Kísérletek rézötvözetről; ttung - UFG Freiburg
Kísérletek rézolvasztással
a Rocca San Silvestro-n
| 1. ábra: Rocca San Silvestro |
Az „Archaeologia delle attività estrattive e metallurgiche” szeminárium részeként, amelyet a Sienai Egyetem szervezett 1991 szeptemberében Toszkánában, a Rocca San Silvestro-ban [ábra. 1] a réz szulfidércből történő előállítására vonatkozó kísérletekre került sor. Ezeknek a kísérleteknek elő kell segíteniük a lehetséges őskori rézgyártási folyamatok jobb megértését. A kísérletek termékeit (salak, rézkő és réz) elemezni kell, és össze kell hasonlítani a megfelelő emlékekkel, amelyeket az őskori rézolvasztási helyeken találtak.
| 2. ábra: Rézérc |
A kísérletekhez használt rézérc abból a bányaterületből származik, ahol a Rocca San Silvestro található. Ez az érc dúsított réz-pirit (CuFeS2), amelyet további felhasználás céljából kb. 1 - 5 cm átmérőjű darabokra aprítottak [ábra. 2]. Annak érdekében, hogy ez a szulfidos érc megolvadjon, a kéntartalmat először oxidáló tűzzel kell eltávolítani a pörkölés során. [1] A kén egy része reagál a levegőben lévő oxigénnel, és kén-dioxidként távozik. Ezt a folyamatot az úgynevezett pörkölőágyban hajtották végre.
A pörkölőágy mérete 225 x 95 cm, vörös agyagból (»terra rossa«) áll, amelynek közepén egy mélyedés és a helyi mészkő szegélye található. 3]. Ennek a formának a modellje egy bronzkori pörkölőágy, amelyet az osztrák Mitterberg bányászati területen tártak fel. [2] Mivel a pörkölőágyat agyaggal bélelik, a pörkölés után szinte az összes pörkölt érc kivonható.
| 3. ábra: A pörkölőágy. Balra egy fotó a pörkölésről, jobbra a sematikus rajz: (1) terra rossa; (2) mészkő |
A kísérletekhez két égéstéres olvasztókemencét rekonstruáltak a Rocca San Silvestro-n feltárt két kemence modellje alapján. A sütő mérete 200 x 100 x 100 cm. A kemence falai vörös agyaggal borított nagy mészkőtömbökből és porfírból készülnek. A külső falak körülbelül 25 cm vastagok, míg a két égéstér közötti fal körülbelül 55 cm vastag. 4].
| 4. ábra: Kemence felépítése (1) terra rossa; (2) mészkő; (3) a fúvóka nyílása; (4) csaplyuk; (5) salakgödör; (6) égéstérek. |
Mivel a Rocca San Silvestro-n feltárt két kemence egyikét sem sikerült teljesen megőrizni, kétféle módon lehetne megépíteni: Vagy úgy épültek, mint a bronzkori olvasztókemencék az osztrák Mitterbergből. Amint azt Moesta megmutatta [3], ennek a kemencetípusnak nyitott elülső része volt. Vagy voltak olvasztókemencék zárt égőkamrával és elülső fallal, csapfurattal és fúvókanyílással, mivel azokat Kr. U. 16. században használták. [4] Egy másik lehetséges változat a két említett lehetőség kombinációja lenne. Erre utal az a tény, hogy a Rocca San Silvestro-i ásatás során különböző típusú salakokat találtak a két kemence előtt. [5]
A kísérletekhez a kemencét úgy építették meg, hogy a jobb oldalon nyitott égéskamra volt, a bal oldalon pedig egy fúvóka nyílás és csaplyuk. Az égéstér térfogata 142,5 l (47,5 x 60 x 50 cm: a jobb kamra elülső fal nélkül) vagy 95 l (47,5 x 40 x 50 cm: bal, zárt kamra). Mivel a jobb égéskamrának nincs elülső fala, nem képes annyi anyagot megtartani, mint a bal oldali.
1. Kísérletek a kemence falának hőmérséklet-egyensúlyára
Az első két kísérletet annak kiderítésére végezték, hogy milyen hőmérsékleten kell a kemence falait felmelegíteni, hogy az olvasztási folyamat során ne veszítsen energiát a parázs, a falak és a külső levegő hőmérséklet-kiegyenlítése. Erre a célra a kemence fűtése közben regisztrálták és rögzítették egy elektronikus mérőeszközzel a fal hőmérsékletét.
A hőmérsékleti diagram azt mutatja, hogy a kemence falának hőmérséklete folyamatosan emelkedik egy bizonyos pontig [ábra. 5], csak mérsékelten emelkedik. Ebben az időpontban a kemence falát olyan mértékben felmelegítik, hogy az égéstérben lévő parázs energiája csak kisebb mértékben áramlik a falakba, és így kevesebb hő veszik el az olvasztás során. Ennek elérésekor (kísérleteinkben 350 ° C és 400 ° C között) az optimális hőmérsékleti viszonyoknak kell érvényesülniük az olvasztási folyamatnál.
5. ábra: Hőmérséklet-profil görbék
2. Kísérletek a pörkölés folyamatával
A pörkölőágyban száraz tűzifát halmoztak fel úgy, hogy az ércet a fára helyezték, mintegy 10 cm magasan a talaj felett. Ez megakadályozta, hogy az érc összegyűljön a pörkölőágy közepén lévő mélyedésben, mielőtt az oxigénnel reagált volna.
A szulfidérc megolvasztása érdekében a kéntartalmat először két lépésben el kell távolítani belőle: Először a zúzott ércet megpirítják annak előkészítése érdekében az olvasztási folyamat első lépésére. Ennek a folyamatnak a terméke, a rézkő, még mindig tartalmaz ként. Ezért a rézkövet másodszor is meg kell sütni a maradék kén nagy részének eltávolítása érdekében.
Az első lépést - az érc pörkölését - kétszer hajtották végre: Az első kísérletben 6 kg ércet pörköltek 2 órán és 47 percen keresztül. A kén reakciója a levegőben lévő oxigénnel erős szaggal érezhető. A tűzifa leégése után 3,3 kg érc került elő a pörkölő ágyból. Ez az anyagveszteség az ércdarabok kis méretével magyarázható, amelyek túl kicsiek voltak ahhoz, hogy a hamuban megtalálhatók legyenek. A csökkent kéntartalom hozzájárulhatott a fogyáshoz.
A második kísérletben az ércet körülbelül egy órán át pörkölték. Miután a tüzet eloltották vízzel, az összes érc felszedhető volt. Mindkét kísérletben a ként nem távolították el teljesen. Ezt az erős kénszaggal lehetett meghatározni, amikor a pörkölt ércet az olvasztókemencébe öntötték.
A harmadik pörkölési kísérletben a ként teljesen el kell távolítani az olvasztási kísérletek során keletkező réz mattból. Ezt (2900 g) egy órán át 28 percig pirítottuk. A tűz leégése után 2550 gramm sült rézkövet lehetett felszedni. A pörkölés során ismét tiszta kénszag vált észrevehetővé.
3. Kísérletek rézolvasztással
Az olvasztási kísérleteket kizárólag a kemence bal égéstérében hajtották végre, mert a szerző számára lehetetlen volt egyszerre több kísérletet végrehajtani.
Három kísérletet hajtottak végre a rézgyártási folyamat ezen szakaszában (lásd az 1-3. Táblázatot). A hőmérsékletméréseket optikai mérőeszközzel (pirométer) végeztük. Mivel a szerzőnek egyszerre számos munkát kellett elvégeznie, ezeket a méréseket nem lehetett folyamatosan elvégezni. Fújtató hiányában inkább porszívót használtak.
A pörkölési kísérletek sikeresek voltak: elegendő mennyiségű kén reagált a levegőben lévő oxigénnel kén-dioxid képződéséhez. E folyamat során az érc színe zöldesről tompa sötétvörösre változott. Az azonban még nem világos, hogy az ércet meddig kell pörkölni, hogy optimális kiindulási terméket nyerjünk az olvasztáshoz. További kísérletekre lenne szükség, hogy információkat kapjanak a pörkölés optimális időtartamáról különböző típusú tűzifák felhasználásával.
Az olvasztási kísérletek:
Az első két kísérlet során nem lehetett rézkövet gyártani. A salakképződés nem történt meg teljesen. Néhány, alig reagáló ércdarabot találtak az égéstér hátsó részén. Ez nem a túl kevés vagy túl sok fluxus (kvarc és limonit) felhasználásának az eredménye, hanem a legforróbb pont hátrányos helyzete a fúvókanyílás közelében. A nagyon magas hőmérséklet ekkor oda vezetett, hogy a fúvóka lyukát salak elzárta. Ennek eredményeként az égéstér hátsó területei nem voltak kellően felmelegedve, ezért nem volt ott reakció vagy salakképződés.
Ezekben a kísérletekben a természetes huzatot használták a levegő ellátására, amikor a szél elég erős volt ahhoz, hogy fenntartsa a folyamat hőmérsékletét. Ha a hőmérséklet a szükséges érték alá esett (1300 ° C a fayalite salak képződéséhez), akkor a porszívót használták.
A harmadik kísérlet sikeresebb volt. A kemence enyhén módosult ehhez a kísérlethez: az égéstér alja kissé megemelkedett a hátsó részen, ami kb. 15 ° -os dőlést eredményezett a csapoló lyuk irányában. Ez megkönnyítette az adag aljára süllyedését és a salak kifolyását a csaplyukból.
| 6. ábra: Áramló salak |
Rézkövet elegendő mennyiségben lehet előállítani. Ezenkívül áramló salak képződött, amely fémrézet tartalmazott kis zárványok formájában. Ennek a salaknak a vizsgálatakor a fémes vas néhány főbb zárványát is megtalálták. Az előállított rézkőt a pörkölés után (a pörkölés után) használták fel a kísérlet során a rézgyártási folyamat utolsó lépésében. A rézkőt fémrézsé kell redukálni (lásd a 4. táblázatot).
Ennek az utolsó kísérletnek az eredménye azonban nem a salak, amelynek a várt módon felhasználható szintű a rézfém zárványa, hanem nagy mennyiségű üveges salak. Ez a salak rézt tartalmaz, de nem fém formában. Ennek oka a porszívó használatának köszönhető túlzottan magas hőmérséklet és a túl rövid eljárási idő, mert a salak túl gyorsan képződött.
Összefoglalva kijelenthető, hogy elvileg lehetséges ilyen módon réz előállítása, és hogy ezt az eljárást az őstörténetben is hasonló módon hajtották végre (a porszívó használatától eltekintve).
A jövőbeni kísérletek során figyelmet kell fordítani a hiteles fújtató használatára és azok használatára sokkal hosszabb ideig. Egy másik lényeges pont a kemence falának és az égéstér hőmérsékletének folyamatos folyamatos mérése.