Производство меди

1



16



МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ



Кафедра металлургических технологий















КУРСОВАЯ РАБОТА



По дисциплине: Технология металлов

На тему: Производство меди













Выполнила: Розанова Е. В.

группа Э-42

Проверила: Окунева Т. А.













Череповец

2001 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

	Введение	2

	Глава 1  Свойства меди	4

	Глава 2  Сырье для получения меди	6

	Глава 3  Пирометаллургический способ производства меди	7

	1. Поготовка руд к плавке	7

	2. Выплавка медного штейна	8

	3. Конвертирование медного штейна	11

	4. Рафинирование меди	13

	Заключение	13

	Список литературы	14

	Приложение	15





























































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:

Тяжелые металлы – Cu, Ni, Pb, Zn, Sn;

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

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

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.

	Черновую медь далее подвергают рафинированию – очистке от примесей.



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 + ½ 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.



Рафинирование меди



Для получения меди необходимо чистоты черновую медь подвергают огневому и электролитическому рафинированию, и при этом, помимо удаления вредных примесей, можно извлечь также благородные металлы. Огневое рафинирование черновой меди проводят в печах, напоминающие отражательные печи, используемые для выплавки штейна из медных концентратов. Электролиз ведут в ваннах, футурованных внутри свинцом или винипластом.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ



            Медь имеет широкое применение. Так, например, чистая медь используется электротехнической промышленности.

           Важное значение имеют сплавы меди: латунь (сплав меди с цинком), бронза (сплав меди с оловом), алюминиевая бронза (сплав меди с алюминием), мельхиор (сплав меди с железом, никелем и марганцем) и др.

           Соли меди используется в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями, в качестве микроудобрений, а также в качестве катализаторов в химическом синтезе.









СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



Архипов В. В. Технология металлов и других конструкционных материалов. 

М.: «Высшая школа», - 1968

Воскобойников В. Г. Общая металлургия. М.: - Металлургия, - 1985

Технология конструкционных материалов. /под ред. Дальского А. М. – М.: «Машиностроение», - 1985

















































ПРИЛОЖЕНИЕ

СХЕМА 1



ПОДГОТОВКА  РУД  К  ПЛАВКЕ

(ОБОГАЩЕНИЕ, ОБЖИГ)





ПЛАВКА НА ШТЕЙН





  ШЛАК                             ШТЕЙН



                                    В ОТВАЛ



КОНВЕРТИРОВАНИЕ ШТЕЙНА

 (ПРОДУВКА ВОЗДУХОМ)



   ЧЕРНОВАЯ МЕДЬ       КОНВЕРТЕРНЫЙ 

                                       ШЛАК



РАФИНИРОВАНИЕ



ОТХОДЫ                    МЕДЬ





ПЕРЕРАБОТКА ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ

Ag, Au, Te и др.







СХЕМА 2





ПЕРВЫЙ ПЕРИОД



2 FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 + 930360 Дж

2CuS + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2 + 765600 Дж

Cu2O + FeS = Cu2S + FeO

2FeO + SiO2 = (FeO)2  SiO2

6FeO + O2 = 2Fe3O4



ВТОРОЙ ПЕРИОД

2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2

Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + SO2