Металлургия меди Лекция 1
Пирометаллургический способ производства меди. Основные стадии: подготовка руд 1. обогащение методом пенной флотации , обжиг плавка на штейн 2. 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. конвертирование штейна с получением черновой меди 3. получение черновой меди путем окисления содержащихся в штейне серы и железа. Первый период: 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: Cu 2 S + O 2 = 2 Сu + SO 2. рафинирование черновой меди 4. сначала огневое: 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. Затем электролитическое Часть примесей остается в электролите, а такие как Au, Ag, Se, Те, Pb, Sn, Pt выпадают в осадок — шлам. 2
Медь Простое вещество медь — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). Удельное сопротивление меди равно 0, 018 Ом · мм 2/м Теплопроводность при 20 °С составляет 385 Вт/(м · К). Электропроводность в 1, 7 раза выше, чем у алюминия, и примерно в 6 раз выше, чем у платины и железа. Медь обладает ценными механическими свойствами— ковкостью и тягучестью. Плотность (при н. у. ) 8, 92 г/см³ Температура плавления 1356, 55 K o o o 3
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. 4 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.
5
Пирометаллургический способ производства меди является многостадийным. Основные стадии этого производства: o o 6 подготовка руд (обогащение и иногда дополнительно обжиг), плавка на штейн (выплавка медного штейна), конвертирование штейна с получением черновой меди, рафинирование черновой меди (сначала огневое, а затем электролитическое).
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. 7
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 %. 8
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. 9
Горизонтальный конвертер: 1 — горловина; 2 — окно для загрузки флюсов; 3 — воздушный коллектор; 4 — фурмы 10
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, 5 -2, 5% Сu. 11
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. 12
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. 13
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. 14
Применение 15
Применение Электротехника Машиностроение Производство бесшовных труб Ювелирная промышленность Химическая промышленность Катализаторы 16
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). 17
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. 18
Металлургия никеля Лекция 19
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 20
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 21 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
22
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 23
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. 24
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. 25
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. 26
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. 27
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. 28
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 29
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. 30
Сплавы никеля Никель является основой большинства суперсплавов — жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок. o o o 31 монель-металл (65 — 67 % Ni + 30 — 32 % Cu + 1 % Mn), жаростойкий до 500 °C, очень коррозионно-устойчив; белое золото (например 585 пробы содержит 58, 5 % золота и сплав (лигатуру) из серебра и никеля (или палладия)); нихром, сплав сопротивления (60 % Ni + 40 % Cr); пермаллой (76 % Ni + 17 %Fe + 5 % Cu + 2 % Cr), обладает высокой магнитной восприимчивостью при очень малых потерях на гистерезис; инвар (65 % Fe + 35 % Ni), почти не удлиняется при нагревании;
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. 32
Вопросы для самоконтроля (алюминий): Получение глинозема по методу Байера. Получение металлического алюминия. Методы рафинирования алюминия. Сущность метода “зонной плавки”. Основные составляющие себестоимости производства алюминия. Последовательность химических реакций, используемых для получения алюминия. Физические свойства и области использования алюминия. Какой металл близок по свойствам алюминию. Что такое криолит и для чего он используется. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 33
Приложение 1 Основные составляющие себестоимости производства алюминия: 1. 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. 2. 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. 34
Скачать презентацию Металлургия меди Лекция 1 Пирометаллургический способ производства
10_Metallurgia_medi_i_nikelya.pptx