Археологические шлаки
Археологические шлаки являются важным источником реконструкции древнего производства железа, но в археологии России комплексные программы исследования железных шлаков отсутствуют.
Шлаки являются отходами металлургического производства и напрямую указывают, что в этом районе находилось производство железа или его обработка.
Являясь индикатором местной металлургии, роль шлака значительно выше и важнее, чем находки криц и изделий из железа. Это объясняется тем, что металлические изделия могли попасть в поселение в результате обмена или покупки.
Обнаруженные шлаки при раскопках дают возможность установить место, где было сконцентрировано древнее производство и определить дату. Однако шлаки могут находиться не только вблизи производственных мастерских, они могут быть разнесены в пределах памятника.
Если археологи не интересуются обнаруженными фракциями шлаков и выбрасывают их, то оценить для хозяйства роль черной металлургии становится невозможно.
Невозможно также реконструировать тип сыродутных горнов, которые использовались, невозможно подсчитать количество переработанной руды и полученного железа для поселения. Также невозможно установить и источники рудного сырья.
Археологические шлаки могут иметь самый разный вес – от нескольких граммов до нескольких килограммов и даже больше. Отсюда необходимо при каждой находке, для получения объективной картины кроме индивидуальной фиксации, вводить вес каждого образца.
Например, при изучении городища Шайтан-III (юг Томской области) с помощью геостатистического метода было установлено, что производство железа находилось в непосредственной близости от жилища. В самой же постройке шлаки отсутствовали.
В результате этого специалисты предположили, что горн располагался от жилища к востоку, где было сосредоточено большое количество горновых шлаков.
Рассчитать примерную интенсивность древнего производства можно, зная вес обнаруженных шлаков. Ученые провели археологические эксперименты, которые дали такой результат – для получения железного бруска пригодного для дальнейшей ковки весом 0,5 кг необходимо за один раз переплавить около 8 кг руды с образованием 6 кг шлака.
Для российской археологической металлургии серьезной и отдельной проблемой является морфология и типология шлаков. Существует визуальное разделение шлаков на типы и каждый тип отражает определенный цикл производства железа или его обработки.
Это значит, что шлаки, найденные на поселении, совсем не означают, что население плавило руду и имело технологии производства железа. Дело в том, что во время кузнечных операций с крицами, тоже идет образование шлаков, только от плавильных шлаков они отличаются.
Типология шлаков
Археологические шлаки делятся на два типа – плавильные и кузнечные. Плавильные шлаки образуются непосредственно в ходе железоделательного процесса и являются его прямыми индикаторами.
Рисунок 1. Шлаки. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В свою очередь выделяют горновые и выпускные плавильные шлаки. В плавильной камере идет формирование горновых шлаков, которые часто могут быть представлены шлаковыми блоками, донными шлаковыми «лепешками», аморфными шлаками.
Образование шлаковых блоков происходит на дне сыродутного горна, на слое горячего угля, а их вес может быть от нескольких сотен граммов до нескольких килограммов. Их образование происходит, потому что горн для выпуска жидкого шлака или не имел канала, или этот канал располагался выше той зоны, где формировался шлаковый конгломерат.
Наличие шлакового блока на дне горна говорит еще и о том, что объект после плавки был заброшен. Горновые шлаки имеют такую разновидность как донные шлаковые «лепешки». У них «плоско-выпуклая форма» и похожесть на кузнечные шлаковые «лепешки», только значительно массивнее.
В плавильной камере во время сыродутного процесса образуются аморфные шлаки. Они имеет изрезанную форму с острыми краями и пустотами внутри. На них могут быть видны «отпечатки» древесного угля и следы ржавчины. Если в то время в процессе плавки мастера применяли технологию выпуска из горна жидкого шлака, то, как правило, рядом с металлургическим объектом в специальной шлаковой яме, будут находиться текучие шлаки.
Такие шлаки образуются в высокотемпературной зоне, которая в горне была выше 1100 градусов. Несмотря на то, что текучие шлаки могут иметь разную форму и размеры, общей их чертой является гладкая волнистая поверхность.
Иногда могли встречались шлаковые сосульки, принимающие форму канала и в процессе выпуска в нем остывшие – это дает возможность реконструировать форму и размеры шлаковыпускного канала.
Из-за особенностей воздуходувного процесса горновые шлаки могли находиться не в жидком состоянии и при извлечении из горна быстро остыть и принять форму аморфных небольших по размеру лепешек.
Это могло произойти, потому что горновые шлаки, находясь в полужидкой фазе рядом с горном, растекались.
Кузнечные шлаки представляют собой отдельный тип, связанный с последующими операциями по проковке полученной продукции. Кузнечные шлаки связаны с кузнечным циклом.
Виды шлаков дают ясную картину того, о каком действительном назначении археометаллургического объекта идет речь.
Размеры кузнечных шлаков и их внешний вид значительно различаются и отражают конкретные этапы, начиная от первичной проковки рядом с кузнечным горном до ковки на наковальне готовых изделий.
Сразу отковать железное изделие из раскаленного губчатого железа не удастся. Пустоты и шлаковые включения в большом количестве содержатся в горновой крице, поэтому повторным нагревом крицы уже в кузнечном горне их необходимо удалить.
Данная стадия связана с тем, что шлаки будут стекать на дно сыродутного горна и приобретать форму округлых небольших лепешек. С верхней стороны они будут плоскими, а с нижней стороны – выпуклыми.
Еще одной отличительной особенностью кузнечных шлаков этого типа является наличие впадины в верхней части лепешки, которая образуется из-за струи воздуха от дутья кузнечных мехов.
Химический состав археологических шлаков
Плавильные и кузнечные шлаки отличаются химическим составом – в кузнечных шлаках соотношение железа и кремния выше, чем в плавильных. Кроме этого железо довольно часто представлено в виде магнетита, что в горных и выпускных шлаках встречается редко.
Образованные на наковальне шлаки содержат больше мышьяка, никеля, кобальта, но, тем не менее, на основании только геохимического анализа определить тип шлака не удастся.
Руда и топливо содержат фосфор, который частично переходит в шлак и частично восстанавливается в готовом железном изделии. Наличие фосфора (выше 0,18-1 %) делает сталь прочнее и увеличивает сопротивление к коррозии – это с одной стороны, а с другой стороны – придает изделию при низких температурах большую хладноломкость.
Из руды в шлак переходит также и марганец, который придает металлу положительные свойства. Марганец – это один из самых распространенных и важных легирующих элементов. Благодаря марганцу увеличивается прочность изделия и предел прочности на разрыв.
Вредную и пагубную серу в стали марганец снижает. Натрий и калий переходит в шлак из топлива (древесный уголь) и увеличивает температуру плавления шлаков, оказывая, таким образом, влияние на весь ход сыродутного процесса.
Важным элементом является мышьяк, количество которого в железном изделии может быть больше среднего количества мышьяка, содержащегося в руде, примерно в 6 раз. Наличие мышьяка будет важным инструментом по идентификации рудной базы древней металлургии.
Из руды и топлива в шлак попадает алюминий, а еще он попадает в результате взаимодействия с глиняными стенками горна. Количество в шлаках алюминия и калия связано с нормой расхода топлива и силой дутья.
Для определения химического и элементного состава шлака наиболее популярными методами являются химические методы, спектральные и рентгено-флуоресцентные анализы. Зная, каков состав археологического шлака, можно оценить качество получаемой продукции.
Также важной темой в археометаллургии является определение рудной базы древних производств. Однако в российской науке данный вопрос остается пока не разработанным.
Рисунок 2. Химический состав археологических шлаков. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
