Производство меди и медные сплавы

План

Введение

Глава I. Происхождение  и свойства меди.

1. Свойства меди.
1. Физические свойства меди.
2. Химические свойства меди.
2. Медные руды, месторождение.

Глава II. Производство меди и медные сплавы.

1. Металлургические заводы по производству меди.
2. Технология производства: плавка на штейн, переработка медного штейна, производство меди, оборудование.
3. Медные сплавы.

Заключение  и общие выводы

Использованная  литература

Введение

Медь стала известна еще в далеком каменном веке многие самородки меди, произошедшие в период этого времени, носят следы воздействия каменных орудий, в основном у них обрублены выступающие части. Вероятно, эти кусочки меди были использованы человеком того времени в качестве оригинальных украшений, а после и как орудия. Широкому распространению медных изделий сопутствовало свойство меди поддаваться ковке в нагретом состоянии. Так обделывали медные самородки индейцы во времена Колумба.

Когда и где был  открыт метод плавки меди из руд история умалчивает. Скорее всего он был обнаружен случайно. Самородная медь постоянно встречалась вместе с рудой. И вот во время перегрева самородка в нагретых углях небольшие кусочки самородков медной руды, приставшие к самородку, тоже превратились в медь, то есть в результате чего восстановились углеродом .

Предполагается, что первоначально медь плавилась в небольших ивовых корзинах, замазанных толстым слоем глины. В подобную оригинальную печь загружали руду вместе с добытым углем и под ней поджигали большой костер.

Руды меди очень часто встречаются вместе с рудами цинка, олова. Подобные руды восстанавливаются проще и дают сплавы меди достаточно твердые, чем сама медь. Подобные сплавы называются бронзами, а время, за время которого человек широко использовал бронзу принято считать бронзовым веком. Название “бронза” происходит от названия небольшого итальянского города Бриндизи, сквозь который кроме прочих мелочевых товаров шла торговля изделиями из знаменитого сплава меди с оловом. Подобный сплав назвали медью из Бриндизи, а спустя столетия - бронзой.

Производство изделий из меди и ее сплавов изготавливалось еще при первых фараонах Египта (приблизительно 4 5 тыс. лет до н.э.). Популярные древнейшие медные руды были обнаружены на острове Кипр. Очевидно, современное латинское название “купрум” происходит от латинского названия этого острова.

Принято считать, что  люди 9-8 тыс. лет назад совершенно не умели, правильно, делать керамическую посуду, но после Второй Мировой Войны в 1950 г. археологами было сделано противоречивое открытие. Было обнаружено, что в районе реки Конья на юго-западе Малой Азии в 1950 г. вместе с каменными орудиями были обнаружены медные проколки, украшения, колечки. После проверки физиков, использующих радиоуглеродный метод; культурный слой с остатками жизнедеятельности человека датированный VII-VI тысячелетиях до н.э. Знаменательному открытию достаточно трудно поверить, но в 1963 г. при раскопках в верху по реке Тигр были найдены простейшие медные изделия, которые смело можно отнести к тому же периоду, что и находки в Китае.

Глава I. Происхождение  и свойства меди.

Медь расположена в числе металлов, известных еще гораздо раньше, чем многие современные металлы. Раннему знакомству человека с Медью способствовало то, что она встречается в природе в свободном состоянии в виде самородков, которые хоть и редко, но все же достигают огромных размеров. Медь и ее сплавы отыграли большую роль в развитии материальной культуры. Из за своей легкой восстановимости оксидов и карбонатов Медь стала, по-видимому, первым металлом, который человек научился восстановлять из кислородных соединений, находящихся в рудах. Латинское название Меди происходит от названия острова Кипр, где древние греки добывали медную руду. В древности для обработки скальной породы ее нагревали на костре и быстро охлаждали, причем порода растрескивалась. Уже в этих условиях были возможны процессы восстановления. После чего все восстановление вели в кострах с большим количеством угля и с вдуванием воздуха посредством труб и мехов. Костры ограждались стенками, которые постепенно повышались, что привело к созданию шахтной печи. Позднее методы восстановления уступили место окислительной плавке сульфидных медных руд с получением промежуточных продуктов - штейна (сплава сульфидов), в котором концентрируется Медь, и шлака (сплава окислов).

1. Свойства меди.

1.1. Физические свойства меди.

Медь имеет красный  цвет, в изломе розовый, при свечении в тонких слоях Голубовато-зеленый. Металл содержит гранецентрированную кубическую решетку с параметром а = 3,6074 Å; плотность 8,96 г/см3 (20 °С). Атомный радиус 1,28 Å; ионные радиусы Cu+ 0,98 Å; Сu2+ 0,80 Å; tпл1083 °С; tкип 2600 °С; удельная теплоемкость (при 20 °С) 385,48 дж/(кг·К), т.е. 0,092 кал/(г·°С). Самые важные и широко используемые свойства Меди: высокая теплопроводность - при 20 °С 394,279 вт/(м·К.), то есть 0,941 кал/(см·сек·°С); малое электрическое сопротивление - при 20 °С 1,68·10-8 ом·м. Термический коэффициент линейного расширения 17,0·10-6. Давление паров над Медью ничтожно, давление 133,322 н/м2 (т.е. 1 мм рт.ст.) достигается лишь при 1628 °С. Медь диамагнитна; атомная магнитная восприимчивость 5,27·10-6. Твердость Меди по Бринеллю 350 Мн/м2 (т. е. 35 кгс/мм2); предел прочности при растяжении 220 Мн/м2 (т. е. 22 кгс/мм2); относительное удлинение 60%, модуль упругости 132·103 Мн/м2(т.е. 13,2·103 кгс/мм2). Путем наклепа предел прочности может быть повышен до 400-450 Мн/м2, при этом удлинение уменьшается до 2% , а электропроводность уменьшается на 1-3% . Отжиг наклепанной Меди следует проводить при 600-700 °С. Небольшие примеси Bi (тысячные доли%) и Рb (сотые доли%) делают Медь красноломкой, а примесь S вызывает хрупкость на холоде.

1.2. Химические свойства меди.

Химические свойства Меди занимают промежуточное положение между элементами первой триады VIII группы и щелочными элементами I группы Менделеевской системы (или просто таблицы Менделеева). Так же, как и Fe, Co, Ni, медь склонна к комплексообразованию, отвечает окрашенными соединениями, нерастворимыми сульфидами и т. д. Идентичные свойства с щелочными металлами незначительные. Так, Медь образует ряд одновалентных соединений, но для нее более характерно двух - валентное состояние. Соли одновалентной Меди в воде почти нерастворимы и быстро окисляются до соединений двух-валентной Меди; соли двух-валентной Меди, напротив, быстро растворимы в воде и в разбавленных растворах полностью диссоциированы. Гидратированные ионы Cu2+ имеют голубой цвет. Науке издавна известны также соединения, в которых Медь 3-валентна. К примеру, действием пероксида натрия на раствор куприта натрия Na2CuO2 получен оксид Сu2О3 – порошок красного цвета, начинающий выделять кислород уже при 100 °С. Сu2О3 – очень мощный окислитель (например, выделяет хлор из соляной кислоты).

Химическая активность Меди незначительная. Компактный металл при низких температурах от 185 °С с сухим воздухом и кислородом не вступает в реакцию. В присутствии влаги и СО2 на поверхности Меди начинает появляться зеленая пленка основного карбоната. Во время подогрева Меди на воздухе идет граничное окисление; при температуре меньше 375 °С образуется СuО, а в интервале 375-1100 °С при неоконченном окислении Медь - двухслойная окалина, в наружном слое которой находится СuО, а внутри - Сu2О. Влажный хлор вступает в реакцию с Медью уже при обычной температуре, преобразуясь в хлорид СuCl2, хорошо растворимый в воде. Медь быстро соединяется и с другими галогенами. Особые родственные характеристики проявляет Медь к сере и селену; так, она сгорает в парах серы. С водородом, углеродом и азотом Медь не реагирует даже при высоких температурах. Растворимость водорода в твердой Медь небольшая и при 400 °С составляет 0,06 мг в 100 г Меди. Водород и других горючие газы (СО, СН4), реагируя при высокой температуре на слитки Меди, содержащие Сu2О, регенерирует ее до металла с образованием СО2 и водной пары. Исходные продукты, будучи нерастворимыми в Меди, выводятся из нее, вызывая появление трещин, что гораздо ухудшает механические свойства Меди.

При проведении NН3 над раскаленной Медью появляется Cu3N. Уже при температуре нагревания Медь подвергается воздействию азотных оксидов, а именно NO, N2O (с получением Сu2О) и NO2 (с получением СuО). Карбиды Сu2С2 и СuС2 могут быть образованны под действием ацетилена на аммиачные растворы Медных солей. Стабильно нормальный электродный потенциал Меди для реакции Сu2+ + 2е -> Сu равен +0,337 в, а для проходящей реакции Сu+ + е ->Сu равен +0,52 в. В результате чего Медь вытесняется из своих солей более электроотрицательными элементами (в широком производстве используется железо) и не  растворяется в кислотах – не окислителях. В азотной кислоте Медь растворяется с выделением Cu(NO3)2 и оксидов азота, в нагретой концентрированной H2SO4 -с выделением CuSO4 и SO2, в нагретой разбавленной H2SO4 - при обдувании через раствор воздуха. Все известные соли Меди ядовиты.

Медь в двух- и одновалентном  состоянии дает многочисленные весьма устойчивые групповые соединения. Вот примеры одновалентной Меди: (NH4)2CuBr3; K3Cu(CN)4- комплексы типа двойных солей; [Cu{SC(NH2)}2]Cl и другие. Дополнительные комплексные соединений 2-валентной Меди пример: CsCuCl3, K2CuCl4 - тип двойных солей. Важное производственное значение имеют аммиачные комплексные соединения Меди, к примеру: [Сu (NH3)4] SO4, [Сu (NH3)2] SO4.

2. Медные руды, месторождение.

Медь образуется в природе, как в соединениях, так и в самородном виде. Производственное значение имеют халькопирит CuFeS2, менее известный как медный колчедан, халькозин с формулой Cu2S и борнит Cu5FeS4. Вместе с ними образуются и другие минералы меди: ковеллин CuS, куприт Cu2O, азурит Cu3(CO3)2(OH)2, малахит Cu2CO3(OH)2. Не редко медь встречается в самородном виде, приблизительная масса отдельных самородков может достигать 400 тонн. Сульфиды меди зарождаются в основном в среднетемпературных гидротермальных жилах. К тому же нередко встречаются зарождения меди в осадочных породах — сланцы и медистые песчаники. Самые известные из месторождений подобного типа — Удокан в Читинской области, Джезказган в Казахстане, меденосный пояс Центральной Африки и Мансфельд в Германии. Остальные самые богатые месторождения меди расположены в Чили (Эскондида и Кольяуси) и США (Моренси)[3].

Огромная часть медной руды добывается открытым способом. Приблизительное содержание меди в чистой руде составляет около 0,3 до 1,0 %.

Глава II. Производство меди и медные сплавы.

1. Металлургические заводы по производству меди.

Небольшая история развития медной металлургии. Медь принято относить к числу восьми (Cu, Au, Ag, Sn, Pb, Hg, Fe, и Sb) широко распространенных с древнейших времен металлов. Использованию меди повлияло на то, что на сегодня медь очень часто встречается в свободном состоянии в виде небольших природных самородков. Вес самого крупного из добытых самородков меди приблизительно 800 т. Из-за того, что кислородные соединения меди быстро восстанавливаются, а металлическая медь имеет относительно невысокую температуру плавления (равна 1083 °С), старинные мастера самостоятельно научились плавить медь. Скорее всего, это произошло в процессе добычи самородной меди на рудниках.

По мере роста употребления метала, возникла необходимость увеличить переплавку меди за счет роста производительности плавильных устройств. Для этого постепенно увеличивали объем ям, выкладывая их борта из природного камня, а затем и из огнеупорного кирпича. Высота стен постепенно увеличивалась, что привело к появлению первых металлургических печей с вертикальным пространством для работы. Подобные печи являлись прототипом шахтных печей; они получили название домниц. Домницы в отличие от ям выдавали медь и получающийся шлак в жидком виде.

Впервые медеплавильный завод появился на территории княжеской Руси и был построен в 1640 г. стольником Стрешневым у Пыскорского монастыря в районе г. Соликамска. В истории также упоминается о постройке в 1669 г. медного завода в Олонецкой губернии.

Стоит заметить, что 90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % — гидрометаллургическим. Гидрометаллургический способ — это способ получение меди путём её выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора. Пирометаллургический способ состоит из нескольких этапов: обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования.

Для расширения и обогащения медных руд используется метод флотации (принцип которого основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы), в результате тот позволяет получать медный концентрат, содержащий от 10 до 35 % меди.

Медные руды и медные концентраты с большим содержанием серы достаточно подвергаются окислительному обжигу. В процессе подогрева концентрата или медной руды до 700—800 °C в присутствии кислорода воздуха, сульфиды окисляются и состав серы снижается практически вдвое от первоначального. Обжигают только слабые (с содержанием меди от 8 до 25 %) концентраты, а сильные (от 25 до 35 % меди) плавят без обжига.

После обжига руды и медного концентрата они подвергаются плавке на штейн, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа. Штейн содержит от 30 до 50 % меди, 20—40 % железа, 22—25 % серы, кроме того, штейн содержит примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Зачастую плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки 1450 °C.

С целью окисления  сульфидов и железа, полученный медный штейн поддают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы отправляют в шлак. Температура в конвертере равна 1200—1300 °C. Достаточно интересно и то, что тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций, без дополнительной подачи топлива. Подобным образом, в конвертере добывают черновую медь, содержащую 98,4—99,4 % меди, 0,01—0,04 % железа, 0,02—0,1 % серы и есть небольшие примиси никеля, сурьмы, олова, золота и серебра. Такую медь сливают в огромный ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.

После чего, для удаления вредных примесей и других металлов, черновую медь рафинируют (изначально проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование). Суть огневого рафинирования черновой меди полагается в том, что происходит самовольное окислении примесей, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования можно получить медь чистотой 99,0—99,7 %. Её разливают в изложницы и получают чушки для подальше выплавки сплавов (латуни и бронзы) или слитки для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование используют для получения чистой меди (99,95 %). Электролиз происходит в ваннах, где анод — из меди огневого рафинирования, а катод — из небольших листов чистой меди. Электролитом служит простой раствор из воды. При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь уходит в раствор, и, очищенная от примесей, осаждается на катодах. Дополнительные примеси опадают на дно ванны в виде шлака, который идёт на переработку с целью извлечения остаточных ценных металлов. Катоды перегружают через 5—12 дней, когда их масса достигнет от 60 до 90 кг. Их фильтруют и промывают, а после переплавляют в электропечах.

2. Технология производства: плавка на штейн, переработка медного штейна, производство меди, оборудование.

Сухой (пирометаллургический) способ извлечения меди из сульфидных руд производится в следующих этапах: обжиг, плавка на штейн, получение черновой меди, рафинирование меди.

Обжиг нужен для уменьшения количества серы в руде, также для окисления части сульфидов меди, или для удаления некоторых не нужных примесей.

Плавка на штейн производится в шахтных, вертикальных печах или в пламенных отражательных печах. Во время плавки (штейн — сплав основной состав которого входит сульфидов меди, 80— 90% железа и небольшого количества ненужных примесей) образуются два жидких слоя — внизу штейн, а сверху шлак.