Luyện đồng từ malachite — Từ quặng xanh đến kim loại đỏ

Malachite phân hủy khi bị nung nóng: Cu₂CO₃(OH)₂ → 2CuO + CO₂ + H₂O (ở khoảng 300°C). Đồng oxit (CuO) tạo thành sau đó bị khử bởi carbon monoxide từ than củi đang cháy: CuO + CO → Cu + CO₂. Đồng nóng chảy ở 1085°C. Tổng hiệu suất thu được đồng từ malachite nguyên chất khoảng 57,5%.

Đập malachite thành các mảnh nhỏ hơn 1 cm bằng búa và đe. Càng nghiền mịn, quá trình khử càng nhanh và hoàn toàn hơn. Dùng cối và chày để nghiền lần cuối nếu có. Hướng tới các mảnh có kích thước bằng hạt đậu hoặc nhỏ hơn.

Sử dụng nồi nấu bằng đất sét có thể chịu được 1200°C trở lên. Nồi graphite-đất sét là lựa chọn lý tưởng. Nồi nấu nên có dung tích ít nhất 500 ml. Nếu tự làm, hãy trộn đất chịu lửa (fireclay) với cát theo tỉ lệ 2:1 rồi nung từ từ trong lò đến 1000°C trước khi sử dụng. Nồi đã nung trước ít bị nứt hơn.

Đặt một lớp than củi dạng mảnh dày 2 cm ở đáy nồi nung. Thêm một lớp malachite đã nghiền (2-3 cm). Phủ lên trên một lớp than củi khác. Than củi vừa cung cấp carbon để khử, vừa bảo vệ đồng khỏi bị oxy hóa lại. Đổ đầy khoảng 2/3 nồi.

Bạn cần một lò rèn hoặc lò nung có khả năng đạt 1100-1200°C. Một lò rèn than củi đơn giản với gió cưỡng bức (ống thổi hoặc quạt thổi) hoạt động tốt. Chén nung được đặt trong lớp than củi đang cháy, với thêm than củi chất xung quanh và phía trên. Nguồn cấp khí phải có thể điều chỉnh được.

Luyện đồng liên quan đến nhiệt độ cực cao, khói độc và kim loại nóng chảy. Hãy mặc: tạp dề da, găng tay da có cổ dài, mặt nạ che mặt, giày bảo hộ (không làm từ vật liệu tổng hợp). Làm việc ngoài trời hoặc trong không gian thông gió tốt. Khói oxit đồng gây sốt khói kim loại nếu hít phải. Để sẵn một xô cát khô gần đó để ngăn chặn tràn đổ.

Đốt than trong lò rèn và làm nóng đến nhiệt độ tối đa trong 30-45 phút với thao tác bễ nhẹ nhàng. Đặt nồi nấu đã nạp liệu vào lò rèn khi than đã cháy đỏ rực. Nhét than chặt xung quanh nồi nấu. Tăng tốc độ bễ dần dần.

Giữ lò rèn ở 1100-1200°C trong 2-3 giờ. Malachite trước tiên phân hủy (màu xanh lục chuyển thành CuO màu đen ở khoảng 300°C), sau đó CuO bị khử thành đồng khi nhiệt độ tăng dần. Thêm than củi vào lò rèn khi cần thiết để duy trì nhiệt. Phần chất trong nồi nung sẽ co lại khi khí CO₂ thoát ra.

Sau 2-3 giờ, cẩn thận dùng kẹp nâng nắp nồi nung lên và nhìn vào bên trong. Bạn sẽ thấy một vũng đồng nóng chảy màu cam đỏ sáng bên dưới một lớp xỉ (vật liệu thủy tinh màu đen sẫm). Nếu thấy các cục màu xanh lá hoặc đen chưa nóng chảy, hãy tiếp tục nung thêm 30 phút.

Trong khi đồng đang nóng chảy, hãy chuẩn bị một khuôn cát hoặc một hốc đá phẳng để rót. Làm nóng trước khuôn bằng đèn khò để tránh nứt do sốc nhiệt. Một khuôn đơn giản hình thanh được khắc trên khối đá sa thạch hoạt động tốt. Đảm bảo khuôn hoàn toàn khô — bất kỳ độ ẩm nào cũng gây ra sự bắn tung tóe dữ dội của kim loại nóng chảy.

Dùng kẹp nồi nung, nhấc nồi nung ra khỏi lò rèn. Nghiêng từ từ để rót đồng nóng chảy vào khuôn. Xỉ thủy tinh sẫm màu nổi trên bề mặt và có thể được giữ lại bằng một que gỗ trong khi đồng chảy bên dưới. Rót đều tay — những lần rót bị gián đoạn sẽ tạo ra các mối nối nguội (đường nối yếu).

Để thỏi đồng nguội trong khuôn ít nhất 30 phút. Không tôi nguội trong nước — làm nguội nhanh khiến đồng giòn với ứng suất bên trong. Làm nguội bằng không khí tạo ra kim loại mềm hơn, dễ gia công hơn. Bề mặt đồng bị oxy hóa thành màu nâu đỏ sẫm khi nguội.

Khi đã đủ nguội để cầm nắm (dưới 100°C), tháo thỏi khỏi khuôn. Dùng bàn chải sắt chải sạch cát và xỉ bám dính. Thỏi phải có màu hồng cam đặc trưng của đồng mới trên các bề mặt vừa lộ ra. Mọi vết tối màu đều là xỉ bị kẹt hoặc tạp chất oxit.

Cân thỏi đồng sạch. Từ 2 kg quặng malachite tốt, dự kiến thu được 800-1000 g đồng (hiệu suất 40-50%, tính đến hao hụt xỉ và tạp chất). Malachite nguyên chất sẽ cho 1150 g, nhưng quặng thu thập ngoài thực địa hiếm khi nguyên chất. Ghi lại hiệu suất để tối ưu hóa trong tương lai.

Đập búa vào cạnh thỏi trên đe. Đồng tốt biến dạng dẻo mà không bị nứt — đây là một trong những kim loại dễ dát mỏng nhất. Nếu bị nứt, đồng chứa quá nhiều xỉ hoặc oxit. Dùa một vùng nhỏ để lộ kim loại mới — đồng nguyên chất có màu hồng cá hồi. Vệt xanh lục cho thấy quá trình khử chưa hoàn toàn.

Đồng bị oxy hóa chậm trong không khí (hình thành lớp gỉ xanh lục sau nhiều tháng). Để lưu trữ ngắn hạn, giữ khô ráo. Để lưu trữ dài hạn, phủ một lớp dầu mỏng. Ghi nhãn với ngày tháng, quặng nguồn và trọng lượng. Đồng này đã sẵn sàng để đúc, đập thành tấm mỏng, hoặc hợp kim hóa với thiếc để tạo ra đồng thau.