Особенности меди: ее состав, структура и технология производства. Машиностроение и механика

В незначительной концентрации могут присутствовать:

• никель;
• золото;
• платина;
• серебро.

Месторождения во всем мире имеют примерно одинаковый набор химических элементов в составе руды, отличаются лишь их процентным соотношением. Чтобы получить чистый металл, используют различные промышленные способы. Почти 90% металлургических предприятий используют одинаковый метод производства чистой меди – пирометаллургический.

Схема этого процесса позволяет также получать металл из вторичного сырья, что для промышленности является существенным плюсом. Поскольку месторождения относятся к группе не восполняемых – запасы с каждым годом уменьшаются, руды беднеют, а их добыча и производство становится дорогим. Это, в конечном счете, влияет на цену металла на международном рынке. Кроме пирометаллургического метода, существуют еще способы:

• гидрометаллургический;
• метод огневого рафинирования.

Стадии пирометаллургического производства меди

Промышленное получение меди с использованием пирометаллургического способа имеет преимущества перед другими методами:

• технология обеспечивает высокую производительность – с ее помощью можно получать метал из породы, в которой содержание меди даже ниже 0,5%;
• позволяет эффективно перерабатывать вторичное сырье;
• достигнута высокая степень механизации и автоматизации всех этапов;
• при его использовании значительно сокращаются выбросы вредных веществ в атмосферу;
• метод экономичный и эффективный.

Обогащение

Схема обогащения руды

На первом этапе производства необходимо подготовить руду, которую доставляют на обогатительные комбинаты прямо с карьера или шахты. Часто встречаются большие куски породы, которые предварительно нужно измельчить.

Происходит это в огромных дробильных агрегатах. После дробления получается однородная масса, с фракцией до 150 мм. Технология предварительного обогащения:

• в большую емкость засыпается сырье и заливается водой;
• затем добавляется кислород под давлением, чтобы образовалась пена;
• частицы металла прилипают к пузырькам и поднимаются наверх, а пустая порода оседает на дне;
• далее, медный концентрат отправляется на обжиг.

Обжиг

Этот этап направлен на то, чтобы максимально снизить содержание серы. Рудную массу помещают в печь, где устанавливается температура 700–800 о С. В результате термического воздействия содержание серы сокращается в два раза. Сера окисляется и испаряется, а часть примесей (железа и других металлов) переходит в легкошлакуемое состояние, которое облегчит в дальнейшем плавку.

Этот этап можно опустить, если порода богатая и содержит после обогащения 25–35% меди, его используют только для бедных руд.

Плавка на штейн

Технология плавки на штейн позволяет получить черновую медь, которая различается по маркам: от МЧ1 – самая чистая до МЧ6 (содержит до 96% чистого металла). В ходе процесса плавки, сырье погружается в специальную печь, в которой температура поднимается до 1450 о С.

После расплавления массы она продувается сжатым кислородом в конвертерах. Они имеют горизонтальный вид, а дутье осуществляется через боковое отверстие. В результате продува сульфиды железа и серы окисляются и переводятся в шлак. Тепло в конвертере образуется за счет протекания раскаленной массы, он дополнительно не нагревается. Температура при этом составляет 1300 о С.

На выходе из конвертера получают черновой состав, который содержит до 0,04% железа и 0,1% серы, а также до 0,5% прочих металлов:

• олова;
• сурьмы;
• золота;
• никеля;
• серебра.

Такой черновой металл отливается в слитки массой до 1200 кг. Это так называемая анодная медь. Многие производители останавливаются на этом этапе, реализуют такие слитки. Но поскольку часто производство меди сопровождается добычей драгоценных металлов, которые содержатся в руде, то на обогатительных комбинатах используется технология рафинирования чернового сплава. При этом выделяются и сохраняются прочие металлы.

Рафинирование с использованием катодной меди

Технология получения рафинированной меди довольно простая. Ее принцип используют даже для чистки медных монет от окислов в домашних условиях. Схема производства выглядит следующим образом:

• черновой слиток помещается в ванну с электролитом;
• в качестве электролита используется раствор со следующим содержанием:
  • сульфат меди – до 200 г/л;
  • серная кислота – 135–200 г/л;
  • коллоидные добавки (тиомочевина, столярный клей)– до 60 г/л;
  • вода.
• температура электролита должна быть до 55 о С;
• помещаются в ванну пластины катодной меди – тонкие листы чистого металла;
• подключается электричество. В это время происходит электрохимическое растворение металла. Частицы меди концентрируются на катодной пластине, а прочие включения оседают на дне и называются шлам.

Для того, чтобы процесс получения рафинированной меди протекал быстрее, анодные слитки должны быть не более 360 кг.

Весь процесс электролиза протекает в течение 20–28 суток. За этот период вынимают катодную медь до 3–4 раз. Вес пластин получается до 150 кг.

Как это делается: добыча меди

В процессе рафинирования, на катодной меди могут образовываться дендриты – наросты, которые сокращают расстояние до анода. В результате чего снижается скорость и эффективность реакции. Поэтому, при возникновении дендритов, их незамедлительно удаляют.

Технология гидрометаллургического производства меди

Этот способ не получил широкого распространения, поскольку, при этом можно потерять драгоценные металлы, содержащиеся в медной руде.

Его использование оправдано, когда порода бедная – содержит менее 0,3% красного металла.

Как получить медь гидрометаллургическим способом?

Вначале порода измельчается до мелкой фракции. Затем помещается в щелочной состав. Чаще всего используют растворы серной кислоты или аммиака. Во время реакции медь вытесняется железом.

Цементация меди железом

Оставшиеся после выщелачивания растворы солей меди проходят дальнейшую обработку – цементацию:

• в раствор помещают железную проволоку, листы или прочие обрезки;
• в ходе химической реакции железо вытесняет медь;
• в результате металл выделяется в виде мелкого порошка, в котором содержание меди достигает 70%. Дальнейшее очищение происходит путем электролиза с использованием катодной пластины.

Технология огневого рафинирования черновой меди

Этот способ получения чистой меди используется, когда исходное сырье – медный лом.

Процесс протекает в специальных отражательных печах, которые топятся углем или нефтью. Растопленная масса наполняет ванну, в которую вдувают воздух по железным трубам:

• диаметр труб – до 19 мм;
• давление воздуха – до 2,5 атм;
• емкость печи – до 250 кг.

В процессе рафинирования окисляется медное сырье, выгорает сера, затем металлы. Окислы не растворяются в жидкой меди, а всплывают на поверхность. Чтобы их удалить, используется кварц, который помещается в ванну еще до начала процесса рафинирования и размещается вдоль стенок.

Если в металлоломе присутствует никель, мышьяк или сурьма, то технология усложняется. Процент содержания никеля в рафинированной меди можно снизить лишь до уровня 0,35%. Но если присутствуют остальные компоненты (мышьяк и сурьма), то образуется никелевая «слюдка», которая растворяется в меди, и ее удалить не получится.

Видео: Медные руды Урала

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.

Подготовка руд к плавке.

Большинство медных руд обогащают способом флотации. В результате получают медный концентрат, содержащий 8-35% Cu, 40-50% S, 30-35% Fe и пустую породу, главным образом составляющими которой являются SiO2, Al2O3 и CaO.

Концентраты обычно обжигают в окислительной среде с тем, чтобы удалить около 50% серы и получить обожженный концентрат с содержанием серы, необходимым для получения при плавке достаточно богатого штейна.

Обжиг обеспечивает хорошее смешение всех компонентов шихты и нагрев ее до 550-600 0С и, в конечном итоге, снижение расхода топлива в отражательной печи в два раза. Однако при переплавке обожженной шихты несколько возрастают потери меди в шлаке и унос пыли. Поэтому обычно богатые медные концентраты (25-35% Cu) плавят без обжига, а бедные (8-25%
Cu) подвергают обжигу.

Температура обжига концентратов применяют многоподовые печи с механическим перегреванием. Такие печи работают непрерывно.

Выплавка медного штейна

Медный штейн, состоящий в основном из сульфидов меди и железа
(Cu2S+FeS=80-90%) и других сульфидов, а также окислов железа, кремния, алюминия и кальция, выплавляют в печах различного типа.

Комплексные руды, содержащие золото, серебро, селен и теллур, целесообразно обогащать так, чтобы в концентрат была переведена не только медь, но и эти металлы. Концентрат переплавляют в штейн в отражательных или электрических печах.

Сернистые, чисто медные руды целесообразно перерабатывать в шахтных печах.

При высоком содержании серы в рудах целесообразно применять так называемый процесс медно-серной плавки в шахтной печи с улавливанием газов и извлечением из них элементарной серы.

В печь загружают медную руду, известняк, кокс и оборотные продукты.
Загрузку ведут отдельными порциями сырых материалов и кокса.

В верхних горизонтах шахты создается восстановительная среда, а в нижней части печи - окислительная. Нижние слои шихты плавятся, и она постепенно опускается вниз навстречу потоку горячих газов. Температура у фурм достигается 1500 0С на верху печи она равна примерно 450 0С.

Столь высокая температура отходящих газов необходима для того, чтобы обеспечить возможность из очистки от пыли до начала конденсации паров серы.

В нижней части печи, главным образом у фурм, протекают следующие основные процессы: а) Сжигание углерода кокса
C + O2 = CO2

б) Сжигание серы сернистого железа

2FeS + 3O2 = 2 FeO + 2SO2 в) Образование силиката железа
2 FeO + SiO2 = (FeO)2 (SiO2

Газы, содержащие CO2, SO2, избыток кислорода и азот, проходят вверх через столб шихты. На этом пути газов происходит теплообмен между шихтой и ними, а также взаимодействие CO2 с углеродом шихты. При высоких температурах CO2 и SO2 восстанавливаются углеродом кокса и при этом образуется окись углерода, сероуглерод и сероокись углерода:
CO2 + C = 2CO
2SO2 + 5C = 4CO + CS2
SO2 + 2C = COS + CO

В верхних горизонтах печи пирит разлагается по реакции:
FeS2 = Fe + S2

При температуре около 1000 0С плавятся наиболее легкоплавкие эвтектики из FeS и Cu2S, в результате чего образуется пористая масса.

В порах этой массы расплавленный поток сульфидов встречается с восходящим потоком горячих газов и при этом протекают химические реакции, важнейшие из которых указаны ниже: а) образование сульфида меди из закиси меди
2Cu2O + 2FeS + SiO2 = (FeO)2 (SiO2 + 2Cu2S; б) образование силикатов из окислов железа
3Fe2O3 + FeS + 3,5SiO2 = 3,5(2FeO (SiO2) + SO2;
3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO (SiO2) + SO2; в) разложение CaCO3 и образование силиката извести
CaCO3 + SiO2 = CaO (SiO2 + CO2; г) восстановление сернистого газа до элементарной серы
SO2 + C = CO2 + Ѕ S2

В результате плавки получаются штейн, содержащий 8-15% Cu, шлак состоящий в основном из силикатов железа и извести, колошниковый газ, содержащий S2, COS, H2S, и CO2. Из газа сначала осажают пыль, затем из него извлекают серу (до 80% S)

Чтобы повысить содержание меди в штейне, его подвергают сократительной плавке. Плавку осуществляют в таких же шахтных печах. Штейн загружают кусками размером 30-100 мм вместе с кварцевым флюсом, известняком и коксом. Расход кокса составляет 7-8% от массы шихты. В результате получают обогащенный медью штейн (25-40% Cu) и шлак (0,4-0,8%
Cu).

Температура плавления переплавки концентратов, как уже упоминалось, применяют отражательные и электрические печи. Иногда обжиговые печи располагают непосредственно над площадкой отражательных печей с тем, чтобы не охлаждать обожженные концентраты и использовать их тепло.

По мере нагревания шихты в печи протекают следующие реакции восстановления окиси меди и высших оксидов железа:
6CuO + FeS = 3Cu2O + SO2 + FeO;
FeS + 3Fe3O4 + 5SiO2 = 5(2FeO (SiO2) + SO2

В результате реакции образующейся закиси меди Cu2O с FeS получается
Cu2S:
Cu2O + FeS = Cu2S + FeO

Сульфиды меди и железа, сплавляясь между собой, образуют первичный штейн, а расплавленные силикаты железа, стекая по поверхности откосов, растворяют другие оксиды и образуют шлак.

Благородные металлы (золото и серебро) плохо растворяются в шлаке и практически почти полностью переходят в штейн.

Штейн отражательной плавки на 80-90% (по массе) состоит из сульфидов меди и железа. Штейн содержит, %: 15-55 меди; 15-50 железа; 20-30 серы; 0,5-
1,5 SiO2; 0,5-3,0 Al2O3; 0.5-2.0 (CaO + MgO); около 2% Zn и небольшое количество золота и серебра. Шлак состоит в основном из SiO2, FeO, CaO,
Al2O3 и содержит 0,1-0,5 % меди. Извлечение меди и благородных металлов в штейн достигает 96-99 %.

Конвертирование медного штейна

В 1866 г. русский инженер Г. С. Семенников предложил применить конвертер типа бессемеровского для продувки штейна. Продувка штейна снизу воздухом обеспечила получение лишь полусернистой меди (около 79% меди) - так называемого белого штейна. Дальнейшая продувка приводила к затвердеванию меди. В 1880 г. русский инженер предложил конвертер для продувки штейна с боковым дутьем, что и позволило получить черновую медь в конвертерах.

Конвертер делают длиной 6-10, с наружным диаметром 3-4 м.
Производительность за одну операцию составляет 80-100 т. Футеруют конвертер магнезитовым кирпичом. Заливку расплавленного штейна и слив продуктов осуществляют через горловину конвертера, расположенной в средней части его корпуса. Через ту же горловину удаляют газы. Фурмы для вдувания воздуха расположены по образующей поверхности конвертера. Число фурм обычно составляет 46-52, а диаметр фурмы - 50мм. Расход воздуха достигает 800 м2/мин. В конвертер заливают штейн и подают кварцевый флюс, содержащий 70-
80% SiO2, и обычно некоторое количество золота. Его подают во время плавки, пользуясь пневматической загрузкой через круглое отверстие в торцевой стенке конвертеров, или же загружают через горловину конвертера.

Процесс можно разделить на два периода. Первый период (окисление сульфида железа с получением белого штейна) длится около 6-024 часов в зависимости от содержания меди в штейне. Загрузку кварцевого флюса начинают с начала продувки. По мере накопления шлака его частично удаляют и заливают в конвертер новую порцию исходного штейна, поддерживая определенный уровень штейна в конвертере.

В первом периоде протекают следующие реакции окисления сульфидов:
2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 + 930360 Дж
2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2 + 765600 Дж

Пока существует FeS, закись меди не устойчива и превращается в сульфид:
Cu2O + FeS = Cu2S + FeO

Закись железа шлакуется добавляемым в конвертер кварцевым флюсом:
2FeO + SiO2 = (FeO) (SiO2

При недостатке SiO2 закись железа окисляется до магнетита:
6FeO + O2 = 2Fe3O4, который переходит в шлак.

Температура заливаемого штейна в результате протекания этих экзотермических реакций повышается с 1100-1200 до 1250-1350 0С. Более высокая температура нежелательна, и поэтому при продувке бедных штейнов, содержащих много FeS, добавляют охладители - твердый штейн, сплески меди.

Из предыдущего следует, что в конвертере остается главным образом так называемый белый штейн, состоящий из сульфидов меди, а шлак сливается в процессе плавки. Он состоит в основном из различных оксидов железа
(магнетита, закиси железа) и кремнезема, а также небольших количеств глинозема, окиси кальция и окиси магния. При этом, как следует из вышесказанного, содержание магнетита в шлаке определяется содержанием магнетита в шлаке определяется содержанием кремнезема. В шлаке остается 1,8-
3,0% меди. Для ее извлечения шлак в жидком виде направляют в отражательную печь или в горн шахтной печи.

Во втором периоде, называемом реакционным, продолжительность которого составляет 2-3 часа, из белого штейна образуется черновая медь. В этот период окисляется сульфид меди и по обменной реакции выделяется медь:
2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2
Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + O2

Таким образом, в результате продувки получают черновую медь, содержащая 98,4-99,4% - меди, 0,01-0,04% железа, 0,02-0,1% серы, и небольшое количество никеля, олова, мышьяка, серебра, золота и конвертерный шлак, содержащий 22-30% SiO2, 47-70% FeO, около 3% Al2O3 и 1.5-2.5% меди.

Которая относиться к цветным металлам, известна с давних пор. Ее производство было изобретено раньше, чем люди начали изготавливать железо. По предположениям произошло в результате ее доступности и достаточно простого извлечения из содержащих медь соединений и сплавов. Итак, давайте рассмотрим сегодня свойства и состав меди, страны мира-лидеры по производству меди, изготовление изделий из нее и особенности этих сфер.

Медь обладает высоким коэффициентом электропроводимости, что послужило росту ее ценности, как электротехнического материала. Если ранее на электропровод тратилось до половины всей произведенной в мире меди, то сейчас с этими целями используется алюминий, как более доступный металл. А сама медь становиться наиболее дефицитным цветным металлом.

В этом видео рассмотрен химический состав меди:

Структура

Структурный состав меди включает в себя множество кристаллов: , золото, кальций, серебро, и многие другие. Все металлы, входящие в ее структуру, отличаются относительной мягкостью, пластичностью и простотой обработки. Большинство таких кристаллов в сочетании с медью образуют твердые растворы с непрерывными рядами.

Элементарная ячейка данного металла представляет собой кубическую форму. На каждую такую ячейку приходится по четыре атома, располагающихся на вершинах и центральной части грани.

Химический состав

Состав меди в процессе ее производства может включать в себя ряд примесей, которые влияют на структуру и характеристики конечного продукта. При этом их содержание должно регулироваться как по отдельным элементам, так и по их суммарному количеству. К примесям, которые встречаются в составе меди, можно отнести:

• Висмут . Этот компонент негативно сказывается как на технологических, так и на механических свойствах металла. Именно поэтому он не должен превышать 0,001% от готового состава.
• Кислород . Считается наиболее нежелательной примесью в составе меди. Его предельное содержание в сплаве составляет до 0,008% и стремительно сокращается в процессе воздействия высоких температур. Кислород негативно отражается на пластичности металла, а также на его устойчивости к коррозии.
• Марганец . В случае изготовления проводниковой меди негативно отображается данный компонент на ее токопроводимости. Уже при комнатной температуре быстро растворяется в меди.
• Мышьяк . Этот компонент создает твердый раствор с медью и практически не влияет на ее свойства. Его действие по большей мере направлено на нейтрализацию негативного воздействия от сурьмы, висмута и кислорода.
• . Образует твердый раствор с медью и при этом снижает ее тепло- и электропроводность.
• . Создает твердый раствор и способствует усилению теплопроводности.
• Селен, сера . Эти два компонента имеют одинаковое воздействие на конечный продукт. Они организуют хрупкое соединение с медью и составляют не более 0,001%. При увеличении концентрации резко снижается степень пластичности меди.
• Сурьма . Данный компонент хорошо растворяется в меди, поэтому оказывает минимальное воздействие на ее конечные свойства. Допускается ее не больше 0,05% от общего объема.
• Фосфор . Служит главным раскислителем меди, предельная растворимость которого составляет 1,7% при температуре 714°С. Фосфор, в сочетании с медью, не только способствует ее лучшему свариванию, но и улучшает ее механические свойства.
• . Содержится в небольшом количестве меди, практически не влияет на ее тепло- и электропроводность.

Производство меди

Медь производится из сульфидных руд, которые содержат эту медь в объеме минимум 0,5%. В природе существует около 40 минералов, содержащих данный металл. Наиболее распространенным сульфидным минералом, который активно используется в производстве меди, является халькопирит.

Для производства 1 т меди необходимо взять огромное количество сырья, которое ее содержит. Взять, к примеру, производство чугуна, для получения этого металла в объеме 1 тонны потребуется переработать около 2,5 т железной руды. А для получения такого же количества меди потребуется обработка до 200 т руды ее содержащей.

Видео ниже расскажет о добыче меди:

Технология и необходимое оборудование

Производство меди включает в себя ряд этапов:

1. Измельчение руды в специальных дробилках и последующее более тщательное ее измельчение в мельницах шарового типа.
2. Флотация. Предварительно измельченное сырье смешивается с малым количеством флотореагента и затем помещается во флотационную машину. В качестве такого добавочного компонента обычно выступает ксантогенат калия и извести, который в камере машины покрывается минералами меди. Роль извести на этом этапе крайне важна, поскольку она предупреждает обволакивание ксантогената частичками других минералов. К медным частичкам прилипают лишь пузырьки воздуха, которые выносят ее на поверхность. В результате этого процесса получается медный концентрат, который направляется удаление из его состава избыточной влаги.
3. Обжиг. Руды и их концентраты проходят процесс обжига в моноподовых печах, что необходимо для выведения из них серы. В результате получается огарок и серосодержащие газы, которые в дальнейшем используют для получения серной кислоты.
4. Плавка шихты в печи отражательного типа. На этом этапе можно брать сырую или уже обожженную шихту и подвергать ее обжигу при температуре 1500°С. Важным условием работы является поддержанием нейтральной атмосферы в печи. В итоге происходит сульфидирование меди и ее преобразование в штейн.
5. Конвертирование. Полученная медь в сочетании с кварцевым флюсом продувается в специальном конвекторе на протяжении 15-24 ч. В итоге получается черновая медь в результате полного выгорания серы и выведения газов. В ее состав может входить до 3% различных примесей, которые благодаря электролизу выводятся наружу.
6. Рафинирование огнем. Металл предварительно расплавляется и затем рафинируется в специальных печах. На выходе образуется красная медь.
7. Электролитическое рафинирование. Этот этап проходит анодная и огневая медь для максимальной очистки.

Про заводы и центры производства меди в России и в мире читайте ниже.

Известные производители

На территории России действует всего четыре наибольших предприятия по добыче и производству меди:

1. «Норильский никель»;
2. «Уралэлектромедь»;
3. Новгородский металлургический завод;
4. Кыштымский медеэлектролитный завод.

Первые две компании входят в состав известнейшего холдинга «УГМК», который включает в себя около 40 промышленных предприятий. Он производит более 40% всей меди в нашей стране. Последние два завода принадлежат Русской медной компании.

Видеоролик ниже расскажет о производстве меди:

Медь (лат. Cuprum), Cu, химический элемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер 29, атомная масса 63,546; мягкий, ковкий металл красного цвета. Природная Медь состоит из смеси двух стабильных изотопов - 63Cu (69,1 %) и 65Cu (30,9 %).

Получение . Медные руды характеризуются невысоким содержанием Медь Поэтому перед плавкой тонкоизмельчённую руду подвергают механическому обогащению; при этом ценные минералы отделяются от основной массы пустой породы; в результате получают ряд товарных концентратов (например, медный, цинковый, пиритный) и отвальные хвосты.

В мировой практике 80 % Медь извлекают из концентратов пирометаллургическими методами, основанными на расплавлении всей массы материала. В процессе плавки, вследствие большего сродства Медь к сере, а компонентов пустой породы и железа к кислороду, Медь концентрируется в сульфидном расплаве (штейне), а окислы образуют шлак. Штейн отделяют от шлака отстаиванием.

На большинстве современных заводов плавку ведут в отражательных или в электрических печах. В отражательных печах рабочее пространство вытянуто в горизонтальном направлении; площадь пода 300 м2 и более (30 м ´ 10 м), необходимое для плавления тепло получают сжиганием углеродистого топлива (естественный газ, мазут, пылеуголь) 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 основную массу медных концентратов, обладают высокой теплотворной способностью. Поэтому всё 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 раскалённую до высокой температуры печь. Частицы горят во взвешенном состоянии (кислородно-взвешенная плавка). Можно окислять сульфиды и в жидком состоянии; эти процессы усиленно исследуются в СССР и за рубежом (Япония, Австралия, Канада) и становятся главным направлением в развитии пирометаллургии сульфидных медных руд.

Богатые кусковые сульфидные руды (2-3 % Cu) 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 (медно-серная 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 окислов железа в конвертер добавляют кварц; образуется конвертерный шлак. Затем окисляется сульфид меди с образованием металлической Медь 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 окислов переходят в шлак, а сера (в виде SO2) удаляется с газами. После удаления шлака Медь для восстановления растворённой в ней Cu2O «дразнят», погружая в жидкий металл концы сырых берёзовых или сосновых брёвен, после чего отливают его в плоские формы. Для электролитического рафинирования эти слитки подвешивают в ванне с раствором CuSO4, подкислённым 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, Te и другие 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.

Медь, относимая по классификации к цветным металлам, стала известной в глубокой древности. Ее производство человек освоил раньше, чем железо. Это объяснимо как частым ее нахождением на земной поверхности в доступном состоянии, так и относительной легкостью производства меди путем извлечения ее из соединений. Свое название Cu она получила от острова Кипра, где древняя технология производства меди получила большое распространение.

Благодаря своей высокой электропроводимости (медь из всех металлов - вторая после серебра) она считается особенно ценным электротехническим материалом. Хотя электропровод, на который ранее шло до 50% мирового производства меди, сегодня чаще всего изготовляют из более доступного алюминия. Медь, наряду с большинством прочих цветных металлов, считается все более дефицитным материалом. Это связано с тем, что сегодня называются богатыми те руды, что содержат около 5% меди, а основная ее добыча ведется переработкой 0,5%-ных руд. В то время как в прошлые века эти руды содержали от 6 до 9% Cu.

Медь относят к тугоплавким металлам. При плотности в 8,98 г/см3 ее температуры плавления и кипения составляют соответственно 1083°C и 2595°C. В соединениях она обычно присутствует с валентностью I или II, реже встречаются соединения с трехвалентной медью. Соли одновалентной меди чуть окрашенные или совсем без цвета, а двухвалентная медь дает своим солям в водном растворе характерную окрашенность. Чистая медь представляет собой тягучий металл красноватого или розового (на изломе) цвета. В просвете тонкогом слоя она может казаться зеленоватой или голубой. Большинство соединений меди имеют такие же цвета. Этот металл присутствует в составе множества минералов, из них при производстве меди в России применяют только 17. Самое большое место в этом отводится сульфидам, самородной меди, сульфосолям и карбонатам (силикатам).

В сырье заводов по производству меди помимо руд входят еще медные сплавы из отходов. Чаще всего они включают от 1 до 6% меди в соединениях серы: халькозине и халькопирите, ковелине, гидрокарбонатах и оксидах, медном колчедане. Также руды, наряду с пустой породой, включающей карбонаты кальция, магния, силикатов, пирит и кварц, могут содержать компоненты таких элементов, как: золото, олово, никель, цинк, серебро, кремний и др. Не считая самородных руд, включающих медь в доступном виде, все руды подразделяются на сульфидные или окисленные, а также смешанные. Первые получаются как результат реакций окисления, а вторые считаются первичными.

Способы производства меди

Среди способов производства меди из руд с концентратами выделяют пирометаллургический метод и гидрометаллургический. Последний не получил широкого распространения. Это продиктовано невозможностью одновременного с медью восстановления прочих металлов. Он используется для обработки окисленной или самородной руды с бедным содержанием меди. Отличаясь от него, пирометаллургический способ позволяет разработку любого сырья с извлечением всех компонентов. Очень эффективен он для подвергающихся обогащению руд.

Основной операцией такого процесса производства меди служит плавка. При ее производстве используют медные руды или их обожженные концентраты. В ходе подготовки к данной операции схемой производства меди предусмотрено их обогащение способом флотации. При этом руды, содержащие наряду с медью ценные элементы: теллур или селен, золото с серебром, стоит обогащать в целях одновременного перехода данных элементов в медный концентрат. Образованный таким методом концентрат может содержать до 35% меди, столько же железа, до 50% серы, а также пустую породу. Обжигу он подвергается в целях снижения до приемлемого содержания в нем серы.

Концентрат обжигается в преимущественно окислительной среде, что позволяет удалить примерно половины содержания серы. Полученный таким образом концентрат при переплавке дает довольно содержательный штейн. Еще обжиг помогает снизить вдвое расход топлива отражательной печью. Достигается это при качественном смешении состава шихты, обеспечивающем ее нагревание до 600ºС. Но богатые медью концентраты лучше перерабатывать, не обжигая, так как после этого возрастают утраты меди с пылью и в шлаке.

Итогом такой последовательности производства меди является деление объема расплава надвое: на штейн-сплав и шлак-сплав. Первую жидкость, как правило, составляют медные сульфиды и железные, вторую - окислы кремния, железа, алюминия и кальция. Переработку концентратов в сплав штейн ведут при помощи электрической либо отражательной печей различных видов. Чисто медные либо сернистые руды лучше плавить с помощью шахтных печей. К последним также стоит применить медно-серное плавление, позволяющее улавливать газы, одновременно извлекая серу.

В специальную печь небольшими порциями загружаются медные руды с кокс, а также известняки и оборотные продукты. Верхняя часть печи создает восстановительную атмосферу, нижняя часть - окислительную. По мере расплавления нижнего слоя масса медленно спускается вниз для встречи с разогретыми газами. Верхняя часть печи нагрета до 450 ºС, а температура отходящих газов составляет 1500 ºС. Это необходимо при создании условий очищения от пыли еще до того, как начнется выделение паров с серой.

В результате такой плавки получают штейн, включающий от 8 до 15% меди, шлак, главным образом содержащий известь с железным силикатом, а еще колошниковый газ. Из последнего после предварительного осаждения пыли удаляют серу. Задача увеличения в штейн-сплаве процента Cu при производстве меди в мире решается применением сократительной плавки. Она заключается в помещении в печь наряду со штейном кокса, флюса из кварца, известняка.

При нагревании смеси происходит процесс восстановления медных окисей и железных оксидов. Сплавляемые друг с другом железные и медные сульфиды составляют штейн первоначальный. Расплавляемый железный силикат при стекании вдоль поверхностей откосов принимают в себя прочие компоненты, пополняя шлак. Результатом такой плавки является получение обогащенного штейна со шлаком, включающих медь до 40% и 0,8% соответственно. Драгоценные металлы, такие как серебро с золотом, почти не растворяясь в сплаве шлака, целиком оказываются в сплаве штейна.

Производство черной и рафинированной меди

В ходе добычи черновой меди производством предусмотрено продувание штейн-сплава в конвертере бокового дутья воздухом. Это необходимо, чтобы окислить соединенное с серой железо и перевести его в состав шлака. Данная процедура называется конвертированием, она подразделяется на две стадии.

Первая состоит в изготовлении белого штейна посредством окисления железного сульфида с помощью флюса из кварца. Скапливающийся шлак удаляют, а на его место помещают очередную порцию первоначального штейна, восполняя постоянный объем его в конвертере. При этом в конвертере по ходу удаления шлака остается только белый штейн. Он содержит преимущественно сульфиды меди.

Следующей частью процесса конвертирования служит непосредственное изготовление черновой меди посредством переплавки белого штейна. Она получается путем окисления медного сульфида. Получаемая в ходе продувания медь черновая состоит уже на 99% из Cu с незначительным добавлением серы и различных металлов. При этом она еще не годится для технического использования. Поэтому после конвертирования к ней обязательно применяют метод рафинирования, т.е. очищения от примесей.

В производствах рафинированной меди требуемого качества медь черновая подвергается сначала огневому, потом электролитическому воздействию. Посредством его вместе с исключением ненужных примесей получают также содержащиеся в ней ценные компоненты. Для этого черновую медь на огневой стадии погружают в те печи, что применяют при переплавке концентрата меди в сплав штейна. А для электролиза необходимы специальные ванны, их изнутри покрывают винипластом либо свинцом.

Целью огневой стадии рафинирования является первичное очищение меди от примесей, необходимое для подготовки ее к следующей стадии рафинирования - электролитической. Из расплавляемой огневым методом меди вместе с растворенными газами и серой удаляются кислород, мышьяк, сурьма, железо и прочие металлы. Полученная таким способом медь может включать незначительное содержание селена с теллуром и висмутом, что ухудшает ее электропроводность и способность к обработке. Эти свойства особенно ценны для изготовления продукции из меди. Поэтому к ней применяют электролитическое рафинирование, позволяющее получение меди, пригодной для электротехники.

В ходе электролитического рафинирования анод, отливаемый из меди, прошедшей огневую стадию рафинирования, и катод из тонколистовой меди поочередно погружаются в ванну с сернокислым электролитом, через которую пропускают ток. Эта операция позволяет качественное очищение меди от вредных примесей с одновременным извлечением сопутствующих ценных металлов из анодной меди, являющей сплавом многих компонентов. Итогом такого рафинирования служит производство катодной меди особой чистоты, содержащей до 99,9% Cu, получение шлама, содержащего ценные металлы, селен с теллуром, а также загрязненного электролита. Он может быть использован для изготовления медного и никелевого купороса. Помимо этого неполное химическое растворение компонентов анода дает анодный скрап.

Электролитическое рафинирование выступает основным способом получения технически ценной меди для промышленности. В относящейся к странам-лидерам по производству меди России с ее помощью изготавливают кабельнопроводниковые изделия. Чистая медь широко применяется в электротехнике. Здесь также большое место занимают медные сплавы (латунь, бронза, мельхиор и др.) с цинком, железом, оловом, марганцем, никелем, алюминием. Медные соли нашли спрос в сельском хозяйстве, из них получают удобрения, катализаторы синтеза и средства для уничтожения вредителей.