Получение черновой меди

Металлургия меди

Медь используется человечеством с древнейших времен. Большое значение медь имеет и для современной техники. Наиболее ценными свойствами меди, обеспечивающими ее широкое применение, являются ее высокая электропроводность, высокая теплопроводность, высокая пластичность и способность образовывать сплавы с хорошими механическими свойствами и хорошей обрабатываемостью.

Предел прочности чистой меди, как и у железа (170–210 МПа или 17–21кг/мм2) невысок и составляет 220МПа(22кг/мм2). Твердость почти в два раза меньше, чем у железа. Температура плавления 1083∘C.

Чистая медь используется, главным образом, электротехнической, радиотехнической и электронной промышленностью (более 50%). Машиностроение использует медь в основном в виде сплавов (30–40%), из которых основными являются бронзы и латуни.

Медь обнаружена в природе в составе очень большого числа минералов (БСЭ – 170), но только очень немногие из них являются медными рудами. Медные руды содержат от 0,5% до 8% меди. Основная же масса меди добывается из руд, содержащих 1–2% меди.

В мировой добыче меди около 80% дают сульфидные руды, в составе которых медь находится в виде сернистых соединений.

CuS – ковеллин, Cu2S – халькозин, CuFeS2 – халькопирит (медный колчедан), Cu5FeS4 – борнит.

Второе место по значимости занимают окисленные медные руды, содержащие медь в виде оксидов.

Cu2O – куприт, CuO – тенорит, CuCO3·Cu(OH)2 – малахит

Медные руды часто бывают полиметаллическими, т. е. одновременно являются рудами нескольких металлов, содержащими цинк 1–8%, свинец 1–5%, никель 0,3–4%, золото до 5 г/т, серебро до 60 г/т и другие редкие металлы. В медных рудах в значительных количествах присутствуют железо, сера, кремнезем, глинозем.

Бедные медью руды экономически не целесообразно непосредственно сразу подвергать металлургической переработке, поэтому они в обязательном порядке подвергаются обогащению, в результате которого не только получают богатые медью концентраты, но и разделяют минералы.

Почти все медные руды подвергают обогащению методом флотации, после которого получают концентрат, содержащий:

· меди 10–35%,

· серы 16–28%,

· железа 7–18%,

· кремнезема SiO2 14–25%,

· глинозема Al2O3 6–8%,

· оксида кальция 2–4,5%,

· и небольшое количество других примесей.

Подготовка концентрата к плавке завершается окислительным обжигом с целью частичного удаления серы. Обжиг ведут при 750–800∘C с окислением концентрата кислородом воздуха. После обжига в концентрате должно оставаться столько серы, чтобы связать всю медь в сульфид меди Cu2S, а все железо в сульфид железа FeS.

Для обжига не требуется топлива, так как в медном концентрате содержится до 40% пирита – Fe2S, при сгорании которого выделяется тепло.

В мировой практике 80% меди из концентрата получают пиротехническим способом, основанном на расплавлении всей массы материала.

Из медного концентрата выплавляют промежуточный продукт – штейн, состоящий из сульфидов меди и сульфидов железа. Выплавку штейна осуществляют в отражательных или шахтных печах. Расплавление обожженного концентрата приводит к образованию штейна и переходу пустой породы (SiO2, CaO, Al2O3 и др.) в шлак из-за меньшей плотности (около 3500), чем у штейна (около 5000кг/м3). Отделение шлака от штейна сложности не представляет.

Отражательная печь имеет длину около 40 метров и ширину порядка 9 метров и плавит одновременно более 100 тонн концентрата.

СХЕМА ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

Расплавление шихты происходит за счет тепла, выделяемого при сжигании в топочном пространстве 1 нефти, газа или угольной пыли. Факел пламени, проходя над ванной 2, расплавляет концентрат и затем уходит в дымовую трубу. Концентрат загружают через отверстия 3 в своде печи. Продукты плавки – штейн и шлак по мере их накопления выпускают через шлаковое окно 4 и летку для штейна 5. Температура над ванной около 1600∘C, на входе в дымоход около 1200∘C.

В процессе плавки вследствие большого сродства меди к сере, а компонентов пустой породы к кислороду, медь концентрируется в сульфидном расплаве, а оксиды образуют шлак.

Отражательная плавка – это процесс, основанный на внешнем источнике тепла – процесс несовершенный. Более совершенным является процесс плавки, основанный на использовании теплотворной способности сульфидов, составляющих основную массу медных концентратов.

Полученный штейн состоит по массе на 80–90% из сульфидов меди и сульфидов железа (20–50% Cu, 20–40% Fe, 22–25% S до 8% кислорода и примеси золото, серебро, свинец, цинк).

Медь, содержащаяся в медном концентрате, почти полностью переходит в штейн (до 96–99%). Потеря меди происходит за счет уноса пыли рудного концентрата и за счет перехода в шлак.

Для плавки медной руды, содержащей значительное количество пирита FeS2, может применяться плавка в шахтных печах.

Шахтные печи имеют вертикально расположенное рабочее пространство, образованное Металлическими плитками, в полостях которых непрерывно циркулирует вода, охлаждающая стенки. Это приводит к тому, что расплавленная шихта образует на стенках затвердевшую корку, служащую футеровкой. Такое оригинальное решение применяют потому, что обычная футеровка из огнеупоров очень быстро разъедается расплавленным шлаком.

Процесс плавления в шахтной печи идет за счет сгорания FeS2. Для устойчивости процесса в шихту добавляют кокс (3–4%) от массы руды.

Шахтные печи применяют для плавки на штейн богатой медной руды, когда она находится в больших кусках. Однако, применение шахтных печей менее экономично, чем отражательных.

По сравнению с плавкой штейна в отражательной печи, плавка в шахтной печи отличается меньшим содержанием меди в штейне (75–85%). Это объясняется тем, что медная руда не проходит предварительного обогащения, поэтому выход шлака на единицу массы штейна значительно выше.

Получение черновой меди

Полученный в различных плавильных устройствах штейн заливают в медеплавильный конвертор для получения черновой меди.

СХЕМА МЕДЕПЛАВИЛЬНОГО КОНВЕРТЕРА

Медеплавильный конвертор имеет цилиндрическую форму, образованную стальным кожухом 1 с огнеупорной футеровкой 2 и горловиной 3. Через фурмы 4 в конвертер вдувается воздух. Воздух здесь, в отличие от сталеплавильного конвертера, подается не в ванну, а над ванной в связи с высокой теплопроводности меди, которая может привести к затвердеванию расплава. Корпус конвертера установлен на роликах и может поворачиваться на 180° от среднего положения.

Заливка штейна и выпуск полученной меди осуществляется через горловину. Подача флюса (кремнезем) производится через отверстие 5 в одной из торцевых стенок. Емкость конвертера 15–120 тонн.

В конвертере окисляется большое количество серы и железа, содержащихся в штейне, (до 80% по весу), поэтому процесс может длиться 20 и более часов. Окисление серы и железа сопровождается выделением тепла, поддерживающего в конверторе температуру 1100–1200∘C.

Переработка штейна в конверторе происходит в два периода.

Первый период – это окисление FeS и Cu2S и ошлаковывание оксидов железа флюсом SiO2.

FeS+O2→FeO+SO2+Q

Cu2S+O2→Cu2O+SO2+Q

Благодаря присутствию FeS, оксид меди в силу большего сродства меди к сере, чем к кислороду, снова превращается в сульфид:

Cu2O+FeS→Cu2S+FeO

Поэтому в первом периоде окисляется только железо. Железо уходит в шлак:

FeO+SiO2→FeO·SiO2

Образующийся шлак периодически сливают и в конвертор добавляют штейн и флюс. Продолжительность 1-го периода от 6 до 20 часов.

Первый период заканчивается, когда в штейне окисляется все железо ив расплаве остается только Cu2S.

Второй период – это окисление Cu2S и восстановление меди:

Cu2S+O2→Cu2O+SO2

Cu2O+Cu2S→Cu+SO2

Второй период длится 2–3 часа.

Конверторные газы содержат 12–17% SO2, который после очистки от пыли используют для получения серной кислоты.

Полученная в конверторе черновая медь содержит примеси железа, цинка, никеля, мышьяка, сурьмы, кислорода, серы и др. в количестве 1–2%, что требует дальнейшей очистки (рафинирования).

Рафинирование меди

Существуют два способа рафинирования меди – огневой и электролитический.

При огневом способе в расплавленную черновую медь вдувают воздух. В зависимости от степени активности по отношению к кислороду примеси окисляются в такой последовательности: Al, Si, Mn, Zn, Sn, Fe, Ni, As, Sb, Pb, Bi, Cu. Часть примесей уходит в шлак, часть удаляется с газами. Золото и серебро остаются растворенными в меди.

Чтобы не окислялась, медь на ванну металла насыпают слой древесного угля и начинают восстановление оксидов меди, находящихся в расплаве.

Для восстановления оксида меди проводят процесс, называемый дразнением меди. Медь перемешивают сырыми сосновыми или березовыми бревнами (шестами):

Cu2O+C→Cu+CO

Cu2O+CO→Cu+CO2

Одновременно из ванны удаляются газы.

Огневое рафинирование обеспечивает получение чистоты 99,0–99,5%. Медь разливают в слитки, идущие на дальнейшую электролитическую очистку или для переплавки и получения сплавов меди.

Для электролитического рафинирования из черновой меди изготовляют аноды толщиной 30–45 мм и массой 200–350 кг. Катоды делают толщиной 0,5–07мм.

Ванна заполняется электролитом, представляющим водный раствор Cu2SO4 (10–16%) и H2SO4 (10–16%). Ванны облицовывают листовым свинцом или пластмассами (винипласт, хлорвинил).

При пропускании постоянного тока происходит растворение меди анода и осаждение ее на катоде:

Cu2++2e−→Cu

Примеси вместе с драгоценными металлами осаждаются на дно (шлам). Процесс продолжается до 20 дней. Прирост катода на 100 кг за 10–12 дней. Расход энергии на 1 т катодной меди 250–350 кВт.

Гидрометаллургический способ получения меди заключается в выщелачивании металла из руды с получением водорастворимой соли этого металла и последующим извлечением металла из раствора с помощью электролиза. Например, из медной руды, содержащей нерастворимое в воде соединение CuCO3·Cu(OH)2 – малахита, можно получить водорастворимый сульфат меди при воздействии на руду серной кислотой:

CuCO3·Cu(OH)2+H2SO4→CuSO4+H2O+CO2

Дальнейшее получение меди сводится к электролизу полученного раствора. Пустая порода остается в нерастворимом остатке, который отфильтровывается и выбрасывается.

Маркировка меди буквенно-цифровая: М00, М0, М1, М2, М3, где «М» обозначает медь, а цифры указывают на чистоту меди от 99,99% до 99,5%.

Технически чистую медь широко применяют в электротехнической промышленности для изготовления проводов и токопроводящих деталей электрических машин. Медь используют в радиотехнической и электронной промышленности. Медь применяют в химическом машиностроении, судостроении, котлостроении для теплообменников.

Б о льшая часть меди используется для получения сплавов. Из сплавов меди основными являются латуни и бронзы.

Латуни – это сплавы меди с цинком и в меньших количествах с другими элементами, где вторым компонентом является цинк с содержанием до 45%.

Как и все сплавы, по технологическим свойствам латуни делят на деформируемые, обрабатываемые давлением, и литейные.

Маркировка латуней следующая: первая буква «Л» указывает на название сплава «латунь», следующее за ней число обозначает содержание меди, например, – Л60.

В специальных латунях, содержащих дополнительные компоненты, принято их следующее обозначение:

· А – алюминий,

· Мц – марганец,

· К – кремний,

· С – свинец,

· О – олово,

· Н – никель,

· Ж – железо.

Примеры маркировки: ЛЖС58-1-1, где первые две цифры, следующие за буквами, указывают процентное содержание меди, а последующие цифры – содержание других элементов, остальное до 100% – цинк.

Литейные латуни применяют для изготовления втулок подшипников и других антифрикционных деталей, для арматуры и деталей морского судостроения, коррозионностойких деталей общего машиностроения.

Бронзы – это сплавы меди с оловом и другими элементами, кроме цинка.

По технологическим свойствам бронзы делят на деформируемые и литейные.

По химическому составу бронзы делят на бронзы оловянные и бронзы безоловяные.

Маркировка бронз основана на том же принципе, что и маркировка латуней:

· БрОФ 6,5-0,15 означает 6–7% олова, около 0,15% фосфора;

· БрАЖМц10-3-1,5 означает 10% алюминия, 3% железа, 1,5% марганца.

Первая бронза – оловяная, вторая бронза – безоловяная.

Деформируемые бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью и находят применение для деталей аппаратуры химической промышленности.

Литейные бронзы используются для фасонного литья в различных областях машиностроения, в том числе для деталей, работающих в агрессивных средах и при больших давлениях, а также для антифрикционных деталей.