«Принцы» и «нищие» в царстве минералов

Заря железного века

Почти 90 % потребляемого сейчас человеком металла приходится на долю железа: оно составляет основу большинства сплавов, конструкционных материалов, станков и инструментов.

Самородное железо редко встречается в природе — чаще всего это осколки метеоритов. 6 тыс. лет назад древние египтяне делали железные украшения, которые ценились выше золотых. У древних хеггов было соотношение ценностей — медь: серебро: золото: желе-зо = 1:160: 1280:6400.

Камни, упавшие с неба, хранились в храмах и были предметом поклонения. Известно несколько тысяч метеоритов, дошедших до поверхности Земли и не сгоревших в атмосфере. Среди них есть каменные, железные и железокаменные. Железные метеориты состоят из почти чистого или никелистого железа, могут содержать кобальт, медь, фосфор, серу, углерод. Они образовались из астероидов — это значит, что во Вселенной летают гигантские куски самородного железа.

Существует легенда, что бухарский эмир приказал своим лучшим оружейникам отковать ему меч из куска «небесного железа». Но сколько они ни старались, ничего не получалось, нагретый металл не поддавался ковке. Никелистое метеоритное железо куется только холодным, а при нагревании становится хрупким.

У властителя индийского княжества Джехангира в XVII в. были две сабли, кинжал и наконечник пики из метеоритного железа. Есть сведения, что из этого же металла были изготовлены шпаги Александра I и Боливара — героя освобождения Южной Америки от испанского владычества.

Выплавлять железо из руд люди научились свыше 2 тыс. лет назад. Во всяком случае, в щелях пирамиды Хеопса найдены обломки железных орудий. Более 3 тыс. лет назад железо стало рабочим металлом в Греции, Закавказье, Китае. Вскоре новый металл полностью вытеснил камень как материал для изготовления оружия и орудий труда. Древнеримский энциклопедист Гай Плиний старший писал: «Железные рудокопы доставляют человеку превосходнейшее и зловреднейшее орудие. Ибо сим орудием прорезываем мы землю, обрабатываем плодовитые сады и, обрезая дикие лозы с виноградом, понуждаем их каждый год юнеть. Сим орудием выстраиваем домы, разбиваем камни и употребляем железо на все подобные надобности. Но тем же железом производим брани, битвы и грабежи и употребляем оное не только вблизи, но мещем окрыленное вдаль то из бойниц, то из мощных рук, то в виде оперенных стрел. Самое порочнейшее, по мнению моему, ухищрение ума человеческого. Ибо, чтобы смерть скорее постигла человека, соделали ее крылатою и железу придали перья. Того ради да будет вина приписана человеку, а не природе».

Термин «железный век» введен в середине XIX в. датским археологом К. Ю. Томсеном. Границы этого периода — от IX–VII вв. до и. э., когда у многих народов и племен Европы и Азии начала развиваться металлургия железа, до времени возникновения у этих племен классового общества и государства. Но если эпохи называть по главному материалу орудий труда, то железный век продолжается и сегодня.

Наши далекие предки получали железо так называемым сыродутным методом. Сыродутные печи устраивали обычно на склонах оврагов и канав. Они имели вид трубы, которую заполняли древесным углем и железной рудой. Уголь зажигали, и ветер, дувший в склон оврага, поддерживал горение угля. Железная руда восстанавливалась, и получалась мягкая крица — железо с включениями шлака. В нем содержалось немного углерода и примесей, перешедших из руды. Крицу ковали, куски шлака отваливались, и под молотом оставалось железо, пронизанное шлаковыми нитями. Из него отковывали различные орудия.

С появлением мехов для дутья отпала надобность устраивать сыродутные горны на склонах. Появились печи нового типа — так называемые «волчьи ямы», которые выкапывали в земле, и домницы, которые возвышались над землей. Их делали из камней, скрепленных глиной.

Извлечение крицы из горна домницы (изображение на древнегреческом сосуде)

При извлечении крицы из печи выливался и расплавленный чугун — железо, содержащее более 2 % углерода и плавящееся при более низких температурах. В твердом виде чугун нельзя ковать, он разлетается на куски от удара молотом. Поэтому чугун, как и шлак, считался вначале отходом производства. Англичане даже назвали его «свинским железом» — pig iron. Только потом металлурги сообразили, что жидкий чугун можно заливать в формы и получать из пего различные изделия, например пушечные ядра.

Людям древности и раннего средневековья было знакомо и другое железо — знаменитая дамасская сталь (булат). Ее делали на Востоке еще во времена Аристотеля (IV в. до н. э.). Но технология ее производства и изготовление булатных клинков много веков держались в секрете.

Секрет булата не давал покоя металлургам многих веков и стран. Какие только способы и рецепты не предлагались! В железо добавляли золото, серебро, драгоценные камни, слоновую кость. Пробовали даже для закалки погружать клинок не в воду, а в тело мускулистого раба, чтобы его сила перешла в сталь.

Раскрыть секрет булата удалось в первой половине прошлого века русскому металлургу П. П. Аносову. Он объяснил происхождение уникальных свойств булата, связав их со структурой. Дендриты состоят из тугоплавкой, по относительно мягкой стали, а пространство меж их «ветвями» заполняется в процессе застывания металла более насыщенной углеродом, т. е. более твердой, сталью. Отсюда большая твердость и большая вязкость одновременно. Другой русский металлург — Д. К. Чернов установил, при каких температурах происходят фазовые превращения стали, изменяющие ее структуру («точки Чернова»).

После смерти П. П. Аносова секрет булата был вновь утерян. В третий раз его открыли уже в середине XX в.

Домницы превратились в домны в конце XVIII в. Одному из демидовских приказчиков пришла в голову мысль подавать дутье в доменную печь не через одно сопло, а через два, расположив их по обеим сторонам горна. Число сопел, или фурм, росло, дутье становилось все более равномерным, увеличивался диаметр горна, повышалась производительность печей.

Еще два открытия сильно повлияли на развитие доменного производства. Долгие годы топливом доменных печей был древесный уголь. Существовала целая отрасль промышленности, занимавшаяся выжиганием угля из дерева. В результате леса в Англии вырубили до такой степени, что был издан специальный указ королевы, запрещающий уничтожать лес ради нужд черной металлургии. После этого английская металлургия стала быстро хиреть. Британия была вынуждена ввозить чугун из-за границы, главным образом из России. Так продолжалось до середины XVIII в., когда Абрагам Дерби нашел способ получения кокса из каменного угля. Кокс стал основным топливом для доменных печей.

Основным потребителем железа к концу XVIII в. стали дороги, названные его именем. День рождения железной дороги — 14 июля 1830 г., когда на конкурсе паровозов в Англии победила «Ракета», построенная Дж. Стивенсоном. «Она летала, как ветер», — говорили лондонцы. «Ракета» развивала скорость около 30 км/ч.

Минералургия железа

Железо входит в состав более чем 300 минералов, занимая 4,65 % массы земной коры. Оно накапливается в магме и осадках, образуя различные виды месторождений с содержанием железа до 50–60 %. Это оно придает красный, бурый и желтый цвет горным породам, глинам, пескам.

Однако промышленных минералов железа всего несколько. Главный из них — магнетит, магнитный железняк (Fe₂O₃ * FeO), смесь оксидов двух- и трехвалентного железа. Месторождения магнетита известны во многих странах мира. В СССР наиболее крупные — Уральские, Курская магнитная аномалия, Криворожские и другие, благодаря им наша страна занимает первое место в мире по запасам железных руд.

Кроме магнетита, промышленное значение имеют сопутствующие ему оксиды — гематит и мартит (Fe₂O₃). Кристаллический гематит называют железным блеском, а тонкозернистый — красным железняком. Карбонат железа — сидерит и гидрооксиды — лимонит и гетит имеют бурую и желтовато-бурую окраску. Эти минералы слабомагнитны, имеют немного меньшую плотность, чем магнетит, и, как правило, добываются только вместе с ним. Титаномагнетиты — ильменит, перовскит и другие — также имеют промышленное значение, но добываются ради титана. Перспективным источником железа являются также пиритные огарки, остающиеся после обжига пирита в производстве серной кислоты.

Основным способом обогащения железных руд является магнитная сепарация. Минералы-ферромагнетики содержат ионы с неспаренными спинами, магнитные моменты которых ориентируются кристаллическим полем в пределах магнитных доменов; их можно уподобить микромагнитам размером от микрометра до миллиметра. Магнитные моменты доменов в отсутствие магнитного поля имеют различную ориентацию, поэтому намагниченность, например, чистого самородного железа не проявляется. В магнитном поле домены, подобно спинам в парамагнетиках, ориентируются, что вызывает разориентацию доменов у одних минералов сразу, у других спустя некоторое время, а у третьих сохраняется остаточная намагниченность. Это связано с разной подвижностью магнитных моментов доменов в разных минералах, зависящей от наличия нарушений кристаллической решетки — дислокации, включений других минералов, зональности или мозаичности кристаллов и других неоднородностей.

Ни один природный минерал не притягивается магнитом с такой силой, как металлическое железо, но зато почти все железосодержащие минералы обладают в той или иной степени магнитными свойствами. Магнетит содержит 72 % железа и всего в 2,5 раза слабее, чем металлическое железо, притягивается магнитом. Несколько слабее притягивается железомарганцевый минерал — франклинит и железотитановые — титаномагнетит и ильменит. Эти сильномагнитные минералы легко отделяются электромагнитом. Еще в XVII в. обычным магнитом магнетит удаляли из смеси тяжелых минералов. Плотность магнетита — 5,2 г/см³, при промывке и гравитационном обогащении он попадает в шлихи вместе с золотом, вольфрамитом, касситеритом.

Принципиальная схема магнитной сепарации

а — сепаратор, б — железоуловитель

Большинство минералов проявляют магнитные свойства только в сильном магнитном поле с высокой напряженностью. Магнитная индукция, которую создает магнитное поле, изменяется в присутствии минерала. Мерой ее изменения служит магнитная проницаемость минералов и связанная с пей магнитная восприимчивость. Магнитные свойства зависят не столько от содержания железа, сколько от структуры соединения. Наиболее магнитна окись-закись железа — магнетит. Окиси железа — гематит и лимонит — слабомагнитны, Невелика магнитность сульфида железа — пирита и карбоната железа — сидерита. Чтобы изменить природные свойства минералов, руду обжигают, нагревая до температуры 550–600 °C с добавкой углерода, а сидерит, содержащий углерод, — без добавок. Вместо углерода можно применить доменный или коксовый газ, содержащий окись углерода, которая также действует как химический восстановитель. Восстанавливая часть трехвалентного железа Fe₂O₃ в закись-окись Fe₃O₄ — магнетит, обжиг превращает все железные минералы, содержащиеся в руде, в сильномагнитные. Кроме того, обжиг облегчает последующее дробление и измельчение, так как нагревание до высокой температуры и охлаждение приводят к растрескиванию породы.

Основная часть магнитного сепаратора — электромагниты, создающие магнитное поле определенной интенсивности, в котором немагнитные и магнитные минералы ведут себя по-разному. На немагнитные действует только сила тяжести; магнитные, кроме того, притягиваются электромагнитом. Соотношение этих двух сил и определяет траекторию движения магнитных частиц.

Частицы с различной магнитной восприимчивостью попадают в различные фракции. Чем сильнее и определеннее выражены магнитные свойства, тем точнее сепарация.

В зависимости от соотношения магнитных восприимчивостей разделяемых минералов применяются сепараторы с различной интенсивностью магнитного поля. Сепарация может происходить как в воздушной, так и в водной среде.

Кроме электромагнитов, сепараторы снабжены устройством для непрерывной загрузки руды и разгрузки концентратов и хвостов.

Простейшей конструкцией магнитного сепаратора, отвечающей всем этим требованиям, является вращающийся барабан с системой электромагнитов (подвижной или неподвижной) внутри. Материал подается сверху на цилиндрическую поверхность барабана: магнитные зерна притягиваются и падают под барабан, а немагнитные скользят по поверхности и оказываются в приемнике перед барабаном.

Барабанный магнитный сепаратор

Барабанный сепаратор для сухого обогащения был изобретен Венстремом в конце XIX в. в Швеции, славящейся богатыми залежами железных руд. Там же в начале XX в. Грондаль разработал для «мокрой» сепарации мелкой магнетитовой руды конструкцию сепаратора, оборудованного специальной ванной, в которую подается пульпа с рудой. Барабан может помещаться в воде или над ее поверхностью.

Иногда применяется сепаратор с двумя барабанами. В нем концентрат с первого барабана перемещается на второй. Барабан можно заменять системой последовательно расположенных роликов.

Однако барабанные сепараторы не могут обеспечить достаточно интенсивного магнитного поля. Большая поверхность барабана «распыляет» это поле. Поэтому для обогащения слабомагнитпых вольфрамовых руд был создан сепаратор с замкнутой магнитной системой и заостренными полюсами, между которыми проходила лента транспортера, несущая материал. Такой сепаратор впервые сконструировал Ветерилл в США в конце XIX в.

Вскоре стали применяться и «мокрые» ленточные сепараторы с транспортером, погруженным в пульпу.

В России первый магнитный сепаратор (барабанный) был сконструирован В. А. Петровым в 1911 г. Он был установлен на Урале для сухой сепарации магнетитовой руды.

Серийное изготовление магнитных сепараторов началось у нас только в 1932–1934 гг. А сейчас в СССР созданы различные конструкции магнитных сепараторов. Разработана теория магнитного обогащения руд. Работы И. С. Дацюка, В. Г. Деркача, В. И. Кармазина, В. В. Кармазина и других позволили создать эффективные способы магнитной сепарации материалов.

Методом сухой магнитной сепарации обогащаются в основном магнетитовые и титаномагнетитовые руды, а также руды редких металлов. Мокрая сепарация применяется для обогащения сильно- и слабомагнитных руд.

Полиградиентпые сепараторы, основанные на фильтрации пульпы через слой магнитных шаров, позволяют значительно увеличить напряженность магнитного поля, уменьшить относительную скорость движения частиц, а следовательно, уменьшить крупность обогащаемого материала.

Для мокрого магнитного обогащения тонкоизмельченных руд, например оловянных и редкометальных, создан ряд полиградиентных электромагнитных роторных сепараторов с ферромагнитными телами, имеющих среднюю магнитную индукцию в рабочей зоне 12 000– 15 000 Гс.

А что если на поле силы тяжести наложить еще и магнитное поле, направленное в ту же сторону, т. е. вниз? Тогда магнетит и другие минералы железа будут стремительно оседать, а более легкие и немагнитные кварц, глины, слюды, роговики можно вымыть потоком воды, направленным вверх.

Этот принцип реализован в изобретении П. И. Зеленова, П. А. Усачева и др. Цилиндрическая емкость обвита токопроводом в виде соленоида, а поток воды, направленный вверх со скоростью, обеспечивающей вынос частиц кварца, работает как гидравлический классификатор. «Бочки Зеленова» установлены на Оленегорской железорудной фабрике и работают как сгустители магнетитового концентрата и как обогатительные аппараты, обеспечивающие получение практически чистого, беспримесного магнетитового суперконцентрата. Содержание кварца в нем менее 0,2 %.

Такой концентрат пригоден для порошковой металлургии, которая состоит в спекании железистого порошка под давлением с одновременной формовкой деталей. Обработка металла по этому способу является безотходной, а благодаря высокой чистоте порошковое железо почти не ржавеет. Сделанные из такого железа днища кораблей, находясь в соленой воде, десятилетиями не подвергаются коррозии.

Черная металлургия

Генри Бессемер был механиком без образования. Он изобретал что придется: машинку для гашения марок, нарезную пушку, различные механические приспособления. На металлургическом заводе у Бессемера появилась мысль использовать для тяжелой «горячей» работы сжатый воздух. В 1856 г. он запатентовал способ производства стали продуванием воздуха через жидкий чугун, находящийся в конвертере — грушевидном сосуде из листового железа, выложенном изнутри кварцевым огнеупором.

Кислород воздуха окисляет железо в закись — FeO. Последняя растворяется в чугуне и окисляет углерод, кремний, марганец… Из окислов железа, марганца и кремния образуются шлаки. Процесс ведут до полного выгорания углерода.

На бессемеровском конвертере из чугуна не удалялись вредные примеси — сера и фосфор. От серы научились избавляться, добавляя в жидкую сталь богатый марганцем чугун или ферромарганец. С фосфором, который не удалялся в доменном процессе и не связывался марганцем, дело обстояло сложнее. Некоторые руды, такие, как лотарингская, отличающиеся высоким содержанием фосфора, оставались непригодными для производства стали. Выход был найден английским химиком С. Д. Томасом, который предложил связывать фосфор известью. Конвертер Томаса в отличие от бессемеровского был футерован обожженным доломитом, а не кремнеземом. В чугун во время продувки подавали известь. Образовывался известково-фосфоритный шлак, который легко отделялся от стали. Впоследствии этот шлак даже стали использовать как удобрение.

Революция в сталеплавильном производстве произошла в 1864 г., когда отец и сын Пьер и Эмиль Мартены использовали для получения стали регенеративную газовую печь. В ней благодаря подогреву газа и воздуха в камерах с огнеупорной насадкой достигалась такая температура, что сталь в ванне печи переходила в жидкое состояние. Ее можно было заливать в ковши и формы, изготовлять слитки и прокатывать их в рельсы, балки, строительные профили, листы. Кроме того, появилась возможность использовать громадные количества лома, скопившегося на металлургических и машиностроительных заводах.

Последнее обстоятельство сыграло очень важную роль в становлении нового процесса. В начале XX в. мартеновские печи почти полностью вытеснили бессемеровские и томасовские конвертеры, которые хотя и потребляли лом, но в малых количествах.

Температура в мартеновской печи достигает 1700–1800 °C, а в фокусе горения до 2000 °C. Более низкое качество конвертерной стали объясняется растворением в пей азота воздуха. Новую жизнь в конвертерный процесс вдохнуло кислородное дутье.

Опыты были впервые проведены в 1945 г. на московском заводе «Динамо». В 1956 г. на выплавку стали на чистом кислородном дутье перешел конвертерный цех металлургического завода имени Петровского. А в начале 1958 г. вступил в строй самый крупный цех такого типа на заводе «Криворожсталь».

Кислород подается через трубку, опущенную в металл сверху. В месте соприкосновения кислорода и металла температура поднимается до 3000 °C. При такой температуре плавятся самые тугоплавкие металлы.

Идеальным было бы такое ведение процесса, в котором не участвовали бы ни воздух, ни газы горения топлива. Только варьируя добавками, шлаками, примесями, можно сварить сталь точно заданного состава. И такой процесс существует. Это — электроплавка.

В печь загружают шихту. Включаются и опускаются графитовые электроды. В пламени электрических разрядов температура достигает 4000 °C. Шихта плавится, струйки металла стекают и накапливаются на подине. И вот электроды уже коснулись жидкого металла. Во время плавки сталевары добавляют в электропечь известь и другие флюсы, наводя первый шлак. В него начинает переходить из расплавленного металла фосфор. Затем они обеспечивают удаление из металла водорода, азота и неметаллических включений. И первый шлак удаляют. Для образования нового шлака в печь снова добавляют известь.

В результате всех манипуляций, длящихся около шести часов, получается сталь, какую нельзя получить никаким другим известным способом. Она содержит предельно малое количество фосфора и серы, очень немного неметаллических включений и точно заданные количества нужных добавок.

Русское железо

Почти два с половиной столетия назад по замыслу Петра I встал город Екатеринбург у Каменного Пояса, на границе Европы и Азии, чтобы помочь молодой державе строить военный и торговый флот, вооружить армию, выйти из зависимости от иноземных государств. Трудно назвать другой город, где с первых дней существования возникло бы такое обилие ремесел. Появилась армия умельцев: рудознатцев, кузнецов, углекопов, камнерезов, «плавильных» мастеров.

На севере Урала, за стеной леса — город Невьянск. Когда-то сюда приехал родоначальник фамилии Демидовых, «усовершитель и распространитель» заводов на Урале. Первый уральский чугун получен в Невьянске. Завод некоторое время преуспевал, но потом сжег вокруг себя все леса, остался без топлива и захирел. От старого завода осталась лишь знаменитая «падающая» башня, с которой связано много мрачных преданий.

Нижний Тагил Демидовы называли своей «северной столицей». Царская грамота, которую получил от Петра I предприимчивый тульский кузнец Никита Демидов, явилась ключом к сокровищам Уральского хребта. Почти двести лет владычествовала в «горном гнезде» эта династия. Ей принадлежало около миллиона десятин лучшей земли, 11 заводов, более 100 приисков, угольные копи, рудники, железные дороги.

Благодаря стараниям талантливых уральских мастеров Нижнетагильский завод быстро набирал силу. Через десять лет после основания он занял первое место в мире по производству чугуна. Великобритания и США охотно покупали железо, выплавленное из магнитной руды горы Высокой: оно отличалось чистотой, податливой мягкостью и гибкостью.

Думая о судьбе Тагила, Мамин-Сибиряк предполагал, что уже недалеко то время, когда этот завод «сделается русским Бирмингемом». Однако бешеная погоня заводчиков за прибылью, их нежелание сколько-нибудь совершенствовать производство постепенно привели промышленность города к полному застою. Известный русский металлург М. А. Павлов, совершивший в конце XIX в. поездку по уральским заводам, был поражен тем, что во всем Тагильском округе встретил лишь одного инженера. Это был его товарищ по институту В. Е. Грум-Гржимайло.

Мамин-Сибиряк так писал о судьбе рабочего, занятого огненной работой: «…хорошо, если такой рабочий женится вовремя и к тому времени, когда он уже не в силах будет работать, у него успеют подрасти на смену дети: в противном случае ему грозит положительная нищета. На огненной работе в 15–20 лет вытянется какой угодно рабочий…»

В те времена рабочий получал в среднем чуть больше 11 руб. в месяц. А вот своей «иждивенке», принцессе Матильде, тагильский завод выплачивал ежемесячно свыше 4000 руб. Анатолий Демидов, купивший в Италии титул князя Сан-Донато, женился на племяннице Наполеона Матильде. Князь был крутого нрава и однажды побил жену. Николай I разрешил принцессе оставить мужа, а Демидова обязал платить ей по 50 тыс. руб. в год. Кратковременная жена Демидова шестьдесят лет была на иждивении тагильских рабочих…

До Октябрьской революции Тагил был рабочим поселком с прудом, господским домом, церквами и бронзовым памятником. Раболепный скульптор изобразил Демидова в величественной позе, он снисходительно протягивает руку коленопреклоненной женщине в царской короне, олицетворяющей Россию.

Несмотря на огромные запасы, Россия в 1913 г. давала лишь около 6 % мирового производства металла.

В. И. Ленин придавал первостепенное значение развитию черной металлургии. В 1913 г. в огромной стране со 150-миллионным населением было выплавлено лишь 3,6 млн т стали. Сейчас это средняя годовая производительность среднего металлургического завода.

В 1985 г. в СССР добыто около 250 млн т товарной железной руды. Идет освоение железорудных месторождений Сибири, Казахстана, Дальнего Востока.

По объему добычи железной руды и выплавке стали СССР занимает первое место в мире. Однако это обстоятельство еще не может служить предметом большой гордости. Дело в том, что удельный вес легированных высококачественных сталей в нашей черной металлургии относительно невелик, несмотря на то что именно русские ученые — Амосов, Чернов и другие заложили научные основы выплавки качественных сталей. В результате из большого количества стали мы производим более тяжеловесные конструкции, меньше машин и приборов. Перестройка структуры черной металлургии — одна из важнейших задач XII пятилетки.

В частности, освоение Качканарского месторождения, по содержанию железа самого бедного из всех разрабатываемых в мире (всего 15–18 % железа), обусловлено тем, что руда здесь природно легирована ванадием. Это дает возможность не только получать легированную сталь из руды Качканара, но и дополнительно извлекать ванадий из шлаков металлургии.

Черный осветлитель

Землистый темно-серый минерал пиролюзит является основным источником ближайшего соседа железа но таблице Менделеева — марганца. Вместе с ним встречаются похожие на него псиломелан (в переводе с греческого — черпая стеклянная голова), манганит, название которого происходит от латинского названия марганца. Все это окислы марганца. В последнее время промышленное значение приобрел и карбонат марганца — родохрозит. Его второе название — роза инков (от греч. «родоп» — роза). Отполированные крупные штуфы малинового или темнорозового родохрозита — красивый поделочный камень. Самое известное месторождение находится в Аргентине, близ Сан-Луиса. Здесь в серебряных рудниках, оставленных инками в XIII в., встречаются родохрозитовые сталагмиты. Но в качестве ювелирного камня родохрозит стал применяться только с середины XX в.

На родохрозит внешне очень похож и силикат марганца — родонит. В Уральских горах он был известен под названием орлец. Примеси черных и темно-бурых окислов марганца создают неповторимые узоры орлеца. В Государственном Эрмитаже стоит огромная ваза из орлеца: ее эллипсовидная чаша размером 1,8 x 1,3 м выточена из монолита. Мастера трудились 30 лет, закончив работу в 1867 г.

Марганец — довольно распространенный элемент, особенно часто присутствующий в железных рудах. Но его месторождения достаточно редки. Самые крупные — Чиатурское и Никопольское месторождения — находятся на территории СССР, благодаря чему паша страна занимает первое место в мире по запасам и добыче марганцевой руды.

Оба месторождения имеют осадочное происхождение, образовались в прибрежных зонах третичного моря в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Чиатурское месторождение расположено в горах Кавказа на высоте 800 м над уровнем моря. Оно представляет собой серию прослоек толщиной от 2 до 5 м. Отработка его ведется уже более 100 лет, как и на Украине. Марганцевая руда — один из первых предметов экспорта молодой Советской республики. Марганцевые концентраты экспортируются и сейчас. Чиатурский рудник восстановили в 1923 г., и с тех пор у причалов Поти собирались десятки иностранных кораблей, вывозивших руду. В начале 30-х годов был построен Зестафонский ферросплавный завод, на котором из чиатурской руды получали ферромарганец.

Для обогащения марганцевых руд применяется главным образом гравитационный метод — отсадка. При этом топкие частицы хрупких марганцевых минералов практически терялись. Из-за этого горная речка Квирила, вытекающая из живописной долины Сачхере, ниже г. Чиатуры превращалась в темный грязный поток. Частицы пиролюзита плывут в воде реки на протяжении нескольких сот километров, поскольку все они одноименно (отрицательно) заряжены, не слипаются и не оседают; из Квирилы они попадают в Риопи, а оттуда в Черное море.

Часть марганцевых шламов извлекается на специально построенной флотационной фабрике методом пенной сепарации. Метод был предложен еще в 1940 г. В. А. Малиновским, но его промышленное освоение началось только в 60-х годах. В отличие от обычной флотации пульпа подается не в подпенную зону, а непосредственно на слой пены. Подобный метод обеспечивает резкое увеличение продолжительности контакта минералов с пузырьками воздуха, что создает наиболее благоприятные условия для минерализации воздушных пузырьков, в особенности крупными частицами. Поскольку после отсадки частицы крупнее флотационных все же теряются, этот метод впервые был использован для марганцевых руд.

В марганцевых минералах всегда присутствует железо, поэтому они обладают слабомагнитными свойствами. Поэтому извлечение марганцевых шламов возможно на полиградиептпых магнитных сепараторах. Пульпа прогоняется через слой железных шаров, находящихся в магнитном поле. При этом в точках соприкосновения шаров и вблизи них напряженность магнитного поля достаточно высока и слабомагнитные частицы там оседают, как на фильтре. Затем секция с шарами выходит из магнитного поля и марганцевый концентрат вымывается из слоя шаров.

Интересно отметить, что, хотя марганец немагнитен, сплав его с немагнитными медью и оловом обладает ферромагнитными свойствами. Олово можно заменить алюминием, мышьяком, сурьмой, бором или висмутом.

Марганцевый минерал пиролюзит под названием «черная магнезия» применялся при варке стекла. Поскольку зеленый и бурый цвет стеклу придает железо, его необходимо окислить. Пиролюзит окисляет сернистые соединения железа, «осветляя» стекло. Возможно, происхождение латинского названия марганца связано с его ролью в стекловарении: «манганидзейн» означает «чистить».

Заметим, что Плиний Старший (I век н. э.) считал пиролюзит разновидностью магнитного железняка. Отсутствие магнитных свойств у пиролюзита Плиний объяснял принадлежностью его к женскому полу, к которому магнит равнодушен.

Ту же роль окислителя играет марганец и в доменной плавке железа. Марганцевый концентрат добавляют в плавку для образования легкоплавкого сульфида марганца, который переходит в шлак. Марганец хорошо связывает и кислород. Еще в прошлом веке из марганцовистых железных руд выплавляли «зеркальный» чугун, который применяется для раскисления и науглероживания стали, т. е. для удаления из нее серы и кислорода. Теперь для этой цели применяют ферромарганец.

Для легирования стали марганец обычно вводят вместе с хромом, кремнием, вольфрамом. Однако есть сталь, в состав которой, кроме железа, марганца и углерода, ничего не входит. Это сталь Гадфилда, содержащая 1–1,5 % углерода и 11–15 % марганца, опа обладает огромной износостойкостью и твердостью. Ее применяют для изготовления дробилок, деталей экскаваторов и бульдозеров. Твердость этой стали такова, что она не поддается механической обработке, детали из нее можно только отливать.

Сплавы марганца с медью обладают высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Из этих сплавов делают лопатки турбин, а из марганцовистых бронз — винты самолетов и другие авиадетали.

Относительно недавно стало известно о новом потенциальном источнике марганца. Это железомарганцевые конкреции — овальные комки, лежащие на дне океанов. Еще в 1969 г. при глубоководном погружении подводной лодки была добыта со дна гигантская конкреция массой около 90 кг. Ее состав, считая только главные компоненты: по 25 % марганца и кристаллизационной воды, 15 % железа. Предполагается, что запасы железомарганцевых конкреций на дне Тихого океана составляют около 2 млрд т, а поскольку конкреции образуются путем коагуляции и осаждения минеральных веществ из морской воды, их запасы растут в среднем на 90 млн т в год.

Конкреции содержат также кобальт, никель и медь. Но добыча и переработка их крайне трудны. Сбор конкреций на дне океана требует создания принципиально новых добычных устройств. Даже извлеченные на сушу, они долго сохраняют свою влажность. Раздробить их в обычных дробилках невозможно, они просто сминаются в блинообразные комки. Так что пока этот перспективный источник марганца еще не освоен.