Металлургия меди Лекция 1 Медь Простое вещество

Металлургия меди Лекция 1

Медь Простое вещество медь — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). o Удельное сопротивление меди равно 0, 018 Ом · мм 2/м o Теплопроводность при 20 °С составляет 385 Вт/(м · К). o Электропроводность в 1, 7 раза выше, чем у алюминия, и примерно в 6 раз выше, чем у платины и железа. o Медь обладает ценными механическими свойствами— ковкостью и тягучестью. o Плотность (при н. у. ) 8, 92 г/см³ o Температура плавления 1356, 55 K 2

Медные руды 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 Cu. Fe. S 2, халькозин Cu 2 S, ковелин Cu. S), окислов (куприт Cu 2 O, тенорит Cu. O) или гидрокарбонатов (малахит Cu 2 CO 3(OH)2, азурит Cu 3(CO 3)2(OH)2). Руды разделяют на сульфидные, окисленные и смешанные. Медные руды содержат ценные элементы Zn, Pb, Ni, Cd, Mo, Co, S, Te, Ag, Au. Схема переработки меди связана с их извлечением. Из руд медь извлекают двумя способами: пирометаллургическим и гидрометаллургическим. Большую часть меди (85— 90%) производят пирометаллургический способом из сульфидных руд. 3

4

Пирометаллургический способ производства меди является многостадийным. Основные стадии этого производства: o подготовка руд (обогащение и иногда дополнительно обжиг), o плавка на штейн (выплавка медного штейна), o конвертирование штейна с получением черновой меди, o рафинирование черновой меди (сначала огневое, а затем электролитическое). 5

Подготовка медных руд к плавке Сульфидные медные руды обогащают преимущественно методом пенной флотации. Предварительно руду измельчают до частиц крупностью 0, 1— 0, 5 мм. После флотации получают медный концентрат, содержащий 8— 35 % Сu, 40— 50 % S, 30— 35 % Fe и пустую породу, главными составляющими которой являются Si. O 2, Al 2 O 3 и Са. О. Большую часть концентратов (богатые концентраты, содержащие 25— 35 % Сu) переплавляют на штейн без обжига, а незначительную часть (бедные концентраты, содержащие 10— 25 % Сu) предварительно подвергают обжигу. Основная цель обжига — частичное окисление содержащихся в концентрате серы и железа с тем, чтобы в последующем обеспечивалось получение штейна с достаточно высоким (~ 25— 30 %) содержанием меди. 6

Плавка на штейн Штейн — смесь сульфидов железа, никеля, меди, кобальта и других элементов. Штейн — промежуточный продукт при получении некоторых цветных металлов (Cu, Ni, Pb и др. ) из их сульфидных руд. Плавку на штейн или выплавку штейна осуществляют для того, чтобы путем расплавления шихты получить два жидких продукта - штейн и шлак и тем самым отделить медь, переходящую в штейн от оксидов шихты, которые образуют шлак. Штейн содержит 80 -90% Cu 2 S + Fe. S, где 15 -55 % Cu, 15 -50% Fe, 20 -30% S, 0, 5 -1, 5 % Si. O 2, 0, 5 -3, 0% Al 2 O 3, Ca. O, Mg. O, ≈ 2% Zn, Au, Ag. Извлечение меди и благородных металлов в штейн достигает 96 -99, 5 %. 7

Конвертирование медного штейна Цель конвертирования — получение черновой меди путем окисления содержащихся в штейне серы и железа. Конвертирование осуществляют продувкой штейна воздухом в горизонтальном конвертере. Вследствие экзотермичности основных реакций конвертирование не требует затрат топлива. 8

Горизонтальный конвертер: 1 — горловина; 2 — окно для загрузки флюсов; 3 — воздушный коллектор; 4 — фурмы 9

Конвертирование медного штейна Первый период (период окисления сульфида железа): 2 Fe. S + 3 O 2 = 2 Fe. O + 2 SO 2 2 Fe. O + Si. O 2 = (Fe. O)2·Si. O 2. Второй период — получение черновой меди из белого штейна заключается в продувке без добавки в конвертер флюса. Основная реакция периода: Cu 2 S + O 2 = 2 Сu + SO 2. В результате продувки получаются черновая медь, содержащая 96, 0 -99, 4% Си, 0, 01 -0, 04 % Fe, 0, 02— 0, 1 % S и небольшое количество Ni, Sn, As, Sb, Ag, Au, и конвертерный шлак, содержащий 22 -30 % Si. O 2, 45 -70% Fe. O, около 3% Аl 2 O 3 и 1, 52, 5% Сu. 10

Рафинирование меди Рафинирование черновой меди от примесей по экономическим соображениям проводят в две стадии — вначале методом огневого рафинирования, а затем электролитическим методом. Огневое рафинирование Цель огневого рафинирования - подготовить медь к электролитическому рафинированию путем удаления из нее основного количества примесей. Данный метод сводится к окислению примесей и переводу их в шлак и удалению с газами. Электролитическое рафинирование При электролитическом рафинировании решаются две задачи — глубокое рафинирование меди от примесей, что обеспечивает ее высокую электропроводность, и попутно извлечение ценных золота, серебра и селена. 11

Огневое рафинирование Процесс складывается из следующих операций: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Загрузка Расплавление Окисление примесей Удаление растворенных газов Раскисление Cu Разливка Окисляются примеси с большим, чем у меди химическим сродством к кислороду — такие как Al, Fe, Zn, Sb, Bi, As, Ni и немного меди до Cu 2 O. Полностью остаются в меди золото и серебро и большая часть селена и теллура. Оксиды примесей, Cu 2 O и загружаемый в печь в небольших количествах кремнезем образуют на поверхности ванны шлак, который в конце окислительной продувки удаляют из печи. 12

Электролитическое рафинирование Электролитом служит раствор Cu. SO 4 и H 2 SO 4 напряжение между анодами и катодами 0, 3— 0, 4 В. Происходит электролитическое растворение анодов, т. е. в раствор переходят ионы Сu 2+ , а на катодах эти ионы разряжаются, осаждаясь на них слоем чистой меди. Электролит периодически обновляют. Часть примесей остается в электролите, а такие как Au, Ag, Se, Те, Pb, Sn, Pt выпадают в осадок — шлам, который выгружают из ванны и перерабатывают, извлекая ценные металлы. 13

Применение 14

Применение • • • Электротехника Машиностроение Производство бесшовных труб Ювелирная промышленность Химическая промышленность Катализаторы 15

Соединения и сплавы меди На основе меди создано большое число сплавов с такими металлами, как Zn, Sn, Al, Be, Ni, Mn, Pb, Ti, Ag, Au и др. , и реже с неметаллами Р, S, О и др. Широко применяют сплавы типа оловянных (4— 33 % Sn), свинцовых (~ 30 % Pb), алюминиевых (5 -11 % Al), кремниевых (4 -5 % Si) и сурьмяных бронз. В химической промышленности и машиностроении также широко применяют латунь — сплав меди с цинком (до 50 % Zn), обычно с добавками небольших количеств других элементов (Al, Si, Ni, Mn). 16

Интересные факты o Индейцы культуры Чонос (Эквадор) ещё в XV—XVI веках выплавляли медь с содержанием 99, 5 % и употребляли её в качестве монеты в виде топориков 2 мм по сторонам и 0, 5 мм толщиной. Данная монета ходила по всему западному побережью Южной Америки, в том числе и в государстве Инков. o В Японии медным трубопроводам для газа в зданиях присвоен статус «сейсмостойких» . o Инструменты, изготовленные из меди и её сплавов не создают искр, а потому применяются там, где существуют особые требования безопасности (огнеопасные, взрывоопасные производства). o В организме взрослого человека содержится до 80 мг меди. o Польские учёные установили, что в тех водоёмах, где присутствует медь, карпы отличаются крупными габаритами. В прудах или озёрах, где меди нет, быстро развивается грибок, который поражает карпов. 17

Металлургия никеля Лекция 18

Никель — металл серебристо-белого цвета. По ряду свойств (температуре плавления, плотности, теплопроводности) он близок к железу и кобальту и характеризуется средней химической активностью. При обычной температуре в сухом воздухе никель заметно не реагирует с кислородом, но при нагревании до 500 °С окисляется довольно энергично. В порошкообразном состоянии никель пирофорен, т. е. воспламеняется на воздухе при обычной температуре. Плотность (при н. у. ) 8, 902 г/см³ Температура плавления 1 726 K 19

Производство Никель получают из окисленных никелевых и из сульфидных медно-никелевых руд. В этих рудах содержится 0, 3 -5, 5 % Ni до 2, 5 % Сu, до 0, 2 % Со и в небольших количествах металлы платиновой группы, а также Те, Se, Ag, Au. Никель обычно содержится в сульфидных и мышьяксодержащих медно-никелевых рудах: o o o никелин (красный никелевый колчедан, купферникель) Ni. As хлоантит (белый никелевый колчедан) (Ni, Co, Fe)As 2 гарниерит (Mg, Ni)6(Si 4 O 11)(OH)6*H 2 O и другие силикаты магнитный колчедан (Fe, Ni, Cu)S мышьяково-никелевый блеск (герсдорфит) Ni. As. S, пентландит (Fe, Ni)9 S 8 20

21

Пирометаллургический способ Медно-никелевые руды обогащают флотационными способами, получая медно -никелевый концентрат. Плавку руд с суммарным содержанием более 4 -5 % меди и никеля проводят без обогащения. плавка → конвертирование штейнов → рафинирование → переплав 22

Плавка Целью плавки является максимальное извлечение никеля в штейн и перевод пустой породы руды в шлак. Плавка является восстановительной, ее ведут с высоким расходом кокса (25— 30% от массы агломерата). В печь загружают шихту, состоящую из агломерата или брикетов, гипса или пирита, известняка и кокса. Кокс служит топливом, известняк вносит необходимый для формирования шлака оксид Са. О, гипс Ca. SO 4· 2 H 2 Oи пирит Fe. S 2 являются сульфидизаторами, т. е. вносят необходимую для процесса серу. Файнштейн — промежуточный продукт в пирометаллургической фазе получения никеля (Ni 3 S 2). Получается при конвертировании штейнов. Медный файнштейн (Cu 2 S) чаще называется белым маттом. 23

Конвертирование Цель конвертирования — получить никелевый файнштейн (сплав Ni 3 S 2 и Ni) путем окисления железа и связанной с ним серы. Процесс осуществляют в горизонтальных конвертерах. Дутьем служит воздух. Получаемый файнштейн представляет собой сплав Ni 3 S 2 с Ni, файнштейн разливают в изложницы. Он содержит 76— 78% Ni, 19 -21% S, 0, 2 -0, 4% Fe, 0, 3 -0, 5% Со И < 2 % Сu. Конвертерный шлак содержит 26 -30% Si. O 2, 55— 60% Fe. O, около 1 % Ni и 0, 2— 0, 5 % Со. 24

Рафинирование Окислительный обжиг файнштейна имеет целью удалить серу до содержания < 0, 02 % и перевести никель в Ni. O. Ni 3 S 2 + 3, 5 O 2 = 3 Ni. O + 2 SO 2 и Ni + 1/2 O 2 = Ni. O Получаемый оксид никеля содержит, %: Ni ~ 78; Сu 0, 4; Со 0, 4 -0, 5; Fe 0, 2 -0, 4. 25

Переплав Целью восстановительной электроплавки является получение жидкого никеля из оксида Ni. O или предварительно частично восстановленного Ni. O. Шихтой служат Ni. O, малосернистый нефтяной кокс (восстановитель), известняк. Ni. O + С = Ni + СО После окончания восстановления проводят доводку с целью удаления избыточного углерода — в печь вводят Ni. O и углерод окисляется, реагируя с кислородом оксида. В этот период в печь загружают известняк, наводя известковый шлак, в который удаляется сера. Готовый жидкий никель гранулируют, сливая в бассейн с водой, получая так называемый огневой никель в виде гранул, он содержит более 98, 6 % Ni, менее 0, 1 % С и менее 0, 6% Сu. 26

Карбонильный способ Сначала из сульфидных руд получают медно-никелевый штейн, над которым пропускают CO под высоким давлением. Образуется летучий Ni(CO)4, из которого термическим разложением получают металл. «Карбонильный никель» , особенно порошковый, отличается рекордной чистотой; он незаменим в производстве металлокерамики. Термическое разложение карбонила никеля - способ получения не только металлического никеля как такового, но и никелевых покрытий. 27

Алюмотермический способ Алюминотермия (алюмотермия; от лат. Aluminium и греч. therme — тепло, жар) — способ получения металлов, неметаллов (а также сплавов) восстановлением их оксидов металлическим алюминием. 3 Ni. O + Al = 3 Ni + Al 2 O 3 28

Применение Никель — ценная легирующая добавка к стали. Он повышает прочность и одновременно пластичность сталей. Никель в сочетании с хромом обеспечивает высокую антикоррозионную стойкость сталей и повышает их теплоустойчивость. Широкое применение получили хромоникелевые нержавеющие и теплоустойчивые стали. Около 80% всего производимого никеля расходуют для производства сталей, легированных никелем, и никелевых сплавов. Никелирование — создание никелевого покрытия на поверхности другого металла с целью предохранения его от коррозии. Никель применяют для никелирования железа и других металлов в качестве противокоррозионного и декоративного покрытия. Никель применяют для изготовления щелочных аккумуляторов и в качестве катализатора в разных химических процессах. 29

Сплавы никеля Никель является основой большинства суперсплавов — жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок. Известны также никелевые сплавы, в которых никель является преобладающим элементом. К ним относят сплавы никеля с алюминием, хромом, марганцем, кремнием, предназначенные для изготовления нагревателей (алюмель, хромель-, нихром), сплав с железом - так называемый пермаллой, которому после специальной термической обработки сообщается высокая магнитная проницаемость, а также монель — сплав с медью, железом и марганцем, высокостойкий против коррозии. o монель-металл (65 — 67 % Ni + 30 — 32 % Cu + 1 % Mn), жаростойкий до 500 °C, очень коррозионно-устойчив; o белое золото (например 585 пробы содержит 58, 5 % золота и сплав (лигатуру) из серебра и никеля (или палладия)); o нихром, сплав сопротивления (60 % Ni + 40 % Cr); o пермаллой (76 % Ni + 17 %Fe + 5 % Cu + 2 % Cr), обладает высокой магнитной восприимчивостью при очень малых потерях на гистерезис; o инвар (65 % Fe + 35 % Ni), почти не удлиняется при нагревании; 30

Вопросы для самоконтроля: 1. Что такое “плавка на штейн”. При получении каких металлов используется. 2. Физические свойства и области использования меди. 3. Способы рафинирования меди. 4. Чем обусловлена необходимость рафинирования металлов. 5. Что такое “шламы”. Как они используются. 6. Какие минералы и ценные элементы содержат медные и никелевые руды. 31

Вопросы для самоконтроля (алюминий): 1. 2. 3. 4. 5. Получение глинозема по методу Байера. Получение металлического алюминия. Методы рафинирования алюминия. Сущность метода “зонной плавки”. Основные составляющие себестоимости производства алюминия. 6. Последовательность химических реакций, используемых для получения алюминия. 7. Физические свойства и области использования алюминия. Какой металл близок по свойствам алюминию. 8. Что такое криолит и для чего он используется. 32

Приложение 1 1. 2. Основные составляющие себестоимости производства алюминия: Извлечение глинозема при использовании описанного способа Байера составляет около 87 %. На производство 1 т глинозема расходуют 2, 0— 2, 5 т боксита, 70— 90 кг Na. OH, около 120 кг извести, 7 -9 т пара, 160 -180 кг мазута (в пересчете на условное топливо) и около 280 к. Вт · ч электроэнергии. Получение алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава связано не только с большим расходом электроэнергии, но и со значительным расходом угольных анодов (420— 575 кг/т алюминия), что составляет 20 — 25 % себестоимости алюминия. 33