Escoria arqueometalúrgica

La escoria arqueometalúrgica es la escoria descubierta y estudiada en el contexto de la arqueología . La escoria, el subproducto de los procesos de trabajo del hierro, como la fundición o la forja , se deja en el lugar de trabajo del hierro en lugar de ser trasladada con el producto. Como se desgasta bien, está fácilmente disponible para su estudio. El tamaño, la forma, la composición química y la microestructura de la escoria están determinados por las características de los procesos de trabajo del hierro utilizados en el momento de su formación.

Los minerales utilizados en los antiguos procesos de fundición rara vez eran compuestos metálicos puros. Las impurezas se eliminaban del mineral mediante el proceso de escoriación , que implica la adición de calor y productos químicos. La escoria es el material en el que se acumulan las impurezas de los minerales (conocidas como ganga ), así como el revestimiento del horno y las cenizas de carbón. El estudio de la escoria puede revelar información sobre el proceso de fundición utilizado en el momento de su formación. ^[1]

El hallazgo de escoria es una prueba directa de que en ese lugar se produjo una fundición, ya que no se retiró la escoria del lugar de fundición. A través del análisis de la escoria, los arqueólogos pueden reconstruir las actividades humanas antiguas relacionadas con el trabajo del metal, como su organización y especialización. ^[2]

El conocimiento actual sobre la escoriación permite comprender mejor la producción de hierro en la antigüedad. En un horno de fundición pueden coexistir hasta cuatro fases diferentes. Desde la parte superior del horno hasta la parte inferior, las fases son escoria, mata, speiss y metal líquido. ^[3]

La escoria se puede clasificar como escoria de horno, escoria de colada o escoria de crisol según el mecanismo de producción. La escoria tiene tres funciones. La primera es proteger la masa fundida de la contaminación. La segunda es aceptar impurezas líquidas y sólidas no deseadas. Por último, la escoria puede ayudar a controlar el suministro de medios de refinación a la masa fundida.

Estas funciones se logran si la escoria tiene una temperatura de fusión baja, una densidad baja y una viscosidad alta que garantizan una escoria líquida que se separa bien del metal fundido. La escoria también debe mantener su composición correcta para que pueda acumular más impurezas y ser inmiscible en la masa fundida. ^[4]

A través del análisis químico y mineralógico de la escoria, se pueden conocer factores como la identidad del metal fundido, los tipos de mineral utilizados y parámetros técnicos como la temperatura de trabajo, la atmósfera del gas y la viscosidad de la escoria.

Los minerales de hierro naturales son mezclas de hierro e impurezas no deseadas, o ganga . En la antigüedad, estas impurezas se eliminaban mediante escoriación . ^[5] La escoria se eliminaba mediante licuación , es decir, la ganga sólida se convertía en escoria líquida. La temperatura del proceso era lo suficientemente alta para que la escoria existiera en su forma líquida.

La fundición se realiza en distintos tipos de hornos , como por ejemplo el horno de desbaste y el alto horno . Las condiciones del horno determinan la morfología, la composición química y la microestructura de la escoria.

El horno de desoxidación producía hierro en estado sólido. Esto se debe a que el proceso de desoxidación se realizaba a una temperatura inferior al punto de fusión del metal de hierro. El monóxido de carbono procedente de la combustión incompleta del carbón se difundía lentamente a través del mineral de óxido de hierro caliente , convirtiéndolo en metal de hierro y dióxido de carbono .

Los altos hornos se utilizaban para producir hierro líquido. El alto horno funcionaba a temperaturas más altas y en condiciones más reductoras que el horno de desbaste. Se lograba un entorno más reductor aumentando la relación combustible-mineral. Más carbono reaccionaba con el mineral y producía hierro fundido en lugar de hierro sólido. Además, la escoria producida era menos rica en hierro.

Para fabricar escoria "sangrada" se utilizó un proceso diferente. En este caso, solo se añadió carbón al horno, que reaccionó con el oxígeno y generó monóxido de carbono , que redujo el mineral de hierro a hierro metálico. La escoria licuada se separó del mineral y se eliminó a través del arco de sangría de la pared del horno. ^[6]

Además, el fundente (agente depurador), la ceniza de carbón y el revestimiento del horno contribuyeron a la composición de la escoria.

La escoria también puede formarse durante la forja y el refinado . El producto del proceso de descascarillado son escorias heterogéneas atrapadas. La forja es necesaria para cortar y eliminar la escoria atrapada recalentándola, ablandándola y luego exprimiéndola. Por otro lado, se necesita refinar el hierro fundido producido en el alto horno. Al volver a fundir el hierro fundido en un horno de solera abierta , el carbono se oxida y se elimina del hierro. En este proceso se forma y elimina escoria líquida.

El análisis de la escoria se basa en su forma, textura, firma isotópica, características químicas y mineralógicas. Las herramientas analíticas como el microscopio óptico , el microscopio electrónico de barrido ( SEM ), la fluorescencia de rayos X ( XRF ), la difracción de rayos X ( XRD ) y la espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente ( ICP-MS ) se emplean ampliamente en el estudio de la escoria.

El primer paso en la investigación de escorias arqueometalúrgicas es la identificación y el macroanálisis de las escorias en el campo. Las propiedades físicas de las escorias, como la forma, el color, la porosidad e incluso el olor, se utilizan para realizar una clasificación primaria que garantice la obtención de muestras representativas de los montones de escorias para futuros microanálisis.

Por ejemplo, la escoria de colada suele tener una cara superior arrugada y una cara inferior plana debido al contacto con el suelo. ^[7]

Además, el macroanálisis de los montones de escoria puede proporcionar un peso total estimado que a su vez puede utilizarse para determinar la escala de producción en una ubicación de fundición particular.

La composición química de la escoria puede revelar mucho sobre el proceso de fundición. La XRF es la herramienta más utilizada para analizar la composición química de la escoria. ^[8] A través del análisis químico, se puede determinar la composición de la carga, la temperatura de cocción, la atmósfera de gas y la cinética de la reacción.

La composición de la escoria antigua suele ser un sistema eutéctico cuaternario CaO-SiO ₂ -FeO-Al ₂ O ₃ simplificado a CaO-SiO ₂ -FeO ₂ , lo que da un punto de fusión bajo y uniforme. ^{[8] : 21} En algunas circunstancias, el sistema eutéctico se creó de acuerdo con la proporción de silicatos a óxidos metálicos en la ganga , junto con el tipo de mineral y el revestimiento del horno. En otros casos, se requirió un fundente para lograr el sistema correcto. ^[9]

La temperatura de fusión de la escoria se puede determinar representando gráficamente su composición química en un gráfico ternario . ^[10]

La viscosidad de la escoria se puede calcular a través de su composición química con la ecuación:

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

donde es el índice de viscosidad. ^[11]${\displaystyle K_{v}}$

Con los recientes avances en las técnicas de viscosimetría rotacional, las viscosidades de las escorias de óxido de hierro también se realizan ampliamente. ^{[12] [13]} Junto con los estudios de equilibrio de fases, estos análisis proporcionan una mejor comprensión del comportamiento fisicoquímico de las escorias a altas temperaturas.

En las primeras etapas de la fundición, la separación entre el metal fundido y la escoria no es completa. ^[9] Por lo tanto, los elementos principales, secundarios y traza del metal en la escoria pueden ser indicadores del tipo de mineral utilizado en el proceso de fundición. ^{[8] : 24}

El microscopio óptico , el microscopio electrónico de barrido , la difracción de rayos X y el análisis petrográfico se pueden utilizar para determinar los tipos y la distribución de minerales en la escoria. Los minerales presentes en la escoria son buenos indicadores de la atmósfera de gas en el horno, la velocidad de enfriamiento de la escoria y la homogeneidad de la escoria. El tipo de mineral y fundente utilizado en el proceso de fundición se puede determinar si hay elementos de carga no descompuesta o incluso píldoras de metal atrapadas en la escoria.

Los minerales de escoria se clasifican en silicatos , óxidos y sulfuros . Bachmann clasificó los principales silicatos en la escoria según la relación entre óxidos metálicos y sílice . ^{[1] [8] : 171}

Ejemplos de relación MeO: SiO ₂ silicato

2:1 fayalita

2:1 monticellita

1,5 : 1 melilita

1:1 piroxeno

La fayalita ( _{Fe2SiO4 )} es el mineral más común que se encuentra en las escorias antiguas . Al estudiar la forma de la fayalita, se pueden estimar aproximadamente las velocidades de enfriamiento de la escoria. ^{[14] [15]}

La fayalita reacciona con el oxígeno para formar magnetita :

3Fe ₂ SiO ₄ + O ₂ = 2FeO·Fe ₂ O ₃ + 3SiO ₂

Por lo tanto, la atmósfera de gas en el horno se puede calcular a partir de la relación de magnetita a fayalita en la escoria. ^{[8] : 22}

La presencia de sulfuros metálicos sugiere que se ha utilizado un mineral sulfídico. Los sulfuros metálicos sobreviven a la etapa de oxidación antes de la fundición y, por lo tanto, también pueden indicar un proceso de fundición de varias etapas.

Cuando la fayalita está repleta de CaO, se forman monticellita y piroxeno , que son un indicador de un alto contenido de calcio en el mineral. ^[1]

El análisis de isótopos de plomo es una técnica para determinar el origen del mineral en fundiciones antiguas. La composición de isótopos de plomo es una característica de los yacimientos de mineral y varía muy poco en todo el yacimiento. Además, la composición de isótopos de plomo no cambia en el proceso de fundición. ^[16]

En el análisis se utiliza la cantidad de cada uno de los cuatro isótopos estables del plomo : ²⁰⁴ Pb, ²⁰⁶ Pb, ²⁰⁷ Pb y ²⁰⁸ Pb. Las proporciones ²⁰⁸ Pb/ ²⁰⁷ Pb, ²⁰⁷ Pb/ ²⁰⁶ Pb y ²⁰⁶ Pb/ ²⁰⁴ Pb se miden mediante espectrometría de masas. Aparte del ²⁰⁴ Pb, los isótopos de plomo son todos productos de la desintegración radiactiva del uranio y el torio . Cuando se deposita el mineral, el uranio y el torio se separan del mineral. Por lo tanto, los depósitos formados en diferentes períodos geológicos tendrán diferentes firmas de isótopos de plomo .

²³⁸ U → ²⁰⁶ Pb

²³⁵ U → ²⁰⁷ Pb

^232Th → ^208Pb​

Por ejemplo, Hauptmann realizó un análisis de isótopos de plomo en escorias de Faynan, Jordania . La firma resultante fue la misma que la de los minerales de los depósitos de dolomita , piedra caliza y esquisto en las áreas de Wadi Khalid y Wadi Dana en Jordania . ^{[8] : 79}

La escoria antigua es difícil de datar. No tiene material orgánico con el que realizar la datación por radiocarbono . No hay artefactos culturales como fragmentos de cerámica en la escoria con los que datarla. La datación física directa de la escoria mediante la datación por termoluminiscencia podría ser un buen método para resolver este problema. La datación por termoluminiscencia es posible si la escoria contiene elementos cristalinos como cuarzo o feldespato . Sin embargo, la composición compleja de la escoria puede dificultar esta técnica a menos que se puedan aislar los elementos cristalinos. ^[17]

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