Arkeometallurgisk slagg

Arkeometallurgisk slagg är slagg som upptäckts och studerats i arkeologisammanhang . Slagg, en biprodukt av järnbearbetningsprocesser som smältning eller smidning , lämnas på järnbearbetningsplatsen istället för att flyttas bort med produkten. Eftersom det väder är det lättillgängligt för studier. Slaggens storlek, form, kemiska sammansättning och mikrostruktur bestäms av egenskaperna hos de järnbearbetningsprocesser som användes vid tidpunkten för dess bildning.

Översikt

Se även: Bloomery

De malmer som användes i forntida smältprocesser var sällan rena metallföreningar. Föroreningar avlägsnades från malmen genom slaggprocessen, som innebär tillförsel av värme och kemikalier. Slagg är det material i vilket föroreningarna från malmer (så kallade gangg ), liksom ugnsfoder och träkolsaska, samlas. Studiet av slagg kan avslöja information om smältprocessen som användes vid tidpunkten för dess bildande.

Fyndet av slagg är ett direkt bevis på att smältning har skett på den platsen eftersom slagg inte avlägsnades från smältplatsen. Genom slagganalys kan arkeologer rekonstruera forntida mänskliga aktiviteter som rör metallarbete såsom dess organisation och specialisering.

Den samtida kunskapen om slaggning ger insikter i forntida järnframställning. I en smältugn kan upp till fyra olika faser samexistera. Från toppen av ugnen till botten är faserna slagg, matt, speiss och flytande metall.

Slagg kan klassificeras som ugnsslagg, tappslagg eller degelslagg beroende på produktionsmekanismen. Slaggen har tre funktioner. Den första är att skydda smältan från kontaminering. Det andra är att acceptera oönskade flytande och fasta föroreningar. Slutligen slagg hjälpa till att kontrollera tillförseln av raffineringsmedia till smältan.

Dessa funktioner uppnås om slaggen har låg smälttemperatur, låg densitet och hög viskositet vilket säkerställer en flytande slagg som separerar väl från den smältande metallen. Slagg bör också behålla sin korrekta sammansättning så att den kan samla upp mer föroreningar och vara oblandbar i smältan.

Genom kemisk och mineralogisk analys av slagg kan faktorer som den smälta metallens identitet, vilka typer av malm som används och tekniska parametrar som arbetstemperatur, gasatmosfär och slaggviskositet läras .

Slaggbildning

Naturliga järnmalmer är blandningar av järn och oönskade föroreningar, eller gånggas . I forna tider avlägsnades dessa föroreningar genom slaggning . Slagg avlägsnades genom smältning , det vill säga fast gånggas omvandlades till en flytande slagg. Processens temperatur var tillräckligt hög för att slaggen skulle existera i flytande form.

Smältning bedrevs i olika typer av ugnar . Exempel är den blommande ugnen och masugnen . Tillståndet i ugnen bestämmer slaggens morfologi, kemiska sammansättning och mikrostruktur.

Den blommande ugnen producerade järn i fast tillstånd. Detta beror på att blomningsprocessen genomfördes vid en temperatur lägre än smältpunkten för järnmetall. Kolmonoxid från den ofullständiga förbränningen av träkol diffunderade långsamt genom den heta järnoxidmalmen och omvandlade den till järnmetall och koldioxid .

Masugnar användes för att tillverka flytande järn. Masugnen drevs vid högre temperaturer och vid ett större reducerande tillstånd än den blommande ugnen. En större reducerande miljö uppnåddes genom att öka förhållandet mellan bränsle och malm. Mer kol reagerade med malmen och producerade ett gjutjärn snarare än fast järn. Dessutom var slaggen som producerades mindre rik på järn.

En annan process användes för att göra "tappad" slagg. Här tillsattes bara träkol i ugnen. Det reagerade med syre och genererade kolmonoxid , vilket reducerade järnmalmen till järnmetall. Den flytande slaggen separerade från malmen och avlägsnades genom tappbågen på ugnsväggen.

Dessutom bidrog flussmedlet (reningsmedlet), kolaskan och ugnsfodret till slaggens sammansättning.

Slagg kan också bildas under smide och förädling . Produkten av blomningsprocessen är heterogena blomningar av infångad slagg. Smide är nödvändigt för att skära upp och ta bort den fångade slaggen genom att återuppvärma, mjuka upp slaggen och sedan pressa ut den. Å andra sidan behövs förädling av det gjutjärn som produceras i masugnen. Genom att smälta om gjutjärnet i en öppen spis oxideras kolet och avlägsnas från järnet. Flytande slagg bildas och avlägsnas i denna process.

Slagganalys

Analysen av slagg baseras på dess form, textur, isotopsignatur, kemiska och mineralogiska egenskaper. Analytiska verktyg som optiskt mikroskop , svepelektronmikroskop ( SEM ), röntgenfluorescens ( XRF ), röntgendiffraktion ( XRD ) och induktivt kopplad plasma-masspektrometri ( ICP-MS ) används i stor utsträckning i studien av slagg.

Makroanalys

Det första steget i undersökningen av arkeometallurgisk slagg är identifiering och makroanalys av slagg i fält. Fysiska egenskaper hos slagg som form, färg, porositet och till och med lukt används för att göra en primär klassificering för att säkerställa representativa prover från slagghögar för framtida mikroanalys.

Till exempel har tappslagg vanligtvis en skrynklig ovansida och en platt undersida på grund av kontakt med jord.

Vidare kan makroanalysen av slagghögar bevisa en uppskattad totalvikt som i sin tur kan användas för att bestämma omfattningen av produktionen vid en viss smältningsplats.

Bulk kemisk analys

Den kemiska sammansättningen av slagg kan avslöja mycket om smältningsprocessen. XRF är det mest använda verktyget för att analysera den kemiska sammansättningen av slagg. Genom kemisk analys kan laddningens sammansättning, bränningstemperaturen, gasatmosfären och reaktionskinetiken bestämmas.

Forntida slaggsammansättning är vanligtvis ett kvartärt eutektiskt system CaO-SiO ₂ -FeO-Al ₂ O ₃ förenklat till CaO-SiO ₂ -FeO ₂ , vilket ger en låg och enhetlig smältpunkt. Under vissa omständigheter skapades det eutektiska systemet i enlighet med andelen silikater till metalloxider i gänget, tillsammans med typen av malm och ugnsfoder. I andra fall krävdes ett flöde för att uppnå rätt system.

Smälttemperaturen för slagg kan bestämmas genom att plotta dess kemiska sammansättning i en ternär kurva .

Viskositeten hos slagg kan beräknas genom dess kemiska sammansättning med ekvationen:

$K_{v}={\frac {CaO+MgO +FeO+MnO+AlK_{2}O}{Si_{2}O_{3}+Al_{2}O_{3}}}\,$

där $K_{v}$ är viskositetsindex.

Med de senaste framstegen inom rotationsviskometritekniker har viskositeter av järnoxidslagg också vidtagits i stor utsträckning. Tillsammans med fasjämviktsstudier ger dessa analyser en bättre förståelse av det fysikalisk-kemiska beteendet hos slagg vid höga temperaturer.

I de tidiga stadierna av smältningen är separationen mellan smältande metall och slagg inte fullständig. Därför kan de huvudsakliga, mindre och spårämnena av metall i slaggen vara indikatorer på vilken typ av malm som används i smältningsprocessen.

Mineralogisk analys

Det optiska mikroskopet , svepelektronmikroskopet , röntgendiffraktion och petrografisk analys kan användas för att bestämma typer och fördelning av mineraler i slagg. Mineralerna som finns i slaggen är goda indikatorer på gasatmosfären i ugnen, slaggens kylhastighet och slaggens homogenitet. Typen av malm och flussmedel som används i smältningsprocessen kan bestämmas om det finns element av onedbruten laddning eller till och med metallpiller fångade i slaggen.

Slaggmineral klassificeras som silikater , oxider och sulfider . Bachmann klassificerade huvudsilikaten slagg enligt förhållandet mellan metalloxider och kiseldioxid .

Förhållande MeO : SiO ₂ silikatexempel

2 : 1 fayalit

2 : 1 monticellit

1,5 : 1 melilit

1 : 1 pyroxen

Fayalit (Fe ₂ SiO ₄ ) är det vanligaste mineralet som finns i forntida slagg. Genom att studera fayalitens form kan slaggens kylningshastigheter grovt uppskattas.

Fayalit reagerar med syre för att bilda magnetit :

3Fe2SiO4 + _O2 = _{2FeO · Fe2O3} + _{3SiO2 _} _ _

Därför kan gasatmosfären i ugnen beräknas från förhållandet mellan magnetit och fayalit i slaggen.

Närvaron av metallsulfider tyder på att en sulfidmalm har använts. Metallsulfider överlever oxidationssteget före smältning och kan därför också indikera en flerstegs smältprocess .

När fayalit är fylld med CaO bildas monticellit och pyroxen . De är en indikator på en hög kalciumhalt i malmen.

Blyisotopanalys

Blyisotopanalys är en teknik för att bestämma källan till malm vid forntida smältning. Blyisotopsammansättningen är en signatur för malmfyndigheter och varierar mycket lite genom hela fyndigheten. Dessutom är blyisotopsammansättningen oförändrad i smältningsprocessen.

Mängden av var och en av de fyra stabila isotoper av bly används i analysen. De är ²⁰⁴ Pb, ²⁰⁶ Pb, ²⁰⁷ Pb och ²⁰⁸ Pb. Förhållanden: ²⁰⁸ Pb/ ²⁰⁷ Pb, ²⁰⁷ Pb/ ²⁰⁶ Pb och ²⁰⁶ Pb/ ²⁰⁴ Pb mäts med masspektrometri. Bortsett från ²⁰⁴ Pb är blyisotoperna alla produkter av radioaktivt sönderfall av uran och torium . När malm deponeras separeras uran och torium från malmen. Således kommer avlagringar som bildats under olika geologiska perioder att ha olika blyisotopsignaturer .

²³⁸ U → ²⁰⁶ Pb

²³⁵ U → ²⁰⁷ Pb

²³² Th→ ²⁰⁸ Pb

Till exempel utförde Hauptmann blyisotopanalys på slagg från Faynan, Jordanien . Den resulterande signaturen var densamma som den från malmer från dolomit- , kalkstens- och skifferavlagringarna i områdena Wadi Khalid och Wadi Dana i Jordanien .

Fysisk dejting

Forntida slagg är svårt att datera. Den har inget organiskt material att utföra radiokoldatering med . Det finns inga kulturella artefakter som keramikskärvor i slaggen som man kan datera den med. Direkt fysisk datering av slagg genom termoluminescensdatering kan vara en bra metod för att lösa detta problem. Termoluminescensdatering är möjlig om slaggen innehåller kristallelement som kvarts eller fältspat . Den komplexa sammansättningen av slagg kan emellertid göra denna teknik svår om inte kristallelementen kan isoleras.

Se även

• Arkeometallurgi
• Myrjärn
• Järnmetallurgi i Afrika
• Järnåldern