Dalla roccia al metallo: metallurgia estrattiva

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Silvana Giuliano
8 anni fa
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1 Dalla roccia al metallo: metallurgia estrattiva Immaginando in maniera assolutamente fantasiosa e personale che così si sia avuta l intuizione che ha dato il via alla metallurgia estrattiva del rame, possiamo ora iniziare l esperienza: ottenere il rame dal minerale calcopirite. In realtà ci sono voluti secoli e numerosi tentativi da parte di molti per approntare un metodo efficace all estrazione, metodo legato soprattutto al relativo minerale disponibile. Nel caso del rame, il primo metallo di cui l uomo ha iniziato una metallurgia estrattiva, i minerali reperibili sono carbonati (malachite, azzurrite), solfuri (calcopirite, calcocite, bornite) o ossidi (cuprite, tenorite). Le operazioni principali si possono individuare in tre fasi: 1) Reperimento e concentrazione/arricchimento del minerale (ossidi, carbonati, solfuri). 2) Arrostimento, nel caso dei solfuri, al fine di eliminare quanto più possibile lo zolfo. 3) Fusione del minerale con carbone (dopo averlo arrostito nel caso dei solfuri) per la riduzione del metallo. Per approfondimenti sulle singole operazioni, dati termodinamici e dettagli storiografici e operativi, ancora una volta si possono trovare numerose fonti in internet. Io ho impiegato dei pezzi di calcopirite pura, noto minerale contenente rame, ferro e zolfo. Questo facilita già le operazioni in quanto non occorre concentrare il minerale. Frequentemente in natura i minerali sono dispersi nella roccia sterile, e andrebbero separati da questa con processi meccanici al fine di concentrare il minerale effettivamente utile poi per i passaggi successivi. Ho poi frantumato i pezzi di calcopirite al fine di aumentare la superficie esposta. L operazione è mostrata dal primo video (frantumazione del minerale)

2 mbedded: La calcopirite macinata può ora essere arrostita sopra un fuoco ottenuto bruciando del carbone in una buca a terra. Con l'aiuto di un tubo di ferro immerso nei carboni ardenti ho insufflato aria per alimentare il fuoco e ottenere una temperatura sufficientemente elevata. Questa operazione ha lo scopo di eliminare quanto più possibile lo zolfo ossidandolo a anidride solforosa, mentre i metalli rimangono sotto forma di ossido. Il completamento della reazione non è facilmente monitorabile ma si osserva nel tempo che il materiale si sgretola, in parte fonde, e rimane alla fine come masse nerastre più fragili del minerale di partenza. Mentre viene arrostito sembra a volte che il minerale fuso bruci, e questo porta anche ad innalzamenti della temperatura del minerale stesso. In un certo senso è come se anche il minerale si comportasse da combustibile. Quello che si è potuto notare è che sicuramente occorrono molte ore per arrivare ad avere rese sufficienti nella successiva fusione. Secondo video: arrostimento della calcopirite bedded Il prodotto dell arrostimento sono delle masse nerastre costituite da minerale fuso, parzialmente desolforato, con il ferro e il rame che sono parzialmente trasformati in ossido. Per sicurezza ho frantumato queste masse e ripetuto l operazione di arrostimento un altra volta. Nella foto si può vedere come appaiono alcuni pezzetti, e si può notare come siano presenti dei globuli di rame che già in questa fase sono riusciti a formarsi.

3 Foto Sebbene non sia facile capire se l arrostimento sia arrivato o no a buon punto, ho comunque macinato nuovamente queste masse e introdotto il materiale in un forno fusorio, per far avvenire la riduzione del metallo ad opera dei vapori riducenti (monossido di carbonio) prodotti dalla combustione del carbone di legna. Con l aiuto di una canna di ferro inserita fino alla base del forno scavato in terra, verrà insufflata molta aria per alimentare il fuoco e raggiungere una temperatura elevata (superiore ai 1100 C) che permetta la riduzione del rame dalla forma ossidata alla forma metallica. Nel disegno si può vedere schematizzato il forno che ho approntato. Il carbone brucia e il gas riducente sale, si riscalda e incontra la carica di minerale. Il rame si riduce allo stato metallico, fonde e cola nel fondo. Alla fine viene recuperato in una bacinella di terracotta sistemata in fondo al forno. Suppongo possa anche avvenire che il minerale, calando, incontri nella parte bassa del forno il flusso d aria insufflata, ancora ricca di ossigeno, il quale può bruciare quella parte del minerale non completamente arrostita. Ad una temperatura elevata anche questa reazione può produrre rame.

4 Foto A e foto B Nel seguente filmato si può vedere come avviene la carica del minerale sopra il carbone e l accensione del forno. Il carbone viene sistemato in un cestello fatto con rete di ferro per facilitarne l introduzione e la successiva estrazione dalla buca del forno.

5 Terzo video: riduzione del minerale arrostito 1 bedded Una volta acceso il forno, comincia l insufflaggio dell aria e conseguentemente la temperatura aumenta. Col passare del tempo il livello del carbone scende poiché viene continuamente bruciato. L operazione continua finché il carbone praticamente risulta esaurito. Questo tipo di forno poteva comunque essere continuamente rabboccato di carbone e carica minerale, permettendo il funzionamento in continuo e l accumulo del metallo nel fondo. Quarto video: riduzione del minerale arrostito 2 mbedded Dopo circa tre ore la carica di carbone è stata praticamente tutta consumata e il processo può considerarsi terminato. Quando i carboni si sono freddati, ho estratto il cesto per recuperare la bacinella di terracotta posta sul fondo (il cesto, pur essendo fatto di rete di ferro abbastanza spessa, non ha ben resistito all alta temperatura e nel fondo mostra numerosi cedimenti. Però è riuscito a contenere sufficientemente il materiale). Eliminati i pezzetti di carbone e la cenere cadutavi, ma soprattutto una certa quantità di scorie di minerale non reagito (probabilmente a base di ossido di ferro), ho recuperato il rame formatosi, che appare come masse frastagliate dal caratteristico colore. Sono mostrate nella foto:

6 Foto Ora che abbiamo il rame, probabilmente abbastanza impuro ma sicuramente in forma metallica, lo si può fondere e colare in uno stampo di pietra refrattaria per ottenere l utensile desiderato. Io l ho semplicemente colato in una ciotola di terracotta dopo aver fuso i pezzetti della foto in un crogiolo di grafite (foto) per ottenere un medaglione, come mostro nel video:

7 Foto

8 Quinto video: fusione finale bedded L esperienza è ora conclusa. Questo è il medaglione che ho estratto dalla ciotola (foto), e rappresenta in maniera simbolica una conquista fondamentale dell uomo, che può ora dotarsi di un materiale dalle proprietà nuove possedendo la conoscenza per ottenerlo. Non ci sono più limiti di quantità e così si possono costruire oggetti anche di grandi dimensioni. Con tecniche analoghe si ottengono leghe di rame come il bronzo, più resistente del rame puro. Quando si riuscirà ad ottenere temperature maggiori, anche il ferro diventerà disponibile. Unendo le varie singole esperienze, l arte della metallurgia estrattiva permetterà di ricavare e separare anche oro e argento disciolti nei metalli più comuni. Le tecniche sono state sempre migliorate, le rese ottimizzate, e il viaggio è proseguito fino al ventesimo secolo, in cui si è finito di isolare praticamente tutti i metalli della tavola periodica. Foto

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