3) транспорт (детали и узлы железнодорожных вагонов, автомобилей, самолетов, морских и речных судов, тракторов и др.);
4) магнитогидродинамические генераторы;
5) ракетная техника;
6) строительные материалы (кровельные листы, детали декоративных архитектурных украшений);
7) химическая промышленность (производство солей, красок, катализаторов, ядохимикатов и др.);
8) изделия и приборы бытового назначения;
9) сельское хозяйство (для защиты растений от болезней и вредителей, например медный купорос CuSO4 • 5Н2О).
Для промышленно развитых стран потребление меди характеризуется следующими примерными цифрами,% от общего потребления:
Электротехника и электроника 45 - 50
Транспорт 5 - 10
Машиностроение 10 - 15
Строительные материалы 8 - 10
Химическая промышленность 3 - 6
Прочие потребители До 10
Медные руды. Кларк меди, т.е. ее содержание в земной коре, равен 0,01%. Однако, несмотря на низкое содержание в земной коре, она образует многочисленные месторождения руд - естественные скопления рудных медных минералов. Характерным для меди является наличие в природе руд всех четырех рассмотренных выше типов.
Известно более 250 медных минералов. Большинство из них встречаются сравнительно редко, некоторые представляют собой драгоценные камни. К наиболее распространенным медным минералам, имеющим промышленное значение при получении меди, относятся прежде всего соединения меди с серой и кислородом. Наибольшее количество меди в земной коре (около 80%) входит в состав сернистых соединений. Ниже приведены важнейшие сульфидные минералы меди:
Минерал Сu%
Ковеллин CuS 66,5
Халькозин Cu2S 79,9
Халькопирит CuFeS2 34,6
Борнит Cu5FeS4 63,3
Кубанит CuFe2S3 23,5
Талнахит CuFeS2 36 - 34,6
Кроме того, довольно распространены медно-мышьяковистые (энаргит Cu3AsS4) и медно-сурьмянистые (тетраэдрит Сu3SbS3) минералы.
Сульфидные медные минералы имеют как гидротермальное, так и магматическое происхождение. При высоких температурах и давлениях вода, выделяющаяся при застывании магмы, наряду с сульфидами меди растворяет сульфиды, селениды и теллуриды многих других металлов и прежде всего железа, цинка, свинца, мышьяка и сурьмы. В растворе содержатся также благородные металлы, висмут и редкие металлы. При охлаждении термальных вод из них выкристаллизовывается целый комплекс ценных минералов: халькопирит CuFeS2, сфалерит ZnS, галенит PbS.
Основными компонентами пустой породы являются пирит FeS2 и кварц. Соотношение между ценными минералами может меняться в широких пределах. Совместная кристаллизация минералов, особенно если она протекала сравнительно быстро, часто приводит к очень тонкому их прорастанию, что крайне затрудняет разделение ценных минералов при обогащении. Поскольку температура кристаллизации различных минералов неодинакова, состав руды меняется по глубине месторождения. Меняются также стехиометрический состав однотипных минералов и содержание в них примесей.
Магматические месторождения, содержащие медь, образуются при кристаллизации ультраосновных пород. В этих месторождениях важнейшими спутниками меди являются никель, кобальт, платиновые металлы. Железо кристаллизуется в виде пирротина Fe (1-x) S, никель в основном в виде пентландита (Fe, Ni) S, но частично он может входить изоморфно и в состав пирротинов. Таким образом, и в магматических месторождениях медь встречается в комплексе со многими другими ценными элементами.
В природных условиях первичные сульфидные минералы могут подвергаться воздействию атмосферных агентов (кислорода, СO2, воды) и претерпевать изменения (выветриваться). Очень часто ковеллин и халькозин являются продуктом превращения первичных минералов. Более глубокое превращение приводит к образованию кислородных соединений меди. Ниже приведены основные минералы меди окисленных руд:
Минерал Сu%
Малахит СuСO3• Сu (ОН) 2 57,4
Азурит 2СuСО3 • Сu (ОН) 2 55,1
Куприт Сu2О 88,8
Тенорит (мелаконит) СuО 79,9
Халькантит CuSO4 • 5Н2О 25,5
Хризоколла CuSiO3 • 2Н2О 36,2
Диоптаз CuSiOs • Н2О 40,3
Вследствие низкого содержания меди и комплексного характера медных руд в большинстве случаев их непосредственная металлургическая переработка невыгодна, поэтому их предварительно подвергают, как правило, селективному флотационному обогащению.
При обогащении медных руд основным продуктом являются медные концентраты, содержащие до 55% меди (чаще от 10 до 30%). Извлечение меди в концентраты при флотации колеблется от 80 до 95%. Кроме медных, при обогащении руд часто получают пиритные концентраты и концентраты ряда других цветных металлов (цинковый, молибденовый и т.д.). Отходами обогащения являются отвальные хвосты.
Флотационные концентраты представляют собой тонкие порошки с частицами крупностью менее 74 мкм и влажностью 8-10%.
В металлургии меди роль предварительного обогащения очень велика. От содержания ценного компонента в перерабатываемом сырье зависят производительность металлургических агрегатов, расход топлива, электроэнергии и вспомогательных материалов, трудовые затраты, потери извлекаемых компонентов и в конечном итоге себестоимость готовой продукции.
Предварительное обогащение рудного сырья, значительно более дешевое, чем непосредственная металлургическая переработка, обеспечивает:
1) снижение затрат на последующие металлургические операции и себестоимости конечного продукта в первую очередь за счет сокращения объема перерабатываемых материалов;
2) возможность переработки бедных руд, непригодных для прямой металлургической переработки, т.е. расширение запасов природного сырья;
3) в ряде случаев повышение комплексности использования исходного сырья за счет выделения ценных компонентов в отдельные концентраты, пригодные для дальнейшей самостоятельной металлургической переработки.
Медные руды и получаемые при их обогащении концентраты имеют одинаковый минералогический состав и отличаются лишь количественными соотношениями между различными минералами.
Следовательно, физико-химические основы их металлургической переработки будут совершенно одинаковы.
Способы получения меди из рудного сырья. Переработку медного сырья можно проводить с использованием как пиро-, так и гидрометаллургических процессов. В промышленной практике металлурги имеют дело фактически с комбинированными технологическими схемами, включающими обе разновидности металлургических методов, как правило, с преобладанием одной из них, что и определяет в конечном итоге наименование технологии.
За рубежом в настоящее время пирометаллургическим способом производится около 85% от общего выпуска меди.
Таким образом, переработку медного рудного сырья в основном производят пирометаллургическими процессами.
К числу пирометаллургических процессов, применяемых при производстве меди, относятся окислительный обжиг, различные виды плавок (на штейн, восстановительные, рафинировочные), конвертирование штейнов и в ряде случаев возгоночные процессы. Типичными гидрометаллургическими процессами являются выщелачивание, очистка растворов от примесей, осаждение металлов из растворов (цементация, электролиз и др.), а также электролитическое рафинирование меди.
С учетом разновидностей перерабатываемых медных руд в настоящее время в промышленности используют три принципиальные пирометаллургические схемы.
Пирометаллургическую переработку сульфидных медных руд и концентратов можно вести двумя путями. Первый путь предусматривает полное окисление всей серы перерабатываемого сырья с помощью предварительного окислительного обжига (обжиг "намертво") при одновременном переводе меди и железа в оксидную форму:
4FeS2+ 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2; (1)
2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2. (2)
Продукт обжига (огарок) далее подвергают селективному восстановлению при полном расплавлении материала - восстановительной плавке. При этом медь восстанавливается до металлического состояния, а железо - в основном до вюстита. Оксиды железа совместно с пустой породой руды и оксидами флюсов образуют шлак, который удаляют в отвал. Процесс восстановления описывается следующими основными реакциями:
Сu2О + СО = 2Сu - СО2, (3)
Fe203 + СО = 2FeO + С02, (4)
FeO+CO=Fe+CO2. (5)
Такой прием получения меди кажется наиболее простым и естественным. Именно поэтому он, по существу, был единственным способом переработки медных руд в XVIII и XIX вв. Однако целый ряд существенных недостатков восстановительной плавки заставил отказаться от ее применения. В настоящее время процесс, близкий к восстановительной плавке, используется лишь для переработки вторичного медного сырья.
Важнейшими недостатками этого метода являются:
1. При плавке получается очень грязная (черная) медь, содержащая до 20% железа и других примесей. Это, как известно из теории пирометаллургических процессов, объясняется облегченными условиями восстановления железа в присутствии расплавленной меди. Рафинирование черной меди от большого количества примесей является очень сложным и дорогим и связано, кроме того, с большими потерями меди.
2. Шлаки, находящиеся в равновесии с металлической медью, получаются очень богатыми, что снижает извлечение меди в товарную продукцию.
3. Плавка осуществляется с большим расходом (до 20% от массы шихты) дефицитного и дорогого кокса.
Второй путь, характерный для современной пирометаллургии меди, предусматривает на промежуточной стадии технологии плавку на штейн (сплав, главным образом, сульфидов меди и железа) с последующей его переработкой на черновую медь. Пустая порода при этом переходит в шлак. Плавку на штейн можно вести в окислительной, нейтральной или восстановительной атмосфере. В I условиях окислительной плавки можно получать штейны любого заданного состава. В этом случае преимущественно будут окисляться сульфиды железа с последующим ошлакованием его оксида кремнеземом по реакции