Войти
Производство древнего железа относится к обработке железа во времена с доисторических времен до раннего средневековья, где знания о производственных процессах были почерпнуты из археологических исследований. Шлак, побочный продукт процессов обработки чугуна, таких как плавка или кузнечное дело, остается на участке обработки чугуна, а не уносится вместе с продуктом. Кроме того, он выдерживает хорошую погоду, и поэтому он легко доступен для изучения. Размер, форма, химический состав и микроструктура шлака определяются особенностями процессов обработки чугуна, используемых во время его образования.
руды, используемые в древних процессах плавки, редко были чистыми соединениями 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 пустые породы ), а также футеровка печи и угольная зола. Изучение шлака может выявить информацию о процессе плавки, использованном во время его образования.
Обнаружение шлака является прямым доказательством того, что плавка имела место в этом месте, поскольку шлак не был удален с места плавки. С помощью анализа шлаков археологи могут реконструировать древнюю деятельность человека, связанную с металлообработкой, в том числе ее организацию и специализацию.
Современные знания ошлаковки дают представление о древнем производстве железа. В плавильной печи могут сосуществовать до четырех различных фаз. От верха печи до низа фазы представляют собой шлак, штейн, шпейсс и жидкий металл.
Шлак может быть классифицирован как печной шлак, выпускной шлак или тигельный шлак в зависимости от механизм производства. Шлак выполняет три функции. Первый - защитить расплав от загрязнения. Второй - принимать нежелательные жидкие и твердые примеси. Наконец, шлак может помочь контролировать подачу рафинирующей среды 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 был несмешивающимся в расплаве.
Благодаря химическому и минералогическому анализу шлака, такие факторы, как идентичность расплавленного металла можно узнать типы используемой руды и технические параметры, такие как рабочая температура, газовая атмосфера и шлак вязкость.
Природные железные руды представляют собой смеси железа и нежелательных примесей или пустой породы. В древности эти примеси удаляли шлакованием. Шлак удаляли посредством ликвации, то есть твердые отходы превращали в жидкий шлак. Температура процесса была достаточно высокой, чтобы шлак существовал в жидкой форме.
Плавка велась в различных типах печей. Примерами являются шаровая печь и доменная печь. Состояние печи определяет морфологию, химический состав и микроструктуру шлака.
Жарочная печь производила железо в твердом состоянии. Это связано с тем, что процесс вспенивания проводился при температуре выше, чем температура, необходимая для восстановления чистого оксида железа до металлического железа, но при температуре ниже, чем точка плавления металлического железа.
Доменные печи использовались для производства жидкого чугуна. Доменная печь работала при более высоких температурах и в более высоких восстановительных условиях, чем шаровая печь. Более благоприятная 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 только уголь был добавлен в печь. Он прореагировал с кислородом и образовал оксид углерода, который восстановил железную руду до металлического железа. Сжиженный шлак отделяется от руды и удаляется через выпускную арку стенки печи.
Кроме того, флюс (очищающий агент), древесный уголь зола И футеровка печи поспособствовала составу шлака.
Шлак также может образовываться во время кузнечного дела и рафинирования. Продуктом процесса вспенивания являются гетерогенные блёныши 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 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.
Первым шагом в исследовании археометаллургических шлаков является идентификация и макроанализ шлаков в полевых условиях. Физические свойства шлака, такие как форма, цвет, пористость и даже запах, используются для первичной классификации, чтобы гарантировать получение репрезентативных проб 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 использоваться для определения масштабов производства на конкретном участке плавки.
Химический состав шлака может многое рассказать о процессе плавки. XRF - наиболее часто используемый инструмент для анализа химического состава шлака. С помощью химического анализа можно определить состав заряда, температуру горения, газовую атмосферу и кинетику реакции.
Древний шлак Состав обычно представляет собой четвертичную эвтектическую систему CaO-SiO 2 -FeO-Al 2O3, 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 к оксидам металлов в пустой породе вместе с типом руды и футеровкой печи. В других случаях для получения правильной системы требовался флюс.
Температуру плавления шлака можно определить, нанеся его химический состав на тройной график.
вязкость шлака можно рассчитать по его химическому составу по уравнению:
В связи с последними достижениями в технике ротационной вискозиметрии, вязкость шлаков оксида железа 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.
оптический микроскоп, растровый электронный микроскоп, рентгеноструктурный и петрографический анализ могут 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 при наличии в шлаке элементов неразложившейся шихты или даже металлических таблеток.
Минералы шлака подразделяются на силикаты, оксиды и сульфиды. Бахманн классифицировал основные силикаты в шлаке в соответствии с соотношением между оксидами металлов и кремнеземом.
фаялит (Fe 2 SiO 4) - наиболее распространенный минерал, обнаруженный в древних шлаках. Изучая форму фаялита, можно приблизительно оценить скорость охлаждения шлака.
Фаялит реагирует с кислородом с образованием магнетита :
Следовательно, газовая атмосфера в печи может быть рассчитана из соотношения магнетита до фаялит в шлаке.
Присутствие сульфидов металлов предполагает, что использовалась сульфидная руда. Сульфиды металлов выдерживают стадию окисления перед плавкой и, следовательно, также могут указывать на многоступенчатый процесс плавки.
Когда фаялит насыщен CaO, образуются монтичеллит и пироксен. Они являются показателем высокого содержания кальция в руде.
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. Кроме того, изотопный состав свинца не изменяется в процессе плавки.
В анализе используется количество каждого из четырех стабильных изотопов из свинца. Это Pb, Pb, Pb и Pb. Соотношения: Pb / Pb, Pb / Pb и Pb / Pb измеряются масс-спектрометрией. За исключением Pb, все изотопы свинца являются продуктами радиоактивного распада урана и тория. При депонировании руды уран и торий отделяются от руды. Таким образом, месторождения, сформированные в разные геологические периоды, будут иметь разные свинцовые изотопные сигнатуры.
Например, Hauptmann выполнил анализ изотопов свинца на шлаках из Файнана, Иордания. Полученная сигнатура была такой же, как и у руд из месторождений доломит, известняк и сланец в районах Вади Халид и Вади Дана Иордании.
Древний шлак трудно датировать. В нем нет органического материала для проведения радиоуглеродного датирования. В шлаке, которым можно датировать его, нет культурных артефактов, таких как черепки глиняной посуды. Прямое физическое датирование шлака с помощью 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 эту технику, если только кристаллические элементы не могут быть изолированы.
