Производство меди

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

“Производство меди”

Содержание

Введение

1. Медные руды и их подготовка к плавке

2. Производство меди

Литература

Введение

Медь - химический элемент І группы Периодической системы Д. И. Менделеева, порядковый номер 29, атомная масса 63, 54. Медь - металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления 1083°С. Кристаллическая решётка г.ц.к. с периодом a = 3, 6074 Е. Плотность меди 8, 94 г/смі. Медь обладает наибольшими (кроме серебра) электропроводностью и теплопроводностью. Электропроводность меди 57 м/(Ом·ммІ) при + 20°С. В зависимости от чистоты медь изготавливают следующих марок: М00 (99, 99% Cu), М0 (99, 95% Cu), М1 (99, 9% Сu), М2 (99, 7% Сu), М3 (99, 50% Сu). Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на её свойства.

По характеру взаимодействия примесей с медью их можно разделить на три группы.

1.Примеси, образующие с медью твёрдые растворы: Ni, Zn, Sb, Sn, Al, As, Fe, P и др.; эти примеси (особенно Sb и As) резко снижает электро- и теплопроводность меди, поэтому для проводников тока применяют медь марок М0 и М1, содержащую ? 0, 002% Sb и ?0, 002% As. Сурьма, кроме того, затрудняет горячую обработку давлением.

2.Примеси Pb, Bi и др., практически нерастворимые в меди; они образуют в ней легкоплавкие эвтетики; которые, выделяясь по границам зёрен, затрудняют обработку давлением; при содержании 0, 005% Bi медь разрушается при горячей обработке давлением; при более высоком содержании висмута медь становится, кроме того, хладноломкой; на электропроводность эти примеси оказывают небольшое влияние.

3. Примеси кислорода и серы, образующие с медью хрупкие химические соединения Cu?O и Cu?S, входящие в состав эвтектики; на электропроводность эти примеси лишь слабо влияют: сера улучшает обрабатываемость меди резанием; кислород, если он присутствует в меди, образует закись меди и вызывает «водородную болезнь».

При нагреве меди в атмосфере, содержащей водород, происходит его диффузия в глубь меди. Если в меди присутствуют включения Cu?O, то они реагируют с водородом, в результате чего образуются пары воды по реакции Cu?O+H? 2Cu+H?O, протекающей с увеличением объёма. Это создаёт в отдельных участках металла высокое давление и вызывает появление микротрещин, которые могут привести к разрушению детали.

Медь хорошо сопротивляется коррозии в обычных атмосферных условиях, в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но обладает плохой устойчивостью в сернистых газах и аммиаке.

Механические свойства меди в литом состоянии: у_в=16 кгс/ммІ, у_{0, 2} = 3, 5 кгс/ммІ, д =25%; в горячедеформированном состоянии: у_в=24 кгс/ммІ, у_{0, 2} =9, 5 кгс/ммІ, д=45%. Путём холодного деформирования предел прочности может быть повышен до 45 кгс/ммІ (проволока) при снижении относительного удлинения до 3%. Модуль нормального упругости меди E=11500 кгс/ммІ.

Медь легко обрабатывается давлением, но плохо резанием, и имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки. Медь плохо сваривается, но легко подвергается пайке. Её применяют в виде листов, прутков, труб и проволоки.

В электротехнической промышленности, электронике и электровакуумной технике применяют бескислородную медь М0б (0, 001% О₂) и М1р(0, 01% О₂).

1. Медные руды и их подготовка к плавке

медный руда плавка окисление

Для производства меди применяют медные руды, содержащие 1-6% Cu, а также отходы меди и её сплавов. В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений (CuFeS₂, Cu₂S, CuS), оксидов (Cu₂O, CuO) или гидрокарбонатов [СuCO₃·Cu(OH)₂, 2CuO₃·Cu(OH)₂].На ряду с медью эти руды часто содержат никель, цинк, свинец, золото, серебро и другие металлы.Пустая порода руд состоит из пирита FeS₂, кварца SiO₂, карбонатов магния и кальция, а также силикатов, содержащих Al₂O₃, CaO, MgO и окислы железа.

Медные руды подразделяют на сульфидные, окисленные и смешанные.

Сульфидные руды содержат 1-6% Cu, 9-46% S, a остальная часть состоит из SiO₂ ( до 55%) и Al₂O₃ (до 12%) с небольшими количествами цинка, CaO и MgO. Окисленные руды содержат около 2% Cu, 0, 1-0, 2% S, а остальная часть состоит из SiO₂ (до 68%) и Al₂O₃ (до 16%).Перед плавкой медные руды обогащают и получают концентрат.

Обогащают медные руды обычно методом флотации, основанным на различном смачивании водой соединений меди и пустой породы. В флотационной машине измельченная руда, вода и флотационные реагенты (например, пихтовое масло) образуют пульпу. Флотационные реагенты адсорбируются на частицах руды в виде плёнок, не смачиваемых водой. При продувке пульпы пузырьки воздуха концентрируются на поверхности этих частиц и увлекают их вверх, образуя слой пены, а смачиваемая водой пустая порода оседает на дно ванны. Собранную пену фильтруют, сушат и получают концентрат, содержащий 15…35% меди.

Обжигают концентрат при 750…850 °С в воздушной атмосфере с целью окисления сульфидов и уменьшения содержания серы.

Прогрессивным является обжиг в кипящем слое. Измельченный концентрат загружается в печь через окно 3 (рис.1). Снизу в печь по каналу 2 и отверстия в поддоне 1 подаётся воздух. Давление воздуха устанавливается таким, чтобы частицы концентрата находились во взвешенном («кипящем») состоянии. Обожжённый концентрат «переливается» через порог 5 печи в виде огарка. Отходящие сернистые газы очищаются в циклонах 4 и направляются в сернокислое производство. Обжигают лишь бедные (8-25% Cu) концентраты, а богатые (25-35% Cu) плавят без обжига.

Рис.1. Схема печи для обжига черновой меди

Рис.2. Схема конвертера для получения концентрата в кипящем слое.

2. Производство меди

Медь получают в основном пирометаллургическим способом. Этот способ применяют при переработке всех медных руд, так как он позволяет извлекать из руд попутно с медью другие металлы, в том числе и драгоценные. Упрощённая схема этого процесса изображена на рис.3.Основа процесса-плавка концентрата на штейн, при которой расплавленная масса разделяется на две части-штейн, состоящий из сульфидов, и шлак, состоящий из окислов.

Рис. 3. Упрощённая схема пирометаллургического способа производства меди.

Штейн выплавляют из концентрата в отражательных печах. Такие печи строят длиной до 40 м и ёмкостью до 100 т и более переплавляемой шихты. Отапливают печь мазутом, угольной пылью или газом. Максимальная температура в головной части печи составляет 1550°С и постепенно снижается к хвостовой части до 1250…1300°С. Шихту загружают вагонеткой через отверстия в своде печи.

В процессе плавки протекают реакции:

2Cu₂S + 2CuO=6Cu + SO₂; 2Cu + FeS=Cu₂S + Fe; Cu₂O + FeS=Cu₂S + FeO.

В результате этих реакций на поддоне печи скапливается расплавленный медный штейн- сплав сульфидов Cu₂S и FeS, содержащий 20…60 % Cu, 10…60 % Fe и до 25 % S. Образующие при плавке силикаты железа растворяют другие оксиды и всплывают в виде шлака. Штейн и шлак выпускают по мере их накопления через специальные отверстия в печи.

Медный штейн конвертируют для окисления сульфидов и железа, перевода образующихся окислов в шлак, а серы в SO₂ и получения черновой меди. Конвертируют штейн в горизонтальных конвертерах с боковым дутьем. Для этого через штейн пропускают сжатый воздух.

Черновую медь получают при продувке расплавленного штейна воздухом в конвертере (рис.2)-горизонтально расположенном цилиндрическом сосуде из листовой стали длиной 5…10 и диаметром 3…4, футерованном магнезитовым кирпичом 2. Воздушное дутьё подводится по трубам 3 и подаётся внутрь конвертера через 40…50 фурм 4, расположенных по его образующей. Для заливки штейна в горловину 1 и выливки продуктов плавки конвертер поворачивают на роликах 5.

Конвертирование разделяют на два периода.

В первом периоде, длящемся 6-25 ч, сульфиды железа и меди окисляются:

2FeS + 3O₂=2FeO + 2SO₂ + Q_1;

2Cu₂ + 3O₂=2Cu₂O + 2SO₂ +Q₂.

Образующаяся закись железа связывается SiO₂ и удаляется в шлак:

2FeO + SiO₂=(FeO)₂·SiO₂.

В результате этих экзотермических реакций выделяющаяся теплота Q₁ и Q₂ разогревает расплав с 1100-1200 до 1250-1300°С, что нежелательно, поэтому в ванну добавляют охладители-твёрдый штейн и отходы меди. В результате за первый период в конвертере получают белый штейн, состоящий в основном из сульфидов меди.

Во втором периоде продолжительностью 2-3 ч из белого штейна образуется черновая медь окислением сульфида меди:

Cu₂S + 3O₂=2Cu₂O + 2SO₂.

Образовавшаяся закись меди взаимодействует с сульфидом меди; в результате этого выделяется медь:

Cu₂S + 2Cu₂O=6Cu + SO₂.

Таким образом, в конвертере получают черновую медь МК1, содержащую 98, 4-99, 4% Cu, 0, 01-0, 04% Fe, 0, 02-0, 1% S и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Черновая медь содержит до 1, 5% примесей. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.

Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей: сначала производят огневое, а затем электролитическое рафинирование.

Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, имеющих большее сродство к кислороду, чем медь, удалении их с газами и переводе в шлак. Для огневого рафинирования применяют отражательные печи. Огневое рафинирование длится ~20 ч при использовании твёрдой черновой меди и 12-14 ч при использовании жидкой черновой меди после конвертирования.

Примеси окисляются кислородом воздуха, подаваемым по стальным трубкам, погруженным в ванну расплавленной черновой меди.

При этом кислород соединяется с медью по реакции

4Cu + O₂=2Cu₂O.

Закись меди далее реагируют с примесями по реакции

Ме + Cu₂O=MeO + 2Cu.

По этой реакции окисляется такие примеси, как примеси алюминия, железа, никеля, цинка, сурьмы, мышьяка.

Сера окисляется по реакции

Cu₂S + 2Cu₂O=6Cu + SO₂.

Период окисления примесей длится около 3 ч. Затем удаляются газы («дразнение» на плотность).Для этого с расплавленной меди снимают шлак и погружают в неё сырое дерево. Бурное выделение паров воды перемешивает медь и способствует завершению удаления серы, SO₂ и других газов. При этом медь окисляется, и для освобождения её от Cu₂O проводят «дразнение» на ковкость. Для этого ванну жидкой меди покрывают слоем древесного угля и погружают в неё деревянные жерди. Вследствие сухой перегонки древесины, погруженной в медь, образуются углеводороды, которые, взаимодействия с Cu₂O, восстанавливают её:

4Cu₂O + CH₄=CO₂ + 2H₂O + 8Cu

Содержание Cu₂O в меди снижается с 10-12 до 0, 3-0, 5%.

После огневого рафинирования получают медь чистотой 99-99.5%.Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов меди или слитки в виде плит для последующего электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование меди проводят для получения чистой от примесей меди (99, 95 % Cu). Электролиз проводят в ваннах, покрытых изнутри винипластом или свинцом. Аноды изготовляют из меди огневого рафинирования, а катоды-из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор CuSO₄ (10-16 %) и H₂SO₄ (10-16 %). При пропускании постоянного тока напряжением 2…3 В и плотностью 100…400 А/м² анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди, осаждаясь на них слоем чистой меди:

Cu²⁺ + 2^_>Cu.

Примеси (мышьяк, сурьма, висмут, селен, теллур) вместе с драгоценными металлами осаждаются на дно ванны в виде шлама, который затем удаляют через отверстие в дне ванны и перерабатывают для извлечения этих металлов. Иногда в шламе содержатся до 35 % Ag, 6 % Se, 3 % Fe, 1 % Au и другие ценные элементы.

Катоды выгружают через 5-12 дней, когда их масса достигает 60-90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах.

Медь по чистоте подразделяют на марки : МО (99, 95 % Cu), M1 (99, 9 % Cu), M2 (99, 7 % Cu), M3 (99, 5 % Cu), M4 (99 % Cu).

Литература

1. Дальский А.М. «Технология конструкционных материалов». М. 1977.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. «Материаловедение». М. 1980.

3. Прейс Г. А. «Технология конструкционных материалов». К. 1991.

Размещено на Allbest.ru