Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Реферат
“Производство меди”
Содержание.
Введение. 2
1. Медные руды и их подготовка к плавке. 4
2. Производство меди. 6
Литература. 10
1
Введение.
Медь – химический элемент І группы Периодической системы Д. И. Менделеева, порядковый номер 29, атомная масса 63,54. Медь – металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления 1083°С. Кристаллическая решётка г.ц.к. с периодом a = 3,6074 Å. Плотность меди 8,94 г/см³. Медь обладает наибольшими (кроме серебра) электропроводностью и теплопроводностью. Электропроводность меди 57 м/(Ом·мм²) при + 20°С. В зависимости от чистоты медь изготавливают следующих марок: М00 (99,99% Cu), М0 (99,95% Cu), М1 (99,9% Сu), М2 (99,7% Сu), М3 (99,50% Сu). Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на её свойства.
По характеру взаимодействия примесей с медью их можно разделить на три группы.
1.Примеси, образующие с медью твёрдые растворы: Ni,Zn,Sb,Sn,Al,As,Fe,P и др.; эти примеси (особенно Sb и As) резко снижает электро- и теплопроводность меди, поэтому для проводников тока применяют медь марок М0 и М1, содержащую ≤ 0,002% Sb и ≤0,002% As. Сурьма, кроме того, затрудняет горячую обработку давлением.
2.Примеси Pb,Bi и др., практически нерастворимые в меди ; они образуют в ней легкоплавкие эвтетики ; которые, выделяясь по границам зёрен, затрудняют обработку давлением ; при содержании 0,005% Bi медь разрушается при горячей обработке давлением ; при более высоком содержании висмута медь становится, кроме того, хладноломкой ; на электропроводность эти примеси оказывают небольшое влияние.
3. Примеси кислорода и серы, образующие с медью хрупкие химические соединения Cu₂O и Cu₂S , входящие в состав эвтектики; на электропроводность эти примеси лишь слабо влияют: сера улучшает обрабатываемость меди резанием; кислород, если он присутствует в меди, образует закись меди и вызывает «водородную болезнь».
При нагреве меди в атмосфере, содержащей водород, происходит его диффузия в глубь меди. Если в меди присутствуют включения Cu₂O, то они реагируют с водородом, в результате чего образуются пары воды по реакции Cu₂O+H₂ 2Cu+H₂O, протекающей с увеличением объёма. Это создаёт в отдельных участках металла высокое давление и вызывает появление микротрещин, которые могут привести к разрушению детали.
Медь хорошо сопротивляется коррозии в обычных атмосферных условиях, в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но обладает плохой устойчивостью в сернистых газах и аммиаке.
Механические свойства меди в литом состоянии: σв=16 кгс/мм² , σ0,2 = 3,5
2
кгс/мм² , δ =25% ; в горячедеформированном состоянии: σв=24 кгс/мм² , σ0,2 =9,5 кгс/мм², δ=45%. Путём холодного деформирования предел прочности может быть повышен до 45 кгс/мм² (проволока) при снижении относительного удлинения до 3%. Модуль нормального упругости меди E=11500 кгс/мм².
Медь легко обрабатывается давлением,но плохо резанием, и имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки. Медь плохо сваривается ,но легко подвергается пайке. Её применяют в виде листов,прутков,труб и проволоки.
В электротехнической промышленности, электронике и электровакуумной технике применяют бескислородную медь М0б (0,001% О2) и М1р(0,01% О2).
3
1.Медные руды и их подготовка к плавке.
Для производства меди применяют медные руды, содержащие 1-6% Cu, а также отходы меди и её сплавов. В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений (CuFeS2 , Cu2S, CuS), оксидов (Cu2O, CuO) или гидрокарбонатов [СuCO3·Cu(OH)2 , 2CuO3·Cu(OH)2].На ряду с медью эти руды часто содержат никель,цинк,свинец,золото,серебро и другие металлы.Пустая порода руд состоит из пирита FeS2 , кварца SiO2 , карбонатов магния и кальция, а также силикатов , содержащих Al2O3 , CaO , MgO и окислы железа.
Медные руды подразделяют на сульфидные , окисленные и смешанные.
Сульфидные руды содержат 1-6% Cu , 9-46% S, a остальная часть состоит из SiO2 ( до 55%) и Al2O3 (до 12%) с небольшими количествами цинка , CaO и MgO. Окисленные руды содержат около 2% Cu, 0,1-0,2% S, а остальная часть состоит из SiO2 (до 68%) и Al2O3 (до 16%).Перед плавкой медные руды обогащают и получают концентрат.
Обогащают медные руды обычно методом флотации, основанным на различном смачивании водой соединений меди и пустой породы. В флотационной машине измельченная руда,вода и флотационные реагенты (например ,пихтовое масло) образуют пульпу .Флотационные реагенты адсорбируются на частицах руды в виде плёнок , не смачиваемых водой. При продувке пульпы пузырьки воздуха концентрируются на поверхности этих частиц и увлекают их вверх ,образуя слой пены, а смачиваемая водой пустая порода оседает на дно ванны. Собранную пену фильтруют ,сушат и получают концентрат, содержащий 15…35% меди.
Обжигают концентрат при 750…850 °С в воздушной атмосфере с целью окисления сульфидов и уменьшения содержания серы.
Прогрессивным является обжиг в кипящем слое. Измельченный концентрат загружается в печь через окно 3 (рис.1). Снизу в печь по каналу 2 и отверстия в поддоне 1 подаётся воздух. Давление воздуха устанавливается таким ,чтобы частицы концентрата находились во взвешенном («кипящем») состоянии. Обожжённый концентрат «переливается» через порог 5 печи в виде огарка. Отходящие сернистые газы очищаются в циклонах 4 и направляются в сернокислое производство. Обжи-
гают лишь бедные (8-25% Cu) концентраты, а богатые (25-35% Cu) плавят без обжи-
га.
4
Рис.1. Схема печи для обжига Рис.2. Схема конвертера для получе-
концентрата в кипящем слое. ния черновой меди.
5
2.Производство меди.
Медь получают в основном пирометаллургическим способом. Этот способ применяют при переработке всех медных руд, так как он позволяет извлекать из руд попутно с медью другие металлы, в том числе и драгоценные. Упрощённая схема этого процесса изображена на рис.3.Основа процесса-плавка концентрата на штейн, при которой расплавленная масса разделяется на две части-штейн, состоящий из сульфидов, и шлак, состоящий из окислов.
|
Руда меди |
↓
|
Подготовка руды к плавке (обогащение, обжиг) |
↓
|
Плавка руды на штейн |
↓
|
Первичный штейн |
↓
|
Конвертирование штейна (продувка воздухом) |
↓
|
Черновая медь |
↓
|
Рафинирование черновой меди |
↓
|
Медь |
Рис.3. Упрощённая схема пирометаллургического способа производства меди.
Штейн выплавляют из концентрата в отражательных печах. Такие печи строят длиной до 40 м и ёмкостью до 100 т и более переплавляемой шихты. Отапливают печь мазутом ,угольной пылью или газом. Максимальная температура в головной части печи составляет 1550°С и постепенно снижается к хвостовой части до 1250…1300°С. Шихту загружают вагонеткой через отверстия в своде печи.
В процессе плавки протекают реакции:
2Cu2S + 2CuO=6Cu + SO2 ; 2Cu + FeS=Cu2S + Fe ; Cu2O + FeS=Cu2S + FeO .
В результате этих реакций на поддоне печи скапливается расплавленный медный штейн- сплав сульфидов Cu2S и FeS,содержащий 20…60 % Cu, 10…60 % Fe и
6
до 25 % S. Образующие при плавке силикаты железа растворяют другие оксиды и всплывают в виде шлака. Штейн и шлак выпускают по мере их накопления через специальные отверстия в печи.
Медный штейн конвертируют для окисления сульфидов и железа, перевода образующихся окислов в шлак, а серы в SO2 и получения черновой меди. Конвертируют штейн в горизонтальных конвертерах с боковым дутьем. Для этого через штейн пропускают сжатый воздух.
Черновую медь получают при продувке расплавленного штейна воздухом в конвертере (рис.2)-горизонтально расположенном цилиндрическом сосуде из листовой стали длиной 5…10 и диаметром 3…4 , футерованном магнезитовым кирпичом 2. Воздушное дутьё подводится по трубам 3 и подаётся внутрь конвертера через 40…50 фурм 4, расположенных по его образующей. Для заливки штейна в горловину 1 и выливки продуктов плавки конвертер поворачивают на роликах 5.
Конвертирование разделяют на два периода.
В первом периоде , длящемся 6-25 ч , сульфиды железа и меди окисляются:
2FeS + 3O2=2FeO + 2SO2 + Q1 ;
2Cu2 + 3O2=2Cu2O + 2SO2 +Q2 .
Образующаяся закись железа связывается SiO2 и удаляется в шлак:
2FeO + SiO2=(FeO)2·SiO2 .
В результате этих экзотермических реакций выделяющаяся теплота Q1 и Q2 разогревает расплав с 1100-1200 до 1250-1300°С , что нежелательно , поэтому в ванну добавляют охладители-твёрдый штейн и отходы меди. В результате за первый период в конвертере получают белый штейн , состоящий в основном из сульфидов меди.
Во втором периоде продолжительностью 2-3 ч из белого штейна образуется черновая медь окислением сульфида меди:
Cu2S + 3O2=2Cu2O + 2SO2 .
Образовавшаяся закись меди взаимодействует с сульфидом меди; в результате этого выделяется медь:
Cu2S + 2Cu2O=6Cu + SO2 .
Таким образом , в конвертере получают черновую медь МК1 , содержащую 98,4-99,4% Cu , 0,01-0,04% Fe , 0,02-0,1% S и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Черновая медь содержит до 1,5% примесей. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.
Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей: сначала производят огневое , а затем электролитическое рафинирование.
Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, имеющих большее сродство к кислороду, чем медь ,удалении их с газа-
7
ми и переводе в шлак. Для огневого рафинирования применяют отражательные печи. Огневое рафинирование длится ~20 ч при использовании твёрдой черновой меди и 12-14 ч при использовании жидкой черновой меди после конвертирования.
Примеси окисляются кислородом воздуха, подаваемым по стальным трубкам,
погруженным в ванну расплавленной черновой меди.
При этом кислород соединяется с медью по реакции
4Cu + O2=2Cu2O .
Закись меди далее реагируют с примесями по реакции
Ме + Cu2O=MeO + 2Cu .
По этой реакции окисляется такие примеси , как примеси алюминия , железа, никеля , цинка ,сурьмы ,мышьяка .
Сера окисляется по реакции
Cu2S + 2Cu2O=6Cu + SO2 .
Период окисления примесей длится около 3 ч. Затем удаляются газы («дразнение» на плотность).Для этого с расплавленной меди снимают шлак и погружают в неё сырое дерево. Бурное выделение паров воды перемешивает медь и способствует завершению удаления серы, SO2 и других газов. При этом медь окисляется, и для освобождения её от Cu2O проводят «дразнение» на ковкость. Для этого ванну жидкой меди покрывают слоем древесного угля и погружают в неё деревянные жерди. Вследствие сухой перегонки древесины, погруженной в медь , образуются углеводороды , которые , взаимодействия с Cu2O , восстанавливают её:
4Cu2O + CH4=CO2 + 2H2O + 8Cu
Cодержание Cu2O в меди снижается с 10-12 до 0,3-0,5% .
После огневого рафинирования получают медь чистотой 99-99.5% .Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов меди или слитки в виде плит для последующего электролитического рафинирования.
Электролитическое рафинирование меди проводят для получения чистой от примесей меди (99,95 % Cu). Электролиз проводят в ваннах , покрытых изнутри винипластом или свинцом. Аноды изготовляют из меди огневого рафинирования , а катоды-из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор CuSO4 (10-16 %) и H2SO4 (10-16 %). При пропускании постоянного тока напряжением 2…3 В и плотностью 100…400 А/м2 анод растворяется , медь переходит в раствор , а на катодах разряжаются ионы меди , осаждаясь на них слоем чистой меди:
Cu2+ + 2_→Cu .
Примеси (мышьяк , сурьма , висмут , селен , теллур) вместе с драгоценными металлами осаждаются на дно ванны в виде шлама , который затем удаляют через отверстие в дне ванны и перерабатывают для извлечения этих металлов. Иногда в шламе содержатся до 35 % Ag, 6 % Se,3 % Fe ,1 % Au и другие ценные элементы.
8
Катоды выгружают через 5-12 дней , когда их масса достигает 60-90 кг. Их тщательно промывают , а затем переплавляют в электропечах.
Медь по чистоте подразделяют на марки : МО (99,95 % Cu) , M1 (99,9 % Cu) , M2 (99,7 % Cu) ,M3 (99,5 % Cu) , M4 (99 % Cu) .
9
Литература.
10