Pokusy so zliatinou medi; ttung - UFG Freiburg
Pokusy s tavením medi
na Rocca San Silvestro
| Obrázok 1: Rocca San Silvestro |
V rámci seminára „Archaeologia delle attività estrattive e metallurgiche“, ktorý organizovala univerzita v Siene v septembri 1991 v Toskánsku, Rocca San Silvestro [obr. 1] sa uskutočnili niektoré experimenty s výrobou medi zo sulfidickej rudy. Tieto experimenty by mali pomôcť lepšie pochopiť možné procesy výroby pravekej medi. Budú analyzované produkty experimentov (troska, medený kameň a meď) a porovnané s príslušnými relikviami, ktoré sa našli na prehistorických miestach tavenia medi.
| Obrázok 2: Medená ruda |
Medená ruda použitá na experimenty pochádza z banskej oblasti, v ktorej sa nachádza Rocca San Silvestro. Touto rudou sú obohatené pyrity medi (CuFeS2), ktoré sa pre ďalšie použitie drvili na kúsky s priemerom približne 1 - 5 cm [obr. 2]. Aby sa táto sulfidická ruda mohla taviť, musí sa počas praženia najskôr odstrániť obsah síry oxidačným ohňom. [1] Časť síry reaguje s kyslíkom vo vzduchu a uniká ako oxid siričitý. Tento proces sa uskutočňoval v takzvanom pražiacom lôžku.
Zapekacie lôžko má rozmer 225 x 95 cm, pozostáva z červenej hliny (»terra rossa«) s priehlbinou v strede a okrajom miestneho vápenca [obr. 3]. Vzorom pre tento tvar je pražiareň z doby bronzovej, ktorá bola vyhĺbená v rakúskej banskej oblasti na Mitterbergu. [2] Pretože pražiace lôžko je obložené hlinou, je možné po ukončení praženia vyťažiť takmer všetku praženú rudu.
| Obrázok 3: Pekáč. Vľavo fotografia procesu praženia, vpravo schematický nákres: (1) terra rossa; (2) vápenec |
Pre experimenty bola rekonštruovaná taviaca pec s dvoma spaľovacími komorami na základe modelu dvoch pecí vyhĺbených na Rocca San Silvestro. Táto rúra má rozmer 200 x 100 x 100 cm. Steny pece sú vyrobené z veľkých blokov vápenca a porfyru pokrytých červenou hlinkou. Vonkajšie steny sú hrubé asi 25 cm, zatiaľ čo stena medzi dvoma spaľovacími komorami je hrubá asi 55 cm [obr. 4].
| Obrázok 4: Konštrukcia pece (1) terra rossa; (2) vápenec; (3) otvor trysky; (4) otvor pre batériu; (5) trosková jama; (6) spaľovacie komory. |
Pretože ani jedna z dvoch pecí vyhĺbených na Rocca San Silvestro nebola úplne zachovaná, existujú dve možnosti, ako ich bolo možné postaviť: Buď boli postavené ako taviace pece z doby bronzovej z rakúskeho Mitterbergu. Ako ukázala spoločnosť Moesta [3], tento typ pece mal otvorenú prednú časť. Alebo to boli taviace pece s uzavretou spaľovacou komorou a prednou stenou, odpichovacím otvorom a otvorom dýzy, aké sa používali v 16. storočí nášho letopočtu. [4] Ďalším možným variantom by bola kombinácia oboch spomenutých možností. Náznakom toho je skutočnosť, že počas razenia v Rocca San Silvestro sa pred dvoma pecami našli rôzne druhy trosky. [5]
Pre experimenty bola pec postavená s otvorenou spaľovacou komorou na pravej strane a uzavretou spaľovacou komorou s otvorom dýzy a otvorom pre kohútik na ľavej strane. Spaľovacie komory majú objem 142,5 l (47,5 x 60 x 50 cm: pravá komora bez prednej steny) alebo 95 l (47,5 x 40 x 50 cm: ľavá, uzavretá komora). Pretože pravá spaľovacia komora nemá prednú stenu, nemôže pojať toľko materiálu ako ľavá.
1. Pokusy o teplotnú bilanciu steny pece
Prvé dva experimenty sa uskutočňovali za účelom zistenia teploty, na ktorú sa museli steny pece ohrievať, aby sa počas procesu tavenia nestrácala energia na vyrovnanie teploty uhlíkov, stien a vonkajšieho vzduchu. Na tento účel bola teplota steny zaregistrovaná a zaznamenaná pomocou elektronického meracieho zariadenia počas ohrievania pece.
Teplotný diagram ukazuje, že teplota steny pece stúpa kontinuálne až do určitého bodu [obr. 5], iba mierne stúpať. V tomto okamihu sa stena pece zahreje natoľko, že energia žeravých uhlíkov v spaľovacej komore prúdi do stien iba v menšej miere, a tak sa pri tavení stráca menej tepla. Po dosiahnutí tohto bodu (v našich experimentoch medzi 350 ° C a 400 ° C) by mali byť teplotné podmienky optimálne pre proces tavenia.
Obrázok 5: Krivky teplotného profilu
2. Pokusy o postup praženia
Na pekáči sa nahromadilo suché palivové drevo tak, aby bolo možné rudu ukladať na drevo vo výške asi 10 cm nad zemou. To zabránilo tomu, aby sa ruda zhromažďovala v priehlbine uprostred pražiarne predtým, ako reagovala s kyslíkom.
Aby bolo možné sulfidickú rudu roztaviť, musí sa z nej najskôr odstrániť obsah síry v dvoch krokoch: Najskôr sa drvená ruda praží, aby sa pripravila na prvý krok procesu tavenia. Produkt tohto procesu, meďovec, stále obsahuje síru. Preto sa musí medený kameň pražiť druhýkrát, aby sa odstránila veľká časť zvyšnej síry.
Prvý krok - praženie rudy - sa uskutočnil dvakrát: V prvom experimente sa pražilo 6 kg rudy 2 hodiny a 47 minút. Reakcia síry s kyslíkom vo vzduchu sa prejavila silným zápachom. Po zhorení palivového dreva sa z pražiarne podarilo získať 3,3 kg rudy. Túto stratu materiálu možno vysvetliť malou veľkosťou kusov rudy, ktoré boli príliš malé na to, aby sa dali nájsť v popole. K zníženiu hmotnosti mohol prispieť znížený obsah síry.
V druhom experimente sa ruda pražila asi hodinu. Po uhasení požiaru vodou bolo možné všetku rudu vyzdvihnúť. V obidvoch experimentoch nebola síra úplne odstránená. To sa dalo zistiť podľa silného zápachu síry, keď sa pražená ruda naliala do taviacej pece.
V treťom experimente praženia by sa mala síra úplne odstrániť z medeného kamienku vyrobeného pri pokusoch o tavenie. Táto (2 900 g) sa pražila jednu hodinu a 28 minút. Po zhorení ohňa sa podarilo vyzdvihnúť 2550 gramov praženého medeného kameňa. Počas praženia bol opäť zreteľný čistý zápach síry.
3. Pokusy o tavenie medi
Experimenty s tavením sa uskutočňovali výhradne v ľavej spaľovacej komore pece, pretože nebolo možné, aby autor vykonal viac ako jeden experiment súčasne.
V tejto časti procesu výroby medi sa uskutočnili tri experimenty (pozri tabuľky 1-3). Merania teploty sa uskutočňovali pomocou optického meracieho zariadenia (pyrometra). Pretože autor musel robiť niekoľko úloh súčasne, tieto merania nebolo možné robiť kontinuálne. Pri absencii mechov sa namiesto nich použil vysávač.
Experimenty praženia boli úspešné: dostatočné množstvo síry reagovalo s kyslíkom vo vzduchu za vzniku oxidu siričitého. Počas tohto procesu sa farba rudy zmenila zo zelenkastej na matnú tmavočervenú. Zatiaľ však nie je jasné, ako dlho sa musí ruda pražiť, aby sa získal optimálny východiskový produkt na tavenie. Boli by žiaduce ďalšie experimenty na získanie informácií o optimálnom trvaní procesu praženia s použitím rôznych druhov palivového dreva.
Experimenty s tavením:
V prvých dvoch pokusoch sa nepodarilo vyrobiť žiadny medený kameň. Tvorba trosky neprebehla úplne. Niektoré kúsky rudy, ktoré sotva reagovali, sa našli v zadnej časti spaľovacej komory. Nie je to výsledkom použitia príliš malého alebo príliš veľkého množstva tavidla (kremeňa a limonitu), ale skôr nevýhodnej polohy najteplejšieho bodu v blízkosti otvoru trysky. Veľmi vysoké teploty v tomto bode viedli k zablokovaniu otvoru trysky troskou. Vďaka tomu neboli zadné oblasti spaľovacej komory dostatočne zahrievané, a preto tam nedošlo k nijakej reakcii alebo tvorbe trosky.
Pri týchto experimentoch sa použil prirodzený ťah na prívod vzduchu, keď bol vietor dostatočne silný na to, aby udržal teplotu procesu. Ak teplota klesla pod požadovanú hodnotu (1 300 ° C pre tvorbu fayalitovej trosky), použil sa vysávač.
Tretí pokus bol úspešnejší. Pec bola pre tento experiment mierne upravená: dno spaľovacej komory bolo v zadnej časti mierne vyvýšené, čo malo za následok sklon približne 15 ° k reznému otvoru. Toto uľahčilo vsádzke klesnúť na dno a vytiecť troska z otvoru pre kohútik.
| Obrázok 6: Tok trosky |
Medený kameň sa dal vyrobiť v dostatočnom množstve. Okrem toho sa vytvorila tečúca troska, ktorá obsahovala kovovú meď vo forme malých inklúzií. Pri skúmaní tejto trosky sa našli aj niektoré hlavné inklúzie kovového železa. Vyrobený medený kameň sa použil (po pražení) v experimente na posledný krok procesu výroby medi. Medený kameň by sa mal redukovať na kovovú meď (pozri tabuľku 4).
Výsledkom tohto posledného experimentu však nebola troska s užitočnou úrovňou inklúzií kovovej medi, ako sa očakávalo, ale veľké množstvo sklovitej trosky. Táto troska obsahuje meď, ale nie v kovovej forme. Dôvodom sú nadmerne vysoké teploty v dôsledku použitia vysávača a príliš krátka doba procesu, pretože troska sa tvorila príliš rýchlo.
V súhrne možno konštatovať, že je v zásade možné vyrobiť meď týmto spôsobom a že tento proces mohol prebiehať podobným spôsobom už v praveku (okrem použitia vysávača).
Pri budúcich experimentoch by sa mala venovať pozornosť použitiu autentických mechov a ich nepretržitému používaniu po oveľa dlhšiu dobu. Ďalším podstatným bodom je nevyhnutné nepretržité meranie teplôt steny pece a v spaľovacej komore.