Способы получения сплавов меди

Медь: свойства, способы добычи и применение

Блестящий металл розового цвета, обладающий высокой пластичностью – вот что такое медь. Минерал отличается высокой электро- и теплопроводностью, хорошо поддаётся механической обработке и образует множество соединений с другими металлами, достаточно широко востребованными в хозяйственной деятельности человека. Кроме того, медь отличается высокой коррозионной стойкостью.

Её плотность составляет – 8890 кг/м 3 .

Температура плавления равняется 1083 0 C.

Разновидности медных руд

Существует девять геологических видов медных руд, имеющих промышленное значение:

• Железно-никелевые руды, залегающие в магматических горных породах.
• Медистые песчаники и сланцы. Стратиформные запасы составляют 30% запасов меди и поэтому занимают второе место в данном списке.
• Медно-никелевые. Залежи отличаются разнообразием форм с крупными вкраплениями искомого металла.
• Медно-порфировые. Они являются безусловными лидером и обеспечивают 40% мировой добычи меди.
• Карбонатитовые. Уникальны тем, что имеется всего лишь одно месторождение в мире, кроме того в их составе присутствуют щелочные соединения.
• Кварцево-сульфидные. Существенной роли в обеспечении добычи не играют.
• Самородные. Располагаются в местах окисления рудников медно-сульфидных руд.
• Скарновые. Размещаются среди известняков и отличаются крайней неоднородностью морфологической структуры.

Медь в перечисленном списке руд бывает представлена в сульфидной, оксидной или смешанной форме, что определяет соответствующие разновидности залежей. По виду своего строения в породах залежи подразделяются на вкраплённые, массивные и сплошные текстуры. В ближайшей перспективе этот список могут пополнить руды, залегающие на дне морей, океанов, а также конкреции урановых месторождений.

Природные минералы, содержащие медь

В природе существую 250 медесодержащих минералов, однако практическое использование находят не более 20. Список самых распространённых из них с указанием процентного содержания меди:

• Самородная медь – 88-100%.
• Куприт – 88,8%.
• Тенорит – 79,9%.
• Хальзокин – 79,8%.
• Ковеллин – 66,5%.
• Борнит – 52-65%
• Атакамит – 59,5%.
• Малахит – 57,4%.
• Брошантит – 56,2%.
• Азурит – 55,3%.
• Блеклые руды – 22-53%.
• Энаргит – 48,3%.
• Хризоколла – 32,8-40,3%.
• Халькопирит – 34,5%.
• Кубанит – 22-24%.

Добыча медной руды

Медь – один из самых первых металлов, освоенных человечеством. В самом начале его добывали, собирая самородки, а затем научились извлекать из руд. С годами технологии добычи полезных ископаемых совершенствовались. Но определяющим фактором при выборе способа добычи, всегда являлась и является глубина расположения залежей. Впрочем, существуют специально разработанные стандарты, учитывающие множество факторов и позволяющие выбрать наиболее удачное с экономической точки зрения решение, в плане выбора рабочей глубины разработки и применяемых технологий.

В карьере

В случае размещения пласта осваиваемого минерала на глубине не более 500 м, наиболее целесообразным является открытый способ добычи. Именно с его помощью извлекается большая часть медных руд. Несмотря на ряд проблем, связанных с освоением значительной площади, перемещением огромных масс пустой породы, привлечением значительного количества технических средств и вредным воздействием на окружающую среду, способ отличается достаточно высокой эффективностью и отсутствием значительных потерь полезного ископаемого. Соотношение выхода металла на добываемую руду составляет: 1:200.

Проведя предварительные геологические исследования в месте будущего карьера или разреза, производится съём и удаление в отвалы верхних слоёв породы. Очень часто это сопровождается бурением твёрдых скальных массивов и взрывными работами. Ископаемый минерал извлекается слоями с дальнейшей разработкой новых массивов. Руда забирается ковшевой техникой (экскаваторами, погрузчиками) и грузится в транспортные средства (конвейера, самосвалы) для перевозки на перерабатывающие предприятия.

В шахтах

Если искомая руда располагается на глубине порядка 1 км, то в дело идёт закрытый способ добычи, то есть – строительство шахты и организация вертикальных, наклонных или горизонтальных выработок. Используя горнопроходческую технику и буровое оборудование, разрабатываются медесодержащие слои. После чего добытая порода загружается и извлекается на поверхность. Для этого подземные сооружения оснащаются лифтами, подъёмным оборудованием, железнодорожными путями.

Способ достаточно затратный, но в то же время обеспечивающий доступ к глубокозалегающим месторождениям.

Бурение скважин

Существует и третий метод добычи медных руд – с помощью закачки выщелачивающих растворов кислот и щелочей вглубь заранее пробуренной скважины. В результате чего получается полужидкая смесь, извлекаемая на поверхность мощными насосами, подвергаемая в дальнейшем переработке.

Получение меди

После добычи руды возникает следующая проблема: как извлечь из неё необходимый материал? Существует несколько способов.

Одна из древнейших технологий заключалась в сжигании малахитовых руд с ограниченным доступом воздуха. Размещённая в горшках масса, смешанная с углём, сгорала, выделяя при этом угарный газ. Что приводило к достижению желаемого результата – получению достаточно чистой для своего времени меди.

Понятно, что за прошедшие века методы и способы переработки руд претерпевали серьёзные изменения движимые целью достижения наиболее оптимальных результатов при любом виде первичного сырья. Вот почему современная металлургия базируется на трёх основных способах получения меди.

Пирометаллургический метод

Основанный на проведении высокотемпературных процессов, пирометаллургический метод как нельзя лучше подходит для сульфидных руд, подчас достаточно бедных в отношении концентрации меди. Он позволяет извлекать металл даже при содержании его в 0,5%.

Но прежде всего исходное сырьё подвергается обогащению в процессе флотации. Суть его заключается в тщательном измельчении руды, заливке её водой, добавлении туда сложных органических флотореагентов. Они обволакивают частицы минерала, содержащие в своём составе сплавы меди, придавая им несмачиваемость.

На втором этапе этого процесса в растворе создаётся пена, пузырьки которой забирают покрытые органикой частицы. Происходит это под воздействием потока воздуха, в результате чего образования всплывают на поверхность, откуда в дальнейшем забираются. Насыщенная медными соединениями пена собирается, отжимается и высушивается.

После чего полученный концентрат подвергают обжигу при температуре 1400 0 C. Это необходимо для удаления серы и окисления сульфидов. Затем производят высокотемпературную (14 000 0 – 15 000 0 C) плавку в шахтных печах для получения сплава железа и меди – штейна. Далее в процессе бессемеровской плавки в конвертере под воздействием кислорода получают оксид, а затем и саму черновую медь, содержащую в себе 90,95% металла. При этом сера переходит в кислотный остаток, а железо – в силикатный шлак.

Получить из черновой субстанции чистую медь можно с помощью:

• огневого рафинирования,
• электролиза,
• экзотермической реакции восстановления под воздействием водорода.

Гидрометаллургический метод

Для извлечения меди и ряда других металлов из полиметаллических руд, содержащих в своём составе менее 0,5% искомого минерала, применяют гидрометаллургический метод.

Добытые минералы растворяют с помощью неконцентрированной серной кислоты или аммиака. Из образовавшихся жидкостей в процессе реакции вытеснения получают медь. Для проведения реакции используется металлическое железо.

Электролизный метод

Метод предназначен для получения чистой меди в процессе электролитической реакции.

Его технология заключается в изготовлении чистых медных тонких листовых катодов и толстых пластинчатых анодов из черновой меди. Помещённые затем в ванну, заполненную медным купоросом, они вступают в реакцию под воздействием электрического тока. Происходит растворение меди на анодах и её осаждение на катодах. Освободившиеся примеси удаляют химическими методами.

Области применения

Отраслей, где находит своё применение этот древнейший из металлов, множество:

• Металлургия. Именно эта отрасль выпускает множество готовых изделий в виде

• проката: листов, плит, лент, труб, прутков, шин, проволоки;
• сплавов: бронзы, латуни, мельхиора, константана, манганина нейзельбера.

Те и другие изделия, и промежуточные материалы находят широкое применение в технических отраслях, при производстве вооружений, в декоративно-прикладном искусстве. Отличительными особенностями сплавов являются – сохранение механических свойств, высокий уровень скольжения в парном сочетании и антикоррозийная устойчивость.

• Машиностроение. Здесь используется значительная часть медесодержащей продукции, полученной в результате металлургических процессов. Это – высокопрочные сплавы с алюминием, оловом, кремнием, цинком. А также разнообразные детали машин и механизмов. Одним из направлений является изготовление твёрдых припоев, опять же находящих применение в машиностроительной отрасли.
• Химия. Катализатором процесса полимеризации ацетилена выступает опять же медь.
• Электротехника. Благодаря высокой электрической проводимости, этот металл стал незаменим в качестве проводника при изготовлении шин, кабелей, проводов, дорожек печатных плат. Они, в свою очередь, входят в состав множества электротехнических изделий, где также присутствуют медные элементы конструкций и сплавы данного металла. Кроме того, медь находит использование в химических источниках тока и при изготовлении высокотемпературных сверхпроводящих материалов.
• Энергетика. Одним из важных направлений использования меди является изготовление на её основе труб, являющихся составной частью систем газоснабжения, водоснабжения, отопления, охлаждения, кондиционирования и обеспечения технологическими жидкостями.
• Ювелирное дело. Специфика изготовления драгоценных изделий, служащих в качестве украшений, требует сочетания целого ряда противоречивых факторов. Чтобы придать прочность золоту, в него добавляют медь. Податливость материала не уменьшается, а срок службы и устойчивость к механическим воздействиям – существенно возрастают.

Месторождения в России и мире

На территории России существует немало достаточно крупных месторождений медных руд:

• Аллареченское, Мончегорское, Печенга – Мурманская область.
• Гайское – Оренбургская область.
• Михеевское, Томинское – Челябинская область
• Юбилейный, Сибайское, Подольское, Западно-Озёрное, Учалинское, Ново-Учалинское, Октябрьское – Республика Башкортостан.
• Быстринское и Удоканское – Забайкалье.
• Октябрьское, Талнахское – Красноярский край.

На карте мира выделяются следующие месторождения этого полезного ископаемого:

• Чукикамата, Эскондида, Кольяуаси, Антамина, Эль-Тесоро – Чили.
• Бингем­-Каньон, Кивино, Пэблл – США.
• Вале-Салобу – Бразилия.
• Нурказган – Казахстан.
• Ую-Толгой – Монголия.
• Гразберг – Индонезия.

Мировые запасы

Запасы меди по странам мира на 2018 год оценивались такими цифрами:

• Чили – 170 млн. тонн.
• Австралия – 88 млн. тонн.
• Перу – 83 млн. тонн.
• Россия – 61 млн. тонн.
• Индонезия – 51 млн. тонн.
• Мексика – 50 млн. тонн.
• США – 48 млн. тонн.
• Китай – 26 млн. тонн.
• Конго – 20 млн. тонн.
• Замбия – 19 млн. тонн.
• Остальные страны мира – 210 млн. тонн.

Страны, добывающие медь

Лидирующие позиции в мировой добыче меди (данные 2018 года в количественном выражении добытого металла за год) занимают:

• Чили – 5,8 млн. тонн.
• Перу – 2,4 млн. тонн.
• Китай – 1,6 млн. тонн.
• США – 1,2 млн. тонн.
• Конго – 1,2 млн. тонн.

Судя по оценкам специалистов, общий объём, пока что неизведанных, запасов меди в мире составляет 3,5 млрд. тонн. Этих запасов должно хватить на ближайшие полтора столетия.

Источник

44. Медь и ее сплавы. Способы получения меди.

Медь (лат. Cuprum), Cu, химический элемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер 29, атомная масса 63,546; мягкий, ковкий металл красного цвета. Природная Медь состоит из смеси двух стабильных изотопов — 63Cu (69,1 % ) и 65Cu (30,9 % ).

Получение. Медные руды характеризуются невысоким содержанием Медь Поэтому перед плавкой тонкоизмельчённую руду подвергают механическому обогащению; при этом ценные минералы отделяются от основной массы пустой породы; в результате получают ряд товарных концентратов (например, медный, цинковый, пиритный) и отвальные хвосты.

В мировой практике 80 % Медь извлекают из концентратов пирометаллургическими методами, основанными на расплавлении всей массы материала. В процессе плавки, вследствие большего сродства Медь к сере, а компонентов пустой породы и железа к кислороду, Медь концентрируется в сульфидном расплаве (штейне), а окислы образуют шлак. Штейн отделяют от шлака отстаиванием.

На большинстве современных заводов плавку ведут в отражательных или в электрических печах. В отражательных печах рабочее пространство вытянуто в горизонтальном направлении; площадь пода 300 м2 и более (30 м ´ 10 м), необходимое для плавления тепло получают сжиганием углеродистого топлива (естественный газ, мазут, пылеуголь) в газовом пространстве над поверхностью ванны. В электрических печах тепло получают пропусканием через расплавленный шлак электрического тока (ток подводится к шлаку через погруженные в него графитовые электроды).

Однако и отражательная, и электрическая плавки, основанные на внешних источниках теплоты, — процессы несовершенные. Сульфиды, составляющие основную массу медных концентратов, обладают высокой теплотворной способностью. Поэтому всё больше внедряются методы плавки, в которых используется теплота сжигания сульфидов (окислитель — подогретый воздух, воздух, обогащенный кислородом, или технический кислород). Мелкие, предварительно высушенные сульфидные концентраты вдувают струей кислорода или воздуха в раскалённую до высокой температуры печь. Частицы горят во взвешенном состоянии (кислородно-взвешенная плавка). Можно окислять сульфиды и в жидком состоянии; эти процессы усиленно исследуются в СССР и за рубежом (Япония, Австралия, Канада) и становятся главным направлением в развитии пирометаллургии сульфидных медных руд.

Богатые кусковые сульфидные руды (2-3 % Cu) с высоким содержанием серы (35-42 % S) в ряде случаев непосредственно направляются на плавку в шахтных печах (печи с вертикально расположенным рабочим пространством). В одной из разновидностей шахтной плавки (медно-серная плавка) в шихту добавляют мелкий кокс, восстановляющий в верхних горизонтах печи SO2 до элементарной серы. Медь в этом процессе также концентрируется в штейне.

Получающийся при плавке жидкий штейн (в основном Cu2S, FeS) заливают в конвертер — цилиндрический резервуар из листовой стали, выложенный изнутри магнезитовым кирпичом, снабженный боковым рядом фурм для вдувания воздуха и устройством для поворачивания вокруг оси. Через слой штейна продувают сжатый воздух. Конвертирование штейнов протекает в две стадии. Сначала окисляется сульфид железа, и для связывания окислов железа в конвертер добавляют кварц; образуется конвертерный шлак. Затем окисляется сульфид меди с образованием металлической Медь и SO2. Эту черновую Медь разливают в формы. Слитки (а иногда непосредственно расплавленную черновую Медь) с целью извлечения ценных спутников (Au, Ag, Se, Fe, Bi и других) и удаления вредных примесей направляют на огневое рафинирование. Оно основано на большем, чем у меди, сродстве металлов-примесей к кислороду: Fe, Zn, Co и частично Ni и другие в виде окислов переходят в шлак, а сера (в виде SO2) удаляется с газами. После удаления шлака Медь для восстановления растворённой в ней Cu2O «дразнят», погружая в жидкий металл концы сырых берёзовых или сосновых брёвен, после чего отливают его в плоские формы. Для электролитического рафинирования эти слитки подвешивают в ванне с раствором CuSO4, подкислённым H2SO4. Они служат анодами. При пропускании тока аноды растворяются, а чистая Медь отлагается на катодах — тонких медных листах, также получаемых электролизом в специальных матричных ваннах. Для выделения плотных гладких осадков в электролит вводят поверхностно-активные добавки (столярный клей, тиомочевину и другие). Полученную катодную Медь промывают водой и переплавляют. Благородные металлы, Se, Te и другие ценные спутники Медь концентрируются в анодном шламе, из которого их извлекают специальной переработкой. Никель концентрируется в электролите; выводя часть растворов на упаривание и кристаллизацию, можно получить Ni в виде никелевого купороса.

Наряду с пирометаллургическими применяют также гидрометаллургические методы получения Медь (преимущественно из бедных окисленных и самородных руд). Эти методы основаны на избирательном растворении медьсодержащих минералов, обычно в слабых растворах H2SO4 или аммиака. Из раствора Медь либо осаждают железом, либо выделяют электролизом с нерастворимыми анодами. Весьма перспективны применительно к смешанным рудам комбинированные гидрофлотационные методы, при которых кислородные соединения Медь растворяются в сернокислых растворах, а сульфиды выделяются флотацией. Получают распространение и автоклавные гидрометаллургические процессы, идущие при повышенных температурах и давлении.

Источник