Реферат: Металлургия меди

1) высокая удельная производительность применяемых аппаратов;

2) высокая производительность труда (выпуск продукции на одного работника в количественном или стоимостном выражении);

3) высокая степень извлечения всех ценных составляющих;

4) высокая степень комплексности использования сырья;

5) минимальные энергетические затраты за счет использования внешних источников тепловой энергии или электричества;

6) максимальное использование вторичных энергоресурсов;

7) обеспечение возможности комплексной механизации и автоматизации всех операций;

8) использование простой, дешевой, долговечной и удобной в работе, пуске, наладке и ремонте аппаратуры;

9) обеспечение возможности создания непрерывных, поточных, полностью автоматизированных технологических линий получения металлов;

10) обеспечение безопасных и безвредных условий труда и охраны окружающей природы.

2. Свойства меди и области её применения

В периодической системе элементов Д.И.Менделеева медь расположена в I группе 4-го периода, её порядковый номер 29. Атомная масса 63,54. Как элемент первой группы медь одновалентна. В этом состоянии она широко представлена в рудных минералах, штейнах, шлаках и других продуктах пирометаллургии. В продуктах их окисления в природе и в технологических процессах более устойчивым является двухвалентное состояние.

Температура плавления меди 1083⁰С. Температура кипения - 2325⁰С.

Медь - мягкий, вязкий и ковкий металл красного цвета, легко поддается механической обработке. Легко прокатывается в тонкие листы и вытягивается в проволоку.

Важнейшее свойство - электропроводность (уступает только серебру). Примеси снижают электропроводность, поэтому в электротехнике применяют медь высокой степени чистоты.

Также медь отличается высокой теплопроводностью.

В химическом отношении медь малоактивна, хотя может непосредственно соединяться с кислородом, серой, галогенами и некоторыми другими элементами.

При обычной температуре и сухом воздухе медь остается инертной, но во влажном воздухе, содержащем СО₂, медь окисляется и покрывается защитной пленкой основного карбоната СuCO₃·Cu(OH)₂, являющегося ядовитым веществом.

В растворах соляной и серной кислот в отсутствии окислителя медь не растворяется. В кислотах, одновременно являющихся окислителями (азотная или горячая концентрированная серная), медь растворяется легко.

При высоких температурах в пирометаллургических процессах устойчивыми соединениями меди являются Cu₂O и Cu₂S.

Медь и её сульфид Cu₂S являются хорошими коллекторами (растворителями) золота и серебра, что делает возможным их высокое попутное извлечение при производстве меди.

Важное свойство меди - образовывать сплавы с другими металлами. Это бронзы (Cu + Sn), латуни (Cu + Zn) медно-никелевые сплавы.

В современных бронзах в качестве присадок используют алюминий, кремний, бериллий, свинец. Применяются эти бронзы для изготовления ответственных деталей и литых изделий.

Например, бериллиевые бронзы (2% Ве) по механическим свойствам превосходят многие сорта стали и имеют хорошую электропроводность. Алюминиевые бронзы (5-10% Al) очень прочны и идут на изготовление авиационных двигателей.

В специальные латуни, кроме цинка, добавляют алюминий, железо, кремний, никель. Латуни идут на изготовление радиаторов, труб, гибких шлангов, патронных гильз, художественных изделий.

Из медно-никелевых сплавов наиболее известны мельхиор (применяется в кораблестроении, т.к. устойчив к воздействию морской воды) и нейзильбер - стоек в растворах солей и органических кислот (изготавливают медицинские инструменты).

Около 50% всей меди использует электропромышленность. Также медь используется в машиностроении, ракетной технике, при производстве строительных материалов, в транспорте, химической промышленности, сельском хозяйстве.

3. Сырье для получения меди

Кларк меди, т.е. её содержание в земной коре, равен 0,01%. Однако она образует многочисленные месторождения. Характерным для меди является наличие в природе всех 4-х типов руд. Однако основным медным сырьем являются сульфидные руды. Из сульфидных руд в настоящее время выплавляют 85-90% всей первичной меди.

В России медные руды добывают на Урале - Кировград, Красноуральск, Медногорск, Гай и др., в Заполярье - на Кольском полуострове и на Таймыре.

Источниками получения меди являются руды, продукты их обогащения - концентраты - и вторичное сырье. На долю вторичного сырья в настоящее время приходится около 40 % от общего выпуска меди.

Медные руды практически полностью относятся к полиметаллическим. Монометаллических руд меди в природе нет. Ценными спутниками меди в рудном сырье являются около 30 элементов. Важнейшие из них: цинк, свинец, никель, кобальт, золото, серебро, металлы платиновой группы, сера, селен, теллур, кадмий, германий, рений, индий, таллий, молибден, железо.

Известно более 250 медных минералов. Большинство из них встречаются редко. Наибольшее промышленное значение имеет небольшая группа минералов, состав которых приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Промышленные медные минералы

Большая часть медных руд добывается в настоящее время открытым способом. В России на долю подземной добычи приходится около 30%.

В современной практике обычно разрабатывают руды с содержанием 0,8-1,5% меди, иногда выше. Но для крупных месторождений вкрапленных руд минимальное содержание меди, пригодное для разработки, составляет 0,4-0,5%. Если в породе содержится меньше указанного количества меди, её переработка нерентабельна.

Ценность медных руд значительно повышается из-за наличия в них благородных металлов и ряда редких - селена, теллура, рения, висмута и др.

Вследствие низкого содержания меди в руде и комплексного характера руд сырье предварительно подвергают флотационному обогащению. При обогащении медных руд основным продуктом являются медные концентраты, содержащие до 55% Cu (чаще 10-30%). Также получают пиритные концентраты и концентраты других цветных металлов, например цинковый. Флотационные концентраты представляют собой тонкие порошки с частицами крупностью 74 мкм и влажностью 8-10%.

Медные руды и концентраты имеют одинаковый минералогический состав и отличаются лишь количественным соотношениями между различными минералами. Физико-химические основы их металлургической переработки совершенно одинаковы.

4. Пирометаллургический способ производства меди

Для переработки медьсодержащего сырья с целью получения металлической меди применяют как пиро-, так и гидрометаллургические процессы. В общем объеме производства меди на долю пирометаллургических способов приходится около 85% мирового выпуска этого металла. В России на долю гидрометаллургического способа производства меди приходится менее 1%.

Пирометаллургическая технология предусматривает переработку исходного сырья (руды или концентрата) на черновую медь с последующим её обязательным рафинированием. Так как основная масса медной руды или концентрата состоит из сульфидов меди и железа, то конечная цель пирометаллургии меди - получение черновой меди - достигается за счет практически полного удаления пустой породы, железа, серя.

Получение черновой меди в промышленных условиях возможно несколькими путями (рис. 1). На схеме римскими цифрами обозначены возможные варианты переработки исходного сырья на черновую медь.

Из рисунка видно, что удаление железа и серы может производиться их окислением в три стадии (обжиг, плавка, конвертирование), в две стадии (плавка, конвертирование) или в одну стадию.

За исключением последнего варианта, предусматривающего непосредственную плавку концентратов на черновую медь, технология характеризуется многостадийностью.

Наиболее распространенная до настоящего времени технология предусматривает обязательное использование следующих металлургических процессов: плавку на штейн, конвертирование медного штейна, огневое и электролитическое рафинирование меди. В ряде случаев перед плавкой проводят окислительный обжиг сульфидного сырья.

Плавку на штейн можно проводить в восстановительной, нейтральной или окислительной атмосфере.

В первых двух случаях регулировать степень десульфуризации невозможно, и содержание меди в штейнах будет незначительно отличаться от её содержания в исходной шихте. Технологически и экономически невыгодно для последующего конвертирования получать бедные по содержанию меди штейны.

В условиях окислительной плавки можно получить штейны любого заданного состава. Это достигается путем окисления сульфидов железа с последующим ошлакованием его оксидов. Окисление сульфидов шихты можно проводить также путем предварительного обжига. Без обжига в переработку поступают богатые медные концентраты (25-35% Cu). Бедные концентраты (до 25% Cu) предварительно обжигают с целью изменения химического и фазового состава перерабатываемого сырья.

Основная цель обжига - частичное удаление серы и железа и перевод части сульфида железа в форму шлакуемых при последующей плавке оксидов. Это вызвано стремлением получить при плавке штейны с содержанием меди не менее 25-30% Cu. Кроме того, обжиг позволяет хотя бы частично использовать серу концентрата для производства серной кислоты, снижая тем самым выбросы серы в атмосферу.

Чаще всего обжиг применяют при переработке медного сырья с повышенным содержанием цинка.

Окислительный обжиг медных концентратов проводят при температуре не выше 900⁰С. Основная реакция окислительного обжига выглядит следующим образом:

2MeS + 3O₂ = 2MeO + 2SO₂ + Q,

где Q - тепловой эффект экзотермической реакции.

В настоящее время для окислительного обжига медных концентратов преимущественно используют печи КС (печи для обжига в кипящем слое) (рис. 2).

Сущность обжига и кипящем слое заключается в том, что через слой концентрата (шихты) продувается восходящий поток воздуха или обогащенного кислородом дутья с такой скоростью, при которой все зерна материала приходят в непрерывное возвратно-поступательное движение, похожее на кипящую жидкость, что и послужило основанием для названия этого процесса.

Механизм образования кипящего слоя сводится к следующему. Если через слой сыпучего материала продувать снизу газ, слой сначала будет разрыхляться, а при определенной скорости подачи дутья приобретает основные свойства жидкости - подвижность, текучесть, способность принимать форму и объем вмещающего сосуда и т. д. Такое состояние сыпучего материала называется псевдожидким или псевдосжиженным. Оно наступит при определенной критической скорости газового потока, при которой подъемная сила газового потока будет равной общей массе твердого материала.

При повышении скорости дутья выше максимального значения объем сыпучего материала начинает резко увеличиваться. Шихта примет взвешенное состояние, что будет сопровождаться интенсивным пылевыносом обжигаемых частиц. При обычных режимах обжига в кипящем слое пылевынос составляет 20-30 % от массы исходной шихты.

Печи КС в поперечном сечении могут быть круглыми, прямоугольными, эллиптическими.

Рабочая камера печи выполнена в виде металлического кожуха, футерованного изнутри шамотным кирпичом и покрытого снаружи теплоизоляционным материалом. Свод печи изготовлен из огнеупорного кирпича.

Современные печи имеют высоту до 9 м; диаметр печи 4,2-4,7 м; площадь пода - 16,5-24,0 м².

Рисунок 1 - Принципиальная технологическая схеме пирометаллургического получения меди из сульфидных руд.

Рисунок 2 - Печь для обжига в кипящем слое (КС). 1-шахта печи; 2-свод печи; 3 - сопла; 4-воздухораспределительные камеры; 5-загрузочное окно (форкамера); 6-разгрузочное устройство; 7-газоход

Под печи обычно выполняется из жароупорного бетона с отверстиями для установки сопел колпачкового типа, которые располагаются равномерно по всей площади пода в шахматном порядке. Число сопел на 1 м² пода колеблется от 30 до 50 штук (общее число сопел 840-960 шт.).