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 хрупким и ломким и чугун, и сталь. Слишком дорого обходится выплавка чугуна и из руды, в которой содержание железа менее 30–40 %. Такие руды, прежде чем пустить на плавку, необходимо «обогатить» — отобрать из них железные минералы и отбросить пустую породу. Об этом знали еще древние металлурги. «Плавить негодную руду вместе с годной невыгодно, — писал в середине XVI в. Агрикола. — Поскольку природа рождает металлы по большей части не в чистом виде, а в смешанном с землями, загустелыми растворами и камнями, необходимо эти ископаемые по возможности отделить еще до плавки».
Разделение природных смесей на минералы, основанное на различии их физических и химических свойств, можно назвать, используя тот же греческий корень, минералургией.
Большинство минералов различаются по внешнему виду. Но внешний вид — цвет, блеск, форма кристаллов, спайность, зернистость — играет самую незначительную роль в сортировке минералов. Разнообразие других физических и физико-химических свойств минералов не менее велико, чем внешние признаки. Такие свойства, как плотность, электропроводность, магнитная проницаемость, смачиваемость водой, жиром, ртутью и другие, используются в различных аппаратах для сортировки минералов.
Минералы, обладающие близкими свойствами, например плотностью, в этих аппаратах собираются вместе, в один продукт. Этот продукт, называемый концентратом, богаче ценным минералом, чем исходная руда. Произошло частичное обогащение руды. Продукт, обедненный ценным минералом, состоящий в основном из пустой породы, получил название «хвосты».
Если в концентрат с минералами, близкими по плотности, входят минералы с различной электропроводностью, то можно провести дальнейшее обогащение — разделение минералов по электропроводности. Так, используя различные физические свойства, можно получать все более и более богатые концентраты.
Но минералы— это еще не чистые металлы, а их химические соединения, которые можно разрушить только химическими методами. Этим занимаются металлурги, применяющие растворы кислот и солей или высокие температуры для выделения металлов из концентратов.
Граница между физикой и химией минералов — это граница между минералургией и металлургией. Разумеется, эта граница, как и вообще все границы в науке и технике, весьма условна. Она стирается все больше и больше, как и граница между современной физикой и химией. Все теснее переплетаются между собой смежные отрасли науки и техники. Они не могут существовать друг без друга — физика и химия, мипералургия и металлургия.
Разделение компонентов по их свойствам (плотности, магнитной восприимчивости, электрической проводимости, смачиваемости и т. д.) основано на создании градиента концентрации, т. е. расслоении частиц минералов, ионов или молекул в жидкой или газовой средах, а также их концентрировании на границах раздела фаз: жидкость-газ; твердое тело — жидкость. «Растаскивание» частиц различных минералов, их размещение в различных зонах обогатительных аппаратов производится с помощью силовых полей: магнитных, электрических, гравитационных, адсорбционных и т. д. Комбинированная переработка осуществляется при использовании нескольких свойств с применением сочетания полей в одном аппарате (комбинированный процесс) или в ряде последовательно расположенных аппаратов (комбинированная технологическая схема). Комбинированное обогащение минерального сырья производится без изменения фазового и химического состава входящих в руду минералов, т. е. в результате сочетаний обогатительных методов. Комбинированные обогатительные схемы обычно включают в качестве первичного процесса гравитационный (обогащение в тяжелых суспензиях, отсадку, обогащение в винтовых сепараторах, на шлюзах и т. д.), а затем магнитную сепарацию или флотацию. Такие схемы обогащения типичны для железных (гравитация — магнитная сепарация), марганцевых (гравитация-флотация) и редкометальных руд (гравитация — магнитная или электрическая сепарация — флотация).