Металлургам прошлого можно позавидовать. Медь действительно была «изобильней гораздо». Еще в XIX в. рентабельными считались только те медные руды, в которых содержание элемента №29 достигало 6...9%. А сейчас руда с 5% меди признается очень богатой, большинство же используемых руд содержит лишь 2...3% Сu. В ряде стран перерабатываются руды, в составе которых только полпроцента меди!
Это, естественно, усложнило технологию производства этого металла. Получение меди – многоступенчатый процесс.
В первую очередь руду дробят, а затем подвергают флотации. Во флотационных машинах измельченная руда смешивается с водой, в которую заранее введены специальные добавки – флотоагенты. Сюда же подается воздух. Образуется пенящаяся пульпа. Зерна минералов, содержащие металлы и плохо смачиваемые водой, прилипают к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность, а пустая порода оседает на дно. Умелым подбором реагентов можно еще при флотации частично отделить собственно модную руду от соедивестий других металлов. Так, добавка цианидов и цинкового купороса уменьшает флотируемость (от английского float – «плавать») сернистого цинка – частого спутника меди в сульфидных рудах. Добавка извести позволяет «утопить» часть железосодержащего пирита. Сульфиды железа присутствуют в большинстве медных руд.
Первая в СССР обогатительная фабрика для флотации медной руды была построена в 1929 г. в Казахстане.
В результате флотационного обогащения получается концентрат, который поступает в медеплавильные печи.
Наиболее распространены сейчас отражательные печи. Это крупные горизонтальные агрегаты, занимающие большую площадь. Шихту загружают в печь, на откосы, идущие вдоль ее боковых стен. Газообразное, жидкое или пылевидное топливо подается не в шихту, а в пространство над ней, и тепло, образующееся при сгорании, как бы отражается от стен печи; температура в отражательной печи около 1200°C.
При плавке здесь образуется не медь, а так называемый штейн, состоящий в основном из трех элементов – меди, железа и серы.
Естественно, образуется и шлак. Расплавы штейна и шлака не смешиваются, более легкий шлак плавает на поверхности штейна.
Кварцевый флюс вводится в состав шихты для того, чтобы уменьшить содержание железа в штейне. Окисленное железо сплавляется с кварцем и частично переходит в шлак. Кроме того, чтобы увеличить содержание в штейне меди, концентрат предварительно подвергают окислительному обжигу.
Но, несмотря на все ухищрения, количество меди в штейне редко превышает 30%. Поэтому следующая стадия производства – превращение штейна в черновую медь. Этот процесс происходит в конвертерах, наподобие бессемеровских, похожих, правда, не на грушу, а на бочонок, уложенный на бок. Поскольку количество примесей, которые надо выжечь в конвертере, очень велико, процесс идет долго; шлак, образующийся при этом, приходится неоднократно сливать.
Подогревать конвертер не нужно: штейн в него заливается в расплавленном состоянии, а реакции окисления железа и серы сопровождаются выделением больших количеств тепла. Поэтому в конвертер подаются лишь воздух и – через горловину – измельченный кварц.
Сначала выжигается железо. Как металл менее благородный, оно окисляется кислородом воздуха раньше, чем медь. Его окислы реагируют с кварцем, и образуется шлак – силикаты железа.
Затем начинается окисление связанной с медью серы. Температура в конвертере все время находится примерно на одном уровне – около 1200°C. Продувку конвертера воздухом прекращают, когда в нем остается так называемая черновая медь, содержащая 98...99% основного метал ла; остальное приходится главным ооразом на железо, серу, никель, мышьяк, сурьму, серебро и золото.
Мышьяк, сурьма, сера и железо – примеси вредные. Они отрицательно влияют на самое важное свойство меди – электропроводность. Их необходимо удалить. А золото, серебро и дефицитный никель слишком ценны сами по себе. Поэтому черновую медь подвергают рафинированию – огневому и электролитическому. Первая в России электролитическая медь была получена в конце 80-х годов прошлого века.
В ванну с электролитом помещается катод – тонкий лист из чистой меди. Анодом служит толстая литая плита из черновой меди. Анод растворяется в электролите, и ионы меди разряжаются на катоде. В электролите содержится серная кислота, которая переводит в раствор такие примеси, как никель, железо, цинк. Но так как в ряду напряжений они расположены значительно левее меди, на катоде они не осаждаются – остаются в растворе. А золото, серебро и теллур в раствор не переходят и при разрушении анода осаждаются на дно ванны в виде шлама.
Знаменательно, что все затраты на рафинирование обычно окупаются извлеченными из черновой меди драгоценными металлами.
В рафинированной меди сумма примесей не превышает 0,1%.
В живом организме
Насчет волос не ручаюсь, а вот в печени медь есть определенно и в довольно значительных количествах – 0,0004 мг на 100 г веса. Есть она и в крови: в организме взрослого человека примерно 0,001 мг/л. Медь участвует в процессах кроветворения и ферментативного окисления. Она входит в состав нескольких ферментов – лактазы, оксидазы и др.
В организме некоторых низших животных относительное содержание меди выше. Гемоцианин – пигмент крови моллюсков и ракообразных – содержит 0,15...0,26% Сu.
Медь нужна и растениям. Это один из важнейших микроэлементов, участвующий в процессе фотосинтеза и влияющий на усвоение растениями азота. Недостаточно меди в почве – растения хуже плодоносят или вообще становятся бесплодными. Медные удобрения содействуют синтезу белков, жиров и витаминов; кроме того, они повышают морозоустойчивость мяогих сельскохозяйственных культур.
Обычно медь вносят в почву в виде самой распространенной ее соли – медного купороса – CuSO4 · 5H2О. Это сине-голубое кристаллическое вещество получают из отходов меди, обрабатывая их подогретой серной кислотой при свободном доступе кислорода.
В сельском хозяйстве медный купорос используется и в других целях. В его растворах протравливают семена перед посевом. Как и многие другие соли меди, купорос ядовит, особенно для низших организмов. Раствор купороса уничтожает споры плесневых грибов на семенах.
Из других соединений меди особой популярностью пользуется малахит Сu2(OH)2CO3, применяемый как поделочный камень.
Но малахит используется и как сырье для производства меди. Потому что больше, чем красивые украшения, человечеству нужна медь – главный металл электротехники.
Медь в земной коре
Содержание меди в земной коре сравнительно невелико – 0,007%. Это в 1000 раз меньше, чем алюминия, в 600 раз меньше, чем железа. Однако медь входит в состав 200 минералов. Многие из них отличаются яркой и красивой окраской. Борнит Cu5FeS4 и лазурит Сu3(OH)2CO3 синего цвета, халькопирит CuFeS2 золотистого, а темно-зеленые громадные вазы из малахита Сu2(OH)2CO3 и убранство знаменитого «малахитового зала» помнит каждый, кто хоть раз побывал в ленинградском Эрмитаже. Главные источники меди – сульфидные руды и медистые песчаники.
Богатство Африки
В молодых африканских государствах сосредоточены огромные залежи медистых песчаников – песчаников со значительными вкраплениями соединений меди. Разведанные запасы меди в этих странах значительно больше, чем в Чили – традиционном экспортере медной руды.
Русская медь
Первые в России медеплавильные производства были созданы, по-видимому, в XIII в. Из документов известно, что еще в 1213 г. недалеко от Архангельска было найдено Цильменское месторождение медной руды.
В 1479 г. в Москве уже существовала «пушечная изба» и делались бронзовые пушки разных калибров.
В XVI...XVII вв. Россия испытывала острую нужду в металлах и особенно в меди. «Для сыску медныя руды» русские умельцы отправлялись на север, за Волгу, на Урал. В 1652 г. казанский воевода доносил царю: «Медныя руды... сыскано много и заводы.. к медному делу заводим». И действительно заводили. Известно, что за 12 лет, начиная с 1652 г., «в присылке было из Казани к Москве чистыя меди 4641 пуд 6 гривенок».
Но металла все равно не хватало. Не случайно Ломоносов писал, что металлы «...до трудов Петровых почти все получаемы были от окрестных народов, так что и военное оружие иногда у самих неприятелей нужда заставляла перекупать через другие руки дорогою ценой».
Петр I многое сделал для развития русской металлургии. К концу его царствования (в 1724 г.) только на Урале было 11 плавильных и 4 «переплавных» печей, выпускавших медь. Началась добыча цветных металлов и на Алтае.
А в 1760 г. в России было уже больше 50 медеплавильных заводов. Ежегодная выплавка меди достигла 180 тыс. пудов, или около 3 тыс. т. К середине XIX в. она еще удвоилась. В это время производство меди было сосредоточено в основном на Урале, Кавказе и в Казахстане.
Медные деньги
Петр I не раз высказывал мысль о необходимости замены серебряной разменной монеты на медную. При его жизни этот переход и был осуществлен. В 1700 г. появились медные «деньга» – 1/2 копейки, «полушка» – 1/4 копейки и «полуполушка» – 1/8 копейки. Первая медная копейка отчеканена в 1704 г.
В 1766 г. на Алтае был организован новый Колыванский монетный двор. Неразумно было возить из Сибири медь, а в Сибирь монеты, отчеканенные из этой самой меди. В Колывани стали чеканить новые монеты из меди достоинством в 1, 5 и 10 копеек. На реверсе – оборотной стороне их была надпись: «Сибирская монета» и герб Сибири – два соболя. За 15 лет, с 1766 по 1781 г. на Колыванском монетном дворе таких монет было отчеканено почти на 4 млн рублей.