«Принцы» и «нищие» в царстве минералов - Лев Абрамович Барский
Несметны и неисчерпаемы богатства Земли. Содержание в земной коре, считая до глубины 16 км, даже самого редкого элемента — радия — составляет 55,5 млн т, золота — около 500 млн т, меди — 2 000 000 млрд т. А таких элементов, как алюминий, железо, кальций, в недрах Земли содержится гораздо больше— сотни миллионов миллиардов тонн.
Однако использовать эти колоссальные богатства не так просто. Природа тщательно перемешала все элементы, соединила их друг с другом прочными физическими и химическими связями, одни оставила почти у поверхности Земли, другие запрятала глубоко в ее недра. Кислород по процентному содержанию составляет почти половину земной коры, по тот кислород, который содержится в горных породах, хотя и в количестве большем, чем в воздухе, связан с другими химическими элементами и непригоден для дыхания. Из алюминия, составляющего почти 8 % земной коры, нельзя сделать даже простой ложки, если не извлечь его из глип.
Однако природа сама помогла человеку освоить полезные ископаемые, сконцентрировав их в месторождениях. Почти все минералы могут образовывать более или менее крупные скопления — самородки золота и меди, кристаллы каменной соли, глыбы галенита, горы магнитного железняка. Их в первую очередь и использовали люди. К сожалению, сейчас все реже удается находить такие крупные образования ценных минералов, а потребность в минеральном сырье возрастает.
Приходится извлекать из земной коры все более и более сложно извлекаемые элементы. Полмиллиона лет назад кварцит стал первым полезным минералом, из которого изготовлялись топоры и наконечники для копий. Всего лишь три века назад люди использовали только девятнадцать элементов из девяноста, имеющихся в природе. Ныне используются почти все элементы, притом в огромных количествах.
Запасы даже такого нехитрого ископаемого, как камни, пригодные для изготовления первобытных орудий, которых, казалось, было достаточно в осыпях и долинах рек, со временем иссякли. Первобытным людям пришлось заняться горным промыслом, добывать желваки кремния из меловых и известняковых отложений. С разработки таких «каменных» месторождений началась история развития горного промысла, а ручной сортировкой камней положено начало обогащению полезных ископаемых.
Извлечение золота из золотоносного песка стало для людей первой школой извлечения полезных ископаемых из руд. Уроки, полученные в этой «школе», пригодились, когда настала очередь извлекать полезные минералы из бедных руд.
С развитием техники становится все более стремительным рост производства металлов. В 1840 г. во всех странах было выплавлено всего 2,3 млн т стали, а в 1960 г. — уже 225 млн т. В 1985 г. только в одной пашей стране выплавлено 160 млн т стали.
И все же из огромной сокровищницы земной коры, содержащей примерно 775 000 000 млрд т железа, человечество пока взяло немногим более 5 млрд т. Капля в море! Но все дело в том, что запасы богатых железных руд, из которых можно легко и дешево получать высококачественную сталь, ограниченны.
Что же такое руда? Во всякой горной породе в том или ином количестве содержится железо, по не всякая может считаться железной рудой. Руда — это такая порода, из которой возможно и экономически выгодно на данном уровне развития техники извлекать полезные минералы. Следовательно, с развитием техники изменяется оценка горных пород, и то, что раньше не было рудой, становится ею. Например, раньше железной рудой считали только такую породу, которую можно было загружать непосредственно в доменную печь и выплавлять чугун. Такая руда содержала около 60 % железа — почти одни только железные минералы. Потом, с развитием металлургии, научились выплавлять железо из более бедной руды, содержащей кроме железных минералов некоторое количество кремнезема и известняка» Для того чтобы получить чугун из такой руды, добавляли в плавку некоторое количество флюсов известняка и других компонентов, связывающих примеси. При современном колоссальном производстве железа, конечно, уже не хватает богатых руд. Теперь железной рудой считается и такая, где железа всего 30–40 %.
Древние люди пользовались медью, находящейся только в самородках, т. е. считали рудой почти 100 %-ную медь. Затем медь стали выплавлять из других минералов, в которых ее содержание вдвое-втрое меньше; в начале нашего века медной рудой считали породу с содержанием меди 5–10 %, а сейчас научились перерабатывать руду, содержащую менее 0,5 % меди. Такая руда не может сразу подвергаться металлургической переработке: она должна обогащаться на фабрике, где медные минералы отсортировываются от других. Полученный медный концентрат содержит уже не 1, а 20–30 % меди и идет на плавку в отражательную печь.
При современном гигантском производстве металлов уже почти не осталось руд, которые можно сразу плавить, минуя стадию обогащения. Руды свинца содержат 1–2 % этого металла, а на плавку идет 60 %-ный концентрат. Молибдена в руде — десятые и сотые доли процента, а металлургам нужен концентрат, содержащий не менее 47–50 % молибдена и не слишком много мышьяка и фосфора, так как эти примеси вредны для специальных сталей, в которые добавляют молибден.
Металлурги прошлого века никогда не признали бы рудой породу, в которой содержатся доли процента ценного металла, а сейчас большинство металлов извлекается именно из таких руд. Этим занята самая молодая отрасль горной промышленности — обогащение полезных ископаемых. Сейчас все полезные ископаемые проходят стадию обогащения. Даже уголь, который залегает в земле целыми пластами. Даже один из самых распространенных минералов — полевой шпат, применяемый в керамической промышленности.
Металлургия и минералургия
Металлургия является древнейшим промыслом. В гробницах древних индусов и финикиян обнаружено холодное оружие из стали, возраст которого около 4000 лет. Очевидно, технологический процесс выплавки железа из богатых железных руд был освоен еще на заре цивилизации… Руду смешивали с восстановителем, например древесным углем, и нагревали. Окислы восстанавливались до металла, и из его расплава формовали готовое изделие. Если примесей в руде немного, то добавлением (шихтовкой) некоторых компонентов можно получить шлак, который легче металла и всплывает на поверхность расплава. Например, кварц можно сплавить с известью и получить легкоплавкий CaSiO3.
Выплавка металлов из руд получила название «металлургия» (от греч. «эрго» — работа, дело). Отрасль промышленности, вырабатывающая железо, марганец и хром, — черная металлургия. Производство 70 других металлов, в том числе меди, алюминия, цинка, свинца, никеля, золота, относится к цветной металлургии.
С помощью того же греческого корня образуется слово «галургия» — выработка солей (по-гречески «гало») галогенидов — фтора, хлора, брома и йода. В основе галургии лежат процессы растворения и кристаллизации солей NaCl, КСl, NaF, NaBr и др.
Для металлургии самым важным свойством руд и минералов является химический состав. Например, сульфиды железа малопригодны для плавки, так как сера делает
