Производство меди

Медь по применению в промышленности занимает одно из первых мест среди цветных металлов. Высокие пластичность, элек­тро- и теплопроводность, повышенная коррозионная стойкость — ценнейшие свойства меди.

Вследствие высокой электропроводности медь — лучший металл для электромашиностроения, изготовления кабелей и проводов для передачи электроэнергии. Медь является основой в сплавах, широко применяемых во всех отраслях машино- и приборостроения.

Медные руды. Медные руды делятся на две основные группы: сульфидные, в которых медь связана с серой в составе сульфидных минералов, и окисленные, где медь входит в виде оксидов. Встре­чается самородная медь с массовым содержанием Си до 99, 9 %, однако промышленные руды с самородной медью очень редки (лишь около 5 % всех мировых месторождений) и значение их невелико.

На сульфидные руды приходится около 80 % всех мировых за­пасов меди. Наиболее распространен в сульфидных рудах халько­пирит (медный колчедан) CuFeS₂. За ним следуют халькозин (медный блеск) Cu₂S, борнит Cu₂FeS₃ и реже ковеллин CuS. Из окисленных руд наиболее распространен малахит CuC0₃-Cu(OH)₂.

Среднее массовое содержание меди в промышленных рудах со­ставляет 1 —2 %, минимальное — 0, 3 %; руды, содержащие 3 % меди и более, считаются богатыми. В состав пустой породы медных руд входят кварц, борит, кальцит и различные алюмосиликаты.

Получение меди. Около 20 % меди получают из руд гидрометал­лургическим способом, при котором руда обрабатывается раствори­телем, переводящим медь в раствор. Из раствора медь осаждают электролизом или химическим способом. Этот способ применяют для переработки бедных окисленных и самородных руд.

Основную массу меди получают пирометаллургическим способом, т. е. выплавляют из сульфидного медного концентрата (продукта обогащения руды флотацией).

Флотация производится с целью отделения пустых пород. Для этого руду дробят, добавляют к ней маслянистые вещества, которые покрывают крупинки сульфидов меди, образуя на них оболочки, что способствует последующему всплыванию этих крупинок при об­работке руды во флотационной машине и отделению от пустой породы, которая хорошо смачивается водой и оседает.

Полученные, медные концентраты подвергают обжигу в много­подовых печах с перегребателями или в печах «кипящего слоя» для окисления железа, уменьшения массового содержания серы, удаления мышьяка, сурьмы и других примесей. Основные реакции

при обжиге:

2FeS + 3, 50₂ → Fe₂0₃ + 2S0₂ + Δ Н,

Cu₂S + 1, 50₂ → Cu₂0 + S0₂ + Δ Н.

Основным продуктом обжига является огарок, который плавят в пламенных отражательных, шахтных или электрических печах. В результате плавки получают два несмешивающихся расплава: на поду печи — штейн — расплав сульфидов, поверх его — шлак — расплав оксидов, в который переходит вся пустая порода и большая часть железа в окисленном состоянии.

Главные реакции при плавке происходят между сульфидами Cu₂S, FeS и оксидами Fe₂0₃ и Si0₂, составляющими основную массу огарка и флюса. Для образования шлака нужна температура около 1100 °С, а для образования штейна — 800—900 °С, поэтому тепловой режим печи определяется в первую очередь условиями шлакообразо­вания. Основными реакциями плавки являются следующие:

Cu₂S + 6Fe₂0₃ → 2Cu + 4Fe₃0₄ + S0₂;

2Cu + FeS ↔ Cu₂S + Fe;

Fe + Fe₃0₄ → 4FeO; 2FeO + Si0₂ → Fe₂Si0₄.

Сульфид меди и сульфид железа составляют основную массу Штейна, а силикат железа—шлака. Переработка штейна осуще­ствляется в конвертерах, где через жидкий штейн в присутствии кварцевого флюса продувают воздух, в результате чего сера выгорает по реакции

FeS+ l, 50₂ → FeO+ S0₂,

а железо шлакуется

2FeO + SiO₂ → Fe₂Si0₄.

Сернистый газ отводится по газопроводу на очистку от пыли и на производство серной кислоты; шлак сливается из конвертера и в конвертере остается почти чистый сульфид меди Cu₂S (80 % Си), называемый белым штейном. На этом заканчивается первый период плавки. После удаления шлака белый штейн продувают на черновую медь (второй период). При этом происходит окисление сульфидов меди

Cu₂S + 1, 50₂ → Cu₂0 Н- S0₂.

Оксид меди реагирует с сульфидом меди, в результате чего полу­чается медь:

2Сu₂0Н - Cu₂S → 6Cu + S0₂.

Реакции окисления серы и железа обеспечивают поддержание в конвертере температуры в пределах 1250—1350 °С.

Черновая медь содержит 98, 5—99, 5 % Си и до 1, 5 % различных примесей, главным образом железа, серы и кислорода, а также ни­келя, кобальта и других металлов, в том числе серебра и золота. Черновая медь подвергается огневому и электролитическому рафи­нированию.

Огневое рафинирование черновой меди производят в отражатель­ных печах для удаления железа, серы и других примесей, ухудшаю­щих свойства меди. Операция огневого рафинирования складывается из расплавления черновой меди (если конвертерный и рафинировоч­ный цехи находятся на одном заводе, то в печь загружают жидкую конвертерную медь), окисления примесей, удаления растворенных газов и раскисления меди.

Электролитическое рафинирование меди производят с целью получения наиболее чистой меди (99, 99 % Си и выше) для электро­технической промышленности и попутного извлечения золота, се­ребра, селена, теллура, которые почти всегда содержатся в конвер­терной меди и при огневом рафинировании полностью остаются в ней.

При электролитическом рафинировании используют медь в виде плит — анодов, отлитых после огневого рафинирования. Их загру­жают в электролитические ванны, заполненные водным раствором медного купороса с серной кислотой (около 200 г/л), и подключают к положительному полюсу источника тока. Между анодами в ванне на медных ломиках подвешиваются тонкие (0, 6—0, 7 мм) листы из чистой меди, которые подключаются катодами. При прохождении тока медь с анодов переходит в раствор, а на катодах ионы меди разряжаются и отлагаются плотным слоем чистой меди. Нераство­римые примеси и в их числе серебро, золото, селен, теллур в виде твердых частиц собираются на дне ванны, образуя шлам, который периодически выпускают, фильтруют и отправляют на передел для извлечения всех ценных составных частей.

Медь первичная по ГОСТ 859—78 подразделяется на марки с мас­совым содержанием Си от 99, 950 до 99, 993 %. Медь поставляется в качестве полуфабрикатов для изготовления медных или комбинированных деталей в виде прутков, листов, лент, проволоки, фольги и других катаных и тянутых изделий с нормированием их физических и механических свойств.