Обработка меди

Обработка меди – извлечение меди из ее руд для получения медного металла или химических соединений для использования в различных продуктах.

В чистом виде или в виде сплава медь (Cu) является одним из наиболее важных металлов в обществе. Чистый металл имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру. У меди нет критической температуры, при которой изменяется кристаллическая структура, следовательно, она является пластичным и обладает высоким уровнем теплопроводности, что делает ее привлекательным для широкого спектра декоративных и практических применений. При холодной обработке медь становится более твердой, но ее можно снова сделать мягкой через термическую обработку, известную как отжиг.

История

Медь была обнаружена и впервые использована во времена Неолитического периода или нового каменного века. Податливость материала делала его относительно простым для формования орудий. Яркий красноватый цвет металла и его долговечность сделали его очень ценным.

Поиск меди в этот ранний период привел к открытию и обработке месторождений нативной меди. За 6000 лет до н.э. было обнаружено, что металл можно расплавить в костре и создать желаемую форму. Затем последовало обнаружение связи металлической меди с медьсодержащей породой и возможности сокращения руд на металл с помощью огня и древесного угля. Это был рассвет металлургии.

Раннее развитие меди, наблюдается в Египте. За 5000 лет до н.э. египтяне использовали медные орудия, которые были оставлены в могилах для использования мертвых. Обнаружены определенные данные о работе медных рудников на Синайском полуострове около 3800 год до н.э., а обнаруженный тиглей указывает на то, что искусство извлечения металла включало в себя некоторую очистку. Медь была забита в тонкие листы, сформированные в трубы и другие предметы. В течение этого периода появилась бронза. Самая старая известная часть этого материала - бронзовый стержень, найденный в пирамиде при Майдум, недалеко от Мемфиса в Египте, датой происхождения в целом считается около 3700 лет до н.э.

Бронза, сплав меди и олова, является более твердым и жестким, чем другие металлы; они широко использовались для изготовления оружия и предметов искусства. Период его обширного и характерного использования данных металлов был обозначен периодом Бронзового века. Из Египта бронза быстро распространяется на Средиземноморье: на острове Крит за 3000 лет до н.э., на Сицилии за 2500 лет до н.э., во Франции и других частях Европы за 2000 лет до н.э., а в Великобритании и Скандинавской области за 1800 лет до н.э.

За 3000 лет до н.э. медь широко использовалась на острове Кипр. Медные отложения там высоко ценились последовательными хозяевами острова - египтянами, ассирийцами, финикийцами, греками, персами и римлянами. Кипр был почти единственным источником меди для римлян, который назвал его «кипр» («руда Кипра»), который был сокращен до кипра, а затем испорчен до чашки, из которого приходит английское название меди. Первые две буквы латинского названия представляют химический символ (Cu).

Когда человек научился изготавливать оружие из железа и стали, медь стала играть другую роль. Будучи прочным металлом, он широко использовался для создания бытовых приборов и водопроводов, а также для морских применений и других целей, которые требовали устойчивости к коррозии.

Руда

Основные формы, в которых найдены медные руды, включают нативную медь, порфировую медь, массивные отложения и смешанные руды. Родная медь - это просто металл, найденный невосприимчивым по своей природе. Иногда медь все еще встречается в ее нативной форме, но чаще она смешивается с другими минералами, некоторые из которых могут иметь ценность сами. Количество меди в руде может варьироваться от 0,4 процента до более чем 12 процентов.

Порфировые месторождения меди, в которых медные материалы более или менее равномерно разбросаны по всей породе, составляют наибольший тоннаж металла в добывающих районах мира. Медные минералы в верхних частях представляют собой оксиды (медь, химически объединенные с кислородом), а в нижних - сульфиды (медь с серой). Ведущая порода - порфиры, сланцы или другие породы. Массовые отложения имеют более высокое содержание металлов, но в более ограниченной степени; они могут быть окислены в верхней части сульфидами ниже. В смешанных рудах никель, цинк или свинец могут содержаться в меди; когда такая руда добывается, эти металлы также очищаются и продаются в качестве побочных продуктов.

Горная промышленность

Для низкосортных отложений, расположенных вблизи поверхности, метод открытой разработки является наиболее практичным для добычи крупных тоннажей материала. В подземной горной промышленности вертикальные шахты опускаются на более чем 1000 метров ниже поверхности, а туннели распространяются на рудное тело. Руда, разрушенная путем бурения и взрыва, поднимается через вал и транспортируется на обогатительную фабрику. В некоторых случаях первичное дробление происходит под землей; в других, рампа и грузовики несут руду на поверхность.

Добыча и переработка

Добыча меди из руды обычно осуществляется тремя основными этапами. Первым этапом переработки полезных ископаемых является высвобождение медных минералов и удаление компонентов отходов, таких как оксид алюминия, известняк, пирит и диоксид кремния, так что минералы меди и другие цветные полезные ископаемые сосредоточены в продукте, содержащем от 20 до 30 процентов меди. Вторая стадия, включающая либо плавку, либо выщелачивание, удаляет значительную часть примесных элементов. Последним шагом происходит удаление следов примесных элементов. Производится медный продукт с чистотой 99,99%.

  • Переработка полезных ископаемых

На обогатительной фабрике материал, полученный из рудника, измельчается в несколько этапов и мелко измельчается до размера, обеспечивающего выделение медных минералов из отходов. В случаях, когда следующей стадией является выщелачивание (чаще всего в случае оксидных руд), полное освобождение медных минералов не всегда необходимо; руда должна быть измельчена и измельчена только в той степени, в которой она должна быть подвергнута воздействию выщелачивающего вещества. С другой стороны, для сульфидных руд селективная флотация обычно следует за стадией дробления и измельчения и требует оптимальной степени освобождения.

В процессе флотации тонко измельченная руда, смешанная с водой и специальными реагентами, перемешивается механическими и пневматическими устройствами. Они продуцируют пузырьки воздуха в рудно-водной смеси или суспензии. Реагенты обеспечивают притяжение между поверхностью медных минералов и пузырьками воздуха. По мере того, как пузырьки поднимаются на поверхность, они несут с собой медные минералы, оставляя живые минералы в клетке, которые отбрасываются как хвосты. Сбор пены с поверхности флотационной камеры дает медный концентрат. Для увеличения извлечения меди и уменьшения потерь хвосты часто перевернуты и проходят через вторую флотацию, концентрат, из которого сочетается с первоначальным производством. Затем флотационный концентрат обезвоживают и фильтруют для получения осадка на фильтре, который направляется на медеплавильный завод.

  • Обжиг, плавка и конвертирование

После получения концентрата, содержащего меди и других металлов (например, золота и серебра), следующим шагом является удаление примесных элементов. Раньше ее обрабатывали концентратом, содержащим от 5 до 10 процентов воды. Когда концентрат попадает в ростер, он нагревается потоком горячего воздуха (590 ° C).

Летучие примеси, такие как мышьяк, ртуть и часть серы удаляются, причем сера удаляется в виде диоксида серы. Остается окисленный продукт, содержащий процент серы, достаточно низкий для плавки. Это традиционно делается в реверберационной или электродуговой печи, в которую подается концентрат с подходящим количеством потока, обычно кремнезем и иногда известняком. Они нагреваются сгоревшим топливом или электрическим током до температуры 1,230-1,300 ° C, создавая искусственный сульфид железа, который оседает в расплавленном бассейне на дне печи. Сульфидный материал, известный как матовый, содержит от 45 до 70 процентов меди, в зависимости от конкретного процесса. Живые минералы и окисленные примеси, включая большую часть железа, реагируют с потоком и образуют легкий, жидкий слой шлак над штейном. Определенный процент летучих примесей, таких как сера, окисляется и выходит из потока технологического газа.

Традиционный двухступенчатый процесс, описанный выше, во многом был заменен новыми процессами плавки. Они начинаются с сухого концентрата, содержащего менее 1% воды, который вместе с флюсом контактирует в печи с помощью взрыва кислорода или обогащенного кислородом воздуха. Железо и сера окисляются, а тепло, выделяемое этими экзотермическими реакциями, является достаточным для того, чтобы расплавить концентрат до жидкого штейна и шлака. В зависимости от состава концентрата можно проводить аутогенную плавку, то есть без использования вспомогательного топлива, как это требуется при реверберационной или электродуговой плавке. В дополнение к снижению потребления топлива, новые процессы производят относительно низкие объемы газа, который, будучи высоким содержанием двуокиси серы, хорошо подходит для производства серной кислоты. Новые плавильные заводы предназначены для сбора 90 процентов или более серы, содержащейся в сырьевых материалах.

После того, как шлак, содержащий большой процент примесных элементов, удаляется из штейна, оставшееся железо и сера удаляются в процессе конверсии, представляющий собой цилиндрическую стальную оболочку, обычно диаметром около четырех метров и облицован огнеупорным кирпичом. После зарядкиштейна, флюса и медного лома (для контроля температуры) преобразователь поворачивается для погружения фурм в ванну расплава. Воздух или обогащенный кислородом воздух затем вдувается через фурмы в жидкость. Железо и серу превращают в оксиды и удаляют либо в газовом потоке, либо в шлаке (последний рециркулируется для восстановления оставшихся значений), оставляя "блистерной "меди, содержащей от 98,5 до 99,5% меди и до 0,8% кислорода. Преобразователь повернут для снятия шлака и заливки пузырьковой меди.

Конверсия жидкого штейна во вращающийся конвертер представляет собой периодическую операцию, но более новые непрерывные процессы используют стационарные печи, аналогичные тем, которые используются для плавки. Непрерывные системы имеют преимущество в снижении газообразных и твердых частиц, обычно образующихся при конверсии.

Заключительный шаг состоит в том, чтобы очистить блистерную медь, чтобы снизить содержание серы и кислорода до еще более низких уровней. Этот процесс окислительно-восстановительного процесса обычно проводят в отдельной печи, чтобы гарантировать, что конечный продукт плавильного завода достигнет уровня 99,5% меди, который требуется для электролитического рафинирования. В этот момент медь отливается в аноды, форма и вес которых продиктованы конкретным электролитическим нефтеперерабатывающим заводом.

  • Выщелачивание

Периодически принимается в предположении плавки (или пирометаллургии, как это обычно известно), выщелачивание или гидрометаллургия, происходящая при более низких температурах и, таким образом, исключает образование двуокиси серы. В гидрометаллургических процессах руда или концентрат вводятся в тесный контакт с выщелачивающим раствором (часто серной кислотой), который растворяет медь и оставляет остаток драгоценных металлов. Различные системы, некоторые довольно сложные, используются для приведения медных минералов в контакт с выщелачивающим раствором, промывают и фильтруют остаток, и, наконец, очищают раствор для удаления растворенного железа и других примесей. Экстракция растворителем с использованием органических растворителей имеет большое значение для очистки выщелачивающих растворов и концентрирования растворенной меди в меньших объемах. Медь из очень разбавленных растворов ранее восстанавливалась цементацией на металлоломе; это привело к получению промежуточного продукта, который обычно возвращался в плавильный завод. С другой стороны, современная экстракция растворителем привела к некоторым процедурам, в которых богатый кислотой раствор, просачивающийся через даже относительно низкосортные руды, может создать раствор, который можно сделать достаточно сконцентрированным для электроочистки.

  • Электролитический процесс

Это последний этап как пиро-, так и гидрометаллургической обработки. В электролитном процессе медные аноды и исходные листы погружают в электролитический раствор, состоящий из сульфата меди и серной кислоты. Через раствор пропускается электрический ток, а медь из положительно заряженного анода осаждается в чистом виде на отрицательно заряженном исходном листе, который действует как катод. Незначительные примеси, включая драгоценные металлы, оседают в нижней части ячейки в виде анодных шламов для дальнейшей обработки. Медь в растворе из гидрометаллургического процесса извлекается в аналогичной электрической ячейке с использованием свинцового анода. Здесь электрический ток удаляет медь из раствора, для осаждения на катоде. Оба процесса способны производить катодную медь с чистотой более 99,9%.