Metallurgia del rame

La metallurgia del rame ricava il metallo dal minerale scaldato con carbone di legna sotto un forte getto d'aria. I minerali verdi come la malachite cedono il rame in un solo passaggio, mentre i solfuri vanno prima arrostiti e fusi in un prodotto intermedio, la metallina. Le più antiche tracce analizzate del procedimento, scorie di Belovode in Serbia, risalgono a circa il 5000 a.C.

Che cos’è

Il rame è uno dei pochi metalli che in natura si trovano già allo stato metallico, in pepite e sottili lamine: il rame nativo. Lo si martellava in perline e punteruoli molto prima di saper fondere un minerale. Il rame nativo però è raro, e quasi tutto il rame sta nei minerali: la malachite verde brillante e l’azzurrite blu vicino alla superficie, più in basso solfuri color ottone come la calcopirite.

La metallurgia estrattiva ricava il rame da questi minerali. Minerale e carbone di legna si scaldano insieme mentre mantici o cannelli soffiano aria; il carbone sottrae al rame l’ossigeno legato, e il resto della roccia fonde in scoria. Il rame così ottenuto veniva colato in utensili e, legato con lo stagno, diventava bronzo. È tra i primi metalli ricavati da un minerale, millenni prima del ferro.

Come funziona

La malachite, un carbonato verde, cede il rame in un passaggio. La calcopirite, un solfuro di rame e ferro, va prima arrostita.

In un fuoco attivato da un forte getto d’aria, il carbone che brucia forma monossido di carbonio dove l’ossigeno scarseggia. Questo gas sottrae l’ossigeno agli ossidi di rame, e la malachite, scaldata, si decompone in ossido di rame. Il rame compare allora in piccoli granuli. Sopra i 1.085 °C fondono e si riuniscono in goccioline o in una massa sul fondo del forno o del crogiolo. Il resto del minerale, soprattutto silice e ossido di ferro, fonde in una scoria vetrosa, più leggera del metallo, che resta in superficie.

Le prime fusioni lasciavano gran parte del rame imprigionato nella scoria sotto forma di goccioline. Nel Levante meridionale, durante il Calcolitico, nel V millennio a.C., si riduceva il minerale in forni a fossa, si spezzava la scoria fredda per estrarne le goccioline, che poi si rifondevano insieme in un crogiolo e si colavano.

I solfuri stanno più in profondità e divennero in seguito la fonte principale del rame, ma il carbone da solo non basta a liberarne il metallo. Prima si arrostiscono, cioè si scaldano con molta aria: parte dello zolfo se ne va come anidride solforosa e il ferro diventa ossido. Fondendo il minerale arrostito si ottiene la metallina, una miscela fusa di solfuri di rame e di ferro più pesante della scoria. La metallina si arrostisce e si fonde di nuovo, una o più volte, finché restano poco ferro e poco zolfo ed esce il rame. Esperimenti basati su siti dell’età del Bronzo nelle Alpi hanno mostrato che due cicli di arrostimento e fusione della metallina eliminavano la maggior parte dello zolfo e del ferro.

Come si fa

I passaggi seguenti riprendono un’esercitazione di laboratorio universitario sulla riduzione diretta della malachite. Servono una forgia a carbone con ventilatore, un crogiolo di argilla e grafite con la sua pinza, carbone di legna frantumato un pezzo di malachite di provenienza nota e una termocoppia per misurare la temperatura della carica.

Preparare la carica. Frantumare separatamente malachite e carbone in pezzi di 3–5 mm e setacciare via la polvere. Pesare 90 g di minerale e 30 g di carbone, mescolarli bene e riempire il crogiolo. La malachite contiene circa il 57% di rame in peso, quindi questa carica racchiude circa 52 g di rame.

Scaldare. Posare il crogiolo su un letto di braci nella forgia e ammucchiarvi intorno il combustibile perché si scaldi in modo uniforme. Aumentare l’aria e leggere spesso la termocoppia. L’esercitazione toglie il crogiolo dal fuoco quando la carica raggiunge circa 1.250 °C e avverte di non salire oltre. In esperimenti condotti in Moravia nel 2023 e nel 2024, la reazione ha richiesto circa un’ora a circa 1.200 °C.

Raffreddato il crogiolo, il rame si separa dalla scoria: un piccolo bottone e goccioline sparse.

Recuperare il rame. Estrarre il crogiolo con la pinza e lasciarlo raffreddare su un mattone refrattario. Svuotarlo e separare il rame dal carbone e dalla scoria: un piccolo lingotto, goccioline sparse o entrambi. Pesare il metallo e confrontarlo con il rame contenuto nel minerale. Negli esperimenti moravi una malachite quasi pura ha reso in media circa due terzi del suo rame, e il metallo era puro oltre il 99%.

Sicurezza. Attrezzi, mattoni e terreno devono essere perfettamente asciutti: l’acqua sotto metallo o scoria fusi diventa vapore e li proietta. Un fuoco di carbone di legna emette monossido di carbonio; non fondere mai al chiuso. Non scaldare mai calcopirite o altri solfuri, che liberano anidride solforosa, né un minerale che non si sa riconoscere: alcuni minerali di rame contengono arsenico, i cui fumi sono velenosi.

Storia ed evoluzione

A Çatalhöyük, in Anatolia, perline del VII millennio a.C. furono martellate nel rame nativo. Una «scoria» verde trovata sul sito passò a lungo per il più antico segno di fusione; uno studio pubblicato nel 2017 ha mostrato che si tratta di un minerale di rame bruciato per caso. La più antica riduzione finora nota è a Belovode, in Serbia, dove scorie di rame analizzate risalgono a circa il 5000 a.C., l’epoca dei primi oggetti di rame colato. A Tal-i Iblis, nell’Iran sud-orientale, centinaia di frammenti di crogioli attestano rame ridotto in crogiolo alla fine del VI o all’inizio del V millennio a.C.

L’apporto d’aria limitava il calore: gli esperimenti moravi con cannelli di sambuco hanno raggiunto solo 1.000–1.100 °C, e la squadra ha dovuto finire con il mantice. Ad Abu Matar, vicino a Beersheba, frammenti riesaminati nel 2024 indicano mantici e forni coperti da grandi cocci di ceramica, probabilmente la più antica testimonianza di mantici nella regione.

Nell’età del Bronzo i minatori passarono ai solfuri. Al Mitterberg, nelle Alpi austriache, i luoghi di fusione del II millennio a.C., per lo più del Bronzo medio, riuniscono aie di arrostimento, forni spesso costruiti in coppia più in basso e cumuli di scorie.

Nel forno a riverbero la fiamma passa sopra la carica e la volta le rimanda il calore; il carbone non tocca mai il minerale.

Alla fine del Settecento la bassa valle di Swansea, in Galles, era il centro mondiale della fusione del rame. Le sue fonderie bruciavano carbone del vicino bacino del Galles meridionale in forni a riverbero, dove il fuoco arde su una griglia separata e solo la fiamma passa sul minerale, e trattavano minerale arrivato via mare dalla Cornovaglia e poi da tutto il mondo. Il processo gallese arrostiva e fondeva il minerale più e più volte per concentrare il rame in una metallina, poi trasformava la metallina in rame grezzo, detto blister.

Nel 1880 Pierre Manhès e Paul David adattarono il convertitore Bessemer alla metallina di rame: l’aria soffiata attraverso la metallina fusa ne brucia lo zolfo e il ferro e lascia rame blister. La prima raffineria elettrolitica commerciale di rame era entrata in funzione a Pembrey, in Galles, nel 1869, su brevetti depositati da James Elkington dal 1865, e dava rame di grande purezza. Nel 1949 la società Outokumpu avviò a Harjavalta, in Finlandia, il primo forno industriale di fusione flash: un concentrato di solfuri fine vi brucia in una corrente d’aria e si scalda con la propria reazione.