . Produktem procesu dymiarstwa są niejednorodne zakwity uwięzionego żużla. Kowalstwo jest konieczne, aby rozciąć i usunąć uwięziony żużel poprzez ponowne podgrzanie, zmiękczenie żużla, a następnie wyciśnięcie. Z drugiej strony rafinacja jest potrzebna w przypadku żeliwa produkowanego w wielkim piecu. Przez ponowne stopienie żeliwa w otwartym palenisku węgiel jest utleniany i usuwany z żelaza. W tym procesie tworzy się i usuwa ciekły żużel.

Analiza żużla

Analiza żużla opiera się na jego kształcie, teksturze, charakterystyce izotopowej, właściwościach chemicznych i mineralogicznych. W badaniach żużla szeroko stosowane są narzędzia analityczne, takie jak mikroskop optyczny , skaningowy mikroskop elektronowy ( SEM ), fluorescencja rentgenowska ( XRF ), dyfrakcja rentgenowska ( XRD ) i spektrometria mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie ( ICP-MS ).

Analiza makro

Pierwszym krokiem w badaniu żużla archeometalurgicznego jest identyfikacja i makroanaliza żużla w terenie. Fizyczne właściwości żużla, takie jak kształt, kolor, porowatość, a nawet zapach, są wykorzystywane do przeprowadzenia podstawowej klasyfikacji, aby zapewnić reprezentatywne próbki z hałd żużla do przyszłej mikroanalizy.

Na przykład żużel z kranu ma zwykle pomarszczoną górną powierzchnię i płaską dolną ścianę z powodu kontaktu z glebą.

ponadto makroanaliza hałd żużla może wykazać szacunkową masę całkowitą, która z kolei może być wykorzystana do określenia skali produkcji w konkretnym miejscu wytopu.

Analiza chemiczna masowa

Skład chemiczny żużla może wiele powiedzieć o procesie wytopu. XRF jest najczęściej używanym narzędziem do analizy składu chemicznego żużla. Poprzez analizę chemiczną można określić skład wsadu, temperaturę wypalania, atmosferę gazową i kinetykę reakcji.

Starożytny skład żużla to zwykle czwartorzędowy układ eutektyczny CaO-SiO 2 -FeO-Al 2 O 3 uproszczony do CaO-SiO 2 -FeO 2 , dający niską i jednorodną temperaturę topnienia. W pewnych okolicznościach system eutektyczny został utworzony na podstawie proporcji krzemianów do tlenków metali w pnie , wraz z rodzajem rudy i wyłożeniem pieca. W innych przypadkach do uzyskania prawidłowego systemu wymagany był strumień .

Temperaturę topnienia żużla można określić, wykreślając jego skład chemiczny na wykresie trójskładnikowym .

Lepkość żużla można obliczyć na podstawie jego składu chemicznego za pomocą równania:

Kv = CaO + MgO + FeO + MnO + Alk 2 O / Si 2 O 3 + Al 2 O 3 gdzie Kv jest wskaźnikiem lepkości.

Wraz z ostatnimi postępami w technikach wiskozymetrii rotacyjnej, powszechnie podejmuje się badania lepkości żużli tlenku żelaza. W połączeniu z badaniami równowagi fazowej, analizy te zapewniają lepsze zrozumienie fizykochemicznego zachowania żużli w wysokich temperaturach.

Na wczesnych etapach wytopu oddzielenie topiącego się metalu od żużla nie jest całkowite. Stąd główne, drugorzędne i śladowe pierwiastki metalu w żużlu mogą być wskaźnikami rodzaju rudy stosowanej w procesie wytopu.

Analiza mineralogiczna

Mikroskop optyczny , skaningowego mikroskopu elektronowego , dyfrakcji rentgenowskiej i analizie petrograficznego można stosować w celu określenia rodzaju i struktury mineralnych w żużlu. Minerały obecne w żużlu są dobrymi wskaźnikami atmosfery gazowej w piecu, szybkości chłodzenia żużla i jednorodności żużla. Rodzaj rudy i topnika używanego w procesie wytopu można określić, jeśli w żużlu są uwięzione elementy nierozłożonego ładunku lub nawet metalowe pigułki.

Minerały żużlowe są klasyfikowane jako krzemiany , tlenki i siarczki . Bachmann sklasyfikował główne krzemiany w żużlu według stosunku tlenków metali i krzemionki .

Przykłady stosunku MeO: krzemian SiO 2
2: 1 fajalit
Monticellit 2: 1
Melilit 1,5: 1
Piroksen 1: 1

Fajalit (Fe 2 SiO 4 ) jest najpowszechniejszym minerałem występującym w starożytnym żużlu. Badając kształt fajalitu, można z grubsza oszacować szybkość chłodzenia żużla.

Fajalit reaguje z tlenem, tworząc magnetyt :

3Fe 2 SiO 4 + O 2 = 2FeO · Fe 2 O 3 + 3SiO 2

Dlatego atmosferę gazową w piecu można obliczyć ze stosunku magnetytu do fajalitu w żużlu.

Obecność siarczków metali sugeruje użycie rudy siarczkowej. Metaliczne siarczki przetrwać etap wytapiania utleniającego przed i dlatego może także oznaczać proces wytapiania wielostopniowy.

Kiedy fajalit jest pełen CaO, formy monticellitu i piroksenu . Są wskaźnikiem wysokiej zawartości wapnia w rudzie.

Analiza izotopów ołowiu

Analiza izotopów ołowiu jest techniką określania źródła rudy w starożytnym hutnictwie. Skład izotopów ołowiu jest oznaką złóż rudy i różni się bardzo nieznacznie w całym złożu. Również skład izotopów ołowiu pozostaje niezmieniony w procesie wytapiania.

Ilość każdego z czterech stabilnych izotopów w wyniku stosuje się do analizy. Są to 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb i 208 Pb. Stosunki: 208 Pb / 207 Pb, 207 Pb / 206 Pb i 206 Pb / 204 Pb mierzy się metodą spektrometrii mas. Oprócz 204 PB ołowiowe izotopy są wszystkie produkty z radioaktywnego rozpadu z uranu i toru . Kiedy ruda jest złożona, uran i tor są oddzielane od rudy. Zatem złoża utworzone w różnych okresach geologicznych będą miały różne sygnatury izotopów ołowiu .

238 U → 206 Pb
235 U → 207 Pb
232 Th → 208 Pb

Na przykład Hauptmann przeprowadził analizę izotopów ołowiu na żużlach z Faynan w Jordanii . Wynik był taki sam, jak w przypadku rud ze złóż dolomitu , wapienia i łupków w obszarach Wadi Khalid i Wadi Dana w Jordanii .

Randki fizyczne

Starożytny żużel jest trudny do ustalenia. Nie zawiera materiału organicznego, za pomocą którego można by przeprowadzić datowanie radiowęglowe . W żużlu nie ma żadnych kulturowych artefaktów, takich jak odłamki ceramiki, którymi można by je datować. Bezpośrednie datowanie fizyczne żużla poprzez datowanie termoluminescencyjne mogłoby być dobrą metodą rozwiązania tego problemu. Datowanie termoluminescencyjne jest możliwe, jeśli żużel zawiera pierwiastki krystaliczne, takie jak kwarc lub skaleń . Jednak złożony skład żużla może utrudniać tę technikę, chyba że można wyizolować elementy krystaliczne.

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ a b c Bachmann HG Identyfikacja żużli ze stanowisk archeologicznych Institute of Archaeology, Londyn, 1982.
  2. ^ Maldonado B. i Rehren T. „Wczesne wytapianie miedzi w Itziparátzico, Meksyk” w Journal of Archaeological Science 2009 vol 36.
  3. ^ Thornton CP et al. „The production of speiss (iron arsenide) during the Early Bronze in Iran” w Journal of Archaeological Science 2009, tom 36, s. 308-316.
  4. ^ Moore JJ Chemical Metallurgy Butterworth-Heinemann, Oxford. Wydanie drugie, 1990 s.152.
  5. ^ Craddock PT Wczesne wydobycie i produkcja metali Edinburgh University Press, Edynburg 1995.
  6. ^ „Archaeometallurgy” w Centrum Archeologii Wytyczne [Broszura]. English Heritage, Wiltshire, 2001.
  7. ^ Tumiati S. et al. „The Ancient mine of Servette (Saint-Marcel, Cal d'Aosta, Western Italian Alps): a mineralogical, metalurgical and charcoal analysis of the smokes hats ” in Archaeometry , 2005 vol 47 s317 to 340.
  8. ^ a b c d e f Hauptmann A.Archeo-metalurgia miedzi: dowody z Faynan, Jordan Springer, Nowy Jork, 2007.
  9. ^ a b Craddock P. „Badania naukowe wczesnego wydobycia i wytapiania” w: Henderson J. (red.) Analiza naukowa w archeologii Oxford University Committee for Archaeology, Oxford, Institute of Archaeology, Los Angeles i UCLA Institute of Archeology. Rozprowadzane przez Oxbow Books, 1989, str. 178-212
  10. ^ Chiarantini L. et al. „Produkcja miedzi w Baratti (Populonia, południowa Toskania) we wczesnym okresie etruskim (IX – VIII wiek pne)” w Journal of Archaeological Science vol 36 s. 1626-1636, 2009.
  11. ^ Im niższy Kv, tym wyższa lepkość.
  12. ^ Raghunath, Sreekanth (kwiecień 2007). Pomiary lepkości w wysokich temperaturach żużli (red. Rozpraw). Brisbane, Australia: Uniwersytet Queensland.
  13. ^ Chen Mao; Raghunath, Sreekanth; Zhao, Baojun (czerwiec 2013). „Pomiary lepkości żużla„ FeO ”-SiO2 w równowadze z metalicznym Fe”. Transakcje i hutniczy Materiały B . 44 (3): 506–515. doi : 10.1007 / s11663-013-9810-3 . S2CID   95072612 .
  14. ^ Donaldson CH „Eksperymentalne badanie morfologii oliwinu” w: Contributions to mineralogy and petrology vol 57 str. 187–195, 1976.
  15. ^ Ettler V. i in. "Mineralogia średniowiecznych żużli z wytopu ołowiu i srebra" w Towards oszacowanie historycznych warunków wytapiania w Archaeometry vol 51: 6 s987-1007, 2009.
  16. ^ Stos-Gale Z., A. „Badania izotopów ołowiu metali i handlu metalami w regionie Morza Śródziemnego epoki brązu” w: Henderson J. (red.) Scientific Analysis in Archaeology Oxford University Committee for Archaeology, Institute of Archaeology, Los Angeles, UCLA Institute of Archaeology. 1989 str. 274-301. Dystrybuowane przez Oxbow Books.
  17. ^ Haustein M. i in. „Datowanie żużli archeometalurgicznych przy użyciu termoluminescencji” w Archaeometry 2003, 45: 3 str. 519-530.