Технология производства меди

     На  большинстве современных заводов  плавку ведут в отражательных  или в электрических печах. В  отражательных печах рабочее  пространство вытянуто в горизонтальном направлении; площадь пода 300 м2и  более (30 м х 10 м); необходимое для плавления тепло получают сжиганием углеродистого топлива (природный газ, мазут) в газовом пространстве над поверхностью ванны. В электрических печах тепло получают пропусканием через расплавленный шлак электрического тока (ток подводится к шлаку через погруженные в него графитовые электроды).  

     Однако  и отражательная, и электрическая  плавки, основанные на внешних источниках теплоты, - процессы несовершенные. Сульфиды, составляющие основные массу медных концентратов, обладают высокой теплотворной способностью. Поэтому все больше внедряются методы плавки, в которых  используется теплота сжигания сульфидов (окислитель - подогретый воздух, воздух, обогащенный кислородом, или технический  кислород). Мелкие, предварительно высушенные сульфидные концентраты вдувают  струей кислорода или воздуха  в раскаленную до высокой температуры  печь. Частицы горят во взвешенном состоянии (кислородно-взвешенная плавка).  

     Богатые кусковые сульфидные руды (2-3% Сu) с высоким содержанием серы (35-42% S) в ряде случаев непосредственно направляются на плавку в шахтных печах (печи с вертикально расположенным рабочим пространством). В одной из разновидностей шахтной плавки (медносерная плавка) в шихту добавляют мелкий кокс, восстановляющий в верхних горизонтах печи SO2 до элементарной серы. Медь в этом процессе также концентрируется в штейне.  

     Получающийся  при плавке жидкий штейн (в основном Cu2S, FeS) заливают в конвертер - цилиндрический резервуар из листовой стали, выложенный изнутри магнезитовым кирпичом, снабженный боковым рядом фурм для вдувания воздуха и устройством для поворачивания вокруг оси. Через слой штейна продувают сжатый воздух. Конвертирование штейнов протекает в две стадии. Сначала окисляется сульфид железа, и для связывания оксидов железа в конвертер добавляют кварц; образуется конвертерный шлак. Затем окисляется сульфид меди с образованием металлической Меди и SO2. Эту черновую Медь разливают в формы. Слитки (а иногда непосредственно расплавленную черновую Медь) с целью извлечения ценных спутников (Au, Ag, Se, Fe, Bi и других) и удаления вредных примесей направляют на огневое рафинирование. Оно основано на большем, чем у меди, сродстве металлов-примесей к кислороду: Fe, Zn, Co и частично Ni и другие в виде оксидов переходят в шлак, а сера (в виде SO2) удаляется с газами. После удаления шлака Медь для восстановления растворенной в ней Cu2О "дразнят", погружая в жидкий металл концы сырых березовых или сосновых бревен, после чего отливают его в плоские формы. Для электролитического рафинирования эти слитки подвешивают в ванне с раствором CuSO4, подкисленным H2SO4. Они служат анодами. При пропускании тока аноды растворяются, а чистая Медь отлагается на катодах - тонких медных листах, также получаемых электролизом в специальных матричных ваннах. Для выделения плотных гладких осадков в электролит вводят поверхностно-активные добавки (столярный клей, тиомочевину и другие). Полученную катодную Медь промывают водой и переплавляют. Благородные металлы, Se, Те и других ценные спутники Медь концентрируются в анодном шламе, из которого их извлекают специальной переработкой. Никель концентрируется в электролите; выводя часть растворов на упаривание и кристаллизацию, можно получить Ni в виде никелевого купороса.  

     Наряду  с пирометаллургическими применяют также гидрометаллургические методы получения Меди (преимущественно из бедных окисленных и самородных руд). Эти методы основаны на избирательном растворении медьсодержащих минералов, обычно в слабых растворах H2SO4 или аммиака. Из раствора Медь либо осаждают железом, либо выделяют электролизом с нерастворимыми анодами. Весьма перспективны применительно к смешанным рудам комбинированные гидрофлотационные методы, при которых кислородные соединения Меди растворяются в сернокислых растворах, а сульфиды выделяются флотацией. Получают распространение и автоклавные гидрометаллургические процессы, идущие при повышенных температурах и давлении.

        
 
 

     ВВЕДЕНИЕ 

       Разделение металлов на черные  и цветные является условным. Обычно к черным металлам относят  железо, марганец и хром, а остальные  металлы к цветным. Термин цветные  металлы не следует понимать  буквально. Фактически существует  лишь два цветных металла: розовая медь и желтое золото, а в 

       ВВЕДЕНИЕ 

       Медь (лат. Cuprum) - химический элемент. Один из семи металлов, известных с глубокой древности. По некоторым археологическим данным - медь была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет до Р. Хр.

       Знакомство человечества с медью  относится к более ранней эпохе,  чем с железом; это объясняется  с одной стороны более частым  нахождением меди в свободном  состаянии на поверхности земли, а с другой - сравнительной легкостью получения ее из соединений. Древняя Греция и Рим получали медь с острова Кипра (Cyprum), откуда и название ее Cuprum. Особенно важна медь для электротехники. 

       По электропроводности медь занимает  второе место среди всех металлов, после серебра. Однако в наши  дни во всем мире электрические  провода, на которые раньше  уходила почти половина выплавляемой  меди, все чаще делают из алюминия. Он хуже проводит ток, но  легче и доступнее. Медь же, как и многие другие цветные  металлы, становится все дефицитнее. Если в

      19 в.  медь добывалась из руд, где  содержалось 6-9% этого элемента, то  сейчас 5%-ные медные руды считаются  очень богатыми, а промышленность  многих стран перерабатывает  руды, в которых всего 0,5% меди. 

       Медь входит в число жизненно  важных микроэлементов. Она участвует  в процессе фотосинтеза и усвоении  растениями азота, способствует  синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов.  Чаще всего медь вносят в  почву в виде пятиводного сульфата - медного купороса. В значительных количествах он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низших организмов. В малых же дозах медь совершенно необходима всему живому. 

       Таким образом, разделение металлов  на черные и цветные является  условным. Обычно к черным металлам  относят железо, марганец и хром, а остальные металлы к цветным.  Термин цветные металлы не  следует понимать буквально. Фактически  существует лишь два цветных  металла: розовая медь и желтое золото, а в отношении же остальных металлов можно говорить не об их цвете, а об их различных оттенках, чаще всего серебристо-серого или красного тонов. 

       Также условно цветные металлы  можно разделить на четыре  группы:

      1. Тяжелые  металлы – Cu, Ni, Pb, Zn, Sn;

       2. Легкие металлы – Al, Mg, Ca, K, Na, Ba, Be, Li;

       3. Благородные металлы - Au, Ag, Pt и ее природные спутники

      4. Редкие  металлы:

      - тугоплавкие

      - легкие

      - радиоактивные

      - редкоземельные 

       СВОЙСТВА МЕДИ 

       Медь - химический элемент I группы  периодической системы

       Менделеева; атомный номер 29, атомная  масса 63,546. Температура плавления-

      1083°  C; температура кипения - 2595° C; плотность - 8,98 г/см3. По геохимической  классификации В.М. Гольдшмидта, медь относится к халькофильным элементам с высоким сродством к S, Se, Te, занимающим восходящие части на кривой атомных объемов; они сосредоточены в нижней мантии, образуют сульфиднооксидную оболочку. 

       Вернадским в первой половине 1930 г были проведены исследования  изменения изотопного состава  воды, входящего в состав разных  минералов, и опыты по разделению  изотопов под влиянием биогеохимических  процессов, что и было подтверждено  последующими тщательными исследованиями.

       Как элемент нечетный состоит  из двух нечетных изотопов 63 и  65 На долю изотопа Cu (63) приходится 69,09%, процентное содержание изотопа Cu (65) -

      30,91%. В соединениях медь проявляет  валентность +1 и +2, известны также  немногочисленные соединения трехвалентной  меди. 

       К валентности 1 относятся лишь  глубинные соединения, первичные  сульфиды и минерал куприт - Cu2O. Все остальные минералы, около  сотни отвечают валентности два.  Радиус одновалентной меди +0.96, этому  отвечает и эк - 0,70. Величина атомного  радиуса двухвалентной меди - 1,28; ионного радиуса 0,80. 

       Очень интересна величена потенциалов ионизации: для одного электрона - 7,69, для двух - 20,2. Обе цифры очень велики, особенно вторая, показывающая большую трудность отрыва наружных электронов. Одновалентная медь является равноквантовой и потому ведет к бесцветным солям и слабо окрашенным комплексам, тогда как разноквантовя двух валентная медь характеризуется окрашенностью солей в соединении с водой. 

       Медь - металл сравнительно мало  активный. В сухом воздухе и  кислороде при нормальных условиях  медь не окисляется. Она достаточно  легко вступает в реакции с  галогенами, серой, селеном. А  вот с водородом, углеродом  и азотом медь не взаимодействует  даже при высоких температурах.

       Кислоты, не обладающие окислительными  свойствами, на медь не действуют. 

       Электроотрицательность атомов - способность при вступлении в соединения притягивать электроны. Электроотрицательность Cu2+ - 984 кДЖ/моль, Cu+ - 753 кДж/моль. Элементы с резко различной ЭО образуют ионную связь, а элементы с близкой ЭО - ковалентную. Сульфиды тяжелых металлов имеют промежуточную связь, с большей долей ковалентной связи (ЭО у S-1571,

      Cu-984, Pb-733). Медь является амфотерным элементом - образует в земной коре катионы и анионы. 

       Медь входит более чем в  198 минералов, из которых для  промышленности важны только 17, преимущественно  сульфидов, фосфатов, силикатов,  карбонатов, сульфатов. Главными  рудными минералами являются  халькопирит CuFeS2, ковеллин CuS, борнит Cu5FeS4, халькозин Cu2S.

       Окислы: тенорит, куприт. Карбонаты: малахит, азурит. Сульфаты: халькантит, брошантит. Сульфиды: ковеллин, халькозин, халькопирит, борнит. 

       Чистая медь - тягучий, вязкий  металл красного, в изломе розового цвета, в очень тонких слоях на просвет медь выглядит зеленовато- голубой. Эти же цвета, характерны и для многих соединений меди, как в твердом состоянии, так и в растворах. 

       Понижение окраски при повышении  валентности видно из следующих  двух примеров:

       CuCl - белый, Cu2O - красный, CuCl2+H2O - голубой, CuO - черный 

       Карбонаты характеризуются синим  и зеленым цветом при условии  содержания воды, чем намечается  интересный практический признак  для поисков. 

       Практическое значение имеют:  самородная медь, сульфиды, сульфосоли и карбонаты (силикаты). 

       СЫРЬЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДИ 

       Для получения меди применяют  медные руды, а также отходы  меди и ее сплавов. В рудах  содержится 1-6% меди. 

       В рудах медь обычно находится  в виде сернистых соединений (медный  колчедан или халькопирит CuFeS2, халькозин Cu2S, ковелин CuS), оксидов

      (куприт Cu2O, тенорит CuO) или гидрокарбонатов (малахит CuCO3 ( Cu(OH2), азурит 2CuCO3 ( Cu(OH)2). 

       Пустая порода состоит из пирита  FeS, кварца SiO2, карбонатов магния и кальция (MgCO3 и CaCO3), а также из различных силикатов, содержащих Al2O3,

       CaO, MgO и оксиды железа. 

       В рудах иногда содержится  значительное количество других  металлов: цинк, олово, никель, золото, серебро, кремний и другие. 

       Руда делится на сульфидные, окисленные  и смешанные. Сульфидные руды  бывают обычно первичного происхождения,  а окисленные руды образовались  в результате окисления металлов  сульфидных руд. 

       В небольших количествах встречаются  так называемые самородные руды, в которых медь находится в  свободном виде. 

       ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА  МЕДИ. 

       Известны два способа извлечения  меди из руд и концентратов: гидрометаллургический и пирометаллургический. 

       Первый из них не нашел широкого  применения. Его используют при  переработке бедных окисленных  и самородных руд. Этот способ  в отличии от пирометаллургического  не позволяет извлечь попутно  с медью драгоценные металлы. 

       Второй способ пригоден для  переработки всех руд и особенно  эффективен в том случае, когда  руды подвергаются обогащению. 

       Основу этого процесса составляет  плавка, при которой расплавленная  масса разделяется на два жидких  слоя: штейн-сплав сульфидов и  шлак-сплав окислов. В плавку  поступают либо медная руда, либо  обожженные концентраты медных  руд. Обжиг концентратов осуществляется  с целью снижения содержания  серы до оптимальных значений. 

       Жидкий штейн продувают в конвертерах  воздухом для окисления сернистого  железа, перевода железа в шлак  и выделения черновой меди.