Производство древнего железа - Ancient iron production

Основная статья: Черная металлургия § Выплавка железа и железный век

Древнее производство железа относится к обработке железа во времена от доисторических времен до раннего средневековья, когда знания о производственных процессах были получены из археологических исследований. Шлак , побочный продукт процессов обработки чугуна, таких как плавка или кузница , остается на участке обработки чугуна, а не уносится вместе с продуктом. Кроме того, он хорошо переносит погодные условия и поэтому легко доступен для изучения. Размер, форма, химический состав и микроструктура шлака определяются особенностями процессов обработки железа, используемых во время его образования.

Обзор

Также: Bloomery

Эти руды , используемые в процессах древних плавильных редко были чистые соединения металлов. Примеси были удалены из руды в процессе шлакования , который включает добавление тепла и химикатов. Шлак - это материал, в котором накапливаются примеси из руд (известные как пустая порода ), а также футеровка печей и угольная зола. Изучение шлака может выявить информацию о процессе плавки, использованном во время его образования.

Обнаружение шлака является прямым доказательством того, что в этом месте произошла плавка, поскольку шлак не был удален с места плавки. С помощью анализа шлаков археологи могут реконструировать древнюю деятельность человека, связанную с металлообработкой, такую ​​как организацию и специализацию.

Современные знания о шлаковании дают представление о древнем производстве железа. В плавильной печи могут сосуществовать до четырех различных фаз. От верха печи до низа это фазы шлака, штейна, шпейса и жидкого металла.

Шлак можно разделить на печной шлак, выпускной шлак или тигельный шлак в зависимости от механизма производства. Шлак выполняет три функции. Первый - защитить расплав от загрязнения. Второй - принимать нежелательные жидкие и твердые примеси. Наконец, шлак может помочь контролировать подачу рафинирующих материалов в расплав.

Эти функции достигаются, если шлак имеет низкую температуру плавления, низкую плотность и высокую вязкость, которые обеспечивают жидкий шлак, который хорошо отделяется от плавящегося металла. Шлак также должен сохранять свой правильный состав, чтобы он мог собирать больше примесей и не смешиваться с расплавом.

С помощью химического и минералогического анализа шлака можно узнать такие факторы, как идентичность выплавленного металла, типы используемой руды и технические параметры, такие как рабочая температура, газовая атмосфера и вязкость шлака .

Образование шлака

Природные железные руды представляют собой смеси железа и нежелательных примесей или пустой породы . В древности эти примеси удаляли шлакованием . Шлак удаляли ликвацией , то есть твердые отходы превращали в жидкий шлак. Температура процесса была достаточно высокой, чтобы шлак существовал в жидкой форме.

Плавка велась в печах разного типа . Примерами являются шаровая печь и доменная печь . Состояние печи определяет морфологию, химический состав и микроструктуру шлака.

Печь для обжига давала железо в твердом состоянии. Это связано с тем, что процесс вспенивания проводился при температуре ниже точки плавления металлического железа. Окись углерода от неполного сгорания древесного угля медленно диффундирует через горячую оксидную руду железа , превращая ее в металлическое железо и диоксид углерода .

Для производства жидкого чугуна использовались доменные печи . Доменная печь работала при более высоких температурах и в более высоких восстановительных условиях, чем шаровая печь. Более высокая восстановительная среда была достигнута за счет увеличения отношения топлива к руде. Больше углерода прореагировало с рудой и произвело чугун, а не твердое железо. Кроме того, полученный шлак был менее богат железом.

Для производства «выпускного» шлака использовался другой процесс. Здесь в печь добавляли только древесный уголь . Он прореагировал с кислородом и образовал окись углерода , которая восстановила железную руду до металлического железа. Разжиженный шлак отделяется от руды и удаляется через выпускной свод стенки печи.

Кроме того, поток (очищающий агент), древесный угль зола и футеровка печи способствовали составу шлака.

Шлак также может образовываться во время кузнечного дела и рафинирования . Продуктом процесса вспенивания являются неоднородные блюзы захваченного шлака. Кузнечное дело необходимо для измельчения и удаления захваченного шлака путем повторного нагрева, размягчения шлака и последующего его выдавливания. С другой стороны, необходимо рафинирование чугуна, производимого в доменной печи. Путем переплавки чугуна в открытом поде углерод окисляется и удаляется из чугуна. В этом процессе образуется и удаляется жидкий шлак.

Анализ шлака

Анализ шлака основан на его форме, текстуре, изотопной характеристике, химических и минералогических характеристиках. Аналитические инструменты, такие как оптический микроскоп , растровый электронный микроскоп ( SEM ), рентгеновская флуоресценция ( XRF ), дифракция рентгеновских лучей ( XRD ) и масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой ( ICP-MS ), широко используются при исследовании шлака.

Макроанализ

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 отвалов шлака для будущего микроанализа.

Например, выпускной шлак обычно имеет морщинистую верхнюю поверхность и плоскую нижнюю поверхность из-за контакта с почвой.

кроме того, макроанализ отвалов шлака может подтвердить расчетный общий вес, который, в свою очередь, может быть использован для определения масштабов производства на конкретном месте плавки.

Массовый химический анализ

Химический состав шлака может многое рассказать о процессе плавки. XRF - это наиболее часто используемый инструмент для анализа химического состава шлака. С помощью химического анализа можно определить состав заряда, 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 , что дает низкую и однородную температуру плавления. В некоторых случаях эвтектическая система создавалась в соответствии с соотношением силикатов и оксидов металлов в пустой породе , а также с учетом типа руды и футеровки печи. В других случаях для получения правильной системы требовался поток .

Температуру плавления шлака можно определить, нанеся трехкомпонентный график его химического состава .

Вязкость шлака можно рассчитать по его химическому составу по уравнению:

Kv = CaO + MgO + FeO + MnO + Alk 2 O / Si 2 O 3 + Al 2 O 3, где Kv - индекс вязкости.

В связи с последними достижениями в методах ротационной вискозиметрии, определение вязкости оксидных шлаков также широко используется. В сочетании с исследованиями фазового равновесия этот анализ позволяет лучше понять физико-химическое поведение шлаков при высоких температурах.

На ранних стадиях плавки разделение плавящегося металла и шлака не завершено. Следовательно, основные, второстепенные и следовые элементы металла в шлаке могут быть индикаторами типа руды, используемой в процессе плавки.

Минералогический анализ

Оптический микроскоп , сканирующий электронный микроскоп , дифракция рентгеновских лучей и петрографический анализ может быть использован , чтобы определить типы и распределение минералов в шлаке. Минералы, присутствующие в шлаке, являются хорошими индикаторами газовой атмосферы в печи, скорости охлаждения шлака и однородности шлака. Тип руды и флюса, используемых в процессе плавки, можно определить, если в шлаке есть элементы неразложившейся шихты или даже металлические частицы.

Минералы шлака подразделяются на силикаты , оксиды и сульфиды . Бахманн классифицировал основные силикаты в шлаке в соответствии с соотношением оксидов металлов и кремнезема .

Соотношение MeO: Примеры силикатов SiO 2
2: 1 фаялит
2: 1 монтичеллит
1,5: 1 мелилит
1: 1 пироксен

Фаялит (Fe 2 SiO 4 ) - самый распространенный минерал, обнаруживаемый в древних шлаках. Изучая форму фаялита, можно приблизительно оценить скорость охлаждения шлака.

Фаялит реагирует с кислородом с образованием магнетита :

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

Следовательно, газовая атмосфера в печи может быть рассчитана по соотношению магнетита и фаялита в шлаке.

Присутствие сульфидов металлов предполагает, что использовалась сульфидная руда. Металлические сульфиды пережить стадию окислительных плавок , прежде чем и , следовательно , могут также указывать на процесс плавок многоступенчатого.

Когда фаялит насыщен CaO, образуются монтичеллит и пироксен . Они являются показателем высокого содержания кальция в руде.

Изотопный анализ свинца

Изотопный анализ свинца - это метод определения источника руды при древней плавке. Изотопный состав свинца характерен для рудных месторождений и очень мало варьируется по всему месторождению. Также изотопный состав свинца не изменяется в процессе плавки.

Количество каждого из четырех стабильных изотопов из свинца используется в анализе. Это 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb и 208 Pb. Соотношения: 208 Pb / 207 Pb, 207 Pb / 206 Pb и 206 Pb / 204 Pb измеряются масс-спектрометрией. Помимо 204 Pb, что свинцовые изотопы являются все продукты радиоактивного распада из урана и тория . При депонировании руды уран и торий отделяются от руды. Таким образом, месторождения, сформированные в разные геологические периоды, будут иметь разные изотопные сигнатуры свинца .

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

Например, Hauptmann выполнил анализ изотопов свинца для шлаков из Файнана, Иордания . Полученная в результате подпись была такой же, как и на рудах доломитовых , известняковых и сланцевых месторождений в районах Вади Халид и Вади Дана в Иордании .

Физическое свидание

Древний шлак датировать сложно. В нем нет органического материала, с помощью которого можно было бы проводить радиоуглеродное датирование . В шлаке, которым можно датировать его, нет культурных артефактов, таких как черепки глиняной посуды. Прямое физическое датирование шлака посредством термолюминесцентного датирования могло бы 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 удается изолировать кристаллические элементы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ a b c Бахманн Х.Г. Идентификация шлаков из археологических памятников Институт археологии, Лондон, 1982.
  2. ^ Мальдонадо Б. и Ререн Т. « начале плавки меди в Itziparátzico, Мексика» в журнале Археологического Science 2009 об 36.
  3. ^ Thornton CP др «Производство шпейзы (арсенид железа) во время ранней бронзы в Иране» в журнале Археологического Science 2009, том 36, p308-316.
  4. ^ Мур Дж. Дж. Химическая металлургия Баттерворт-Хайнеманн, Оксфорд. Издание второе, 1990 г., стр.152.
  5. ^ Крэддок П. Т. Ранняя добыча и производство металлов Edinburgh University Press, Эдинбург, 1995.
  6. ^ "Археометаллургия" в Руководстве Центра археологии [Брошюра]. Английское наследие, Уилтшир, 2001.
  7. ^ Тумиати С. и др. «Древний рудник Серветт (Сен-Марсель, Каль-д'Аоста, Западные итальянские Альпы): минералогический, металлургический и угольный анализ печных шлаков» в Археометрии , 2005, том 47, стр. 317–340.
  8. ^ Б с д е е Гауптмана А. архаико-металлургия меди: данные Faynan, Иордания Springer, Нью - Йорк, 2007.
  9. ^ a b Крэддок П. "Научное исследование ранних горных работ 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.
  10. ^ Кьярантини Л. и др. «Производство меди в Баратти (Популония, южная Тоскана) в ранний этрусский период (9-8 вв. До н.э.)» в Journal of Archaeological Science vol 36 p1626-1636, 2009.
  11. ^ Чем ниже Kv, тем выше вязкость.
  12. ^ Рагхунат, Срикант (апрель 2007). Измерение высокотемпературной вязкости шлаков (Дис. Ред.). Брисбен, Австралия: Университет Квинсленда.
  13. ^ Чен, Мао; Рагхунатх, Шрикант; Чжао, Баоцзюнь (июнь 2013 г.). «Измерение вязкости шлака« FeO »-SiO2 в равновесии с металлическим Fe». Металлургические и Транзакция материалов B . 44 (3): 506–515. DOI : 10.1007 / s11663-013-9810-3 . S2CID   95072612 .
  14. ^ Дональдсон CH "Экспериментальное исследование морфологии оливина" в Вкладах в минералогию и петрологию, том 57, стр. 187–195, 1976.
  15. ^ Эттлер В. и др. «Минералогия средневековых шлаков от плавки свинца и серебра» в книге « К оценке исторических условий плавки» в журнале « Археометрия», том 51: 6, стр. 987-1007, 2009.
  16. ^ Stos-Gale Z., A. «Изотопные исследования 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 p274-301. Распространяется Oxbow Books.
  17. ^ Haustein M. и др. «Датирование археометаллургических шлаков с использованием термолюминесценции» в Archaeometry 2003, 45: 3 p519-530.