Металлургия меди

Медь – металл красного цвета, имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку (2-ой тип решетки), плотность 8,93 г/см ³, Т_ПЛ =1083 ⁰C.

Медь обладает высокой пластичностью электро- и теплопроводностью устойчива в химических средах. Механические свойства меди относительно низки. Так в литом состоянии медь имеет Gв=150...200МПа, d=15…20%.

В природе медь встречается в виде минералов и химических соединений с кислородом (CuCO₃,·Cu(OH)₂, Cu₂O) и серой (Cu₂S, CuS, CuFeS₂). Наиболее распространены месторождения руд в виде сернистых соединений (80% мировых запасов). В земной коре содержится всего около 0,01% меди. В настоящее время медные руды добывают шахтным способом.

Из всей выпускаемой меди примерно 50% используется в электротехнической промышленности, около 40% в сплавах (бронзы и латуни), 10% в химии и других отраслях.

Для производства меди применяют руды, содержащие 1…6% Cu, а также отходы меди и ее сплавов. Медные руды считают богатыми, если они содержат более 2% Cu.

Существует два способа производства меди.

1 Пирометаллургический

2 Гидрометаллургический

Основной способ пирометаллургический. Он состоит из следующих основных стадий.

1 Обогащение медных руд. Производится в большинстве случаев методом флотации. Сущность его заключается в следующем. К измельченной руде (размер поперечника зерна 0,5…0,05мм) добавляют минеральные масла (реагенты), которые покрывают рудные минералы маслянистой пленкой и делают их не смачиваемыми водой. Это способствует отделению руды от пустой породы. Получают медный концентрат, содержащий 15…20% Cu.

2 Получение огарка (обжиг концентрата). Обжигу подвергают высушенный медный концентрат. Он производится с целью частичного удаления серы, а также мышьяка, сурьмы и других примесей, сопутствующих медным рудам. Обжиг производят в печах, действие которых основано на принципе "кипящего" слоя. В процессе нагрева концентрата до 800ºC в присутствии кислорода воздуха сульфиды окисляются, и содержание серы в концентрате снижается почти вдвое против исходного (увеличивается содержание сернистой меди):

FeS+O₂ → Fe₂O₃+SO₂↑; Cu₂S+O₂ → Cu₂O+SO²↑; Cu₂O+FeS →Cu₂S+FeO.

Полученный продукт (огарок – Cu₂S, FeS, FeO) поступает в печи для получения из него сплава, богатого содержанием меди (штейна). Отходящие из печи газы, богатые серой, используют для производства серной кислоты. Обжигают концентраты с содержанием меди до 25%. При более высоком содержании меди концентрат плавят без обжига.

3 Получение медного штейна. Для получения медного штейна применяют отражательные печи. В результате нагрева огарка до 1200…1300 ⁰C в окислительной атмосфере (печь футерована динасовым кирпичом) происходит его плавление. При этом протекают реакции образования закиси меди (Cu₂O) и реагирования ее с сернистым железом с образованием сульфида меди. В результате происходит расслоение расплава: внизу собираются более тяжелые соединения, представляющие собой сульфиды Fe и Cu - первичный медный штейн (FeS+Cu₂S – до 50% Cu; 20…40% Fe; 20…25% S; до 8% O₂ и примеси Au, Ag, Pb, Zn, Ni и другие); вверху – шлак, состоящий из окислов (Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO, SiO₂, Al₂O₃).

4 Конвертирование медного штейна (получение черновой меди). Расплавленный штейн заливают в горизонтальный конвертер (емкостью до 100 т) и продувают сжатым воздухом через ряд фурм, выполненных в магнезитовой футеровке по всей длине конвертера. При этом происходит окисление сульфидов Fe и Cu и перевод окислов в шлак.

Процесс продувки делится на две стадии:

FeS+O₂→FeO+SO₂

Cu₂S+O₂ →Cu₂O+SO₂

Cu₂O+FeS→Cu₂S+FeO

В этот период в конвертер загружается кварцевый песок, который ошлаковывает закись железа:

SiO₂+FeO→FeO·SiO₂

В конце первой стадии продувки в металле не остается FeS, и получается так называемый белый штейн(Cu₂S).

Во второй стадии протекают следующие процессы:

Cu₂S+O₂→Cu₂O+SO₂

Cu₂O+Cu₂S→Cu+SO₂

В результате получается черновая медь, содержащая до 3% примесей, в том числе и благородные металлы (97,5…99,5% Cu; 0,3…0,5%S; 0,3…0,5%Ni; примеси Au, Ag, As, Bi, Te и другие). В производство такая медь не годится. Она хрупка, имеет низкую электро- и теплопроводность. Поэтому требует дальнейшей обработки.

5 Огневое рафинирование меди. Производят с целью удаления возможно большего количества примесей. Огневое рафинирование производится в отражательных печах. При этом производится расплавление черновой меди и продувка ванны металла воздухом через трубки. Происходит окисление меди: Cu+O₂→Cu₂O. При этом такие примеси, как Fe, Al, Si, Zn, Pb, окисляются полностью и либо переходят в шлак, либо улетучиваются Me+Cu₂O→MeO+Cu; Ni, Sb, As при их высоком содержании удаляются лишь частично, Au и Ag полностью остаются в металле. К концу рафинирования содержание Cu₂O достигает 8%. Для восстановления меди в ванну вводят березовые шесты и перемешивают расплав ("дразнение" меди).

При этом:

Cu₂O+C→Cu+CO↑; Cu₂O+CO→Cu+CO₂↑; Cu₂O+H₂→Cu+H₂O↑.

Полученную медь чистотой 99,0…99,5% разливают в чушки или слитки в виде анодных плит толщиной 30…45 мм для последующего электролитического рафинирования.

6 Электролитическое рафинирование меди. Производят для получения чистой от примесей меди (99,95% Cu). Электролиз производят в ваннах, покрытых изнутри винипластом или свинцом. Аноды изготавливают из меди огневого рафинирования, катоды – из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор CuSO₄ (10…16%) и H₂SO₄ (10…16%). При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди, осаждаясь слоем чистой меди: Cu²⁺+2ē→Cu⁰. Примеси (Bi, Te, As, Sb, Se, Au, Ag) осаждаются на дно ванны в виде шлама, который удаляется и перерабатывается для извлечения драгоценных металлов. Катоды выгружаются через пять-двенадцать дней, когда их масса достигает 60…90 кг. Их тщательно промывают и переплавляют в электропечах. Медь получается высокой чистоты следующих марок МО (99,95% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu), М3 (99,5%Cu), М4 (99,0%Cu).