Производство меди

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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:

1. Тяжелые металлы – Cu, Ni, Pb, Zn, Sn;
2. Легкие металлы – Al, Mg, Ca, K, Na, Ba, Be, Li;
3. Благородные металлы - Au, Ag, Pt и ее природные спутники
4. 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: