Experimente pe aliaj de cupru; ttung - UFG Freiburg
Experimente privind topirea cuprului
pe Rocca San Silvestro
| Fig. 1: Rocca San Silvestro |
Ca parte a seminarului „Archaeologia delle attività estrattive e metallurgiche”, organizat de Universitatea din Siena în septembrie 1991 în Toscana, Rocca San Silvestro [Fig. 1] s-au efectuat câteva experimente privind producția de cupru din minereu sulfidic. Aceste experimente ar trebui să ajute la o mai bună înțelegere a posibilelor procese preistorice de fabricație a cuprului. Produsele experimentelor (zgură, piatră de cupru și cupru) vor fi analizate și comparate cu relicvele corespunzătoare care au fost găsite pe siturile de topire preistorice ale cuprului.
| Fig. 2: Minereu de cupru |
Minereul de cupru utilizat pentru experimente provine din zona minieră în care se află Rocca San Silvestro. Acest minereu este pietricele de cupru îmbogățite (CuFeS2), care a fost zdrobit în bucăți cu un diametru de aproximativ 1 - 5 cm pentru utilizare ulterioară [Fig. 2]. Pentru ca acest minereu sulfidic să fie topit, conținutul de sulf trebuie mai întâi îndepărtat de un foc oxidant în timpul procesului de prăjire. [1] O parte din sulf reacționează cu oxigenul din aer și scapă sub formă de dioxid de sulf. Acest proces a fost realizat în așa-numitul pat de prăjire.
Patul de prăjit are o dimensiune de 225 x 95 cm, este format din lut roșu (»terra rossa«) cu o depresiune în centru și o margine de calcar local [Fig. 3]. Modelul pentru această formă este un pat de prăjire din epoca bronzului care a fost excavat în zona minieră austriacă de pe Mitterberg. [2] Deoarece patul de prăjire este căptușit cu argilă, este posibil să se extragă aproape tot minereul prăjit după procesul de prăjire.
| Fig. 3: Patul de prăjit. Stânga o fotografie a procesului de prăjire, dreapta desenul schematic: (1) terra rossa; (2) calcar |
Pentru experimente, un cuptor de topire cu două camere de ardere a fost reconstruit pe baza modelului a două cuptoare excavate pe Rocca San Silvestro. Acest cuptor are o dimensiune de 200 x 100 x 100 cm. Pereții cuptorului sunt compuși din blocuri mari de calcar și porfir îmbrăcate cu lut roșu. Pereții exteriori au o grosime de aproximativ 25 cm, în timp ce peretele dintre cele două camere de ardere are o grosime de aproximativ 55 cm [Fig. 4].
| Fig. 4: Construcția cuptorului (1) terra rossa; (2) calcar; (3) deschiderea duzei; (4) orificiu pentru robinet; (5) groapă de zgură; (6) camere de ardere. |
Deoarece niciunul dintre cele două cuptoare excavate pe Rocca San Silvestro nu a fost complet conservat, există două posibilități cum ar fi putut fi construite: Fie au fost construite ca cuptoarele de topire din epoca bronzului de la Mitterberg în Austria. Acest tip de cuptor - după cum a arătat Moesta [3] - avea un front deschis. Sau existau cuptoare de topire cu cameră de ardere închisă și perete frontal, robinet și orificiu pentru duză, deoarece erau utilizate în secolul al XVI-lea d.Hr. [4] O altă variantă posibilă ar fi o combinație a celor două posibilități menționate. O indicație a acestui fapt este faptul că în timpul săpăturii de la Rocca San Silvestro s-au găsit diferite tipuri de zgură în fața celor două cuptoare. [5]
Pentru experimente, cuptorul a fost construit cu o cameră de ardere deschisă pe partea dreaptă și o cameră de combustie închisă cu o deschidere a duzei și orificiu pentru robinet în partea stângă. Camerele de ardere au un volum de 142,5 l (47,5 x 60 x 50 cm: camera dreaptă fără perete frontal) sau 95 l (47,5 x 40 x 50 cm: camera stângă, închisă). Întrucât camera de ardere din dreapta nu are perete frontal, nu poate ține la fel de mult material ca stânga.
1. Experimente privind echilibrul temperaturii peretelui cuptorului
Primele două experimente au fost efectuate pentru a afla temperatura până la care pereții cuptorului trebuiau încălziți, astfel încât să nu se piardă energie în timpul procesului de topire pentru egalizarea temperaturii tăciunilor, pereților și aerului exterior. În acest scop, temperatura peretelui a fost înregistrată și înregistrată cu un dispozitiv electronic de măsurare în timp ce cuptorul era încălzit.
Diagrama temperaturii arată că temperatura peretelui cuptorului crește continuu până la un anumit punct [Fig. 5], doar pentru a crește moderat. În acest moment, peretele cuptorului este încălzit într-o asemenea măsură încât energia jarului din camera de ardere curge doar într-o măsură mai mică în pereți și astfel se pierde mai puțină căldură în timpul topirii. Când se atinge acest punct (în experimentele noastre între 350 ° C și 400 ° C), condițiile de temperatură ar trebui să fie optime pentru procesul de topire.
Fig. 5: Curbele profilului de temperatură
2. Experimente cu privire la procesul de prăjire
În patul de prăjire, lemnul de foc uscat era îngrămădit în așa fel încât minereul să fie așezat pe lemn la o înălțime de aproximativ 10 cm deasupra solului. Acest lucru a împiedicat colectarea minereului în depresiunea din mijlocul patului de prăjire înainte ca acesta să reacționeze cu oxigenul.
Pentru a putea topi minereul sulfidic, conținutul de sulf trebuie mai întâi îndepărtat din acesta în două etape: Mai întâi, minereul zdrobit este prăjit pentru a-l pregăti pentru primul pas al procesului de topire. Produsul acestui proces, copperstone, conține încă sulf. Prin urmare, piatra de cupru trebuie prăjită a doua oară pentru a îndepărta o mare parte din sulful rămas.
Primul pas - prăjirea minereului - a fost făcut de două ori: în primul experiment, 6 kg de minereu au fost prăjite timp de 2 ore și 47 de minute. Reacția sulfului cu oxigenul din aer s-a făcut simțită de un miros puternic. După arderea lemnului de foc, 3,3 kg de minereu au putut fi recuperate din patul de prăjire. Această pierdere de material poate fi explicată prin dimensiunea redusă a bucăților de minereu, care erau prea mici pentru a fi găsite în cenușă. Conținutul scăzut de sulf poate fi contribuit la scăderea în greutate.
În al doilea experiment, minereul a fost prăjit timp de aproximativ o oră. După ce focul a fost stins cu apă, tot minereul a putut fi ridicat. În ambele experimente, sulful nu a fost îndepărtat complet. Acest lucru ar putea fi determinat de mirosul puternic de sulf atunci când minereul prăjit a fost turnat în cuptorul de topire.
În cel de-al treilea experiment de prăjire, sulful trebuie îndepărtat complet din matul de cupru produs în experimentele de topire. Aceasta (2900 g) a fost prăjită timp de o oră și 28 de minute. După ce focul a ars, s-au putut ridica 2550 de grame de piatră de copt prăjită. În timpul prăjirii, un miros clar de sulf a redevenit remarcabil.
3. Experimente privind topirea cuprului
Experimentele de topire au fost efectuate exclusiv în camera de ardere din stânga a cuptorului, deoarece autorului i-a fost imposibil să efectueze mai multe experimente în același timp.
Au fost efectuate trei experimente în această secțiune a procesului de fabricație a cuprului (vezi Tabelele 1-3). Măsurătorile de temperatură au fost efectuate cu un dispozitiv optic de măsurare (pirometru). Deoarece autorul a trebuit să facă o serie de lucrări în același timp, aceste măsurători nu au putut fi efectuate continuu. În absența burdufului, a fost folosit în schimb un aspirator.
Experimentele de prăjire au avut succes: o cantitate suficientă de sulf a reacționat cu oxigenul din aer pentru a forma dioxid de sulf. În acest proces, culoarea minereului s-a schimbat de la verzui la roșu închis. Cu toate acestea, nu este încă clar cât timp trebuie să se prăjească minereul pentru a obține un produs de pornire optim pentru topire. Alte experimente ar fi de dorit pentru a obține informații despre durata optimă a procesului de prăjire folosind diferite tipuri de lemn de foc.
Experimentele de topire:
Nici o piatră de cupru nu a putut fi produsă în primele două încercări. Formarea zgurii nu a avut loc complet. Unele bucăți de minereu care abia răspunseseră au fost găsite în partea din spate a camerei de ardere. Acesta nu este rezultatul utilizării unui flux prea mic sau prea mare (cuarț și limonit), ci mai degrabă poziția dezavantajoasă a celui mai fierbinte punct lângă deschiderea duzei. Temperaturile foarte ridicate din acest moment au condus la blocarea orificiului duzei de zgură. Ca urmare, zonele din spate ale camerei de ardere nu au fost încălzite suficient, motiv pentru care nu a existat reacție sau formare de zgură acolo.
În aceste experimente, curentul natural a fost folosit pentru a furniza aer atunci când vântul era suficient de puternic pentru a menține temperatura procesului. Dacă temperatura a scăzut sub valoarea necesară (1300 ° C pentru formarea zgurii fayalitice), s-a folosit aspiratorul.
Al treilea experiment a avut mai mult succes. Cuptorul a fost ușor modificat pentru acest experiment: fundul camerei de ardere a fost ușor ridicat în zona din spate, ceea ce a dus la o înclinare de aproximativ 15 ° în direcția orificiului de filetare. Acest lucru a făcut mai ușor scufundarea lotului până la fund și scurgerea zgurii din orificiul robinetului.
| Fig. 6: Zgură de curgere |
Piatra de cupru ar putea fi produsă în cantități suficiente. În plus, s-a format o zgură care curge, care conținea cupru metalic sub formă de mici incluziuni. La examinarea acestei zgură, s-au găsit și câteva incluziuni majore de fier metalic. Piatra de cupru produsă a fost utilizată (după ce a fost prăjită) în experiment pentru ultima etapă a procesului de producție a cuprului. Piatra de cupru trebuie redusă la cupru metalic (vezi tabelul 4).
Rezultatul acestui ultim experiment, însă, nu a fost zgura cu un nivel utilizabil de incluziuni de cupru metalic, așa cum era de așteptat, ci o cantitate mare de zgură sticloasă. Această zgură conține cupru, dar nu sub formă metalică. Motivele pentru aceasta sunt temperaturi extrem de ridicate datorită utilizării aspiratorului și un timp de proces prea scurt, deoarece zgura s-a format prea repede.
Pe scurt, se poate afirma că, în principiu, este posibil să se producă cupru în acest mod și că acest proces ar fi putut fi realizat într-un mod similar în preistorie (în afară de utilizarea aspiratorului).
În experimentele viitoare, ar trebui acordată atenție utilizării burdufurilor autentice și utilizării lor continue pe o perioadă mult mai lungă de timp. Un alt punct esențial este măsurarea continuă necesară a temperaturilor peretelui cuptorului și în camera de ardere.