Protohistoric copper smelting :
Chemical transformations from sulphide ores to metal in a thermodynamic and kinetic view and characterisation on the process
Métallurgie extractive protohistorique du cuivre :
Etude thermodynamique et cinétique des réactions chimiques de transformation de minerais de cuivre sulfurés en métal et caractérisation des procédés
Résumé
This PhD thesis is aimed at studying the two main steps of the copper extractive metallurgy processes starting from chalcopyrite (CuFeS2) : roasting and smelting for sheding light on an archeollogical problem. For each step, experimental simulations are performed at laboratory scale by modelizing the conditions of protohistoric furnaces. On one hand, kinetic of roasting is studied by thermogravimetry combined with the analysis of synthetic products. On the other hand, smelting simulations are performed to mainly establish a calibrated correspondance between slag microstructure and two parameters affecting the chemical potential of oxygen : initial quantity of oxide and pO2 in the system. These experimental simulations leads to: - characterizing the chemical reactions governing the transformation of iron-copper sulphides and proposing the mechanisms of these reactions; - developing referential batteries of synthetic products. These referentials have been recreated under protohisoric conditions, in order to check their viability. These results are used to shed light on a particular archaeological issue: The reconstruction of the copper extractive metallurgy processes during protohistory (IVe-IIe millennium BC).
Cette thèse porte sur l'étude des deux étapes principales des procédés de transformation de la chalcopyrite (CuFeS2) en cuivre, le grillage et la fusion scorifiante, pour répondre à un problème archéologique. Pour chaque étape, des simulations expérimentales sont effectuées en laboratoire en modélisant les conditions d'un réacteur protohistorique. D'une part, la cinétique de grillage est étudiée par thermogravimétrie couplée à l'analyse physicochimique des produits intermédiaires. D'autre part, les simulations de fusion scorifiante sont principalement menées pour mesurer l'influence respective de deux sources d'oxygène sur la microstructure des produits obtenus : la quantité initiale d'oxyde et la pO2 de l'atmosphère régnant dans le système. Ces simulations expérimentales aboutissent à : - La caractérisation des réactions chimiques mises en jeu lors du procédé, et la proposition de leur mécanismes réactionnels. - L'élaboration de référentiels expérimentaux qui mettent en évidence les correspondances entre conditions opératoires et produits obtenus. Ces référentiels sont reproduits en conditions protohistoriques afin de vérifier leur pertinence. Ces données physico-chimiques sont ensuite exploitées pour répondre à une problématique archéologique en particulier : la métallurgie extractive du cuivre dans les Alpes et le Sud de la France au Chalcolithique et à l'âge du Bronze Ancien.
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