Экспериментальные работы по моделированию древних металлургических технологий

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственного автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Основы научного творчества»

«ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ ДРЕВНИХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ»

ВВЕДЕНИЕ

Проект направлен на реконструкцию технологии и рудной базы древнего металлургического производства Северной Евразии. В рамках проекта собрана самая большая в мире коллекция древних шлаков. Хронологические рамки проекта охватывают 3000 лет от энеолита до раннего железного века (III-I тысячелетия до н.э.). Район исследования тоже необычайно широк: собраны материалы древних поселений от Дона до Алтая и Средней Азии. Однако основное количество древнего шлака происходит с Урала, который во все времена был важной металлургической провинцией (рис.1).

Рис. 1 Расположение древних центров металлургического производства Часть проекта посвящена изучению металлургических шлаков известных Синташта и Аркаим. Была реконструирована технология производства и разработана методика, позволяющая связать синташтинское производство с конкретными рудниками.

В основе проекта лежит изучение древних шлаков с помощью современных аналитических методов: оптическая минералогия, петрография, химический и спектральный анализы, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия. К настоящему времени проведено уже около 4000 различных анализов и получены интереснейшие данные по истории древней металлургии. Вероятно, распространение различных металлургических технологий было обусловлено миграционными процессами, в первую очередь, с Ближнего Востока.

Проект включает в себя также экспериментальную реконструкцию древнего производства. Работы по воссозданию древних печей и воспроизводству плавок по древним технологиям проходили в разные годы в Челябинской и Оренбургской областях. Помимо научных задач, это направление может оказаться полезным и для создаваемых в Челябинской области музеев-заповедников на археологических памятниках.

Результатом этой работы стало выявление различных технологических схем, применявшихся металлургами различных территорий в разные периоды. В задачи экспериментальных работ по реконструкции древних технологий извлечения меди из руды входила апробация различных типов руд с использованием различных технологических приемов, с тем, чтобы получить пригодный для анализа шлак, который может быть сопоставлен с древними образцами. В ходе его были проведены эксперименты по строительству печи, прогреву ее, обжигу руды, плавке окисленных и сульфидных руд в тигле и в печи.

ОПИСАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА древний металлургический печь Работы проводились на острове Веры озера Тургояк в Челябинской области. Для плавок использовался древесный березовый уголь. В качестве руд были взяты халькопирит и малахит различных месторождений Зауралья. Плавки проводились непосредственно в купольной печи или в тигле, помещенном в печь. В ходе этой работы было отобрано большое количество проб для анализа.

Построенная печь с диаметром пода 50…55 см слишком велика для плавки с одними мехами (рис. 3,4). У задней стенки не создается высокой температуры. Горение угля там слабое. Для такого диаметра нужны вторые мехи, расположенные напротив первых, или дутье из колодца, как в синташтинской культуре. При уменьшении диаметра печи до 25 см ситуация резко улучшается. Это соответствует многим образцам эпохи бронзы. Однако не исключено, что для плавки окисленных руд подобный диаметр слишком мал, так как мешает формированию восстановительной атмосферы во всей полости печи.

Печь должна быть непременно обмазана глиной с песком. Без обмазки, даже в результате одной плавки такой материал как гранодиорит, из которого была сложена печь, легко распадается на мелкие частицы. То же касается песчаников и некоторых иных пород камня.

Установка рычага под мехи может не оставлять следов археологически. Стационарное их закрепление свидетельствует, скорее, о плавке окисленных руд. При плавке сульфидов приходится менять место рабочей площадки в зависимости от направления ветра.

При любой плавке в печи, если она успешная и формируется жидкий расплав, обмазка части стенок и пода спекается со шлаком, и ее необходимо менять. Это резко увеличивает трудозатраты на каждую плавку и делает необходимым просушку новой обмазки в течение двух дней.

Рис. 2 Реконструкция древней металлургической печи Рис. 3 Печь и воздуходувные мехи

Постоянные плавки в таком случае невозможны. При плавке в тигле такой проблемы не возникает.

Изготовление тиглей и сопел является достаточно легкой процедурой, а для их устойчивости к высоким температурам достаточно простого кострового обжига.

Рис. 4 Печь и воздуходувные мехи Рис. 5 Горение древесных углей в печи Рис. 6. Шлак, полученный в результате экспериментальной плавки № 10

Остывание печи проходит довольно долго (8 — 12 часов). До полного остывания извлекать продукты плавки из нее невозможно. Это лимитирует количество плавок, или повторное использование печи в иных целях. Ситуация облегчается лишь в случае тигельной плавки. При этом начало следующей плавки в неостывшей печи предпочтительно с точки зрения трудозатрат и экономии топлива.

Плавить малые объемы руды в печи невозможно. Частицы руды изолированы друг от друга и не образуют сплошного шлакового расплава, в котором расплавляется руда. Ситуация упрощается в тигле, где руда размещается более компактно и не просыпается между отдельными кусочками угля.

В ходе экспериментов удавалось расплавить руду и получать шлак. Однако получить слиток меди, осевший на под печи, не удалось. В некоторых экспериментах это было связано с коротким временем плавки, но чаще с вязкостью шлака. Многие шлаки эпохи поздней бронзы измельчены, и древние металлурги сталкивались, видимо, с той же проблемой. Вероятно, для нормального отделения меди от шлака необходим менее вязкий шлак и использование флюсов.

Разогрев печи проще проводить дровами. На эту операцию уходит мало времени. Требуется незначительная работа мехами, так как при разгорании дров в условиях отсутствия тяги происходит довольно быстрое задымление полости печи. Угли, положенные на горящие дрова, легко возгораются по всей полости печи. Но для полного прогрева печи и достижения высоких температур требуется больше времени.

Рис. 7 Разогрев печи дровами Плавить сульфидные руды в жилом помещении невозможно. Выделение серного газа очень интенсивно, проявляется в течение длительного времени, и воздействие его на самочувствие плавильщика довольно жестко. Запах его ощущается на расстоянии до 15 м от печи. При плавке окисленной руды подобной проблемы не возникает. Иногда наблюдается запах горящего угля или ощущается угарный газ. При расплавлении руды может присутствовать легкий запах окалины. Но это все не могло быть серьезным препятствием для плавки в жилище. Поэтому исчезновение следов металлургического производства в жилищах может быть признаком перехода на сульфиды. Речь идет, безусловно, о тенденции, так как отклонения от этого положения вполне возможны. Отчасти плавка сульфидов может быть облегчена при наличии дымохода, хорошей тяги и плотно закрытой крышке печи.

На расстоянии до 15 — 18 см от сопла находится зона окислительной атмосферы. Это вызвано тем, что уголь здесь прогорает быстрее, дутье интенсивней, часть углей выдувается. Кроме того, газ CO, основной восстановитель в металлургических процессах, не успевает формироваться. В случае прохождения дутья через слой угля, эта зона может составлять 1 — 15 см. Поэтому окисленную руду желательно помещать на этом расстоянии. Сульфидные руды могут располагаться ближе.

Зона максимальных температур располагается в 10 — 15 см от сопла. Дробление такой руды, как халькопирит, чрезвычайно трудно. Процесс становится предельно простым при обжиге этой руды. Результатом этого становится не столько уменьшение содержания серы (оно меняется незначительно), сколько появление множества микротрещин. Этот процесс неудобно вести в печи. Более эффективным является длительный костровой обжиг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные работы помогли понять многие параметры древнего металлургического производства. Характерное для эпохи средней бронзы присутствие металлургических шлаков в большинстве жилищ может объясняться плавкой окисленных руд, что соответствует и аналитическим данным. Объемы древних производств лимитировались длительностью остывания печи. Распространение в эпоху поздней бронзы использования тиглей в металлургическом производстве может означать вовсе не определенный регресс, а оптимизацию процесса в условиях формирования ремесленного производства, когда требовалось совершать большее количество плавок в день. Размеры древних печей мало зависели от потребностей в объемах производства, будучи жестко лимитированы возможностями подачи воздуха. Не исключено, что эта проблема могла быть решена увеличением количества мехов, но подобные археологические и экспериментальные данные отсутствуют. Достижение высоких температур и расплавление руды не являлось серьезной проблемой для древних металлургов. Более существенным было создание жидкотекучего шлака и соответствующей атмосферы. Это должно было привязывать металлургов к привычной руде. С другой стороны, на многих памятниках фиксируется колоссальная разница в содержании меди в шлаке. Это может объясняться очень богатой рудой, позволявшей мириться с потерями, или переходом какой-то группы металлургов на непривычное для себя сырье. Видимо, эта проблема должна решаться индивидуально для отдельных археологических объектов. Поскольку для эпохи поздней бронзы характерен переход на халькопирит, а его месторождения чаще срабатывались в позднее время, может оказаться перспективным поиск в районе месторождений мест древних обжигов руды, без чего успешное дробление халькопирита невозможно. Вероятно, обжиг халькопирита, преследовал в древности, главным образом, эту цель, а не стремление удалить из него серу.

1. Григорьев С. А. Металлургическое производство на Южном Урале в эпоху средней бронзы // Древняя история Южного Зауралья. Челябинск: Рифей, 2000. C. 444—531.

2. Григорьев С. А. Металлургия эпохи бронзы Центрального Казахстана // Степная цивилизация Восточной Евразии. Астана: Кюльтегин, 2003. С. 136—158.

3. Григорьев С. А. Древние металлургические шлаки степного Поволжья // Археологическое наследие Саратовского края. Охрана и исследования в 2001 году. Вып. 5. Саратов, 2003: Научная книга. (Ред. А.И. Юдин). С. 94—102.

4. Григорьев С. А. Минералогия шлака Мосоловского поселения // Археология Восточноевропейской лесостепи. Вып. 17. Воронеж, 2003. С. 123—133.

5. Григорьев С. А. Производство металла в Средней Азии в эпоху бронзы // Новое в археологии Южного Урала. Челябинск, 1996: «Рифей». С. 97—123.