Механические свойства меди. Способы производства высококачественной меди

Конечной задачей металлургии меди, как и любого другого металлургического производства, является получение металлов из перерабатываемого сырья в свободном металлическом состоянии или в виде химического соединения. На практике эта задача решается с помощью специальных металлургических процессов, обеспечивающих отделение компонентов пустой породы от ценных составляющих сырья.

Получение металлической продукции из руд, концентратов или других видов металлосодержащего сырья - задача достаточно трудная. Она существенно усложняется для медных и никелевых руд, которые, как правило, являются сравнительно бедным и сложным по составу полиметаллическим сырьем. При переработке такого сырья металлургическими способами необходимо одновременно с получением основного металла обеспечить комплексное выделение всех других ценных компонентов в самостоятельные товарные продукты при высокой степени их извлечения. В конечном итоге металлургическое производство должно обеспечить полное использование всех без исключения компонентов перерабатываемого сырья и создание безотходных (безотвальных) технологий.

Как указывалось ранее, основная масса медных руд состоит из соединений меди, железа и пустой породы, поэтому конечная цель металлургической переработки этих руд сводится к получению металлургического продукта за счет полного удаления пустой породы, железа и серы (в случае переработки сульфидного сырья).

Для получения металлов достаточно высокой чистоты из сложного полиметаллического сырья с высокой степенью комплексности его использования не достаточно применить один металлургический процесс или один металлургический агрегат. Эта задача до настоящего времени реализуется в практических условиях использованием нескольких последовательно проводимых процессов, обеспечивающих постепенное разделение компонентов перерабатываемого сырья.

Весь комплекс применяемых металлургических процессов, подготовительных и вспомогательных операций формируется в технологическую схему участка, отделения, цеха или предприятия в целом. Для всех предприятий, занимающихся переработкой меди, характерны многоступенчатые технологические схемы.

В основе любого металлургического процесса лежит принцип перевода обрабатываемого сырья в гетерогенную систему, состоящую из двух, трех, а иногда и более фаз, которые должны отличаться друг от друга составом и физическими свойствами. При этом одна из фаз должна обогащаться извлекаемым металлом и обедняться примесями, а другие фазы, наоборот, обедняться основным компонентом. Различия некоторых физических свойств получающихся фаз (плотности, агрегатного состояния, смачиваемости, растворимости и т.п.) обеспечивают хорошее отделение их друг от друга простыми технологическими приемами, например, отстаиванием или фильтрацией.

Высокая степень комплексности использования сырья является основным и едва ли не самым важным требованием к современной технологии, причем она должна пониматься в самом широком смысле.

В понятие комплексности использования сырья должно включаться максимально высокое извлечение всех ценных составляющих руды: меди, никеля, цинка, кобальта, серы, железа, благородных металлов, редких и рассеянных элементов, а также использование силикатной части руды.

Перерабатываемые сульфидные руды и концентраты обладают достаточно высокой теплотворной способностью и являются не только источником ценных компонентов, но и технологическим топливом. Следовательно, в понятие комплексного использования сырья должно включаться и использование его внутренних энергетических возможностей.

Медные руды и концентраты имеют одинаковый минералогический состав, и отличаются лишь количественными соотношениями между различными минералами. Следовательно, физико-химические основы их металлургической переработки совершенно одинаковы.

Для переработки медьсодержащего сырья с целью получения металлической меди применяют как пиро-, так и гидрометаллургические процессы.

В общем объеме производства меди на долю пирометаллургических способов приходится около 85 % мирового выпуска этого металла.

Пирометаллургическая технология предусматривает переработку исходного сырья (руды или концентрата) на черновую медь с последующим ее обязательным рафинированием. Если принять во внимание, что основная масса медной руды или концентрата состоит из сульфидов меди и железа, то конечная цель пирометаллургии меди - получение черновой меди - достигается за счет практически полного удаления пустой породы, железа и серы.

Наиболее распространенная технология предусматривает обязательное использование следующих металлургических процессов: плавку на штейн, конвертирование медного штейна, огневое и электролитическое рафинирование меди.

В ряде случаев перед плавкой проводят предварительный окислительный обжиг сульфидного сырья. Обжиг применяется для частичного удаления серы и перевода сульфидов железа и других элементов в легко шлакуемые при последующей плавке оксиды. В результате обжига большая часть сульфидов переходит в оксиды, часть из которых в виде оксидов улетучивается.

Медные штейны, содержащие в зависимости от исходного рудного сырья и технологии переработки от 10…12 до 70…75% меди, преимущественно перерабатывают методом конвертирования.

Основная цель конвертирования - получение черновой меди за счет окисления железа и серы и некоторых других сопутствующих компонентов. Благородные металлы (серебро, золото), основная часть селена и теллура остаются в черновом металле.

Черновую медь выпускают в виде слитков массой до 1200 кг и анодов, которые идут на электролитическое рафинирование.

Рафинирование меди производят огневым и электролитическим способами.

Цель огневого рафинирования на предварительной (перед электрохимической) стадии производства сводится к частичной очистке меди от примесей, обладающих повышенным сродством к кислороду, и подготовке ее к последующему электролитическому рафинированию. Методом огневого рафинирования из расплавленной меди стремятся максимально удалить серу, кислород, железо, никель, цинк, свинец, мышьяк, сурьму и растворенные газы.

Для непосредственного технического применения черновая медь не пригодна, и поэтому ее обязательно подвергают рафинированию с целью очистки от вредных примесей и попутного извлечения благородных металлов, селена и теллура.

Небольшие включения (несколько частиц на миллион частиц меди) таких элементов как селен, теллур и висмут могут значительно ухудшить электропроводность и обрабатываемость меди - свойства, которые особенно важны для промышленности, производящей кабельнопроводниковую продукцию, являющейся крупнейшим потребителем рафинированной меди. Электролитическое рафинирование считается основным процессом, который позволяет получить медь, отвечающую наиболее жестким требованиям электротехники.

Сущность электролитического рафинирования меди заключается в том, что литые анод (отлитый, как правило, из меди огневого рафинирования) и катоды - тонкие матрицы из электролитной меди - попеременно завешивают в электролитную ванну, заполненную электролитом, и через эту систему пропускают постоянный ток.

В результате электролитического рафинирования предполагается получить медь высокой чистоты (99,90…99,99% Cu).

Следует отметить, что чем выше в исходной меди содержание благородных металлов, тем ниже будет себестоимость электролитной меди.

Для осуществления электролитического рафинирования меди аноды, отлитые после огневого рафинирования, помещают в электролизные ванны, заполненные сернокислым электролитом. Между анодами в ваннах располагаются тонкие медные листы - катодные основы.

Электролит - водный раствор сульфата меди (160…200 г/л) и серной кислоты (135…200 г/л) с примесями и коллоидными добавками, расход которых составляет 50…60 г/т Cu. Чаще всех в качестве коллоидных добавок используют столярный клей и тиомочевину. Они вводятся для улучшения качества (структуры) катодных осадков. Рабочая температура электролита - 50…55 oС.

При включении ванн в сеть постоянного тока происходит электрохимическое растворение меди на аноде, перенос катионов через электролит и осаждение ее на катоде. Примеси меди при этом в основном распределяются между шламом (твердым осадком на дне ванн) и электролитом.

В результате электролитического рафинирования получают: катодную медь; шлам, содержащий благородные металлы; селен; теллур и загрязненный электролит, часть которого иногда используют для получения медного и никелевого купоросов. Кроме того, вследствие неполного электрохимического растворения анодов получают анодные остатки (анодный скрап).

Электролитическое рафинирование основано на различии электрохимических свойств меди и содержащихся в ней примесей.

Медь относится к группе электроположительных металлов, ее нормальный потенциал +0,34 В, что позволяет осуществлять процесс электролиза в водных сернокислых растворах.

Примеси по электрохимическим свойствам разделяют на четыре группы:

1 группа - металлы более электроотрицательные, чем медь (Ni, Fe, Zn);
2 группа - металлы, расположенные близко к меди в ряду напряжений (As, Sb, Bi);
3 группа - металлы более электроположительные, чем медь (Au, Ag, платиновая группа);
4 группа - электрохимически нейтральные химические соединения (Cu2S, Cu2Se, Cu2Te и др.).

Механизм электролитического рафинирования меди включает следующие элементарные стадии:

-электрохимическое растворение меди на аноде с отрывом электронов и образование катиона: Cu - 2е --> Cu2+;
-перенос катиона через слой электролита к поверхности катода;
-электрохимическое восстановление катиона меди на катоде: Cu2+ - 2e --> Cu;
-внедрение образовавшегося атома меди в кристаллическую решетку (рост катодного осадка).

Примеси первой группы, обладающие наиболее электроотрицательным потенциалом, практически полностью переходят в электролит. Исключение составляет лишь никель, около 5 % которого из анода осаждается в шлам в виде твердого раствора никеля в меди. По закону Нернста твердые растворы становятся даже более электроположительными, чем медь, что и является причиной их перехода в шлам.

Особенное поведение по сравнению с перечисленными группами примесей демонстрируют свинец и олово, которые по электрохимическим свойствам относятся к примесям 1 группы, но по своему поведению в процессе электролиза могут быть отнесены к примесям 3 и 4 групп. Свинец и олово образуют нерастворимые в сернокислом растворе сульфат свинца PbS04 и метаоловянную кислоту H2Sn03.

Электроотрицательные примеси на катоде в процессе электролиза меди практически не осаждаются и постепенно накапливаются в электролите. При большой концентрации в электролите металлов первой группы электролиз может существенно расстроиться.

Накопление в электролите сульфатов железа, никеля и цинка снижает концентрацию в электролите сульфата меди. Кроме того, участие электроотрицательных металлов в переносе тока через электролит усиливает концентрационную поляризацию у катода.

Электроотрицательные металлы могут попадать в катодную медь в основном в виде межкристаллических включений раствора или основных солей, особенно при их значительной концентрации в электролите. В практике электролитического рафинирования меди не рекомендуется допускать их концентрацию в растворе свыше следующих значений, г/л: 20 Ni; 25 Zn; 5 Fe.

Примеси II группы (As, Sb, Bi), имеющие близкие к меди электродные потенциалы, являются наиболее вредными с точки зрения возможности загрязнения катода. Будучи несколько более электроотрицательными по сравнению с медью, они полностью растворяются на аноде с образованием соответствующих сульфатов, которые накапливаются в электролите. Однако сульфаты этих примесей неустойчивы и в значительной степени подвергаются гидролизу, образуя основные соли (Sb и Bi) или мышьяковистую кислоту (As). Основные соли сурьмы образуют плавающие в электролите хлопья студенистых осадков ("плавучий" шлам), которые захватывают частично и мышьяк.

В катодные осадки примеси мышьяка, сурьмы и висмута могут попадать как электрохимическим, так и механическим путем в результате адсорбции тонкодисперсных частичек "плавучего" шлама. Таким образом, примеси 2 группы распределяются между электролитом, катодной медью и шламом. Предельно допустимые концентрации примесей 2 группы в электролите составляют, г/л: 9 As; 5 Sb и 1,5 Bi.

Более электроположительные по сравнению с медью примеси (3 группа), к которым относятся благородные металлы (главным образом, Au и Ag), в соответствии с положением в ряду напряжений должны переходить в шлам в виде тонкодисперсного остатка. Это подтверждается практикой электролитического рафинирования меди.

Переход золота в шлам составляет более 99,5 % от его содержания в анодах, а серебра - более 98 %. Несколько меньший переход серебра в шлам по сравнению с золотом связан с тем, что серебро способно в небольшом количестве растворяться в электролите и затем из раствора выделяться на катоде. Для уменьшения растворимости серебра и перевода его в шлам в состав электролита вводят небольшое количество ионов хлора.

Аналогично электроположительным примесям ведут себя при электролизе меди химические соединения (примеси 4 группы). Хотя, в принципе, химические соединения и могут окисляться на аноде и восстанавливаться на катоде, что используют в специальных процессах, в условиях электролитического рафинирования меди анодного потенциала недостаточно для их окисления. Поэтому при электролизе меди в электродных процессах они не участвуют и по мере растворения анода осыпаются на дно ванны. В виде селенидов и теллуридов переходят в шлам более чем 99 % селена и теллура.

Таким образом, в результате электролитического рафинирования анодной меди все содержащиеся в ней примеси распределяются между катодной медью, электролитом и шламом.

Плотность тока является важнейшим параметром процесса электролиза. Плотность тока при электролизе обычно выбирают от 220…230 до 300 А/м2 площади катода, и общий расход энергоносителей составляет от 1800 до 4000 МДж/т анодов (электроэнергии 200…300 кВт*ч/т меди).

Электроположительный потенциал меди позволяет выделить медь на катоде из кислых растворов без опасения выделения водорода. Введение в электролит наряду с медным купоросом свободной серной кислоты существенно повышает электропроводность раствора. Объясняется это большей подвижностью ионов водорода по сравнению с подвижностью крупных катионов и сложных анионных комплексов.

В качестве катодной основы (матрицы) применяют в зависимости от системы электролиза тонкие медные, титановые и стальные листы. Аноды обычно отливают массой 250…360 кг. Продолжительность растворения анода от 20 до 28 суток.

В течение этого времени производят дватри съема катодов, масса каждого из которых составляет 100…150 кг. Катоды являются конечным продуктом электролитического рафинирования меди.

В процессе электролиза на поверхности катода могут образовываться дендриты, что уменьшает в данном месте расстояние между катодом и анодом. Уменьшение межэлектродного расстояния ведет к уменьшению электрического сопротивления, а, следовательно, к местному увеличению плотности тока. Последнее, в свою очередь, обусловливает ускоренное осаждение меди на дендрите и ускоренный его рост. Начавшийся рост дендрита в конечном итоге может привести к короткому замыканию между катодом и анодом.

Катоды должны быть плотными, нехрупкими. На поверхности катода не должно быть дендритных наростов пористой меди. Допускается наличие наростов, вросших в тело катода, на катодах, изготовленных из меди марок М0ку, М0к иМ1к. Поверхность катодов и катодных ушек должна быть чистой, хорошо отмытой от электролита, и не должна иметь налета сульфатов меди и никеля.

Проблема внешнего вида и структурного состояния катода усложняет и удорожает технологию электрохимического рафинирования. В большинстве случаев катоды непосредственно непригодны для изготовления высококачественного проката. Поэтому заметную часть катодной меди заводы производители переплавляют в слитки, которые называют вайербарсами (заготовки для прокатки и волочения). По такой усложненной технологии получают безкислородную медь для изготовления тонкой проволоки.

Электролитическое рафинирование меди позволяет полностью извлекать золото, серебро, платиновые и редкие металлы (Se, Те, Bi и др.) и обеспечивает достаточно глубокую очистку от вредных примесей. Стоимость попутно извлекаемых спутников меди обычно перекрывает все затраты на рафинирование, поэтому этот процесс является очень экономичным.

Золото и серебро извлекают при переработке медных руд с большой полнотой и попутно с медью без организации специальных переделов (кроме необходимой переработки богатых электролизных шламов). Поэтому максимальное вовлечение в попутную переработку вместе с медными рудами золотосодержащего сырья (например, кварцитов) экономически очень эффективно и максимально используется.

Более 95 % выплавленной черновой меди в настоящее время подвергают двустадийному рафинированию. Вначале медь рафинируют огневым (окислительным) способом, а затем проводят электролиз. В отдельных случаях, когда медь не содержит благородных металлов, ее очистку ограничивают огневым рафинированием. Обычно достигаемая чистота меди после традиционного огневого рафинирования - 99,9 % Cu (мас.). Полученную в этом случае красную медь используют для проката на лист и для приготовления ряда сплавов.

-Возможны три варианта организации рафинирования черновой меди в промышленных условиях:
-Обе стадии рафинирования проводят на том же предприятии, где выплавляют черновую медь. В этом случае на огневое рафинирование медь поступает в расплавленном состоянии.
-Обе стадии рафинирования осуществляют на специальных рафинировочных заводах, на которые черновая медь поступает в слитках массой до 1500 кг. Такая технология требует повторного расплавления чернового металла, но позволяет на месте перерабатывать анодные остатки электролизного передела и технологический брак.

Огневое рафинирование жидкой черновой меди проводят на медеплавильных заводах, а электролиз анодов осуществляют централизованно на специальных предприятиях. Такой вариант рафинирования черновой меди характерен, в частности, для производства рафинированной меди в США.

Таким образом, двустадийная технология производства "огневое рафинирование - электролиз" позволит получить высококачественную продукцию - катодную медь, но наряду с этим она имеет ряд существенных ограничений. Основное ограничение связано с технико-экономическими показателями процесса, который ориентирован на использование первичной меди, получаемой из руды.

Наличие в руде драгоценных и редких металлов, их извлечение на стадии рафинирования обеспечивают приемлемую стоимость конечной продукции.

Если в материале, который идет на электролиз, содержание этих примесей мало или они вовсе отсутствуют, экономичность производства катодной меди становится проблематичной.

Увеличение мировых объемов произведенной меди, проблемы, возникающие с добычей и переработкой руды, привели к необходимости расширения использования огневого рафинирования как последнего технологического передела в производстве качественной меди.

В этом случае исходным сырьем будет являться не черновая медь, а вторичное медьсодержащее сырье. В результате огневого рафинирования необходимо получить не полупродукт (аноды), а готовую высококачественную медь, которая идет на изготовление требуемых заказчиком изделий.

Добиться принципиального изменения уровня примесей в меди огневого рафинирования невозможно без глубокого теоретического анализа возможностей окислительного рафинирования. Простое использование уже имеющихся технологических разработок в этой области невозможно из-за принципиальных отличий в составе исходного вторичного сырья. Главное отличие сырья, доступного в Украине, от аналогичного вторичного сырья других стран с развитой медеплавильной промышленностью заключается в значительной доле бытовых отходов и непрогнозируемом соотношении содержания различных примесей.

Медеплавильные заводы за рубежом используют более качественное вторичное сырье с узкими пределами изменения состава. Соответственно, требования к их технологическому процессу менее жесткие. Украинские предприятия работают на низкокачественном сырье, но применяемые технологии должны обеспечить получение такой же высококачественной меди и конкурентоспособной продукции из нее.

Самородная медь встречается очень редко; из руд меди наиболее известны:

1) Медный колчедан (CuFeS 2), содержащий 34,6% Сu; 30,5% Fe и 34,9% S.

2) Медный блеск (Cu 2 S), содержащий 79,9% Сu и 20,1% S.

Медный блеск встречается обычно вместе с медным колчеданом.

3) Куприт или красная медная руда (Cu 2 O), содержащая 88,8% Сu.

Куприт встречается всегда только с примесью сульфидных руд.

4) «Блеклые» медные руды, представляющие собой сложные химические соединения меди с мышьяком, серой, железом, цинком, сурьмой, серебром.

5) Малахит [СuСO 3 Сu (ОH) 2 ]. Это редкая медная руда, имеющая красивый зеленый цвет, применяемая для изготовления ваз, колонн, украшений. Загрязненные малахиты перерабатывают, как руды.

Важнейшее промышленное значение имеют медный колчедан и медный блеск; самой распространенной рудой является медный колчедан.

В медных рудах обычно содержится некоторое количество золота и серебра.

Высокая стоимость меди позволяет перерабатывать руды с большими количествами пустой породы. Руда, содержащая 0,5% меди, считается уже достаточно выгодной для переработки. Наличие содержания в медных рудах благородных металлов увеличивает выгодность переработки бедных руд.

В России имеется много месторождений медных руд; непрерывно ведущиеся разведки увеличивают их количество; наиболее богатые месторождения находятся на Урале, в Казахстане, на Кавказе, в Сибири.

Процесс получения меди из руд состоит в основных чертах в следующем.

1) Обогащение руды. Обогащение медных руд производят преимущественно мокрым способом, основанным или на разнице удельных весов руды и пустой породы, или же на неодинаковой смачиваемости водой пустой породы и частиц, содержащих медь. В первом случае измельченную руду и пустую породу разделяют струей воды на так называемых отсадочных машинах; во втором случае частицы руды, слабо смачиваясь водой (иногда с примесью некоторых веществ), всплывают, а зерна пустой породы, хорошо смачивающиеся, опускаются в воду, отделяясь от руды. Такой способ называют флотацией.

Предварительной операцией обогащения является измельчение руды; в первом случае до 2-15 мм, а при флотации - до 0,05-0,5 мм.

2) Переработка руды. Переработку медных руд можно производить гидро-металлупгическим или пирометяллургическим способами.

Сущность гидрометаллургического способа заключается в выщелачивании меди из руд и извлечении ее из раствора; при пирометаллургическом способе медь получают в результате выплавки. Гидрометаллургическим способом перерабатывают главным образом окисленные руды; применение его по сравнению с пирометаллургическим способом небольшое.

Пирометаллургический способ имеет доминирующее значение. Руду при этом способе предварительно обжигают для уменьшения содержания в ней серы.

В процессе обжига происходит ряд реакций, например

Обжиг производят в специальных печах, позволяющих улавливать образующийся сернистый газ SO 2 , используемый для получения серной кислоты. Температура в печах для обжига обычно 800-900°.

Обожженную руду подвергают плавке в шахтных или в отражательных пламенных печах.

На фиг. 33 показано устройство шахтной печи для плавки меди; кессоны 1 охлаждают водой, подаваемой от кольцевого водовода 2, через трубки 3: 4, направляющие воду карманы;

трубки 5 выводят воду из кессонов; желоб 6 отводит воду; фурмы 7 соединены с воздухопроводом 9 рукавами 8; печь загружают через окна 10; газы отводят через газопровод 11.

Шахтные печи могут работать только на кусковом топливе (коксе); мелкие куски руды перерабатывать в шахтных печах затруднительно; поэтому в настоящее время их вытесняют пламенные отражательные печи, в которых руда

помещается на поду печи и нагревается теплом, отраженным от свода и стен

печи, а также в результате соприкосновения с печными газами. Более высокая температура отходящих газов пламенных печей (- 1000°) по сравнению с температурой отходящих газов шахтных печей (- 100°) является отрицательным фактором. Тепло отходящих газов отражательных печей используется для нагрева паровых котлов.

В процессе плавки руды в присутствии углерода и флюсов в шахтных или отражательных печах происходит ряд реакций, подробное рассмотрение которых выходит за пределы нашей задачи; укажем некоторые, наиболее наглядно объясняющие результат процесса плавки руды:

В результате плавки образуются продукты: штейн и шлак. Штейн содержит приблизительно 20-50% Сu, остальное - железо и сера, а также небольшие количества обычно сопутствующих меди благородных металлов и других примесей. Штейн идет на переработку в конвертеры, из которых получают черновую медь.

Идея применения конвертеров для переработки штейна в черновую медь была впервые предложена в 1866 г. инж. Семенниковым. Опыты Семенникова

были продолжены другими русскими инженерами на Богословском и Воткинском заводах. Впоследствии конвертерная переработка штейна перешла с Урала на другие заводы и получила всеобщее распространение.

При продувании воздуха через конвертер происходит окисление компонентов штейна с выделением тепла и образованием металлической (черновой) меди.

Черновая медь содержит около 99% Сu. Для технических целей в настоящее время требуется медь, содержащая не менее 99,5 - 99,9% Сu.

Поэтому черновую медь следует подвергать дальнейшему рафинированию. Рафинирование меди производят огневым и электрическим способами. Одно огневое рафинирование, производимое в пламенных печах специального устройства, применяют в тех случаях, когда медь содержит ничтожное количество благородных металлов, извлечение которых путем электролиза не оправдало бы расходов, и когда медь, рафинированная огневым способом, удовлетворяет назначению (99,5-99,7% Сu).

Огневое рафинирование заключается в окислении кислородом воздуха примесей, находящихся в меди; окисленные примеси уходят в шлак или улетучиваются. Золото и серебро при огневом рафинировании растворяются в меди.

При электролитическом рафинировании медь, полученную огневым рафинированием, отливают в толстые пластины, которые подвешивают в электролитные ванны. Эти пластины служат анодами; катодами служат тонкие пластины из чистой меди.

В качестве электролита применяют раствор CuSO 4 , подкисленный серной кислотой. При прохождении тока медь из электролита осаждается на катоде:

одновременно под действием тока происходит растворение анодной меди в электролите, в результате чего содержание CuSO 4 в ванне остается постоянным.

На фиг. 34 показана схема установки для электролитического рафинирования меди.

Входящие в состав меди благородные металлы осаждаются на дне ванны и образуют анодный шлам, из которого их извлекают путем специальной переработки.

Схема переработки сульфидных концентратов (продуктов процесса обогащения руды) с применением для плавки концентрата пламенной отражательной печи (по Г. А. Шахову) показана на фиг. 35.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.

Для получения меди применяют медные руды, а также отходы меди и её сплавы. В рудах содержится 1 – 6% меди. Руду, содержащую меньше 0,5% меди, не перерабатывают, так как при современном уровне техники извлечение из неё меди нерентабельно.

В рудах медь находится в виде сернистых соединений (CuFeS 2 – халько-пирит, Cu 2 S – халькозин, CuS – ковелин), оксидов (CuO, CuO) и гидрокарбонатов

Пустая порода руд состоит из пирита (FeS 2), кварца (SiO 2), различных соединений содержащих Al 2 O 3 , MgO, CaO, и оксидов железа.

В рудах иногда содержится значительные количества других металлов (цинк, золото, серебро и другие).

Известны два способа получения меди из руд:

гидрометаллургический;
пирометаллургический.

Гидрометаллургический не нашел своего широкого применения из-за невозможности извлекать попутно с медью драгоценные металлы.

Пирометаллургический способ пригоден для переработки всех руд и включает следующие операции:

подготовка руд к плавке;
плавка на штейн;
конвертирование штейна;
рафинирование меди.

Подготовка руд к плавке

Подготовка руд заключается в проведении обогащения и обжига. Обогащение медных руд проводят методом флотации. В результате получают медный концентрат, содержащий до 35% меди и до 50% серы. Концентраты обжигают обычно в печах кипящего слоя с целью снижения содержания серы до оптимальных значений. При обжиге происходит окисление серы при температуре 750 – 800 °С, часть серы удаляется с газами. В результате получают продукт, называемый огарком.

Плавку на штейн

Плавку на штейн ведут в отражательных или электрических печах при температуре 1250 – 1300 °С. В плавку поступают обожженные концентраты медных руд, в ходе нагревания которых протекают реакции восстановления оксида меди и высших оксидов железа

6CuO + FeS = 3Cu 2 O + FeO + SO 2

FeS + 3Fe 3 O 4 + 5SiO 2 = 5(2FeO·SiO 2) + SO 2

В результате взаимодействия Cu 2 O с FeS образуется Cu 2 S по реакции:

Cu 2 O + FeS = Cu 2 S + FeO

Сульфиды меди и железа, сплавляясь между собой, образуют штейн, а расплавленные силикаты железа, растворяя другие оксиды, образуют шлак. Штейн содержит 15 – 55% Cu; 15 – 50% Fe; 20 – 30% S. Шлак состоит в основном из SiO 2 , FeO, CaO, Al 2 O 3 .

Штейн и шлак выпускают по мере их накопления через специальные отверстия.

Конвертирование штейна

Конвертирование штейна осуществляется в медеплавильных конвертерах (рисунок 44) путем продувки его воздухом для окисления сернистого железа, перевода железа в шлак и выделения черновой меди.

Конвертеры имеют длину 6 – 10 м и наружный диаметр 3 – 4 м. Заливку расплавленного штейна, слив продуктов плавки и удаление газов осуществляют через горловину, расположенную в средней части корпуса конвертера. Для продувки штейна подается сжатый воздух через фурмы, расположенные по образующей конвертера. В одной из торцевых стенок конвертера расположено отверстие, через которое проводится пневматическая загрузка кварцевого флюса, необходимого для удаления железа в шлак.
Процесс продувки ведут в два периода. В первый период в конвертер заливают штейн и подают кварцевый флюс. В этом периоде протекают реакции окисления сульфидов

2FeS + 3O 2 = 2Fe + 2SO2,

2Cu 2 S + 3O 2 = 2Cu 2 O + 2SO 2

Образующаяся закись железа взаимодействует с кварцевым флюсом и удаляется в шлак

2FeO + SiO 2 = (FeO) 2 ·SiO 2

По мере накопления шлака его частично сливают и заливают в конвертер новую порцию исходного штейна, поддерживая определенный уровень штейна в конвертере. Во втором периоде закись меди взаимодействует с сульфидом меди, образуя металлическую медь

2Cu 2 O + Cu 2 S = 6Cu + SO 2

Таким образом, в результате продувки получают черновую медь, содержащую 98,4 – 99,4% Cu. Полученную черновую медь разливают в плоские изложницы на ленточной разливочной машине.

Рафинирование меди.

Для получения меди необходимой чистоты черновую медь подвергают огневому и электролитическому рафинированию. При этом, помимо удаления примесей можно извлекать также благородные металлы.

При огневом рафинировании черновую медь загружают в пламенную печь и расплавляют в окислительной атмосфере. В этих условиях из меди удаляются в шлак те примеси, которые обладают большим сродством к кислороду, чем медь.

Для ускорения процесса рафинирования в ванну с расплавленной медью подают сжатый воздух. Большинство примесей в виде оксидов переходят в шлак (Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , SiO 2), а некоторые примеси при рафинировании удаляются с газами. Благородные металлы при огневом рафинировании полностью остаются в меди. Кроме благородных металлов в меди в небольших количествах присутствуют примеси сурьмы, селена, теллура, мышьяка. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99 – 99,5%.
Для удаления этих примесей, а также для извлечения золота и серебра медь подвергают электролитическому рафинированию.

Электролиз ведут в специальных ваннах, футерованных внутри свинцом или другим защитным материалом. Аноды изготовляют из меди огневого рафинирования, а катоды – из тонких листов чистой меди. Электролитом служит раствор сернокислой меди. При пропускании постоянного тока анод растворяется и медь переходит в раствор. На катодах разряжаются ионы меди, осаждаясь на них прочным слоем чистой меди.

Находящиеся в меди примеси благородных металлов выпадают на дно ванны в виде остатка (шлама). После электролитического рафинирования получают медь чистотой 99,95 – 99,99%.

Которая относиться к цветным металлам, известна с давних пор. Ее производство было изобретено раньше, чем люди начали изготавливать железо. По предположениям произошло в результате ее доступности и достаточно простого извлечения из содержащих медь соединений и сплавов. Итак, давайте рассмотрим сегодня свойства и состав меди, страны мира-лидеры по производству меди, изготовление изделий из нее и особенности этих сфер.

Медь обладает высоким коэффициентом электропроводимости, что послужило росту ее ценности, как электротехнического материала. Если ранее на электропровод тратилось до половины всей произведенной в мире меди, то сейчас с этими целями используется алюминий, как более доступный металл. А сама медь становиться наиболее дефицитным цветным металлом.

В этом видео рассмотрен химический состав меди:

Структура

Структурный состав меди включает в себя множество кристаллов: , золото, кальций, серебро, и многие другие. Все металлы, входящие в ее структуру, отличаются относительной мягкостью, пластичностью и простотой обработки. Большинство таких кристаллов в сочетании с медью образуют твердые растворы с непрерывными рядами.

Элементарная ячейка данного металла представляет собой кубическую форму. На каждую такую ячейку приходится по четыре атома, располагающихся на вершинах и центральной части грани.

Химический состав

Состав меди в процессе ее производства может включать в себя ряд примесей, которые влияют на структуру и характеристики конечного продукта. При этом их содержание должно регулироваться как по отдельным элементам, так и по их суммарному количеству. К примесям, которые встречаются в составе меди, можно отнести:

Висмут . Этот компонент негативно сказывается как на технологических, так и на механических свойствах металла. Именно поэтому он не должен превышать 0,001% от готового состава.
Кислород . Считается наиболее нежелательной примесью в составе меди. Его предельное содержание в сплаве составляет до 0,008% и стремительно сокращается в процессе воздействия высоких температур. Кислород негативно отражается на пластичности металла, а также на его устойчивости к коррозии.
Марганец . В случае изготовления проводниковой меди негативно отображается данный компонент на ее токопроводимости. Уже при комнатной температуре быстро растворяется в меди.
Мышьяк . Этот компонент создает твердый раствор с медью и практически не влияет на ее свойства. Его действие по большей мере направлено на нейтрализацию негативного воздействия от сурьмы, висмута и кислорода.
. Образует твердый раствор с медью и при этом снижает ее тепло- и электропроводность.
. Создает твердый раствор и способствует усилению теплопроводности.
Селен, сера . Эти два компонента имеют одинаковое воздействие на конечный продукт. Они организуют хрупкое соединение с медью и составляют не более 0,001%. При увеличении концентрации резко снижается степень пластичности меди.
Сурьма . Данный компонент хорошо растворяется в меди, поэтому оказывает минимальное воздействие на ее конечные свойства. Допускается ее не больше 0,05% от общего объема.
Фосфор . Служит главным раскислителем меди, предельная растворимость которого составляет 1,7% при температуре 714°С. Фосфор, в сочетании с медью, не только способствует ее лучшему свариванию, но и улучшает ее механические свойства.
. Содержится в небольшом количестве меди, практически не влияет на ее тепло- и электропроводность.

Производство меди

Медь производится из сульфидных руд, которые содержат эту медь в объеме минимум 0,5%. В природе существует около 40 минералов, содержащих данный металл. Наиболее распространенным сульфидным минералом, который активно используется в производстве меди, является халькопирит.

Для производства 1 т меди необходимо взять огромное количество сырья, которое ее содержит. Взять, к примеру, производство чугуна, для получения этого металла в объеме 1 тонны потребуется переработать около 2,5 т железной руды. А для получения такого же количества меди потребуется обработка до 200 т руды ее содержащей.

Видео ниже расскажет о добыче меди:

Технология и необходимое оборудование

Производство меди включает в себя ряд этапов:

Измельчение руды в специальных дробилках и последующее более тщательное ее измельчение в мельницах шарового типа.
Флотация. Предварительно измельченное сырье смешивается с малым количеством флотореагента и затем помещается во флотационную машину. В качестве такого добавочного компонента обычно выступает ксантогенат калия и извести, который в камере машины покрывается минералами меди. Роль извести на этом этапе крайне важна, поскольку она предупреждает обволакивание ксантогената частичками других минералов. К медным частичкам прилипают лишь пузырьки воздуха, которые выносят ее на поверхность. В результате этого процесса получается медный концентрат, который направляется удаление из его состава избыточной влаги.
Обжиг. Руды и их концентраты проходят процесс обжига в моноподовых печах, что необходимо для выведения из них серы. В результате получается огарок и серосодержащие газы, которые в дальнейшем используют для получения серной кислоты.
Плавка шихты в печи отражательного типа. На этом этапе можно брать сырую или уже обожженную шихту и подвергать ее обжигу при температуре 1500°С. Важным условием работы является поддержанием нейтральной атмосферы в печи. В итоге происходит сульфидирование меди и ее преобразование в штейн.
Конвертирование. Полученная медь в сочетании с кварцевым флюсом продувается в специальном конвекторе на протяжении 15-24 ч. В итоге получается черновая медь в результате полного выгорания серы и выведения газов. В ее состав может входить до 3% различных примесей, которые благодаря электролизу выводятся наружу.
Рафинирование огнем. Металл предварительно расплавляется и затем рафинируется в специальных печах. На выходе образуется красная медь.
Электролитическое рафинирование. Этот этап проходит анодная и огневая медь для максимальной очистки.

Про заводы и центры производства меди в России и в мире читайте ниже.

Известные производители

На территории России действует всего четыре наибольших предприятия по добыче и производству меди:

«Норильский никель»;
«Уралэлектромедь»;
Новгородский металлургический завод;
Кыштымский медеэлектролитный завод.

Первые две компании входят в состав известнейшего холдинга «УГМК», который включает в себя около 40 промышленных предприятий. Он производит более 40% всей меди в нашей стране. Последние два завода принадлежат Русской медной компании.

Видеоролик ниже расскажет о производстве меди:

Металлы являются основным видом продукции металлургического производства. В цветной металлургии в зависимости от применяемой технологии и состава получающихся металлов различают черновые и рафинированные металлы. Товарной продукцией, поступающей к потребителю для дальнейшего использования по прямому назначению, как правило, являются рафинированные металлы.

Черновыми металлами называют металлы, загрязненные примесями. В меди и никеле могут присутствовать как вредные примеси, так и ценные элементы - спутники основного металла. Вредные примеси ухудшают характерные для данного металла свойства (электропроводность, пластичность, коррозионную стойкость и т. п.) и делают их непригодными для непосредственного использования. Наоборот, благородные металлы, селен, теллур, германий, индий, висмут и многие другие представляют самостоятельную ценность, и их необходимо попутно выделить в соответствующий продукт, что имеет большое экономическое значение. Черновые металлы обязательно подвергают очистке от примесей - рафинированию.

Качество черновых металлов в ряде случаев устанавливается отраслевыми стандартами или техническими условиями, которые регламентируют взаимоотношения между производителями чернового металла и заводами, на которые они поступают для рафинирования.

Современный металлургический процесс должен обеспечивать:

высокую степень комплексности использования перерабатываемого сырья;
высокую удельную производительность металлургических аппаратов;
минимальные энергетические затраты;
максимальное использование вторичных энергоресурсов;
использование простой, дешевой и удобной в работе, пуске, наладке и ремонте аппаратуры;
высокую степень комплексной механизации и автоматизации;
высокую производительность труда;
безопасные и безвредные условия труда;
устранение вредных выбросов в атмосферу;
максимальную экономическую эффективность.

Получение меди в промышленных условиях может быть осуществлено несколькими путями (рис. 2.1).

На схеме, приведенной на рисунке, видно, что удаление железа и серы может производиться их окислением в три стадии (обжиг, плавка, конвертирование), в две стадии (плавка, конвертирование) или в одну стадию. За исключением последнего варианта, предусматривающего непосредственную плавку концентратов на черновую медь, технология ее получения характеризуется многостадийностью.

Рисунок 2.1.

Примечание: цифрами обозначены возможные варианты переработки исходного сырья на черновую медь.

Черновая медь, являющаяся конечным продуктом, обычно имеет химический состав, приведенный в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Таблица 2.2. Химический состав марок черновой меди, мас. %

Рафинирование меди производят огневым и электролитическим способами.

Сущность электролитического рафинирования меди заключается в том, что литые анод (отлитый, как правило, из меди огневого рафинирования) и катоды - тонкие матрицы из электролитной меди - по-переменно завешивают в электролитную ванну, заполненную электролитом, и через эту систему пропускают постоянный ток.

В процессе электролитического рафинирования решаются две основные задачи:

глубокая очистка меди от примесей;
попутное извлечение сопутствующих ценных компонентов.

Анодная медь является многокомпонентным сплавом и обычно имеет химический состав, приведенный в табл. 2.3.

Таблица 2.3.

В результате электролитического рафинирования предполагается получить медь высокой чистоты (99,90…99,99% Cu).

Рисунок 2.2.

Примеси по электрохимическим свойствам разделяют на четыре группы:

1 группа - металлы более электроотрицательные, чем медь (Ni, Fe, Zn);
2 группа - металлы, расположенные близко к меди в ряду напряжений (As, Sb, Bi);
3 группа - металлы более электроположительные, чем медь (Au, Ag, платиновая группа);
4 группа - электрохимически нейтральные химические соединения (Cu 2 S, Cu 2 Se, Cu 2 Te и др.).

Механизм электролитического рафинирования меди включает следующие элементарные стадии:

электрохимическое растворение меди на аноде с отрывом электронов и образование катиона: Cu - 2е --> Cu 2+ ;
перенос катиона через слой электролита к поверхности катода;
электрохимическое восстановление катиона меди на катоде: Cu 2+ - 2e --> Cu;
внедрение образовавшегося атома меди в кристаллическую решетку (рост катодного осадка).

Особенное поведение по сравнению с перечисленными группами примесей демонстрируют свинец и олово, которые по электрохимическим свойствам относятся к примесям 1 группы, но по своему поведению в процессе электролиза могут быть отнесены к примесям 3 и 4 групп. Свинец и олово образуют нерастворимые в сернокислом растворе сульфат свинца PbS0 4 и метаоловянную кислоту H 2 Sn0 3 .

Плотность тока является важнейшим параметром процесса электролиза. Плотность тока при электролизе обычно выбирают от 220…230 до 300 А/м 2 площади катода, и общий расход энергоносителей составляет от 1800 до 4000 МДж/т анодов (электроэнергии 200…300 кВт*ч/т меди).

Катоды из меди марок М00к во избежание загрязнения поверхности поставляют упаковаными в деревянные ящики или металлические контейнеры.

Размеры катодов в соответствии с ГОСТ 546 согласовываются между изготовителем и потребителем. Масса катода составляет от 50 до 120 кг и выше. Катоды содержат от 9 до 20 см 3 газов на 100 г вещества. Например, газосодержащие катоды меди марки М0к содержат, % (по массе) О 2 - 1…9*10 -3 ; Н 2 - 2…7, 5*10 -4 и N 2 - 0…7*10 -3 .

Возникает вопрос: почему при наличии в технологической схеме электролитического рафинирования, способного очистить медь от всех вредных примесей и извлечь ценные компоненты, включается дополнительно и огневое рафинирование? Практикой и экономическими расчетами однозначно доказано, что двустадийное рафинирование черновой меди обходится дешевле, чем ее прямая электролитическая очистка.

Связано это с меньшим выходом анодного скрапа, получением более богатых шламов, меньшим загрязнением электролита, меньшими расходами на электроэнергию и рядом других факторов, приводящих в итоге к меньшим общим затратам и более высокому извлечению в товарную продукцию как самой меди, так и ценных ее спутников. Одновременно это приводит к улучшению качества товарной меди.

Возможны три варианта организации рафинирования черновой меди в промышленных условиях:

Обе стадии рафинирования проводят на том же предприятии, где выплавляют черновую медь. В этом случае на огневое рафинирование медь поступает в расплавленном состоянии.
Обе стадии рафинирования осуществляют на специальных рафинировочных заводах, на которые черновая медь поступает в слитках массой до 1500 кг. Такая технология требует повторного расплавления чернового металла, но позволяет на месте перерабатывать анодные остатки электролизного передела и технологический брак.
Огневое рафинирование жидкой черновой меди проводят на медеплавильных заводах, а электролиз анодов осуществляют централизованно на специальных предприятиях. Такой вариант рафинирования черновой меди характерен, в частности, для производства рафинированной меди в США.

Наличие в руде драгоценных и редких металлов, их извлечение на стадии рафинирования обеспечивают приемлемую стоимость конечной продукции (см. рис. 2.1).

Например, в Украине катодную медь производит Константиновский металлургический завод (Донецкая область). В последнее время он снизил производство медных анодов на 18 % и при проектной мощности 2,4 тыс.т меди в год обеспечивает медью только собственное производство. Удовлетворить растущие потребности украинской промышленности в качественной меди он не в состоянии.

Имеются и другие ограничения, которые сдерживают расширение производства катодной меди в странах, не имеющих промышленных запасов медьсодержащих руд:

медь получают в твердом состоянии (катоды), что требует дополнительных энергетических затрат на производство конечной продукции.
необходимы исходные катодные матрицы - катанные полированные плиты толщиной 3…6 мм;
требуются значительные производственные площади для размещения электролизных ванн;
необходимы мощные водоочистные сооружения для регенерации и нейтрализации кислотного электролита;
увеличивается экологическая нагрузка на окружающую среду, загрязнение кислотными испарениями и другими вредными веществами и стоками.

Соответственно при разработке общей технологии получения качественной меди большее внимание приходилось уделять отладке технологии электролиза для обеспечения максимального извлечения ценных металлов, удаления вредных примесей, снижению техногенной нагрузки на окружающую среду. Технология огневого рафинирования рассматривалась как промежуточная, задача которой получить полупродукт (аноды) с примерно заданным составом.

На рис. 2.3 представлен типичный вид партии металлолома, поступившей на переработку на Артемовский завод по обработке цветных металлов.

Рисунок 2.3. Вид партии металлолома, поступившего на ОАО "АЗОЦМ".

Рассмотрим основные показатели технологии углубленного огневого рафинирования, которую использует одна из ведущих европейских фирм - La Farga Lacambra в Испании. Из лома и отходов меди (преимущественно электротехнической) эта фирма изготавливает жидкую медь марок FRTP и Cu-DHP по BS EN 12163:1998, которая транспортируется по желобам к литейно-прокатному комплексу фирмы Properzi для производства медной катанки, или с помощью ковша транспортируется к газовому миксеру машины вертикального литья круглых заготовок для дальнейшего прессования.

В табл. 2.4 и 2.5 представлены сравнительные данные по качеству сырья и требованиям к нему для украинских производителей и фирмы La Farga Lacambra.

Таблица 2.4.

Таблица 2.5.

Технология огневого рафинирования фирмы La Farga Lacambra имеет ряд существенных недостатков, которые не дают возможность использовать ее металлургическим предприятиям Украины даже при наличии самого современного оборудования:

Отсутствие возможности удаления из расплава меди никеля с уровнем содержания 600…900 ppm, олова - 800…900 ppm не позволяет перерабатывать по этой технологии лом и отходы, которые собирают в Украине.
Отсутствует возможность вовлечения в производство луженого и паяного лома и отходов, а также лома бронз и латуней с содержанием меди 92 %.
Отсутствует удаление неметаллических загрязнений в процессе подготовки сырья к плавке, что приводит к дополнительным потерям меди со шлаками, которые образуют эти неметаллические примеси.
Отсутствует анализ состава газов. Это не позволяет интенсификацировать процесс восстановления (удаления кислорода) из расплава меди, обеспечить безопасность условий труда и повысить стойкость оборудования (в связи с возможным повышением концентрации СО в атмосфере печи и дымоходах).
Низкая стойкость футеровки отражательной печи, что связано с агрессивностью флюсов и использованием "мокрого" торкретирования в ходе текущих ремонтов.
Недостаточно долгий межремонтный период работы печи, связанный с частичным выносом пылефлюсовой смеси, ее налипанием на дымовой шибер и быстрым ее накоплением в камере осаждения.
Отсутствие возможности выдержать суточный производственный цикл работы комплекса, поскольку емкость печи огневого рафинирования ОАО "АЗОЦМ" значительно больше, чем на фирме La Farga Lacambra, а производительность оборудования и процессы загрузки недостаточно продуктивны.

Для обеспечения потребности украинской промышленности требуется более мощное производство и заметно большая номенклатура марок меди и сплавов из нее, чем на фирме La Farga Lacambra и у других известных производителей, следовательно, технология должна быть гибкой и легко перестраиваться в зависимости от желаний потребителя и имеющегося сырья.

С учетом этих причин предприятиям Украины, которые занимаются изготовлением меди из вторичного сырья, необходима разработка технологии огневого рафинирования, которая не только устраняет недостатки аналогов, но и имеет большую эффективность.

2. Способы производства высококачественной меди