6 Мая 2018

Медь - уникальные свойства металла, области его применения и способы получения в различных условиях

Опубликовал К.В. Кулик

         Медь (Cu) - элемент первого ряда четвёртого периода периодической системы элементов, атомный номер - 29, атомная масса составляет 63, 546, плотность - 8,94 г/см3, температура плавления – 1083°С, температура кипения  - 2360°С, удельная электропроводность - 64м/ом. мм2, удельное электрическое сопротивление - 0,017ом/мм2.м, температурный коэффициент электрического сопротивления - 428.10 - 5.

         Модуль нормальной упругости - 10800кг/мм2 (мягкий), 13000 кг/мм2 (твёрдый), предел прочности при растяжении - 24кг/мм2 (мягкий), 50кг/мм2 (твёрдый), относительное удлинение - 50% (мягкий), 6% (твёрдый), относительное сжатие - 75% (мягкий), 35% (твёрдый), предел пропорциональности - 2,2кг/мм2, предел упругости – 2,5кг/мм2 (мягкий), 30 кг/мм2 (твёрдый), предел текучести - 7-38кг/мм2, предел усталости (переменное скручивание) – 2,8-4,2 кг/мм2, предел ползучести - 20°С - 7 кг/мм2, 200°С - 5 кг/мм2, 400°С - 1,4 кг/мм2, ударная вязкость - 5,6кгм/см2, твёрдость по Бринелю НВ - 40-50 кг/мм2 (мягкий), 110-139 кг/мм2 (твёрдый), коэффициент трения: со смазкой - 0,011, без смазки - 0,43. Антикоррозионная устойчивость (потеря массы г/м2 в сутки): в 10% серной кислоте - 5.4 г; в 2% едком натре - 0,10г, в морской воде - 0,43г.

         Медь, металл красноватого цвета, легко плавится, хорошо куётся и прокатывается, хорошо сплавляется с другими металлами. Медь хорошо проводит тепло и электрический ток (немного уступая серебру и на много лучше алюминия).

         Как и все элементы первой группы, медь является одновалентным металлом, и в таком состоянии она находится в руде и в продуктах медной плавки. В природе и в других процессах переработки медь находится в двухвалентном состоянии. Медь, как химический элемент малоактивна, но в определённых условиях реагирует с кислородом, с серой, бромом, йодом и хлором и с некоторыми другими элементами.

         Находясь в сухом воздухе, при 20°С медь практически не окисляется. Во влажной атмосфере с углекислым газом, на поверхности меди образуется плёнка зелёного цвета, которая является основным карбонатом и очень ядовита. Если медь нагреть до красного каления, она окисляется до окиси меди CuO, а при нагреве выше 800°С, она окисляется до Cu2O.

         Если нагревать окись меди она разлагается по реакции:

         4CuO=2Cu2O+O2

         Оба эти оксида меди сравнительно легко восстанавливаются даже при низких температурах и не высокой концентрации восстановителя.

       Свойства меди в соединении с другими элементами

         Медь, при соединении с серой образует сульфиды Cu2S (минерал халькозин) и CuS (ковеллин). При температурах 400 - 450 °С минерал ковеллин разлагается, при этом выделяется элементарная сера. В пирометаллургических процессах, при повышенных температурах, оксиды и сульфиды меди существуют в виде Cu2O и Сu2S в одновалентном состоянии. Рассмотрим остальные свойства.

  1. В растворах соляной и серной кислот, медь без присутствия кислорода не растворяется, т.к. более электроположительна по отношению к водороду.
  2. В азотной и горячей концентрированной серной кислоте медь растворяется легко, но только в присутствии кислорода.
  3. С аммиаком и цианидами, медь, в воде и в присутствии кислорода, реагирует достаточно легко, и при этом образуются различные комплексные соединения.
  4. В качестве примесей в меди могут присутствовать различные химические элементы, которые по разному влияют на свойства металла.
  5. Кислород присутствует во всех видах меди и, является вредной примесью т.к. снижает механические и технологические качества металла.
  6. Сурьма снижает электропроводность и пластичность меди, но повышает коррозионную стойкость меди.
  7. Висмут является вредной примесью, т.к.усиливает разрушение металл при прокатке.
  8. Мышьяк повышает жаростойкость меди, при этом механические свойства металла не ухудшаются.
  9. Свинец очень вредная примесь, т.к. способствует разрушению металла при горячей обработке.
  10. Железо повышает механические свойства меди, но снижает коррозионную стойкость.
  11. Никель мало влияет на свойства меди, лишь незначительно улучшает коррозионную стойкость.
  12. Олово ухудшает электропроводность меди.
  13. Сера. селен и теллур являются вредными примесями т.к. они ухудшают механические свойства меди.
  14. Кремний улучшает механические свойства меди и не снижает электропроводности.
  15. Фосфор снижает электропроводность, но немного улучшает механические свойства металла.
  16. Водород является вредной примесью, т.к. может разрывать металл при нагреве.

         В природе существует много минералов, содержащих медь и имеющих промышленное значение.

         Медь бывает самородной (содержит 100% меди), минерал халькопирит или, по другому, медный колчедан (сульфид меди и железа, содержит35% меди), минерал ковеллин ( сульфид меди,содержит66,4% меди), борнит( сульфид меди и железа, содержитдо 70% меди), халькозин или, по другому, «медный блеск», (сульфид меди, содержит 80% меди), куприт (оксид меди, содержит 90 % меди), малахит( карбонат меди, содержит 57% меди), азурит (карбонат меди, содержит 70% меди), хризоколла (силикат меди, содержит 36% меди), блеклые руды (сульфасоли меди, содержат 57% меди).

         В разрабатываемых месторождениях содержание меди в рудах обычно бывает более 1%, но иногда разрабатываются рудные карьеры с содержанием в рудах меди не более 0,5%.

       Способы получения меди

         Главными источниками получения меди являются медная руда и вторичное сырьё, доля которого, сегодня, в общем балансе производства, доходит до 40%. Медные руды, это полиметаллическое сырьё, в котором содержание меди, редко превышает 0,8 - 1,5% и, в связи с истощением богатых рудных месторождений, уже сейчас, начинается вовлечение в переработку руд, с содержанием меди 0,4 - 0,5%.

         Полиметаллические руды, содержащие медь имеют в своём составе до 30 химических элементов, которые можно извлекать попутно. Основными из них являются: никель, кобальт, цинк, золото, платиноиды, свинец, кадмий, серебро, молибден, рений, сера, селен, теллур, индий, таллий, германий, железо. Если в медной руде содержание сопутствующих металлов, соизмеримо с содержанием меди, их называют медно-никелевые, медно-молибденовые, медно-цинковые. и т.п.

         В промышленности, для получения меди, используют четыре вида медных руд: сульфидные, окисленные, самородные и смешанные, причём, наибольшее применение получила переработка сульфидных руд, из которых получают 85 - 90% первичной меди.

         Большинство медных руд, из-за низкого содержания меди и их комплексного состава, для непосредственной металлургической переработки не годятся, поэтому, они требуют предварительного обогащения для повышения концентрации меди и отделения от них ценных компонентов - спутников меди.

         Продуктами обогащения являются концентраты, которые содержат до 55%меди (чаще до 30%) и отвальные хвосты.

       Что же представляет собой процесс обогащения медных руд?

         Для того чтобы провести процесс обогащения и получить концентрат, рудное сырьё подвергают процессам предварительной обработки, в которые входят дробление и измельчение. Дробление подразделяется на крупное, среднее, мелкое, для чего применяются щековые и конусные дробилки. Затем, в шаровых мельницах, осуществляется измельчение. Процесс сортировки материала по крупности осуществляется в грохотах и классификаторах и, в последней стадии, материал подвергается флотации, процессу, в основе которого лежит избирательное смачивание частиц материала водой. После сушки концентрат готов к проведению пирометаллургической переработки.

         Концентрат - это продукт, который содержит повышенную концентрацию получаемого металла, при этом применяются понятия: выход, отношение массы полученного концентрата к массе всего подаваемого на обогащение материала и извлечение, отношение количества металла в концентрате, к его количеству в исходном материале. Отвальные хвосты - это пустая порода с небольшим содержанием ценных компонентов.

         При обогащении руд, вместе с удалением из минерального сырья пустой породы, необходимо провести селективное обогащение, т.е. отделить концентраты других металлов, чтобы переработать их отдельно. Для получения меди из концентратов и из вторичного сырья применяют пирометаллургические и гидрометаллургические способы их переработки.

         Сегодня в мире, около 85% процессов переработки концентратов осуществляется пирометаллургическим способом, в котором получают черновую медь, являющуюся полупродуктом и, которую, обязательно необходимо подвергнуть рафинированию. При пирометаллургической переработке рудного сырья, из него полностью удаляются пустая порода, сера и железо, извлекаются ценные компоненты, спутники меди.

         Процесс получения черновой меди из сульфидных руд заключается в окислении сульфидов меди и сульфидов железа. Вместе с ними окисляется сера из сульфидов. Технология получения черновой меди, это многостадийный процесс, с повышением концентрации меди при каждом последовательно проводимом этапе переработки.

         В большинстве случаев этот процесс осуществляется следующим образом. Медный концентрат, после обогащения поступает на обжиг в печь, туда же подаётся дутьё. Иногда, перед плавкой на штейн, сульфатное сырьё подвергают окислительному обжигу. В результате этого процесса получают огарок и отходящие газы, которые направляют на производство серной кислоты, а огарок отправляют в плавку на получение штейна в отражательной печи. В неё подают обогащённое дутьё, флюсы и, частично, медный концентрат. При плавке на штейн происходит его обогащение по меди и обеднение по железу Полученный штейн направляют на конвертирование, в котором получают черновую медь, шлаки и отходящие газы, которые отправляют на производство серной кислоты, а шлак, после обеднения отправляют частично в оборот в плавку на штейн, а обеднённый, в отвал. Конвертирование осуществляется по реакции:

         Cu2S+O2=2 Cu+SO2

         По этой технологии можно получать металл, содержащий 97,5 - 99,5% меди.

         Существует способ одностадийного получения черновой меди. Он заключается в следующем.

         Медный концентрат поступает в процесс плавки на черновую медь. В печь добавляют флюсы и обогащённое дутьё. В процессе плавки получают черновую медь, шлак и отходящие газы. Шлак после плавки поступает на обеднение и затем в отвал, газы идут на получение серной кислоты.

         На сегодняшний день всё больше применяют для переработки сульфидного сырья т.н. автогенные процессы, которые происходят за счёт экзотермических реакций при окислении сульфидов шихты, без затрат внешней энергии. Внедрение автогенных процессов значительно повышает технологические и экономические показатели плавки.

         Полученную черновую медь, направляют на огневое рафинирование, после которого получают анодную медь и шлак, который поступает на обеднение и затем в отвал.

         Огневое рафинирование это процесс окисления находящихся в черновой меди примесей, переводу их в шлак и удалению. Этот процесс осуществляется в анодной печи и продолжается от 16 до 24 часов и включает в себя операции расплавления, окисление вредных примесей, удаление газов, раскисления расплава и последующую разливки на аноды. Расплав черновой меди окисляется воздухом, который подаётся в него с помощью стальных трубок. В отличие от вредных примесей, благородные металлы не окисляются и остаются в расплаве. После процесса окисления и удаления газов, с поверхности расплава удаляют шлак и проводят т.н. процесс «дразнения», с помощью которого завершается процесс окисления серы и удаление сернистых газов. Затем медь раскисляют для уменьшения количества окиси меди до 0,3 - 0,5% и разливают на карусельной машине, которая представляет собой агрегат с изложницами, циклически поворачивающийся с интервалом по времени. Отливка из анодной меди, полученная в изложнице, представляет собой пластину толщиной до 30  - 40 мм, с «ушками», за которые её извлекают из изложницы и они же служат для завески анода в электролизную ванну.

         Анодная медь в виде пластин, поступает на электролиз для получения катодной меди, которая является товарной продукцией. Шламы, после электролиза, содержащие драгоценные металлы и другие ценные компоненты, поступают на переработку, где извлекаются и тоже становятся товарной продукцией.

         В результате процесса электролиза получают медь с чистотой 99,99%, а из шламов извлекают золото, серебро, селен, теллур и некоторые другие элементы, которые оставались в меди после конвертерного процесса.

         Для проведения процесса рафинирования с помощью электролиза используют железобетонные ванны, которые заполняют водным раствором серной кислоты с концентрацией 200г/л. Затем в ванну устанавливают аноды с определённым шагом и, через опорную шину, подключают к положительному полюсу источника питания. После чего в ванну устанавливают т.н. «матрицы» катоды и, через опорную шину их подключают к отрицательному полюсу источника питания.

         Ванны в цехе соединяют в группы с последовательным и параллельным соединением с источником питания. После подачи напряжения на ванны, электрический ток, по законам электролиза, проходит через раствор и осаждает ионы меди, находящиеся в нём, на отрицательном электроде, катоде. В результате, на катоде получается плотный осадок чистой меди, а нерастворимые примеси драгоценных металлов осаждаются в шламе, на дне ванны. Этот осадок периодически извлекают из ванны, фильтруют и подают на извлечения драгметаллов. Подогретый раствор циркулирует в ванне, что обеспечивает оптимальный режим процесса электролиза.

         Аноды растворяются в ванне в течение 25 - 30 суток и оставшиеся «обсоски» отправляют на переплавку в анодную печь, а катоды, матрицы с осадками, выгружают из ванн через 7 - 15 суток, после чего их отправляют на процесс отделения осадков от матриц, на «сдирку». Осадки взвешиваются, формируются в пакеты, которые перевязываются и отправляются заказчику.

         Многостадийный процесс получения меди отработан в результате научных изысканий и бесчисленных практических и промышленных экспериментов, но сегодня, поиски оптимального и экономичного процесса получения меди продолжаются.

       Использование меди в современном мире

         Среди нескольких металлов, издавна известных человечеству, медь является самым древним. Медь, люди использовали ещё до применения железа, примерно 10 тысяч лет назад. Каменный век человечества был сменён на медный примерно 7 тысяч лет назад.

         Это было связано со сравнительно лёгким получением меди из руды методом плавки и, сравнительно, не очень трудоёмким процессом изготовления из неё орудий труда, и т.к. медь обладает свойством легкоплавкости и пластичности, это и предопределило её высокую распространенность и широту использования. Сначала, для получения меди, люди использовали медные самородки, а затем, богатые медные залежи руд, что значительно расширило сферу применения меди.

         Наступил медный век, который продолжался до второго тысячелетия до нашей эры и был, в свою очередь, сменён бронзовым веком. Свойство меди легко сплавляться с другими металлами, проявилось при соединении её с оловом, что дало начало бронзовому веку. Сплавляясь оловом медь, превращалась в сплав, гораздо более твёрдый и прочный, который назвали бронзой.

         Из бронзы изготавливали орудия труда для сельского хозяйства, для бытовых целей, оружие для оснащения войск. На основании использования бронзы бурно начали развиваться ремёсла, средства передвижения, пахотное земледелие. Бронзовый век закончился с приходом века железного, но медь и её сплавы, уже в новом качестве, не потеряли своего значения для человечества. Чистая медь обладает ценными свойствами, которые используются сегодня во многих отраслях промышленности.

         Высокая электропроводность, теплопроводность, лёгкая сплавляемость с другими металлами с образованием сплавов, являются основными свойствами, которые характеризуют медь, как один из основных и массово применяемых металлов современности.

         Электропроводность

         Это свойство чистой меди позволяет в больших объёмах применять медь в электротехнической промышленности. Миллионы километров медной проволоки, «катанки», медных шин для электрических подстанций, контакты электроприборов, всё это чистая медь. Провода в изоляции для быта и промышленности, провода для высоковольтных передач электроэнергии, обмотки электродвигателей и детали приборов, всё это, тоже медь. Электроника и радиотехника не обходятся без медных деталей и всё это, благодаря низкому электрическому сопротивлению изделий из чистой меди. Современная вычислительная техника не может существовать без использования меди очень высокого качества.

         Удельное электрическое сопротивление меди составляет 0,0175 ом. мм2/м, что в 1,7 раза меньше, чем у ближайшего по электротехническим свойствам металла, алюминия. Изолированные провода, цилиндрического сечения, изготовленные из меди, выдерживают длительно допустимые токовые нагрузки:

  • сечением 1 мм2 - 17 ампер;
  • сечением 1,5 мм2 -  23 ампера;
  • сечением 2,5 мм2 -  30 ампер;
  • сечением 4.0мм2 -  41 ампер.

         Эти параметры позволяют им успешно конкурировать с алюминиевыми проводами, которые при той же длине и том же сечении, весят меньше, но выдерживают токовые нагрузки в 1,7 раза меньше, и экономия потерь электроэнергии, в конечном итоге, говорит, в значительной степени, в пользу применения медных проводов.

         Сплавы меди используются как элементы электрического сопротивления. Сплав, под названием константан, содержит 39 - 41% никеля. Он обладает высоким удельным электрическим сопротивлением и его, в виде ленты и проволоки, применяют для изготовления реостатов сопротивления. Незначительные примеси резко снижают качество высокой электропроводности, поэтому для эффективного использования меди в качестве проводника электричества, применяют металл, содержащий не более 0,05% примесей.

         Теплопроводность

         Свойство меди очень хорошо проводить тепло широко используется в промышленности и в быту.

         Различные теплообменные аппараты, холодильники и нагреватели изготовлены из меди и её сплавов и, по сравнению с агрегатами, изготовленными из других теплопроводящих материалов, гораздо лучше проводят и передают тепло. Высокая теплопроводность меди в сочетании с пластичностью позволяют применять её при изготовлении вакуумных аппаратов, аппаратов для перегонки агрессивных субстанций, змеевиков, сушильных барабанов.

       Медные сплавы

         Ограниченные механические свойства чистой меди не позволяют использовать её в качестве конструкционных материалов, поэтому были созданы сплавы меди с другими металлами, которые значительно превосходят медь по многим ценным свойствам.

         Сплавы меди с цинком называют латунями, а сплавы меди с алюминием, железом и оловом, называют бронзами.

         Латунь, уникальный медный сплав. Он прочен, пластичен и твёрд. При производстве отливок он очень хорошо заполняет форму, а готовые изделия из латуни, устойчивы против коррозии. Латунь дешевле, чем чистая медь и широко применяется в машиностроении. Из латуни изготавливают трубки для радиаторов, конденсаторов для автомобилей и холодильных машин. Латунь хорошо выдерживает воздействие морской воды, её используют, также, в часовой промышленности, для создания нагрудных знаков и художественных изделий. Иногда, в латунь, в качестве легирующих элементов, добавляют железо, марганец, никель, кремний в количестве до 7 - 8%, что позволяет получать сплавы с высокими механическими и антикоррозионными свойствами.

         Бронза, важнейший медный сплав. Оловянные бронзы содержат 6-20% олова, алюминиевые бронзы содержат 5-11% алюминия, кремнистые бронзы содержат 4-5% кремния, бериллиевые бронзы содержат 1,8%-2,3%бериллия, кадмиевые бронзы содержат до 1% кадмия. Эти легирующие примеси позволяют получать бронзы с различными ценными качествами.

         Оловянные бронзы применяют для создания подшипниковых опор крупных машин, из этого сплава изготавливают шестерни и втулки, для механизмов, работающих в тяжёлых условиях, при высоких давлениях и температурах.

         Бериллиевая бронза применяется для изготовления специальных пружин.

         Латуни и бронзы бывают литейными и деформируемыми. Из этих литейных сплавов изготавливают отливки, а деформируемые обрабатывают ковкой, штамповкой, прокатом.

         Кроме бронз и латуней существуют медно-никелевые сплавы. Один из них называется мельхиор. Это сплав меди, в котором содержится 18-20% никеля, хорошо противостоит коррозии. Мельхиор применяется в химической отрасли для создания реакторов содержащих агрессивные среды, а также, он широко известен в быту как металл, из которого изготавливают посуду и предметы домашнего обихода.

         Сплав меди с никелем, железом и марганцем называется монель - металл. Он отличается высокой коррозионной стойкостью и его применяют в химической отрасли, в судостроении, в электротехнике.

         На Лондонской бирже металлов (ЛБМ) товарная медь представлена т.н. катодной медью, чистота которой должна быть 99,99%. Катодная медь поставляется в пакетах определённой массы, взвешенных и обвязанных.

         Кроме того, медь поставляется в виде слитков, слябов для прокатки листовой меди и лент, специальных слитков т.н. «вайербарсов», из которых прокатывается медная проволока.