Способы получения меди из руды и металлолома

Особенности медных руд

Медьсодержащие руды характеризуются как многоэлементные. Наиболее часто встречающиеся соединения бывают с:

• железом;

  

• серой;
• медью.

В незначительной концентрации могут присутствовать:

• никель;
• золото;
• платина;
• серебро.

Месторождения во всем мире имеют примерно одинаковый набор химических элементов в составе руды, отличаются лишь их процентным соотношением. Чтобы получить чистый металл, используют различные промышленные способы. Почти 90% металлургических предприятий используют одинаковый метод производства чистой меди – пирометаллургический.

Один из самых больших карьеров по добыче руди приносит 17 миллионов тонн меди в год

Схема этого процесса позволяет также получать металл из вторичного сырья, что для промышленности является существенным плюсом. Поскольку месторождения относятся к группе не восполняемых – запасы с каждым годом уменьшаются, руды беднеют, а их добыча и производство становится дорогим. Это, в конечном счете, влияет на цену металла на международном рынке. Кроме пирометаллургического метода, существуют еще способы:

• гидрометаллургический;
• метод огневого рафинирования.

Механическая чистка изделий из меди

Данный вид относится к профессиональной чистке и подразумевает предварительное замачивание в дистиллированной воде. Затем тщательно пропитывают синтетической смолой для укрепления патины и предотвращения царапин в процессе дальнейшей чистки.

Мастерами применяются иглы, с минимальной жёсткостью щётки, шаберы ручного и механического управления с различной формой наконечников, а также слесарные резцы.

Этот процесс считается очень длительным, кропотливым, требующим терпения и внимательности.

Стадии пирометаллургического производства меди

Общие способы получения метала из руды

Промышленное получение меди с использованием пирометаллургического способа имеет преимущества перед другими методами:

• технология обеспечивает высокую производительность – с ее помощью можно получать метал из породы, в которой содержание меди даже ниже 0,5%;
• позволяет эффективно перерабатывать вторичное сырье;
• достигнута высокая степень механизации и автоматизации всех этапов;
• при его использовании значительно сокращаются выбросы вредных веществ в атмосферу;
• метод экономичный и эффективный.

Обогащение

Схема обогащения руды

На первом этапе производства необходимо подготовить руду, которую доставляют на обогатительные комбинаты прямо с карьера или шахты. Часто встречаются большие куски породы, которые предварительно нужно измельчить.

Происходит это в огромных дробильных агрегатах. После дробления получается однородная масса, с фракцией до 150 мм. Технология предварительного обогащения:

• в большую емкость засыпается сырье и заливается водой;
• затем добавляется кислород под давлением, чтобы образовалась пена;
• частицы металла прилипают к пузырькам и поднимаются наверх, а пустая порода оседает на дне;
• далее, медный концентрат отправляется на обжиг.

Обжиг

Этот этап направлен на то, чтобы максимально снизить содержание серы. Рудную массу помещают в печь, где устанавливается температура 700–800оС. В результате термического воздействия содержание серы сокращается в два раза. Сера окисляется и испаряется, а часть примесей (железа и других металлов) переходит в легкошлакуемое состояние, которое облегчит в дальнейшем плавку.

Обжиг руды для снижения уровня серы

Этот этап можно опустить, если порода богатая и содержит после обогащения 25–35% меди, его используют только для бедных руд.

Плавка на штейн

Технология плавки на штейн позволяет получить черновую медь, которая различается по маркам: от МЧ1 – самая чистая до МЧ6 (содержит до 96% чистого металла). В ходе процесса плавки, сырье погружается в специальную печь, в которой температура поднимается до 1450оС.

Технология переработки медной руды и получение черной меди

После расплавления массы она продувается сжатым кислородом в конвертерах. Они имеют горизонтальный вид, а дутье осуществляется через боковое отверстие. В результате продува сульфиды железа и серы окисляются и переводятся в шлак. Тепло в конвертере образуется за счет протекания раскаленной массы, он дополнительно не нагревается. Температура при этом составляет 1300оС.

Общая схема выплавки меди

На выходе из конвертера получают черновой состав, который содержит до 0,04% железа и 0,1% серы, а также до 0,5% прочих металлов:

• олова;
• сурьмы;
• золота;
• никеля;
• серебра.

Такой черновой металл отливается в слитки массой до 1200 кг. Это так называемая анодная медь. Многие производители останавливаются на этом этапе, реализуют такие слитки. Но поскольку часто производство меди сопровождается добычей драгоценных металлов, которые содержатся в руде, то на обогатительных комбинатах используется технология рафинирования чернового сплава. При этом выделяются и сохраняются прочие металлы.

Рафинирование с использованием катодной меди

Технология получения рафинированной меди довольно простая. Ее принцип используют даже для чистки медных монет от окислов в домашних условиях. Схема производства выглядит следующим образом:

Слитки рафинированной меди

• черновой слиток помещается в ванну с электролитом;
• в качестве электролита используется раствор со следующим содержанием: сульфат меди – до 200 г/л;
• серная кислота – 135–200 г/л;
• коллоидные добавки (тиомочевина, столярный клей)– до 60 г/л;
• вода.

температура электролита должна быть до 55оС;

помещаются в ванну пластины катодной меди – тонкие листы чистого металла;

подключается электричество. В это время происходит электрохимическое растворение металла. Частицы меди концентрируются на катодной пластине, а прочие включения оседают на дне и называются шлам.

Для того, чтобы процесс получения рафинированной меди протекал быстрее, анодные слитки должны быть не более 360 кг.

Весь процесс электролиза протекает в течение 20–28 суток. За этот период вынимают катодную медь до 3–4 раз. Вес пластин получается до 150 кг.

Как это делается: добыча меди

В процессе рафинирования, на катодной меди могут образовываться дендриты – наросты, которые сокращают расстояние до анода. В результате чего снижается скорость и эффективность реакции. Поэтому, при возникновении дендритов, их незамедлительно удаляют.

Технология производства и добычи меди

Добыча меди тесно связана с технологией извлечения металла из руды и производится экономически выгодными способами с учетом специфики месторождения.

Технология производства медных изделий.

Минеральная база для извлечения металла

Сырьем для добычи медной руды являются естественные образования минералов, в которых металлический компонент содержится в количестве, необходимом для экономически выгодной промышленной разработки.

Сырье для добычи медной руды.

Рудные месторождения представлены силикатными, карбонатными, сульфатными соединениями, оксидами, образовавшимися в зоне окисления.

Среди разведанных минералов для промышленной разработки можно выделить:

• халькопирит;
• халькозин;
• борнит;
• куприт;
• самородная медь;
• брошантит;
• азурит;
• кубанит;
• малахит;
• хризотил.

В руде концентрация металла составляет 0,3–5%, а в минералах показатель концентрации составляет 22–100% (самородный металл). Месторождения меди находятся в генетической взаимосвязи с другими ценными компонентами, которые добываются как дополнительные химические элементы к основному процессу.

Среди попутных компонентов встречаются:

• платаноиды;
• серебро;
• золото;
• теллур;
• галлий;
• молибден;
• висмут;
• никель;
• титан;
• цинк.

Руда для извлечения меди содержит мышьяк, сурьму, реже ртуть. В зависимости от вида попутных химических элементов различают типы месторождений, среди которых главное значение имеют:

• медно-никелевый;
• медно-колчеданный;
• медистых песчаников и сланцев;
• медно-порфировый.

Скарновые месторождения металла и кварцево-сульфидные образования имеют подчиненное значение. В перспективе в качестве сырья для промышленного производства металла рассматриваются железомарганцевые конкреции, находящиеся в донных отложениях Мирового океана.

Способы добычи

Как добывают медь на рудных месторождениях? Низкая концентрация металла в породе предусматривает обработку большого количества материала. Для получения единицы массы металла требуется переработать 200 единиц руды.

Медь, добыча которой в основном производится открытым способом, находится на глубине до 1000 м. Глубина открытых разработок достигает 150–300 м, а в отдельных случаях до 600 м. Подземным способом разрабатываются залежи, находящиеся на глубине до 1000 м.

Переработка руды в поисках меди.

Определенные стандарты регламентируют целесообразность углубления разработок с целью извлечения рудного сырья. Это связано с технологией добычи, дополнительными затратами и снижением производительности оборудования, увеличивающими себестоимость сырья.

Поэтому в металлургической отрасли широко используется открытый способ, отличающийся незначительными потерями при разработке. Хотя и здесь есть свои минусы, связанные со складированием пустой породы.

Например, в 2013 году в США на медном карьере Kennecott Utah Copper Bingham Canyon Mine произошел оползень. Глубина карьера Бингем Каньон около 1 км, а диаметр около 4 км. Добыча руды здесь производилась в течение 150 лет.

Доставка сырья к месту переработки осуществлялась автомашинами грузоподъемностью 231 т. Горняки были предупреждены об опасном явлении и были готовы к развитию событий. Стена карьера двигалась со скоростью несколько дюймов в сутки, а предпринятые попытки укрепления не дали желаемого результата.

Условия добычи сырья предполагают использование технологии последовательной разработки с использованием:

• самоходного оборудования;
• ведения работ во время добычи сырья;
• закладки специальными материалами выработанного пространства с целью безопасности дальнейшей разработки.

Каждый технологический процесс предусматривает снижение потерь при разработке месторождений, улучшение показателей по выпуску руды.

При выемке руды слоями обеспечивается полное использование запасов. В условиях глубоких карьеров применяют циклично-поточную технологию, учитывающую особенности залегания руды.

Технология извлечения металла

Для отделения породы, не содержащей ценный компонент, используют метод флотации. Только незначительное количество сырья, содержащего медь в повышенной концентрации, подвергается непосредственной плавке. Выплавка металла предполагает сложный процесс, включающий такие операции:

• обжиг;
• плавка;
• конвертирование;
• рафинирование огневое и электролитическое.

В процессе обжига сырья содержащиеся в нем сульфиды и примеси превращаются в оксиды (пирит превращается в оксид железа). Газы, выделяющиеся при обжиге, содержат оксид серы и используются для производства кислоты.

Оксиды металлов, образованные в результате влияния температурного градиента на породу, при обжиге отделяются в виде шлака. Жидкий продукт, полученный при переплавке, подвергается конвертированию.

Из черновой меди извлекают ценные компоненты и удаляют вредные примеси путем огневого рафинирования и другие металлы путем насыщения жидкой смеси кислородом с последующим разливом в формы. Отливки используются в качестве анода для электролитического способа очистки меди.

Сырье, в котором находятся медь и никель, подвергается обогащению по схеме выборочной флотации с целью получения концентрата металлов. Железомедные руды подвергаются магнитной сепарации.

Руды медистых песчаников и сланцев, жильных пород и самородного металла перерабатываются с целью извлечения медного концентрата. Обогащение производится гравитационным способом.

Метод флотации применяется для смешанных и окисленных руд, но чаще используется химический способ и бактериальное выщелачивание.

Высокое содержание меди характерно для концентратов, извлеченных из халькозина и борнита, а низкое — для халькопирита.

Обогащение руды с незначительным содержанием меди могут проводить гидрометаллургическим способом, состоящим в выщелачивании меди серной кислотой. Из полученного в результате процесса раствора выделяют медь и сопутствующие металлы, в том числе драгоценные.

Технология гидрометаллургического производства меди

Медная руда также может содержать золото

Этот способ не получил широкого распространения, поскольку, при этом можно потерять драгоценные металлы, содержащиеся в медной руде.

Его использование оправдано, когда порода бедная – содержит менее 0,3% красного металла.

Как получить медь гидрометаллургическим способом?

Вначале порода измельчается до мелкой фракции. Затем помещается в щелочной состав. Чаще всего используют растворы серной кислоты или аммиака. Во время реакции медь вытесняется железом.

Цементация меди железом

Оставшиеся после выщелачивания растворы солей меди проходят дальнейшую обработку – цементацию:

• в раствор помещают железную проволоку, листы или прочие обрезки;
• в ходе химической реакции железо вытесняет медь;
• в результате металл выделяется в виде мелкого порошка, в котором содержание меди достигает 70%. Дальнейшее очищение происходит путем электролиза с использованием катодной пластины.

Технология огневого рафинирования черновой меди

Этот способ получения чистой меди используется, когда исходное сырье – медный лом.

Процесс протекает в специальных отражательных печах, которые топятся углем или нефтью. Растопленная масса наполняет ванну, в которую вдувают воздух по железным трубам:

• диаметр труб – до 19 мм;
• давление воздуха – до 2,5 атм;
• емкость печи – до 250 кг.

В процессе рафинирования окисляется медное сырье, выгорает сера, затем металлы. Окислы не растворяются в жидкой меди, а всплывают на поверхность. Чтобы их удалить, используется кварц, который помещается в ванну еще до начала процесса рафинирования и размещается вдоль стенок.

Рафинирование меди

Если в металлоломе присутствует никель, мышьяк или сурьма, то технология усложняется. Процент содержания никеля в рафинированной меди можно снизить лишь до уровня 0,35%. Но если присутствуют остальные компоненты (мышьяк и сурьма), то образуется никелевая «слюдка», которая растворяется в меди, и ее удалить не получится.