Реферат: Производство меди

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ И УПРАВЛЕНИЯКафедра металлургических технологийКУРСОВАЯ РАБОТАПо дисциплине: Технология металлов

На тему: Производствомеди

Выполнила: Розанова Е. В.

группа Э-42

Проверила: Окунева Т. А.

Череповец

2001 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение… 2

Глава 1 Свойства меди… 4

Глава 2 Сырье для получения меди… 6

Глава 3 Пирометаллургический способ производства меди… 7

1. Поготовка руд к плавке… 7

2. Выплавка медного штейна… 8

3. Конвертирование медного штейна… 11

4. Рафинирование меди… 13

Заключение… 13

Список литературы… 14

Приложение… 15

ВВЕДЕНИЕ

Разделение металлов на черные и цветные являетсяусловным. Обычно к черным металлам относят железо, марганец и хром, а остальныеметаллы к цветным. Термин цветные металлы не следует понимать буквально. Фактическисуществует 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. Понекоторым археологическим данным — медь была хорошо известна египтянам еще за4000 лет до Р. Хр. Знакомство человечества с медью относится к более раннейэпохе, чем с железом; это объясняется с одной стороны более частым нахождениеммеди в свободном состаянии на поверхности земли, а с другой — сравнительнойлегкостью получения ее из соединений. Древняя Греция и Рим получали медь сострова Кипра (Cyprum), откуда и название ее Cuprum. Особенно важна медь дляэлектротехники.

По электропроводностимедь занимает второе место среди всех металлов, после серебра. Однако в нашидни во всем мире электрические провода, на которые раньше уходила почтиполовина выплавляемой меди, все чаще делают из алюминия. Он хуже проводит ток,но легче и доступнее. Медь же, как и многие другие цветные металлы, становитсявсе дефицитнее. Если в 19 в. медь добывалась из руд, где содержалось 6-9% этогоэлемента, то сейчас 5%-ные медные руды считаются очень богатыми, а промышленностьмногих стран перерабатывает руды, в которых всего 0,5% меди.

Медь входит в числожизненно важных микроэлементов. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоениирастениями 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 необходимавсему живому.

Таким образом, разделение металлов на черныеи цветные является условным. Обычно к черным металлам относят железо, марганеци хром, а остальные металлы к цветным. Термин цветные металлы не следуетпонимать буквально. Фактически существует лишь два цветных металла: розоваямедь и желтое золото, а в отношении же остальных металлов можно говорить не обих цвете, а об их различных оттенках, чаще всего серебристо-серого или красноготонов.

Также условно цветные металлы можно разделить начетыре 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 ееприродные спутники

4 Редкие металлы:

- тугоплавкие

- легкие

- радиоактивные

- редкоземельные

СВОЙСТВА МЕДИ

Медь — химическийэлемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер 29, атомнаямасса 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 нижнеймантии, образуют сульфиднооксидную оболочку.

Вернадским в первойполовине 1930 г были проведены исследования изменения изотопного состава воды,входящего в состав разных минералов, и опыты по разделению изотопов подвлиянием биогеохимических процессов, что и было подтверждено последующимитщательными исследованиями. Как элемент нечетный состоит из двух нечетныхизотопов 63 и 65 На долю изотопа Cu (63) приходится 69,09%, процентноесодержание изотопа Cu (65) — 30,91%. В соединениях медь проявляет валентность+1 и +2, известны также немногочисленные соединения трехвалентной меди.

К валентности 1относятся лишь глубинные соединения, первичные сульфиды и минерал куприт — Cu2O. Все остальные минералы, около сотни отвечают валентности два. Радиусодновалентной меди +0.96, этому отвечает и эк — 0,70. Величина атомного радиусадвухвалентной меди — 1,28; ионного радиуса 0,80.

Очень интересна величенапотенциалов ионизации: для одного электрона — 7,69, для двух — 20,2. Обе цифрыочень велики, особенно вторая, показывающая большую трудность отрыва наружныхэлектронов. Одновалентная медь является равноквантовой и потому ведет кбесцветным солям и слабо окрашенным комплексам, тогда как разноквантовя двухвалентная медь характеризуется окрашенностью солей в соединении с водой.

Медь — металлсравнительно мало активный. В сухом воздухе и кислороде при нормальных условияхмедь не окисляется. Она достаточно легко вступает в реакции с галогенами,серой, селеном. А вот с водородом, углеродом и азотом медь не взаимодействуетдаже при высоких температурах. Кислоты, не обладающие окислительными свойствами,на медь не действуют.

Электроотрицательностьатомов — способность при вступлении в соединения притягивать электроны.Электроотрицательность Cu2+ — 984 кДЖ/моль, Cu+ — 753кДж/моль. Элементы с резко различной ЭО образуют ионную связь, а элементы сблизкой ЭО — ковалентную. Сульфиды тяжелых металлов имеют промежуточную связь,с большей долей ковалентной связи (ЭО у S-1571, Cu-984, Pb-733). Медь являетсяамфотерным элементом — образует в земной коре катионы и анионы.

Медь входит более чем в198 минералов, из которых для промышленности важны только 17, преимущественносульфидов, фосфатов, силикатов, карбонатов, сульфатов. Главными руднымиминералами 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 напросвет медь выглядит зеленовато-голубой. Эти же цвета, характерны и для многихсоединений меди, как в твердом состоянии, так и в растворах.

Понижение окраски приповышении валентности видно из следующих двух примеров:

CuCl — белый, Cu2O — красный, CuCl2+H2O — голубой, CuO — черный

Карбонатыхарактеризуются синим и зеленым цветом при условии содержания воды, чемнамечается интересный практический признак для поисков.

Практическое значениеимеют: самородная медь, сульфиды, сульфосоли и карбонаты (силикаты).

СЫРЬЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДИ

Для получения меди применяют медные руды, атакже отходы меди и ее сплавов. В рудах содержится 1-6% меди.

В рудах медь обычно находится в виде сернистыхсоединений (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 значительноеколичество других металлов: цинк, олово, никель, золото, серебро, кремний идругие.

Руда делится на сульфидные, окисленные исмешанные. Сульфидные руды бывают обычно первичного происхождения, а окисленныеруды образовались в результате окисления металлов сульфидных руд.

В небольших количествах встречаются такназываемые самородные руды, в которых медь находится в свободном виде.

ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ СПОСОБПРОИЗВОДСТВА МЕДИ.

Известны два способаизвлечения меди из руд и концентратов: гидрометаллургический ипирометаллургический.

Первый из них не нашелширокого применения. Его используют при переработке бедных окисленных исамородных руд. Этот способ в отличии от пирометаллургического не позволяетизвлечь попутно с медью драгоценные металлы.

Второй способ пригоден дляпереработки всех руд и особенно эффективен в том случае, когда рудыподвергаются обогащению.

Основу этого процессасоставляет плавка, при которой расплавленная масса разделяется на два жидкихслоя: штейн-сплав сульфидов и шлак-сплав окислов. В плавку поступают либомедная руда, либо обожженные концентраты медных руд. Обжиг концентратовосуществляется с целью снижения содержания серы до оптимальных значений.

Жидкий штейн продувают вконвертерах воздухом для окисления сернистого железа, перевода железа в шлак ивыделения черновой меди.

Черновую медь далееподвергают рафинированию – очистке от примесей.

Подготовка руд к плавке.

Большинство медных рудобогащают способом флотации. В результате получают медный концентрат,содержащий 8-35% Cu, 40-50% S, 30-35% Fe и пустую породу, главным образомсоставляющими которой являются SiO2, Al2O3 и CaO.

Концентраты обычнообжигают в окислительной среде с тем, чтобы удалить около 50% серы и получитьобожженный концентрат с содержанием серы, необходимым для получения при плавкедостаточно богатого штейна.

Обжиг обеспечивает хорошеесмешение всех компонентов шихты и нагрев ее до 550-600 0С и, вконечном итоге, снижение расхода топлива в отражательной печи в два раза.Однако при переплавке обожженной шихты несколько возрастают потери меди в шлакеи унос пыли. Поэтому обычно богатые медные концентраты (25-35% Cu) плавят без обжига, а бедные (8-25%Cu) подвергают обжигу.

Температура обжига концентратовприменяют многоподовые печи с механическим перегреванием. Такие печи работаютнепрерывно.

Выплавка медного штейна

Медный штейн, состоящий восновном 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, чтобыв концентрат была переведена не только медь, но и эти металлы. Концентратпереплавляют в штейн в отражательных или электрических печах.

Сернистые, чисто медныеруды целесообразно перерабатывать в шахтных печах.

При высоком содержании серыв рудах целесообразно применять так называемый процесс медно-серной плавки вшахтной печи с улавливанием газов и извлечением из них элементарной серы.

В печь загружают меднуюруду, известняк, кокс и оборотные продукты. Загрузку ведут отдельными порциямисырых материалов и кокса.

В верхних горизонтах шахтысоздается восстановительная среда, а в нижней части печи – окислительная.Нижние слои шихты плавятся, и она постепенно опускается вниз навстречу потокугорячих газов. Температура у фурм достигается 1500 0С на верху печиона равна примерно 450 0С.

Столь высокая температураотходящих газов необходима для того, чтобы обеспечить возможность из очистки отпыли 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 = 2FeO + 2SO2

в) Образование силиката железа

2 FeO + SiO2 =(FeO)2 × SiO2

Газы, содержащие CO2, SO2, избыток кислорода и азот, проходятвверх через столб шихты. На этом пути газов происходит теплообмен между шихтойи ними, а также взаимодействие CO2 с углеродом шихты. При высоких температурах CO2 и SO2 восстанавливаются углеродом кокса ипри этом образуется окись углерода, сероуглерод и сероокись углерода:

CO2 + C = 2CO

2SO2 + 5C = 4CO+ CS2

SO2 + 2C = COS+ CO

В верхних горизонтах печипирит разлагается по реакции:

FeS2 = Fe + S2

При температуре около 1000 0Сплавятся наиболее легкоплавкие эвтектики из FeS и Cu2S, в результате чего образуется пористая масса.

В порах этой массырасплавленный поток сульфидов встречается с восходящим потоком горячих газов ипри этом протекают химические реакции, важнейшие из которых указаны ниже:

а) образование сульфида меди иззакиси меди

2Cu2O + 2FeS +SiO2 = (FeO)2 × SiO2 + 2Cu2S;

б) образование силикатов из окисловжелеза

3Fe2O3+ FeS + 3,5SiO2 = 3,5(2FeO × SiO2) + SO2;

3Fe3O4+ FeS + 5SiO2 = 5(2FeO × SiO2) + SO2;

в) разложение CaCO3 и образование силиката извести

CaCO3 + SiO2= CaO × SiO2 + CO2;

г) восстановление сернистого газа доэлементарной серы

SO2 + C = CO2+ ½ S2

В результате плавкиполучаются штейн, содержащий 8-15% Cu, шлак состоящий в основном из силикатов железа и извести, колошниковыйгаз, содержащий S2, COS, H2S, и CO2. Изгаза сначала осажают пыль, затем из него извлекают серу (до 80% S)

Чтобы повысить содержаниемеди в штейне, его подвергают сократительной плавке. Плавку осуществляют втаких же шахтных печах. Штейн загружают кусками размером 30-100 мм вместе скварцевым флюсом, известняком и коксом. Расход кокса составляет 7-8% от массышихты. В результате получают обогащенный медью штейн (25-40% Cu) и шлак (0,4-0,8% Cu).

Температура плавленияпереплавки концентратов, как уже упоминалось, применяют отражательные иэлектрические печи. Иногда обжиговые печи располагают непосредственно надплощадкой отражательных печей с тем, чтобы не охлаждать обожженные концентратыи использовать их тепло.

По мере нагревания шихты впечи протекают следующие реакции восстановления окиси меди и высших оксидовжелеза:

6CuO + FeS = 3Cu2O+ SO2 + FeO;

FeS + 3Fe3O4+ 5SiO2 = 5(2FeO × SiO2) + SO2

В результате реакции образующейсязакиси меди Cu2Oс FeS получается Cu2S:

Cu2O + FeS = Cu2S+ FeO

Сульфиды меди и железа, сплавляясьмежду собой, образуют первичный штейн, а расплавленные силикаты железа, стекаяпо поверхности откосов, растворяют другие оксиды и образуют шлак.

Благородные металлы (золотои серебро) плохо растворяются в шлаке и практически почти полностью переходят вштейн.

Штейн отражательной плавкина 80-90% (по массе) состоит из сульфидов меди и железа. Штейн содержит, %:15-55 меди; 15-50 железа; 20-30 серы; 0,5-1,5 SiO2; 0,5-3,0 Al2O3; 0.5-2.0(CaO + MgO); около 2% Zn и небольшое количество золота исеребра. Шлак состоит в основном из SiO2, FeO, CaO, Al2O3 и содержит 0,1-0,5 % меди. Извлечениемеди и благородных металлов в штейн достигает 96-99 %.

Конвертирование медного штейна

В 1866 г. русский инженерГ. С. Семенников предложил применить конвертер типа бессемеровского дляпродувки штейна. Продувка штейна снизу воздухом обеспечила получение лишьполусернистой меди (около 79% меди) – так называемого белого штейна. Дальнейшаяпродувка приводила к затвердеванию меди. В 1880 г. русский инженер предложилконвертер для продувки штейна с боковым дутьем, что и позволило получитьчерновую медь в конвертерах.

Конвертер делают длиной6-10, с наружным диаметром 3-4 м. Производительность за одну операциюсоставляет 80-100 т. Футеруют конвертер магнезитовым кирпичом. Заливкурасплавленного штейна и слив продуктов осуществляют через горловину конвертера,расположенной в средней части его корпуса. Через ту же горловину удаляют газы.Фурмы для вдувания воздуха расположены по образующей поверхности конвертера.Число фурм обычно составляет 46-52, а диаметр фурмы – 50мм. Расход воздухадостигает 800 м2/мин. В конвертер заливают штейн и подают кварцевыйфлюс, содержащий 70-80% SiO2, и обычно некоторое количество золота. Его подают во времяплавки, пользуясь пневматической загрузкой через круглое отверстие в торцевойстенке конвертеров, или же загружают через горловину конвертера.

Процесс можно разделить надва периода. Первый период (окисление сульфида железа с получением белогоштейна) длится около 6-024 часов в зависимости от содержания меди в штейне.Загрузку кварцевого флюса начинают с начала продувки. По мере накопления шлакаего частично удаляют и заливают в конвертер новую порцию исходного штейна,поддерживая определенный уровень штейна в конвертере.

В первом периоде протекаютследующие реакции окисления сульфидов:

2FeS + 3O2 =2FeO + 2SO2 + 930360 Дж

2Cu2S + 3O2= 2Cu2O + 2SO2 + 765600 Дж

Пока существует FeS, закись меди не устойчива ипревращается в сульфид:

Cu2O + FeS = Cu2S+ FeO

Закись железа шлакуетсядобавляемым в конвертер кварцевым флюсом:

2FeO + SiO2 =(FeO) × SiO2

При недостатке SiO2 закись железа окисляется домагнетита:

6FeO + O2 = 2Fe3O4, который переходит в шлак.

Температура заливаемогоштейна в результате протекания этих экзотермических реакций повышается с1100–1200 до 1250-1350 0С. Более высокая температура нежелательна,и поэтому при продувке бедных штейнов, содержащих много FeS, добавляют охладители – твердыйштейн, сплески меди.

Из предыдущего следует,что в конвертере остается главным образом так называемый белый штейн, состоящийиз сульфидов меди, а шлак сливается в процессе плавки. Он состоит в основном изразличных оксидов железа (магнетита, закиси железа) и кремнезема, а такженебольших количеств глинозема, окиси кальция и окиси магния. При этом, какследует из вышесказанного, содержание магнетита в шлаке определяется содержаниеммагнетита в шлаке определяется содержанием кремнезема. В шлаке остается1,8-3,0% меди. Для ее извлечения шлак в жидком виде направляют в отражательнуюпечь или в горн шахтной печи.

Во втором периоде,называемом реакционным, продолжительность которого составляет 2-3 часа, избелого штейна образуется черновая медь. В этот период окисляется сульфид меди ипо обменной реакции выделяется медь:

2Cu2S + 3O2= 2Cu2O + 2SO2

Cu2S + 2Cu2O= 6Cu + O2

Таким образом, в результатепродувки получают черновую медь, содержащая 98,4-99,4% — меди, 0,01-0,04%железа, 0,02-0,1% серы, и небольшое количество никеля, олова, мышьяка, серебра,золота и конвертерный шлак, содержащий 22-30% SiO2, 47-70% FeO, около 3% Al2O3 и 1.5-2.5% меди.

Рафинирование медиДля получения меди необходимо чистотычерновую медь подвергают огневому и электролитическому рафинированию, и приэтом, помимо удаления вредных примесей, можно извлечь также благородныеметаллы. Огневое рафинирование черновой меди проводят в печах, напоминающиеотражательные печи, используемые для выплавки штейна из медных концентратов.Электролиз ведут в ваннах, футурованных внутри свинцом или винипластом.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Медь имеет широкоеприменение. Так, например, чистая медь используется электротехническойпромышленности.

Важное значение имеютсплавы меди: латунь (сплав меди с цинком), бронза (сплав меди с оловом),алюминиевая бронза (сплав меди с алюминием), мельхиор (сплав меди с железом,никелем и марганцем) и др.

Соли меди используется всельском хозяйстве для борьбы с вредителями, в качестве микроудобрений, а такжев качестве катализаторов в химическом синтезе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Архипов В. В. Технология металлов идругих конструкционных материалов.

М.: «Высшая школа», — 1968

2. Воскобойников В. Г. Общаяметаллургия. М.: — Металлургия, — 1985

3. Технология конструкционныхматериалов. /под ред. Дальского А. М. – М.: «Машиностроение», — 1985

ПРИЛОЖЕНИЕСХЕМА 1

ПОДГОТОВКА РУД К ПЛАВКЕ

(ОБОГАЩЕНИЕ, ОБЖИГ)

/> /> /> /> /> /> /> <td/> /> />

/>/>ПЛАВКА НА ШТЕЙН

/>/> ШЛАК ШТЕЙН