Задача металлурга — получить чистое вещество из невероятного металлического коктейля, ­застывшего миллионы лет назад. В этом деле ему помогают смекалка, физика и химия: в ход идут огонь, электричество, кислота, щёлочь и даже свежеспиленное дерево.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №9(49). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Металл редко существует в природе в чистом виде. Поэтому его получение — это многоступенчатый процесс. Всё начинается с добычи руды — полезного ископаемого, которое содержит металл. Далее её очищают от примесей и обогащают, то есть повышают концентрацию металла в руде. Всё это механические процессы. Самое интересное руду ожидает впереди.

Напомним, главная задача металлурга — извлечь чистый металл из концентрата. Тут к нему на помощь приходит огонь — точнее говоря, пирометаллургия. Получение металлов при помощи высоких температур — это старейший и основной способ. Сегодня пирометаллургия применяется в производстве чугуна и стали, свинца, меди, никеля.

Как же работает пирометаллургия? Если кратко, металлурги пытаются сжечь лишние примеси в руде. Для этого в цехах металлургических комбинатов строят огромные печи (до десяти метров в высоту) — вертикальные стальные цилиндры, выложенные огнеупорным кирпичом. Топочное пространство печи делится по высоте на горизонтальные поды (поверхности), расположенные один под другим. Поэтому такие печати называют многоподовыми.

Процесс обжига начинается с того, что на поды печи высыпают металлический концентрат, а снизу подают раскалённый кислород. Так из концентрата удаляют сульфиды — сернистые соединения, которые под воздействием температуры окисляются и улетучиваются. Ускорению процесса способствуют чугунные мешалки, которые находятся под подами и разрыхляют концентрат.Общим уравнением это можно выразить так:

2MeS + 3O₂ = 2MeO + 2SO₂ + Q

Диоксид серы, который выделяется в процессе обжига, необходимо удалять. Для этого в печи предусмотрен газоотвод. Концентрат металла, в свою очередь, постепенно скатывается к краям своего пода и высыпается через специальные отверстия вниз, на следующий под с более высокой температурой. Максимальная температура (850 °С) внутри печи достигается в центральной части. За этим показателем необходимо строго следить: если температура в многоподовой печи повысится, то концентрат будет испорчен.

Более современной и эффективной является печь для обжига медного концентрата в кипящем слое. Со стороны процесс очень похож на кипение жидкости. Поды здесь — стальные плиты с отверстиями. Сквозь них проходит горячий воздух под давлением, и мелкораздробленный концентрат тут же начинает подпрыгивать в потоке воздуха. Такой способ гораздо эффективнее классической многоподовой печи, но и гораздо горячее — реакция идёт быстрее, а значит, и тепла выделяется значительно больше. В печи обжига в кипящем слое обязательно вводится система водяного охлаждения. К тому же, за единицу времени перерабатывается больше концентрата, и возрастает доля диоксида серы, который необходимо выводить из печи. В результате обжига в много­подовых печах остаётся оксид металла (он же огарок). Его путь к чистому металлу лежит через плавильные печи.

Представьте себе печь длиной более 30 метров и шириной до 9 метров, внутри которой расположен огромный под площадью около 300 м². Тепло в ней передаётся благодаря излучению от продуктов сгорания, а также от раскалённой внутренней поверхности, поэтому такие печи называют отражательными. Именно здесь происходит превращение обожжённого огарка в штейн — так называют смесь сульфидов различных металлов (например, меди, никеля, железа). Даже после многоподовых печей огарок ещё содержит в себе сульфидные соединения.

В отражательной печи огарок расплавляют уже при температуре более 1500 °С. В ходе плавки оксиды меди и железа восстанавливаются, побочные силикаты переходят в жидкую форму и образуют шлак, от которого избавляются через специальное окошко в печи.

МеО + СО Ме + СО₂

Прошедший через отражательную печь штейн богат металлом (до 55 %). Его выпускают из печи через сифон и отправляют в конвертерную печь.

Конвертер — это ещё одна плавильная печь, похожая на огромную бочку и способная поворачиваться на 180 ° в любую сторону. Внутри неё крутится около 100 тонн расплавленного штейна. Причём конвертеру не нужно топливо: так как большинство реакций внутри штейна идёт с выделением тепла, необходимо только подавать воздух. В ходе плавки и перемешивания при температуре около 1400 °С из штейна выделяется дополнительный шлак. Например, при получении меди уравнение реакции в конвертере выглядит следующим образом:

2Cu₂O + Cu₂S = 6Cu + SO₂

После конвертера концентрация меди в расплаве ­повышается почти до 99 %, но всё равно в нём остаются сторонние ­элементы — железо, цинк и даже небольшой процент золота и серебра. ­Поэтому жидкий металл выливают из конвертера и отправляют на дальнейшую переработку.

Конвертер дорабатывает штейн до черновой меди, но это по-прежнему не чистый металл. Стопроцентная медь получается только после печи огневого рафинирования. Для этого около 400 тонн черновой меди ковшами заливают в 15‑метровую печь и пропускают сквозь расплавленный металл воздушные ­пузырьки. В таком озере жидкой меди начинается процесс окисления металла до Cu₂O, а этот оксид, в свою очередь, окисляет большую часть примесей металлов в соответствии с уравнением реакции:

Me + Cu₂O = MeO +2Cu

Получившиеся окислы металлов или шлаки просто всплывают на поверхности пышущего жаром медного озера и либо выгорают, либо их механически удаляют.

Интересен процесс вывода растворённых газов из жидкой меди. Для этого в жидкую медь бросают влажное бревно. Естественно, оно тут же вспыхивает, а выделяющиеся газы и паро­образная вода перемешивают медное озеро, и все нежелательные газы (прежде всего SO₂) удаляются.

Однако есть примеси, от которых не избавит даже огневое рафинирование. Это элементы, имеющие меньшее сродство к кислороду, чем сера, что исключает их удаление с помощью окислительной реакции (Cu₂O). Самыми важными в этом ряду являются золото и серебро. Именно для их извлечения и было изобретено электролитическое рафинирование меди — высшая степень очистки цветного металла.

Для очищения от примесей драгоценных металлов (и в то же время для их получения) черновую медь погружают в специальную ванну. Медь в процессе электролиза берёт на себя функцию анода, а катодом выступает уже очищенная листовая медь. В ванну заливается электролит, состоящий из серной кислоты и сульфата меди, и пускается ток. Черновая медь начинает растворяться, образуя ионы двухвалентной меди, а примеси драгоценных металлов выпадают в осадок (шлам), который металлурги собирают, чтобы переплавить в слитки. Растворённые в электролите ионы меди, в свою очередь, притягиваются к ­катоду — листовой меди — и разряжаются в виде осадка.

Производство цинка и свинца имеют много общего с процессом выплавки меди. Например, получение цинкового огарка также сопровождается обжигом в печах в кипящем слое. Но выщелачивают цинковый огарок уникальным методом грубой очистки: огарок просто заливается раствором серной кислоты.

Твёрдые соединения цинка (ZnO и другие) вступают в реакцию с кислотой и растворяются. Масса других соединений в огарке — FeO, Cu₂O, CuO и CdO — проходят тот же процесс. Так образуется сульфатный бульон, из которого различными реагентами осаждают всё, что не относится к соединениям цинка. К примеру, ионы Fe2⁺ осаждаются в несколько стадий двуокисью марганца с образованием нерастворимого FeOHSO₄. После очистки раствор, содержащий ионы цинка, подвергают электролизу, и на катоде выделяется готовый цветной металл.

Чтобы получить свинец, в высокую и вместительную печь загружается концентрат вместе с коксом и под давлением вдувается воздух, обогащённый кислородом. Сгорающий кокс в присутствии кислорода разгоняет температуру внутри печи до 1300 °С, и свинец освобождается от сульфат-ионов. Получается черновой свинец, в котором ещё достаточно много ценных примесей, в том числе благородных металлов. Избавиться от них помогут уже знакомые нам методы высокотемпературного рафинирования. Из чернового свинца можно выделить медь, теллур, серебро и висмут. К примеру, медь выделяется при остывании на поверхности сплава со свинцом, так как она легче. А вот олово, мышьяк и сурьму удаляют с помощью жидкого сплава NaOH и NaCl с натриевой селитрой, который вливают в расплавленный черновой свинец. Это называется щелочное рафинирование, и заключается оно в появлении нерастворимых солей Na₃AsO₄, Na₃SbO₄ и Na₃SnO₄.

Производство цветных металлов — трудоёмкий и сложный процесс. Одна только медь проходит до пяти стадий очистки, при этом затрачиваются огромные ресурсы и усилия металлургов. Более того, запасы цветных металлов на нашей планете ограничены, и с каждым годом мы тратим всё больше и больше энергии, чтобы добыть их. Это увеличивает нагрузку на окружающую среду. ­Поэтому относитесь бережно ко всем вещам, в которых есть металл, ведь вы сами убедились, как непросто он ­добывается. Любая ненужная или сломанная вещь ­должна получить новую жизнь благодаря вторичной ­переработке. Это особенно актуально для металлов.