Досліди на мідному сплаві; ttung - UFG Фрайбург
Досліди з виплавки міді
на Рокка-Сан-Сільвестро
| Рис. 1: Рокка Сан Сільвестро |
В рамках семінару «Archaeologia delle attività estrattive e metallurgiche», який був організований Сієнським університетом у вересні 1991 р. У Тоскані, Рокка Сан Сільвестро [Рис. 1] були проведені деякі експерименти з виробництва міді із сульфідної руди. Ці експерименти повинні допомогти краще зрозуміти можливі доісторичні процеси виробництва міді. Продукти експериментів (шлак, мідний камінь та мідь) будуть проаналізовані та порівняні з відповідними реліквіями, знайденими на доісторичних місцях виплавки міді.
| Рис. 2: Мідна руда |
Мідна руда, яка використовується для експериментів, надходить із шахтного району, в якому знаходиться Рокка Сан-Сільвестро. Ця руда - збагачений мідним піритом (CuFeS2), який подрібнюється на шматки діаметром приблизно 1 - 5 см для подальшого використання [Рис. 2]. Для того щоб ця сульфідна руда була виплавлена, спочатку вміст сірки потрібно видалити окислювальним вогнем у процесі обсмажування. [1] Частина сірки реагує з киснем у повітрі і виходить у вигляді діоксиду сірки. Цей процес проводився в так званій обжарці.
Обжарка має розмір 225 х 95 см, складається з червоної глини («terra rossa») з западиною в центрі та межею місцевого вапняку [Рис. 3]. Взірцем цієї форми є жаровня бронзового віку, яка була розкопана в австрійському гірничому районі на Міттерберзі. [2] Оскільки ложе обсмажене глиною, можна видобути майже всю смажену руду після процесу обсмажування.
| Рис. 3: Ліжко для смаження. Зліва фотографія процесу обсмажування, право на схематичному малюнку: (1) terra rossa; (2) вапняк |
Для експериментів було реконструйовано плавильну піч з двома камерами згоряння на основі моделі двох печей, розкопаних на Рокка-Сан-Сільвестро. Розмір цієї духовки становить 200 х 100 х 100 см. Стіни печі зроблені з великих блоків вапняку та порфіру, покритих червоною глиною. Зовнішні стінки мають товщину близько 25 см, тоді як стінка між двома камерами згоряння має товщину близько 55 см [рис. 4].
| Рис. 4: Конструкція печі (1) terra rossa; (2) вапняк; (3) отвір сопла; (4) отвір для крана; (5) шлакова яма; (6) камери згоряння. |
Оскільки жодна з двох печей, розкопаних на Рокка-Сан-Сільвестро, не була повністю збережена, існує дві можливості, як їх можна було побудувати: Або вони були сконструйовані як плавильні печі бронзового віку з Міттерберга в Австрії. Як показав Моеста [3], цей тип печі мав відкриту передню частину. Або існували плавильні печі із закритою камерою згоряння та передньою стінкою, краном та отвором сопла, як вони використовувались у 16 столітті нашої ери. [4] Іншим можливим варіантом є поєднання двох згаданих можливостей. Свідченням цього є той факт, що під час розкопок в Рокка-Сан-Сільвестро перед двома печами були знайдені різні типи шлаку. [5]
Для експериментів піч була побудована з відкритою камерою згоряння з правого боку та закритою камерою згоряння з отвором сопла та отвором для відводу зліва. Камери згоряння мають об'єм 142,5 л (47,5 х 60 х 50 см: права камера без передньої стінки) або 95 л (47,5 х 40 х 50 см: ліва, закрита камера). Оскільки права камера згоряння не має передньої стінки, вона не може вмістити стільки матеріалу, як ліва.
1. Досліди з температурного балансу стінки печі
Перші два експерименти були проведені для з'ясування температури, до якої стінки печі повинні були нагріватися, щоб у процесі виплавки не втрачалася енергія для вирівнювання температури вуглинки, стінок та зовнішнього повітря. Для цього реєстрували температуру стіни та реєстрували за допомогою електронного вимірювального приладу під час нагрівання печі.
Діаграма температур показує, що температура стінки печі безперервно підвищується до певної точки [рис. 5], лише щоб помірно піднятися. У цей момент стінка печі нагрівається до такої міри, що енергія вугілля в камері згоряння лише меншою мірою надходить у стінки і, таким чином, менше тепла втрачається під час плавки. Коли ця точка досягнута (в наших експериментах між 350 ° C і 400 ° C), для процесу виплавки повинні переважати оптимальні температурні умови.
Рис. 5: Криві температурного профілю
2. Експерименти з процесу смаження
У запікальній шафі сухих дров нагромаджували таким чином, що дозволяло класти руду на деревину на висоті близько 10 см над землею. Це не дозволило руді збиратися в западині посередині смаженого шару, перш ніж вона вступила в реакцію з киснем.
Для того щоб можна було виплавити сульфідну руду, спочатку з неї потрібно видалити вміст сірки у два етапи: Спочатку подрібнену руду обсмажують, щоб підготувати її до першого кроку в процесі виплавки. Продукт цього процесу, мідний камінь, все ще містить сірку. Тому мідний камінь доводиться смажити вдруге, щоб видалити значну частину сірки, що залишилася.
Перший крок - обсмажування руди - робився двічі: у першому експерименті 6 кг руди смажили протягом 2 годин 47 хвилин. Реакція сірки з киснем у повітрі дала відчути сильний запах. Після того, як дрова згоріли, із запікальної шафи можна було отримати 3,3 кг руди. Цю втрату матеріалу можна пояснити малим розміром шматочків руди, яких було занадто мало, щоб їх можна було знайти в золі. Знижений вміст сірки, можливо, сприяв втраті ваги.
У другому експерименті руду смажили близько години. Після того, як вогонь загасили водою, всю руду можна було забрати. В обох експериментах сірка не була повністю видалена. Це можна було визначити за сильним запахом сірки, коли обсмажену руду виливали в плавильну піч.
У третьому експерименті випалу сірка повинна бути повністю видалена з мідного штейну, виробленого в експериментах по виплавці. Це (2900 г) підсмажували протягом години та 28 хвилин. Після згорання вогню можна було підібрати 2550 г смаженого мідного каменю. Під час смаження знову став помітний чіткий запах сірки.
3. Досліди з виплавки міді
Експерименти з виплавки проводились виключно в лівій камері згоряння печі, оскільки автору було неможливо провести одночасно більше одного експерименту.
У цьому розділі процесу виробництва міді було проведено три експерименти (див. Таблиці 1-3). Вимірювання температури проводили за допомогою оптичного вимірювального приладу (пірометра). Оскільки автору доводилося виконувати ряд робіт одночасно, ці вимірювання не можна проводити постійно. За відсутності сильфона замість нього використовували пилосос.
Експерименти з обсмажуванням були успішними: достатня кількість сірки реагувала з киснем у повітрі, утворюючи діоксид сірки. Під час цього процесу колір руди змінився із зеленуватого на тьмяно-темно-червоний. Однак поки незрозуміло, скільки часу потрібно обпалювати руду, щоб отримати оптимальний вихідний продукт для виплавки. Подальші експерименти були б бажаними для отримання інформації про оптимальну тривалість процесу обсмажування з використанням різних видів дров.
Експерименти з виплавки:
За перші дві спроби не вдалося отримати жодного мідного каменю. Шлакоутворення відбулося не повністю. Деякі шматки руди, які майже не реагували, були знайдені в задній частині камери згоряння. Це не результат використання занадто малої або занадто великої кількості потоку (кварцу та лімоніту), а скоріше невигідне положення найгарячішої точки біля отвору сопла. Дуже високі температури в цей момент призвели до того, що отвір сопла перекрито шлаком. Як результат, задні ділянки камери згоряння не нагрівалися в достатній мірі, через що там не було реакції або шлакоутворення.
У цих експериментах природний тяг використовувався для подачі повітря, коли вітер був досить сильним, щоб підтримувати температуру процесу. Якщо температура опускалася нижче необхідного значення (1300 ° C для утворення фаялітового шлаку), застосовували пилосос.
Третій експеримент був більш вдалим. Для цього експерименту піч була трохи модифікована: дно камери згоряння було трохи підняте в задній частині, що призвело до нахилу приблизно 15 ° до отвору для відводу. Це полегшило опускання партії на дно і витік шлаку з отвору крана.
| 6: Шлаковий потік |
Мідний камінь може вироблятися в достатній кількості. Крім того, утворився проточний шлак, який містив металеву мідь у вигляді дрібних включень. При дослідженні цього шлаку також були виявлені деякі основні включення металевого заліза. Вироблений мідний камінь був використаний (після його обсмажування) в експерименті на останньому етапі процесу виробництва міді. Мідний камінь слід відновити до металевої міді (див. Таблицю 4).
Однак результатом цього останнього експерименту стали не шлаки з придатним рівнем включень металевої міді, як очікувалося, а велика кількість склоподібного шлаку. Цей шлак містить мідь, але не у металевій формі. Причинами цього є надмірно висока температура через використання пилососа та занадто короткий час процесу, оскільки шлак утворюється занадто швидко.
Підсумовуючи це, можна сказати, що в принципі можна виробляти мідь таким способом, і що цей процес міг здійснюватися подібним чином у доісторії (крім використання пилососа).
У майбутніх експериментах слід звернути увагу на використання автентичних сильфонів та їх постійне використання протягом набагато довшого періоду часу. Іншим важливим моментом є необхідність постійного вимірювання температур стінки печі та камери згоряння.