Производство меди

Медь является ценным техническим металлом. В чистом виде она имеет красный цвет, температура ее плавления 1083 °С, плотность 8, 96 т/м³. Медь хорошо проводит электричество и теплоту, отличается пластичностью. В чистом виде медь используется в электро- и радиопромышленности, значительная часть ее идет на изготовление сплавов.

В земной коре медь встречается преимущественно в виде сульфидных и частично в виде окисных руд. Поэтому около 80 % меди выплавляют из сульфидных руд. Наиболее распространенными медными рудами являются медный колчедан, содержащий халькопирит (CuFeS₂), и медный блеск, содержащий халькозин (Cu₂S).

Все медные руды относительно бедные (содержание меди ‑ 1...5%), поэтому их обогащают. Для этих целей чаще всего используют метод флотации, основанный на различной (избирательной) способности тонкоизмельченных частиц рудных минералов и пустой породы смачиваться реагентами. Вместе с пузырьками воздуха, пропускаемого через пульпу (смесь измельченной руды, воды и флотореагентов), на поверхность ванны поднимаются частицы рудных минералов, а большая часть породы идет в осадок и удаляется. Этим методом можно извлечь до 90 % меди, находящейся в руде. Содержание меди в полученных таким образом концентратах ‑ 15...30 %. Затраты на обогащение медных руд перекрываются экономическим эффектом, получаемым при металлургическом производстве за счет снижения расходов на топливо (меньше расплавляется пустой породы), повышения производительности отражательных печей, т. е. в конечном счете за счет снижения себестоимости 1 т меди.

Полученный посредством флотации концентрат содержит также влагу и сернистые соединения. Для удаления влаги и снижения содержания серы применяют обжиг. Последний ведут в специальных печах, в кипящем слое.

Пламенные (отражательные) печи по устройству сходны с мартеновскими. Длина современных печей доходит до 40 м, ширина 6...8 м. В них одновременно плавится более 100 т огарка. Плавка происходит за счет тепла факела пламени, температура в зоне плавления достигает 1450 °С. В печи поддерживается слабоокислительная среда.

В конце плавки на поду печи образуется штейн (Cu2S₄FeS) ‑ расплав с содержанием меди 20...50 %, железа ‑ 20...40 %, серы ‑ 22...25 %, кислорода ‑ до 8% и включающий примеси: золото, серебро, свинец, цинк. Над слоем штейна располагается железистый шлак. Его удаляют, а штейн сливают и направляют в конвертеры для получения черновой меди.

Для получения черновой меди расплавленный штейн (рис. 8.2) через горловину 2 заливают в конвертер горизонтального типа. Длина конвертера ‑ 6...10 м, наружный диаметр ‑ 3...4 м. Фурмы 3 для вдувания воздуха расположены по образующей поверхности конвертера. Расплавленный штейн продувают воздухом (давление воздуха 0, 075...0, 125 МПа) и подают кварцевый флюс (с содержанием SiO₂ 70...80%) с помощью приспособления 1.

Можно выделить два периода процесса. В первом периоде происходит окисление сульфидов железа и ошлакование оксида железа:

2FeS + 3O₂ + SiO₂=(FeO)₂.SiO₂-2SO₂.

Образовавшийся при этом шлак сливают. Во втором периоде окисляются сульфиды меди:

2Cu₂S + 3O₂ = 2Cu₂O + 2SO₂.

Затем в результате взаимодействия сульфида меди с ее оксидом выделяется черновая медь (Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu-j-SO₂), содержащая 98, 5...99, 5 % Си. В состав черновой меди входят примеси железа, серы, мышьяка, кислорода и др.

Образующийся газ улавливают и используют для производства серы или серной кислоты. Длительность продувки зависит от вместимости конвертера и содержания меди в штейне. Примеси снижают качество меди, поэтому черновую медь подвергают рафинированию, при этом из нее попутно извлекают благородные металлы.

Рафинирование меди производится огневым и электролитическим способами. Огневое рафинирование меди осуществляется в отражательных печах. Процесс состоит из следующих операций: расплавления, окисления всех примесей, удаления их с газами, а также перевода в шлак. Окисление примесей происходит за счет кислорода воздуха, который подается в жидкий металл. Образовавшиися шлак удаляют и ведут процесс «дразнения» для удаления растворенных газов.

Сначала в расплав погружают сырые жерди (березовые или сосновые), при этом происходит выделение паров воды и газов, а затем используют сухие жерди для раскисления меди. Готовую медь разливают на слитки или анодные пластины. Полученная таким образом медь включает благородные металлы (серебро, золото) и некоторые примеси (мышьяк, сурьму, селен и др.).

Для получения высококачественной меди и выделения из нее других металлов производят электролитическое рафинирование. Для этого черновую медь отливают в виде пластин ‑ анодов, которые погружают в ванну с 12...16 %-м водным раствором медного купороса в серной кислоте. Параллельно анодам подвешивают тонкие листы чистой меди (катоды). При пропускании постоянного тока аноды растворяются и медь осаждается на катодах. За 10... 12 сут на катодной пластине отлагается около 100 кг меди. Катоды через 5... 12 сут выгружают, промывают, переплавляют и разливают в слитки. Расход электроэнергии на 1 т катодной меди составляет 20...400 кВт-ч.

В зависимости от степени чистоты различают пять марок меди (МО, Ml, М2, МЗ, М4) с содержанием меди от 99, 95 до 99 %.