Metalurgia del cobre

La metalurgia del cobre extrae el metal del mineral calentado con carbón vegetal bajo una fuerte corriente de aire. Los minerales verdes como la malaquita entregan su cobre en un solo paso; los sulfuros deben tostarse primero y fundirse en un producto intermedio, la mata. Los rastros analizados más antiguos del proceso, escorias de Belovode en Serbia, datan de hacia el 5000 a. C.

Qué es

El cobre es uno de los pocos metales que aparecen en la naturaleza en estado metálico, en pepitas y láminas finas: el cobre nativo. Se martilleó para hacer cuentas y punzones mucho antes de fundir ningún mineral. Pero el cobre nativo escasea, y casi todo el cobre está en minerales: la malaquita verde intenso y la azurita azul cerca de la superficie, y más abajo sulfuros de color latón como la calcopirita.

La metalurgia extractiva saca el cobre de esos minerales. Se calientan juntos mineral y carbón vegetal mientras fuelles o cañas de soplado introducen aire; el carbón quita al cobre el oxígeno que lleva unido, y el resto de la roca se funde en escoria. El cobre así obtenido se colaba en herramientas y, aleado con estaño, daba bronce. Fue uno de los primeros metales obtenidos de un mineral, miles de años antes que el hierro.

Cómo funciona

La malaquita, un carbonato verde, entrega su cobre en un paso. La calcopirita, un sulfuro de cobre y hierro, debe tostarse antes.

En un fuego avivado con aire, el carbón que arde forma monóxido de carbono allí donde falta oxígeno. Ese gas quita el oxígeno a los óxidos de cobre, y la malaquita se descompone en óxido de cobre al calentarse. El cobre aparece entonces en granos pequeños. Por encima de 1085 °C se funden y se juntan en gotitas o glóbulos, o en una masa en el fondo del horno o del crisol. El resto del mineral, sobre todo sílice y óxido de hierro, se funde en una escoria vítrea, más ligera que el metal, que queda encima.

Las primeras fundiciones dejaban buena parte del cobre atrapado en la escoria en forma de glóbulos. En el Levante meridional, durante el Calcolítico, en el V milenio a. C., se reducía el mineral en hornos de fosa, se rompía la escoria fría para separar los glóbulos y luego se refundían juntos en un crisol y se colaban.

Los sulfuros están a más profundidad y acabaron siendo la principal fuente de cobre, pero el carbón solo no basta para liberar su metal. Primero se tuestan, es decir, se calientan con mucho aire: parte del azufre se va como dióxido de azufre y el hierro pasa a óxido. Al fundir el mineral tostado se obtiene la mata, una mezcla fundida de sulfuros de cobre y de hierro más pesada que la escoria. La mata se vuelve a tostar y fundir, una o varias veces, hasta que queda poco hierro y azufre y sale el cobre. Ensayos basados en yacimientos de la Edad del Bronce en los Alpes mostraron que dos ciclos de tostación y fusión de la mata eliminaban la mayor parte del azufre y del hierro.

Cómo hacerlo

Los pasos siguientes siguen una práctica de laboratorio universitario sobre la reducción directa de la malaquita. Hace falta una fragua de carbón con soplante, un crisol de arcilla y grafito con sus tenazas, carbón vegetal triturado un trozo de malaquita de origen conocido y un termopar para medir la temperatura de la carga.

Preparar la carga. Triturar por separado la malaquita y el carbón en trozos de 3 a 5 mm y cribar el polvo. Pesar 90 g de mineral y 30 g de carbón, mezclarlos bien y llenar el crisol. La malaquita contiene alrededor del 57 % de cobre en peso, así que esta carga encierra unos 52 g de cobre.

Calentar. Colocar el crisol sobre un lecho de brasas en la fragua y amontonar combustible a su alrededor para que se caliente por igual. Aumentar el aire y leer el termopar a menudo. La práctica de laboratorio saca el crisol del fuego cuando la carga llega a unos 1250 °C y advierte de no pasar de ahí. En unos ensayos hechos en Moravia en 2023 y 2024, la reacción necesitó cerca de una hora a unos 1200 °C.

Cuando el crisol se ha enfriado, el cobre se separa de la escoria: un pequeño botón y glóbulos sueltos.

Recuperar el cobre. Sacar el crisol con las tenazas y dejarlo enfriar sobre un ladrillo refractario. Vaciarlo y separar el cobre del carbón y la escoria: un pequeño lingote, glóbulos sueltos o ambas cosas. Pesar el metal y compararlo con el cobre que contenía el mineral. En los ensayos de Moravia, una malaquita casi pura rindió de media unas dos terceras partes de su cobre, y el metal tenía una pureza superior al 99 %.

Seguridad. Herramientas, ladrillos y suelo deben estar totalmente secos: el agua bajo metal o escoria fundidos se convierte en vapor y los proyecta. Un fuego de carbón vegetal desprende monóxido de carbono; no fundir nunca en un lugar cerrado. No calentar nunca calcopirita ni otros sulfuros, que desprenden dióxido de azufre, ni un mineral que no se sepa identificar: algunos minerales de cobre contienen arsénico, cuyos humos son venenosos.

Historia y evolución

En Çatalhöyük, en Anatolia, unas cuentas del VII milenio a. C. se martillearon en cobre nativo. Una «escoria» verde hallada allí pasó mucho tiempo por la señal más antigua de fundición; un estudio publicado en 2017 mostró que era un mineral de cobre quemado por accidente. La fundición más antigua conocida hasta ahora está en Belovode, en Serbia, donde escorias de cobre analizadas datan de hacia el 5000 a. C., la época de los primeros objetos de cobre colado. En Tal-i Iblis, en el sureste de Irán, cientos de fragmentos de crisoles muestran cobre reducido en crisol a finales del VI o comienzos del V milenio a. C.

El aporte de aire limitaba el calor: los ensayos de Moravia con cañas de soplado de saúco solo alcanzaron entre 1000 y 1100 °C, y el equipo tuvo que terminar con fuelle. En Abu Matar, cerca de Beerseba, unos fragmentos reexaminados en 2024 apuntan a fuelles y a hornos cubiertos con grandes fragmentos de cerámica, probablemente el testimonio más antiguo de fuelles en la región.

En la Edad del Bronce, los mineros recurrieron a los sulfuros. En el Mitterberg, en los Alpes austriacos, los lugares de fundición del II milenio a. C., sobre todo del Bronce Medio, reúnen eras de tostación, hornos construidos a menudo por parejas por debajo de ellas y escoriales.

En un horno de reverbero la llama pasa sobre la carga y la bóveda le devuelve el calor; el carbón nunca toca el mineral.

A finales del siglo XVIII, el bajo valle de Swansea, en Gales, era el centro mundial de la fundición de cobre. Sus fábricas quemaban carbón de la cuenca hullera vecina del sur de Gales en hornos de reverbero, donde el fuego arde sobre una parrilla aparte y solo la llama pasa sobre el mineral, y trataban mineral llegado por mar de Cornualles y más tarde de todo el mundo. El proceso galés tostaba y fundía el mineral una y otra vez para concentrar el cobre en una mata, y luego convertía la mata en cobre ampolloso, o blíster.

En 1880, Pierre Manhès y Paul David adaptaron el convertidor Bessemer a la mata de cobre: el aire soplado a través de la mata fundida quema su azufre y su hierro y deja cobre blíster. La primera refinería electrolítica comercial de cobre había empezado a funcionar en Pembrey, en Gales, en 1869, con patentes registradas por James Elkington desde 1865, y daba un cobre de gran pureza. En 1949, la empresa Outokumpu puso en marcha en Harjavalta, en Finlandia, el primer horno industrial de fusión instantánea: un concentrado sulfurado fino arde allí en una corriente de aire y se calienta con su propia reacción.