Производство древнего железа - Ancient iron production

Основная статья: Черная металлургия § Выплавка железа и железный век

Производство древнего железа относится к железо рабочий в разы от предыстория к раннему Средний возраст где знания о производственных процессах получены из археологический изучение. Шлак, побочный продукт процессов обработки железа, таких как плавка или же кузнечное дело, остается на месте обработки железа, а не перемещается вместе с продуктом. Это также Погода хорошо, а значит, легко доступен для изучения. Размер, форма, химический состав и микроструктура Содержание шлака определяются особенностями процессов обработки чугуна, использовавшихся на момент его образования.

Обзор

Смотрите также: Bloomery

В руды в древних процессах плавки редко использовались чистые соединения металлов. Примеси были удалены из руды в процессе зашлаковывание, который включает добавление тепла и химикатов. Шлак это материал, в котором примеси из руд (известные как порода ), а также печь вагонка и уголь золу собрать. Изучение шлак может раскрыть информацию о процессе плавки, использованном во время его формирования.[1]

Обнаружение шлака является прямым доказательством того, что в этом месте происходила плавка, так как 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.[2]

Современное знание зашлаковывание дает 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.[3]

Шлак может быть классифицирован как печной шлак, выпускной шлак или тигель шлак в зависимости от механизма производства. Шлак выполняет три функции. Первый - защитить таять от загрязнения. Второй - принимать нежелательные жидкие и твердые примеси. Ну наконец то, шлак может помочь контролировать подачу рафинирующих средств в расплав.

Эти функции достигаются, если шлак имеет низкую температуру плавления, низкую плотность и высокий 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 быть несмешиваемый в расплаве.[4]

Посредством химического и минералогического анализа шлака, таких факторов, как идентичность выплавленного металла, типы используемой руды и технические параметры, такие как рабочая температура, газовая атмосфера и шлак. вязкость можно узнать.

Образование шлака

Природные железные руды представляют собой смеси железа и нежелательных примесей или порода. В древности эти примеси удалялись зашлаковывание.[5] Шлак удалил ликвация то есть твердая жила превратилась в жидкий шлак. Температура процесса была достаточно высокой, чтобы шлак существовал в жидкой форме.

Плавка велась в различных типах печи. Примерами являются цветущий 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 выше, чем требуется для восстановления чистого оксид железа гладить металл, но при температуре ниже температура плавления железного металла.

Доменные печи использовались для производства жидкого железа. 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. Более углерод вступил в реакцию с рудой и произвел чугун а не твердое железо. Кроме того, полученный шлак был менее богат железом.

Для производства «выпускного» шлака использовался другой процесс. Здесь только уголь был добавлен в печь. Он отреагировал кислород, и сгенерировал монооксид углерода, который восстановил железную руду до металлического железа. Разжиженный шлак отделяется от руды и удаляется через выпускной свод стенки печи.[6]

В дополнение поток (очищающий агент), древесный уголь пепел и футеровка печи способствовала составу шлака.

Шлак также может образовываться во время кузнечное дело и очистка. Результатом процесса цветения является неоднородный облака 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 открытый очаг, углерод окисляется и удаляется из железа. 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 ), Рентгеновской флуоресценции (XRF ), Дифракция рентгеновских лучей (XRD ) и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС ) широко используются при изучении шлаков.

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.[7]

кроме того, макроанализ отвалов шлака может подтвердить расчетную общую массу, которая, в свою очередь, может быть использована 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.[8] С помощью химического анализа можно определить состав заряда, температуру горения, газовую атмосферу и кинетику реакции.

Древний шлак состав обычно четвертичный эвтектика система CaO-SiO2-FeO-Al2О3 упрощено до CaO-SiO2-FeO2, давая низкую и однородную температуру плавления.[8] :21 В некоторых случаях эвтектическая система создавалась в соответствии с соотношением силикатов к оксидам металлов в порода вместе с типом руды и футеровкой печи. В других случаях поток требовалось для достижения правильной системы.[9]

Температуру плавления шлака можно определить, нанеся его химический состав в тройной сюжет.[10]

Вязкость шлака можно рассчитать по его химическому составу по уравнению:

Kv = CaO + MgO + FeO + MnO + Alk2O / Si2О3+ Al2О3 где Kv - индекс вязкости.[11]

В связи с последними достижениями в методах ротационной вискозиметрии, определение вязкости оксидных шлаков также широко используется.[12][13] 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.[9] Следовательно, основные, второстепенные и следовые элементы металла в шлаке могут быть индикаторами типа руды, используемой в процессе плавки.[8]:24

Минералогический анализ

В оптический микроскоп, растровый электронный микроскоп, дифракция рентгеновских лучей и петрографический анализ может использоваться для определения типов и распределения 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 классифицируются как силикаты, оксиды и сульфиды. Бахманн классифицировал основные силикаты в шлаке по соотношению металлов оксиды и кремнезем.[1][8]:171

Соотношение MeO: SiO2 силикатные примеры
2 : 1 фаялит
2 : 1 монтичеллит
1.5 : 1 мелилит
1 : 1 пироксен

Фаялит (Fe2SiO4) - самый распространенный минерал, обнаруживаемый в древних шлаках. Изучая форму фаялита, можно приблизительно оценить скорость охлаждения шлака.[14][15]

Фаялит реагирует с кислород формировать магнетит:

3Fe2SiO4 + O2= 2FeO · Fe2О3 + 3SiO2

Следовательно, газовая атмосфера в печи может быть рассчитана из соотношения магнетит к фаялит в шлаке.[8]:22

Наличие металла сульфиды предполагает, что использовалась сульфидная руда. Металл сульфиды выдерживают стадию окисления перед плавкой и, следовательно, также могут указывать на многоступенчатый процесс плавки.

Когда фаялит насыщен CaO, монтичеллит и пироксен форма. Они являются показателем высокого кальций содержание в руде.[1]

Изотопный анализ свинца

Изотопный анализ свинца это метод определения источника руды при древней плавке. Изотопный состав свинца характерен для рудных месторождений и очень мало изменяется по всему месторождению. Также изотопный состав свинца не изменяется в процессе плавки.[16]

Количество каждой из четырех конюшен изотопы из вести используются в анализе. Они есть 204Pb, 206Pb, 207Pb и 208Pb. Соотношения: 208Pb /207Pb, 207Pb /206Pb и 206Pb /204Pb измеряется масс-спектрометрией. Помимо 204Pb, вести изотопы все продукты радиоактивный распад из уран и торий. Когда руда откладывается, уран и торий отделены от руды. Таким образом, отложения образовывались в разных геологические периоды будут разные вести изотоп подписи.

238U →206Pb
235U →207Pb
232Чт →208Pb

Например, Гауптман исполнил изотопный анализ свинца на шлаках из Файнана, Иордания. Полученная подпись была такой же, как и у руд из доломит, известняк и сланец месторождения в районах Вади Халид и Вади Дана Иордания.[8]:79

Физическое свидание

Древний шлак сложно датировать. В нем нет органического материала для работы радиоуглеродное датирование. В шлаке, которым можно датировать его, нет культурных артефактов, таких как черепки глиняной посуды. Прямая физическая датировка шлака через термолюминесценция свидания могут быть хорошим методом решения этой проблемы. Термолюминесценция датировка возможна, если шлак содержит кристаллические элементы, такие как кварц или же полевой шпат. Однако сложный состав шлака может затруднить этот метод, если не удается изолировать кристаллические элементы.[17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Бахманн Х. Г.Выявление шлаков с археологических памятников Институт археологии, Лондон, 1982.
  2. ^ Мальдонадо Б. и Ререн Т. "Ранняя плавка меди в Итципарацико, Мексика" в Журнал археологической науки 2009 г. Т. 36.
  3. ^ Торнтон С. П. и др. «Производство шпейсы (арсенида железа) во время ранней бронзы в Иране» в Журнал археологической науки 2009, том 36, с. 308-316.
  4. ^ Мур Дж. Дж. Химическая металлургия Баттерворт-Хайнеманн, Оксфорд. Издание второе, 1990 г., стр.152.
  5. ^ Крэддок П. Т. Добыча и производство ранних металлов Издательство Эдинбургского университета, Эдинбург, 1995.
  6. ^ «Археометаллургия» в г. Руководство 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 Археометрия, 2005, том 47, с. 317 по 340.
  8. ^ а б c d е ж Гауптманн А. Архео-металлургия меди: свидетельства из Файнана, Иордания Спрингер, Нью-Йорк, 2007.
  9. ^ а б 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 (IX – VIII века до нашей эры)» в Журнал археологической науки Том 36, стр. 1626-1636, 2009.
  11. ^ Чем ниже Kv, тем выше вязкость.
  12. ^ Рагхунатх, Шрикантх (апрель 2007 г.). 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 операции и операции с материалами B. 44 (3): 506–515. Дои:10.1007 / s11663-013-9810-3. S2CID  95072612.
  14. ^ Дональдсон К. Х. "Экспериментальное исследование морфологии оливина" в Вклад в минералогию и петрологию vol 57 p187–195, 1976.
  15. ^ Эттлер В. и др. «Минералогия средневековых шлаков от плавки свинца и серебра» в К оценке исторических условий плавки в Археометрия том 51: 6 с. 987-1007, 2009.
  16. ^ Стос-Гейл З., А. "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. et al. "Датирование археометаллургических шлаков с использованием термолюминесценции" в Археометрия 2003, 45: 3, с. 519-530.