Експерименти върху медна сплав; ttung - UFG Фрайбург
Експерименти по топене на мед
на Рока Сан Силвестро
| Фиг. 1: Рока Сан Силвестро |
Като част от семинара „Archaeologia delle attività estrattive e metallurgiche“, организиран от Университета в Сиена през септември 1991 г. в Тоскана, Рока Сан Силвестро [Фиг. 1] са проведени някои експерименти за производството на мед от сулфидна руда. Тези експерименти трябва да помогнат за по-доброто разбиране на възможните праисторически производствени процеси от мед. Продуктите от експериментите (шлака, меден камък и мед) трябва да бъдат анализирани и сравнени със съответните реликви, открити на праисторически места за топене на мед.
| Фиг. 2: Медна руда |
Медната руда, използвана за експериментите, идва от зоната за добив, в която се намира Рока Сан Силвестро. Тази руда е обогатен меден пирит (CuFeS2), който е натрошен на парчета с диаметър приблизително 1 - 5 cm за по-нататъшна употреба [Фиг. 2]. За да може тази сулфидна руда да се стопи, съдържанието на сяра трябва първо да се отстрани с окислителен огън по време на процеса на печене. [1] Част от сярата реагира с кислорода във въздуха и излиза като серен диоксид. Този процес се извършва в така нареченото легло за печене.
Леглото за печене е с размер 225 х 95 см, състои се от червена глина (»terra rossa«) с вдлъбнатина в центъра и граница от местен варовик [Фиг. 3]. Моделът за тази форма е печене от бронзовата епоха, което е изкопано в австрийския минен район на Митерберг. [2] Тъй като леглото за печене е облицовано с глина, е възможно да се извлече почти цялата печена руда след процеса на печене.
| Фиг. 3: Леглото за печене. Вляво снимка на процеса на печене, вдясно на схематичния чертеж: (1) terra rossa; (2) варовик |
За експериментите е реконструирана топилна пещ с две горивни камери по модела на две пещи, изкопани на Рока Сан Силвестро. Тази фурна е с размер 200 х 100 х 100 см. Стените на пещта са направени от големи блокове варовик и порфир, облечени с червена глина. Външните стени са с дебелина около 25 cm, докато стената между двете горивни камери е с дебелина около 55 cm [Фиг. 4].
| Фиг. 4: Конструкция на пещ (1) тера роса; (2) варовик; (3) отвор на дюзата; (4) отвор за кран; (5) шлакова яма; (6) горивни камери. |
Тъй като нито една от двете пещи, изкопани на Рока Сан Силвестро, не е била напълно запазена, има две възможности как биха могли да бъдат конструирани: Или са били конструирани като пещи за топене от бронзовата епоха от Митерберг в Австрия. Както Moesta показа [3], този тип пещ имаше отворена предна част. Или е имало топилни пещи със затворена горивна камера и предна стена, кран и отвор за дюза, каквито са били използвани през 16 век сл. Хр. [4] Друг възможен вариант би била комбинация от двете споменати възможности. Показател за това е фактът, че по време на разкопките в Rocca San Silvestro са открити различни видове шлака пред двете пещи. [5]
За експериментите пещта е построена с отворена горивна камера от дясната страна и затворена горивна камера с отвор на дюзата и отвор за кран от лявата страна. Горивните камери имат обем 142,5 l (47,5 x 60 x 50 cm: дясната камера без предна стена) или 95 l (47,5 x 40 x 50 cm: лява, затворена камера). Тъй като дясната горивна камера няма предна стена, тя не може да побере толкова материал, колкото лявата.
1. Експерименти върху температурния баланс на стената на пещта
Първите два експеримента бяха проведени, за да се установи температурата, до която стените на пещта трябваше да се нагреят, така че по време на процеса на топене да не се губи енергия за изравняване на температурата на жаравата, стените и външния въздух. За тази цел температурата на стената се регистрира и записва с електронно измервателно устройство, докато пещта се загрява.
Диаграмата на температурата показва, че температурата на стената на пещта се повишава непрекъснато до определена точка [Фиг. 5], само за да се покачи умерено. Към този момент стената на пещта се загрява до такава степен, че енергията на жаравата в горивната камера се влива само в по-малка степен в стените и по този начин по-малко топлина се губи по време на топенето. Когато тази точка бъде достигната (в нашите експерименти между 350 ° C и 400 ° C), трябва да преобладават оптимални температурни условия за процеса на топене.
Фиг. 5: Криви на температурния профил
2. Експерименти върху процеса на печене
В леглото за печене бяха натрупани сухи дърва за огрев по начин, който позволяваше рудата да се постави върху дървото на височина около 10 см над земята. Това предотврати събирането на рудата в депресията в средата на печеното легло, преди да е реагирала с кислорода.
За да може да се стопи сулфидната руда, съдържанието на сяра първо трябва да се отстрани от нея на два етапа: Първо, натрошената руда се пече, за да се подготви за първата стъпка в процеса на топене. Продуктът от този процес, медният камък, все още съдържа сяра. Следователно медният камък трябва да се изпече втори път, за да се отстрани голяма част от останалата сяра.
Първата стъпка - изпичането на рудата - беше направена два пъти: При първия експеримент 6 кг руда беше печена в продължение на 2 часа и 47 минути. Реакцията на сярата с кислорода във въздуха се усеща от силна миризма. След изгарянето на дърва за огрев, 3,3 кг руда може да бъде възстановен от пещта. Тази загуба на материал може да се обясни с малкия размер на рудните парчета, които бяха твърде малки, за да бъдат открити в пепелта. Намаленото съдържание на сяра може да е допринесло за загубата на тегло.
При втория експеримент рудата се печеше около час. След като огънят беше потушен с вода, цялата руда можеше да бъде взета. И в двата експеримента сярата не беше напълно отстранена. Това може да се определи от силната миризма на сяра, когато печената руда се излива в топилната пещ.
При третия експеримент с печене сярата трябва да бъде напълно отстранена от медения мат, получен при експериментите на топене. Това (2900 g) беше препечено за един час и 28 минути. След изгарянето на огъня може да се вземат 2550 г печен меден камък. По време на печенето отново се забелязва ясна миризма на сяра.
3. Експерименти по топене на мед
Експериментите по топене се провеждат изключително в лявата горивна камера на пещта, тъй като е невъзможно авторът да извърши повече от един експеримент едновременно.
В този раздел на процеса на производство на мед бяха проведени три експеримента (вж. Таблици 1-3). Измерванията на температурата бяха направени с оптично измервателно устройство (пирометър). Тъй като авторът трябваше да изпълнява редица задачи едновременно, тези измервания не можеха да се извършват непрекъснато. При липса на духало вместо него се използва прахосмукачка.
Експериментите с печене бяха успешни: достатъчно количество сяра реагира с кислорода във въздуха, за да образува серен диоксид. По време на този процес цветът на рудата се променя от зеленикав до скучно тъмночервен. Все още обаче не е ясно колко дълго трябва да се изпича рудата, за да се получи оптимален изходен продукт за топене. По-нататъшни експерименти биха били желателни, за да се получи информация за оптималната продължителност на процеса на печене с използване на различни видове дърва за огрев.
Експериментите с топене:
При първите два опита не може да се получи меден камък. Образуването на шлака не се извършва напълно. В задната част на горивната камера бяха открити парчета руда, които едва реагираха. Това не е резултат от използването на твърде малко или твърде много поток (кварц и лимонит), а по-скоро неблагоприятното положение на най-горещата точка близо до отвора на дюзата. Много високите температури в този момент доведоха до отвора на дюзата да бъде блокиран от шлака. В резултат на това задните зони на горивната камера не се нагряват достатъчно, поради което там няма реакция или образуване на шлака.
При тези експерименти естествената тяга се използва за подаване на въздух, когато вятърът е достатъчно силен, за да поддържа температурата на процеса. Ако температурата падне под необходимата стойност (1300 ° C за образуване на фаялитова шлака), се използва прахосмукачката.
Третият експеримент беше по-успешен. Пещта е леко модифицирана за този експеримент: дъното на горивната камера е леко повдигнато в задната част, което води до наклон от приблизително 15 ° в посока на отвора за отваряне. Това улесни партидата да потъне на дъното и шлаката да изтече от отвора на крана.
| Фиг. 6: Шлака на потока |
Меден камък може да бъде произведен в достатъчни количества. Освен това се образува течаща шлака, която съдържа метална мед под формата на малки включвания. При изследването на тази шлака също са открити някои основни включвания на метално желязо. Произведеният меден камък е използван (след като е бил изпечен) в експеримента за последния етап от процеса на производство на мед. Медният камък трябва да бъде редуциран до метална мед (виж таблица 4).
Резултатът от този последен експеримент обаче не бяха шлаки с използваемо ниво на метални медни включвания, както се очакваше, а голямо количество стъклена шлака. Тази шлака съдържа мед, но не в метална форма. Причините за това са изключително високи температури поради използването на прахосмукачката и твърде кратко време на процеса, тъй като шлаката се образува твърде бързо.
В обобщение може да се каже, че по принцип е възможно да се произвежда мед по този начин и че този процес може да е бил провеждан по подобен начин в праисторията (с изключение на използването на прахосмукачката).
В бъдещи експерименти трябва да се обърне внимание на използването на автентичен духал и тяхното непрекъснато използване за много по-дълъг период от време. Друг съществен момент е необходимото непрекъснато измерване на температурите на стената на пещта и в горивната камера.