Процесс производства меди, структура, свойства, области применения

 Исходным сырьем для получения меди служат обычно сульфидные руды, состоящие из смеси CuS, Cu₂S и FeS. Среднее содержание меди 3%, пустая порода состоит из песка, глины и известняка.

Извлечение меди из руд производится пирометаллургическим способом. Перед обогащением руда измельчается методом флотации. Смесь измельченной руды с водой называется пульпо й. Пульпу продувают сжатым воздухом. Пузырьки воздуха адсорбируются на не смачиваемой поверхности кусочков руды и поднимают их на поверхность в виде пены. Так отделяют руду от пустой породы. Пену снимают, сушат и получают концентрат, который перед плавкой спекают в обжиговых печах. При температуре свыше 600 ºC происходит частичное удаление серы и спекание руды в комки, которые называют огарком. В отражательных печах огарок перегревают до 1600 ºC и обеспечивают окисление FeS с образованием FeO и SO₂. Сплавляясь с пустой породой, FeO образует шлак, ниже которого располагается более тяжелые сульфиды меди и железа, так называемый медный штейн. Штейн, содержащий около 35% меди, 40% железа в виде сульфидов и некоторое количество SiO₂ заливают в конвертер и продувают воздухом.

 Процесс превращения штейна в черновую медь разделяется на два периода. В первом периоде происходит окончательное окисление FeS и связывание FeO пустой породой (SiO₂). Реакция идет с выделением тепла, разогревая ванну свыше 1300 ºC. В ходе второго периода Cu₂S окисляется кислородом воздуха и удаляется SO_2, реакции идут с поглощением тепла, температура расплава снижается. Черновая медь содержит примеси и неметаллические включения, поэтому нуждается в рафинировании.

Электролитическое рафинирован ие основано на анодном растворении чушек черновой меди в растворе медного купороса и серной кислоты. Катионы меди из раствора поступают на катод и там разряжаются, а примеси выпадают в осадок. Процесс идет в течение нескольких дней. Медь после переплава и разливки подается на прокатк

Электролитическое рафинирование применяют с целью:

a) удаления примесей из черновой меди;

b) окончательного окисления FeS;

c) связывания FeO пустой породой;

d) окисления FeS.

Медь (Cu) – металл красно-розового цвета, мягкий и пластичный. Плотность 8,96; температура плавления 1083 ºC; предел прочности 200 – 250 МПа; твердость по Бринеллю  НВ 350 МПа (почти в 2 раза меньше, чем железа). Медь кристаллизуется в гранецентрированной решетке и не испытывает полиморфных превращений. Медь принято считать эталоном электрической проводимости и теплопроводности по сравнению с другими металлами.

Медь химически малоактивна. На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь медленно окисляется, покрываясь пленкой, так называемой, патины зеленого цвета, которая является щелочным карбонатом меди (CuOH)₂CO₃, и которая сохраняет ее от дальнейшего разрушения.

Медь обладает высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, легко растворяется в азотной и концентрированной соляной кислотах при нагревании.

 Патина представляет собой:

a) щелочной карбонат меди (CuOH)₂CO₃;

b) карбонат меди CuCO₃;

c) оксид меди CuO;

d) сульфид меди CuS.

Механические свойства меди в литом состоянии:s_B=160 MPа, s₀₂= 35 MPа при относительном удлинении d= 25 %; в горячедеформированном: s_B= 250 MPа, s₀₂= 95 MPа при относительном удлинении d= 50 %;в результате холодной пластической деформации с высоким обжатием (более 60-70 %) прочность возрастает до 450 МПа, но при этом сильно снижается пластичность (до 5 %). При нагреве деформированной меди в интервале температур 130-150⁰C происходит явление полигонизации, которое сопровождается повышением электропроводности за счет аннигиляции вакансий. При долее высоких температурах начинается процесс рекристаллизации, температура которого тем ниже, чем выше степень предшествующей пластической деформации. В обычных условиях обработки меди рекристаллизационный отжиг меди проводят при 300-350⁰C.

Медь легко паяется, полируется, хорошо куется, но из-за своей мягкости плохо обрабатывается режущим инструментом. Имеет плохие литейные свойства из-за большой усадки и низкой жидкотекучести.

Техническую медь подразделяют на марки содержащие различное коли­чество примесей, например, М00б (99,99 % Сu), М0б (99,97 % Сu), М0 (99,93 % Сu). М0к (99,97 % Сu), М 1(99,9 % Сu), М2 (99,7 % Сu), МЗ (99.5 % Сu), МЗр (99.5 % Сu) и др. Буквы «б», «к» и «р» обозначают бескислородную медь

     Структура и свойства меди существенно зависят от присутствующих в ней примесей. По характеру взаимодействия с медью примеси можно разделить на три группы.

 К первой группе относятся металлы, растворимые в твердой меди: А1, Fе, Ni, Zn,Ag, Аu, Pt, Cd, SЬ.

Вторая группа представлена элементами практически нерастворимыми в Сu в твердом состоянии и образующими с ней легкоплавкие эвтектики: РЬ, Вi.

Третью группу составляют элементы, образующие с медью химические соединения: Р, As, О, S, Sе, Те и др.

Алюминий практически не оказывает влияния на механические свойства меди, но повышает ее коррозионную стойкость.

Железо улучшаетмеханиче­ские свойства меди. Вреднейшими примесями меди являются висмут и свинец. Эти элементы почти не растворимы в меди и образуют легкоплавкие эвтектики. Структура сплавов Сu с Вi и РЬ состоит из ранее выделившихся кристаллов ме­ди, вокруг которых расположен в виде оболочек висмут или свинец. Вследствие этого нагрев сплава выше температур плавления Вi (270 °С) и РЬ (327 °С) со­провождается нарушением связи между первичными кристаллами Сu (красноломкость).Прокатка такого сплава из-за его красноломкости невозможна. На­личие В i приводит также и к хрупкости меди при пониженных температурах (хладноломкости), поскольку высокой хрупкостью обладает сам висмут. Имен­но из-за отрицательного влияния свинца и висмута на пластичность меди их содержание ограничивается величиной < 5^.10^-3 % и < 2^.10^-3 % соответственно.

Мышьяк нейтрализует вредное влияние примесей Вi, PЬ, О, повышает температуру кристаллизации меди и ее жаростойкость. Медь образует с суль­фидом и оксидом эвтектики, плавящиеся соответственно при 1065 и 1067 °С, т.е. выше температур горячей обработки меди, поэтому ни кислород, ни сера не вызывают красноломкости. Суль­фид меди вызывает хладноломкость и снижает пластичность меди при горячей обработке давлением. Сульфиды селена и теллура также снижают пластич­ность, резко ухудшают свариваемость, но облегчают обработку резанием. Фос­фор улучшает механические свойства меди и широко применяется при литье в качестве раскислителя.

В литой меди эвтектика (Сu+Сu₂0), имеющая точечное строение, располагается по границам зерен. После обработки давлением эвтектика разрушается и в деформированной меди кислород присутствует уже в виде обособленных включений закиси меди. Кислород в меди неблагоприятно влияет на механические, технологические свойства меди и ее коррозионную стойкость. Медь, содержащая кислород, подвержена при нагреве так называемой «водородной болезни». При нагревании меди в среде, содержащей водород (например, в продуктах неполного сгорания топлива), происходит диффузия водорода в медь и протекает реакция восстановления закиси меди Сu₂0 + Н₂ = 2Сu + Н₂0. При этом пары воды создают высокое давление, и внутри несплошностей металла возможно образование разрывов, трещин. По этим причинам снижают содержание       кислорода путем более полного раскисления меди при выплавке и с по­мощью вакуумной плавки.

Все примеси уменьшают электропроводность, снижает электрическую проводимость и наклеп, поэтому, если провода не должны быть особо прочны­ми, то применяют отожженную медь. Для подвесных проводов, где требуется прочность, применяют нагартованную медь или медь с небольшими добавками активных упрочнителей (например, с добавкой 1 % Сd).

 Тех­ническую медь применяют в виде листов, труб, проволоки. В литом состоянии медь используют лишь в случаях, когда необходима высокая электропровод­ность и теплопроводность. Около половины производимой меди используется в электро- и радиотехнике. Обычно для проводников электрического тока при­меняют медь марок МО и М1, а для электроники и электротехники - бескисло­родную медь М0б или вакуумную медь М00. Бескислородная медь обладает более высокой пластичностью. Медь марки МЗ для изготовления маслопроводов, испарителей, емкостей варочной аппаратуры.

Из-за низких значений предела текучести и высокой стоимости чистая медь как конструкционный материал не применяется.

Медь является основой важнейших сплавов. Наиболее известными и рас­пространенными сплавами на основе меди являются латуни и бронзы. Медь и ее сплавы являются традиционными материалами, используемыми в технике низких температур