Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие Издательство спбгпу санкт-Петербург, 1380.47kb.
- Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2007, 1378.97kb.
- Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный политехнический, 2776.63kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2011 удк 621. 38. 049. 77(075) Поляков, 643.33kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2004, 1302.72kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2009 удк 802., 485.15kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 1935.03kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 648.91kb.
- Новые поступления в библиотеку балтийского русского института, 158.89kb.
- Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003, 1310.56kb.
6.4.ПРОИЗВОДСТВО МЕДИ
Медь является самым древним из добываемых в массовом количестве металлов. Уникальные технологические и физические характеристики, наличие в земной коре практически всех континентов, а также в воде обусловили ее интенсивное использование. Мировые ресурсы меди оцениваются в 1,6 млрд. т.
Распределение мировых запасов по странам мира следующее: Чили — 22 %; США — 12; Китай — 6; Казахстан — 5; Индонезия, Польша — по 4; Россия, Замбия — по 3; Узбекистан, Бразилия, Мексика, Австралия — по 2; Филиппины, ЮАР — по 1; другие страны — 31 %.
В 2002 г. мировая добыча меди в руде составила 13,4 млн. т. (табл. 27).
Таблица 27.
Динамика мирового производства медной руды (по содержанию меди), тыс. т
| Страна | 1997 г. | 1998 г. | 1999 г. | 2000 г. | 2001 г. | 2002 г. |
| Мир в целом | 11485 | 12270 | 12739 | 13189 | 13570 | 13400 |
| В том числе: | | | | | | |
| Чили | 3392 | 3686,9 | 4391,2 | 4602 | 4739 | 4537 |
| США | 1939,6 | 1859,4 | 1600,9 | 1467 | 1355 | 1318 |
| Индонезия | 548,3 | 809,1 | 790,3 | 1005 | 1047 | 1013 |
| Австралия | 558 | 607 | 739 | 829 | 895 | 816 |
| Перу | 506,5 | 483,3 | 536,4 | 553,9 | 722 | 916 |
| Канада | 659,5 | 705,8 | 620,1 | 633,9 | 624 | 623 |
| Польша | 414,8 | 435,8 | 463,2 | 454,1 | 475 | 422 |
| Россия | 505 | 500 | 510 | 525 | 545 | 524 |
Минерально-сырьевая база России сосредоточена в Уральском и Восточно-Сибирском регионах и представлена в основном медно-никелевыми и медно-колчеданными месторождениями. Сырьевая база Восточно-Сибирского региона состоит из месторождений сульфидных медно-никелевых руд, эксплуатируемых компаниями “Норильского Никеля”, которые и перерабатывают весь объем добытой руды. Уральский регион представлен производителями Свердловской и Челябинской областей. Свердловская область имеет полный технологический комплекс для добычи и производства меди. В этом регионе оперирует “УГМК-Холдинг” — второй по величине производитель меди в России, являющийся главным поставщиком меди на российский рынок. Основной объем сырья для компании поставляет Гайский горно-обогатительный комбинат. Большие запасы медных руд расположены в зоне Байкало-Амурской магистрали (Удоканское рудное месторождение в Читинской области).
В 2002 г. мировой выпуск рафинированной меди составил более 15 млн. т (табл. 28).
Таблица 28
Динамика мирового производства рафинированной меди, тыс. т
| Страна | 1997 г. | 1998 г. | 1999 г. | 2000 г. | 2001 г. | 2002 г. |
| Мир в целом | 13599,4 | 14148,8 | 14456,2 | 14785 | 15478 | 15356 |
| В том числе: | | | | | | |
| Канада | 560,6 | 562,3 | 548,6 | 551,6 | 569 | 512 |
| Чили | 2116,6 | 2334,9 | 2666,4 | 2668,3 | 2882,2 | 4087 |
| США | 2465,4 | 2489,3 | 2118,6 | 1794 | 1794 | 2282 |
| Австралия | 271,1 | 285 | 416 | 487 | 808 | 548 |
| Китай | 1179,4 | 1211,3 | 1174 | 1371 | 1426,5 | 1665 |
| Япония | 1278,7 | 1277,4 | 1341,5 | 1437,4 | 1426 | 1393 |
| Германия | 673,7 | 695,8 | 695,6 | 709,4 | 694 | 808 |
| Польша | 440,6 | 446,8 | 470,5 | 486 | 498 | 437 |
| Россия | 639,9 | 655,9 | 736,6 | 816 | 869 | 851 |
На долю России приходится 6 % мировой выплавки. Основными производителями черновой меди являются Среднеуральский медеплавильный завод (в 2002 году выпущено 100 тыс. т), Святогор (70 тыс. т), Уралэлектромедь (58,6 тыс. т), а также Кировоградский медеплавильный комбинат и Карабашмедь. Крупнейшим производителем рафинированной меди является “Норильский Никель”, на долю которого приходится 50 % российского выпуска меди. Среди структурных подразделений компании лидером является Североникель, 78 % продукции которого идет на экспорт. Вторым по величине производителем является Уралэлектромедь (УГМК), третьим — Кыштымский медеэлектролитный завод.
До революции на месте одного из комбинатов “Норильского Никеля” находились лишь руины медеплавильной печи, сооруженной в 1872 г. нелегально. А произошло следующее.
О том, что на Таймыре есть медные руды, было известно давно, но медеплавильная промышленность не могла здесь развиваться из-за дороговизны строительных материалов, особенно кирпича. В 1863 г. купец Киприян Сотников сделал ход конем. Он попросил у губернатора разрешение построить в селе Дудинка на собственные средства деревянную церковь. Разумеется, губернатор не мог отказать в такой просьбе, и вскоре в Дудинку пришел положительный ответ.
Губернской канцелярии, находившейся за тысячи верст от Дудинки, не было известно, что там уже есть церковь, притом каменная. Поэтому быстро построив деревянную церковь, находчивый купец разобрал каменную и из “святых” кирпичей соорудил шахтную печь для выплавки меди — “прабабушку” Норильского комбината.
Рынок меди — один из самых организованных и стабильных рынков цветных металлов, хотя и подвержен колебаниям в зависимости от различных факторов.
По химическому составу медные руды делятся на сульфидные и окисленные. Сульфидные руды (халькопирит, ковеллин, халькозин, пирит и др.) подвергаются обогащению с получением медного концентрата. Он отправляется на пирометаллургическую переработку. Окисленные руды (малахит, куприт, азурит) трудно поддаются обогащению и перерабатываются гидрометаллургическим способом.
Медные руды часто содержат другие ценные металлы, поэтому в результате обработки кроме медного получают целый ряд концентратов: цинковый, кобальтовый, молибденовый и т. д.
Основным способом производства меди является пирометаллургический (рис. 96). В результате флотационного обогащения, сгущения и фильтрации получается медный концентрат, содержащий 10–25 % меди, 15–40 % — железа, 25–40 % — серы, 8–10 % — остальные примеси и вода.
Рис. 96. Технологическая схема переработки сульфидных медных руд
Цель окислительного обжига — частичное удаление серы и перевод железа из сульфидной формы в оксидную для того, чтобы при последующей плавке огарка оно переходило в шлак. Окислительный обжиг включает в себя следующие стадии: нагрев и сушка шихты, разложение неустойчивых соединений (термическая диссоциация), воспламенение и горение (окисление сульфидов). Обжиг производят в печах кипящего слоя. При этом в под печи встроены специальные сопла, сквозь которые вдувают воздух. Струи воздуха поддерживают во взвешенном состоянии насыщенный порошок шихты. Смесь воздуха с твердым веществом приобретает свойства жидкости. Такой кипящий слой обладает большой теплопроводностью, в нем происходит активное перемешивание вещества. Площадь пода печи — 12–40 м2; диаметр печи — 4,5–6 м; высота слоя — 1,5–2 м, скорость воздуха — 60–65 м/с. Продуктами обжига являются огарок, пыль, газ. Последний содержит до 15 % оксида серы и используется для производства серной кислоты.
При отражательной плавке шихта расплавляется за счет тепла от сжигания топлива в рабочем пространстве печи над слоем расплава. В результате получаются два жидких продукта: богатый по содержанию меди штейн и шлак, содержащий пустую породу. Они практически не смешиваются друг с другом, поэтому их разделяют отстаиванием. Печи имеют длину около 30 м, ширину — 8–10 м; площадь пода — 240–330 м2; температура в плавильной зоне достигает 1500–1550 °С; топливо — мазут, природный газ, угольная пыль; производительность печи — 1000–1500 т шихты в сутки.
Цель процесса конвертирования медных штейнов — удаление Fe и S для получения черновой меди. Полученная при конвертировании черновая медь подвергается огневому рафинированию для удаления примесей и получения плотных анодов для последующего электролитического рафинирования. Огневое рафинирование производится при температуре 1150–1200 °С в несколько стадий: загрузка печи, разогрев, окислительная продувка, съем шлака, дразнение, разливка меди в аноды, которые представляют собой пластинчатые отливки с усиками шириной 800–900 мм, высотой 1000 мм, толщиной 35–40 мм, массой 300–350 кг.
Электролитическое рафинирование происходит в электролизере, который представляет собой ванну высотой 1,0 м, шириной 1 м, длиной 4–6 м. Внутри ванны устанавливают 30–45 анодов, 31–46 катодов. Температура электролита — 55–60 °С, плотность тока 120–300 А/м2. В результате электролиза медь восстанавливается, а примеси переходят в раствор.
Альтернативой традиционной схеме рафинирования меди, отличающейся высокими потерями цветных металлов, а также периодичностью и многостадийностью, являются технологические схемы производства меди электроэкстракцией, которые в настоящее время получили широкое распространение и практически вытеснили традиционное рафинирование применительно как к бедному сырью, так и к комплексному, такому как медно-кобальтовое и медно-никелевое.
Основным отличием новой технологии является то, что используемое сырье не подвергается предварительной гидрометаллургической переработке. Электроэкстракцией можно получить медь из медного огарка (рис. 97).
Наиболее вредными для механических свойств меди примесями являются висмут и свинец. При кристаллизации, выделяясь в виде тонких прослоек между зернами, они делают медь хрупкой и ломкой: электропроводимость меди особенно сильно снижают примеси фосфора, мышьяка и сурьмы.
Рис. 97. Принципиальная технологическая схема производства меди из медного огарка электроэкстракцией
Медь можно встретить в трансформаторе и автомобильном двигателе, в телевизоре и радиоприемнике, в сложнейших электронных устройствах и металлообрабатывающих станках. Из нее изготавливают детали химической аппаратуры и инструмент для работы с взрывоопасными или легковоспламеняющимися веществами, где нельзя применять искрометную сталь.
Сплавы меди
Двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом, бериллием, хромом и другими элементами, среди которых цинк не является основным легирующим, называются бронзами. По сравнению с чистой медью этот сплав обладает рядом преимуществ: большей твердостью и прочностью, упругостью, остротой лезвия, он меньше подвержен коррозии, лучше заполняет литейную форму.
Человек познакомился с бронзой, по-видимому, в IV тыс. до н. э.: именно так датируют ученые самые ранние бронзовые орудия, найденные в Иране, Турции, Месопотамии. Однако свое название бронза получила значительно позже. Один из древнейших морских портов Италии Бриндизи в античные времена (тогда он назывался Брундизием) был конечным пунктом Аппиевой дороги, по которой в порт поступала добываемая в стране медь различных месторождений. Отсюда начинался путь этого металла во многие государства. Но медь редко была чистой; как правило, металл представлял собой сплав меди с оловом. Он мог получаться естественным путем в процессе плавки, поскольку в тех месторождениях, откуда была “родом” медь, ей обычно сопутствовало олово. Кроме того, в порт постоянно заходили греческие суда, перевозившие олово с Британских островов; вполне вероятно, здешние металлурги подметили, что сплав двух металлов, пути которых пересекались в Брундизии, обладает хорошими свойствами, и освоили его массовое производство. Вскоре этот сплав — “медь из Брундизия” (по-латыни “эс Брундизи”) — повсюду стали именовать бронзой.
Особенно широко используются в машиностроении оловянные бронзы, которые делятся на две большие группы: первая — деформируемые бронзы, содержащие не более 7–8 % Sn (предназначены для обработки давлением), вторая — литейные бронзы. Они отлично заполняют литейные формы, дают небольшую усадку.
Из безоловянных бронз (олово — дорогой металл, поэтому ему ищут замену в производстве бронз) наибольшее применение получили алюминиевые, кремнистые и бериллиевые бронзы. Из алюминиевых бронз изготавливают втулки, фланцы, шестерни и другие ответственные детали. Кремнистые бронзы превосходят оловянистые по коррозионной стойкости и механическим свойствам. Поэтому из них делают детали, работающие при нагреве до 500 °С и в таких агрессивных средах, как морская вода.
Бериллиевая бронза выдерживает нагрузку на растяжение до 130–150 кг/мм2, хорошо сопротивляется коррозии, сваривается и обрабатывается резанием. Она используется для изготовления ответственных деталей — мембран, пружин, контактов.
С давних времен бронзу использовали для создания скульптуры. Некоторые статуи имели гигантские размеры. В начале III в. до н. э. был создан Колосс Родосский — 32-метровая статуя, возвышавшаяся у входа в гавань, считалась одним из чудес света. Медный всадник, статуя Свободы в Нью-Йорке, “Дискобол”, фигура Будды в японском храме — образцы выдающегося мастерства.
В начале XVI в. в Москве работали такие “оборонные предприятия”, как Пушечная изба и Пушечный двор, где отливали бронзовые орудия разных калибров. В отливке орудий русские мастера достигли совершенства. Шедевром литейного искусства по сей день считается 40-тонная Царь-пушка, отлитая из бронзы в 1586 г. Андреем Чоховым. Другой замечательный памятник техники — бронзовый Царь-колокол массой более 200 т — был отлит в 1735 г. мастерами отцом и сыном Маториными и предназначался для колокольни Ивана Великого. Кстати, купол этого памятника архитектуры XVI в. покрыт позолоченными листами из чистой меди. Южная дверь Успенского собора — главного храма Древней Руси также отделана медными листами.
Из каких только металлов и сплавов не пробовали люди отливать колокола — из стали, чугуна, латуни, алюминия и даже из золота и серебра, — но ни один из них не мог конкурировать с бронзой по силе и продолжительности звучания. До наших дней дошло множество старинных бронзовых колоколов — от маленьких бубенчиков до набатных исполинов. Колокольным звоном — тревожным и радостным, праздничным и печальным — на протяжении столетий сопровождались важнейшие события русской жизни.
Двойные или многокомпонентные сплавы меди, в которых основным легирующим элементом является цинк, называют латунями. Они обладают достаточной прочностью, хорошо обрабатываются давлением, широко используются в машиностроении.
Об этом сплаве упоминали в своих рукописях еще египетские жрецы, которые, видимо, были первыми в истории науки алхимиками: в рукописях, найденных при раскопках одной из гробниц в Фивах, содержались секреты “получения” золота из меди. Как утверждали авторы священно-химических “монографий”, стоило добавить к меди цинк — и она тут же превращалась в золото (по внешнему виду латунь действительно напоминает золото). Правда, у такого “золота” был один недостаток: на его поверхности появлялись зеленоватые “язвы” и “сыпь” (в отличие от золота, латунь не могла сопротивляться вредному воздействию кислорода). Чтобы устранить это “заболевание”, по мнению жрецов, требовались усердные молитвы и сильнодействующие заклинания.
Латуни, содержащие наибольшие количества меди — более 90 %, называются томпаками. Они обладают такой высокой коррозионной стойкостью, что их стали применять для покрытия других металлов с целью предохранения их от ржавления. Такие латуни по цвету подобны золоту. Из них делают ювелирные украшения. Латуни, содержащие до 38 % цинка, хорошо поддаются холодной прокатке. А если они содержат больше 38 % цинка, то чаще всего идут или на изготовление деталей отливкой, или на обработку давлением в горячем состоянии.
Деформируемые латуни применяют для получения труб, прутков, полос, проволоки. Литейные латуни идут на изготовление арматуры и деталей для судостроения, гаек нажимных болтов, работающих в сложных условиях, втулок, вкладышей и т. д.
Существует большое количество медных сплавов и порошков из меди. Основные методы получения таких порошков представлены в табл. 29. Порошки латуни и бронзы получают в основном распылением.
Электролизом изготавливают высокочистые порошки, обладающие уникальными свойствами. Высокая чистота порошков во многом определяется исходным сырьем — катодной медью с низким содержанием примесей. Недостатком метода является большая энергоемкость, а следовательно, и высокая стоимость порошка. Кроме того, порошки дендритной формы обладают малой, в ряде случаев нулевой текучестью, что ограничивает их применение для производства изделий.
Таблица 29
Основные способы промышленного производства порошков меди и ее сплавов
| Метод | Сущность метода | Сырье | Размер частиц, мкм | Форма частиц |
| Механическое измельчение | Размол в шаровых и вибромельницах | Катодная медь, бронза | 20–400 | Осколочная, чешуйчатая |
| Восстановление оксидов | Обработка при 400–700°С, размол, рассев | Окалина, гидратные кеки | 10–100 | Конгломераты |
| Распыление водой высокого давления | Диспергирование расплава, сушка, рассев | Высокосортный лом, катодная медь, латунь, бронза | 20–400 | Округлая, осколочная |
| Распыление сжатым воздухом | Дробление струи расплава, сушка, рассев | Катодная медь, бронза | 50–100 | Округлая, сферическая |
| Электрохимическое осаждение | Электролиз водных растворов | Катодная медь | 1–30 | Дендритная |
| Автоклавный | Восстановление при повышенных температурах водородом | Медьсодержащие растворы | 10–200 | Развитая равноосная |
| Цементация | Извлечение меди из растворов более активными металлами | Медьсодержащие растворы | 5–50 | Губчатая |
Основные достоинства автоклавного метода — возможность использования дешевого первичного, а также вторичного сырья, высокая интенсивность процесса, малые трудозатраты, в результате — низкая себестоимость порошка. Свойства порошка удается варьировать в широких пределах изменением параметров технологического режима.
Из порошков меди и ее сплавов изготовляют разнообразные материалы, среди которых конструкционные, электротехнические, антифрикционные, пористые, фрикционные и некоторые другие.
Электротехнические материалы. Наиболее широко в электротехнике применяют контакты скользящего и разрывного типов. Эти контакты, полученные методом порошковой металлургии, имеют уникальный состав и структуру, которые не достигаются никакими другими методами, одновременно значительно экономятся дорогостоящие металлы — серебро, вольфрам, медь.
Скользящие электрические контакты (электрощетки) изготовляют в основном из порошков электролитической меди либо бронзы и графита, иногда с добавками свинца и олова, улучшающих контактные свойства изделий. Медно- и бронзографитовые щетки устанавливают в низковольтных генераторах, рассчитанных на большую силу тока, а также в тяговых двигателях низкого напряжения, в коллекторах синхронных и асинхронных двигателей с высокими плотностями тока.
К деталям электротехнического назначения относят тонкосъемные устройства, работающие при силе тока до 3000 А и плотности его до 40 А/мм2. Чистые металлы не могут обеспечить работу со столь высокими токовыми нагрузками, поэтому изделия содержат 85 % Cu, 7 % Pb, 5 % Fe, Ni + MoS2 + C=3 %. Также для таких материалов характерно коррозионная износостойкость.
Конструкционные материалы. По сравнению с порошковыми конструкционными деталями, изготовленными из порошка железа и на его основе, изделия на медной основе производят в меньших количествах ввиду их меньшей прочности и твердости. Но при изготовлении деталей, к которым предъявляют повышенные характеристики тепло- и электропроводности, коррозионной стойкости, а также для декоративных целей используют порошки меди и ее сплавов.
Медные изделия конструкционного назначения обычно изготовляют из электролитических порошков с дендритной формой и размеров частиц — 160 мкм. Такие порошки обладают повышенными характеристиками формуемости и уплотняемости.
Антифрикционные материалы. К ним предъявляют следующие основные требования: низкий коэффициент трения, высокая износостойкость, хорошая прирабатываемость, высокая теплопроводность при достаточной прочности и незначительном тепловом расширении. Практически всем этим требованиям отвечают спеченные материалы на медной основе, которые получили широкое распространение в машиностроении, в частности при изготовлении элементов узлов трения: подшипников скольжения, втулок, вкладышей, шайб, подпятников и других изделий. Наиболее популярными антифрикционными материалами на основе порошков меди являются пористая бронза, в том числе легированная свинцом и фосфором, бронзографит, биметаллы из стальной полосы с покрытием из бронзы и медно-графитовые композиции.
Фрикционные материалы. Фрикционные материалы на медной основе применяют в муфтах сцепления и тормозных системах с тяжелым режимом работы. В качестве материалов основы широко используют, а также медные сплавы с марганцем, никелем, кобальтом, хромом и оловянистую бронзу. Такие материалы применяют в авиа- и машиностроении, в узлах тяжело нагруженных и ответственных тормозных устройств и др.
Для работы с масляной смазкой используют бронзографитовые фрикционные материалы, их применяют в автоматических коробках передач автомобилей, металлообрабатывающих станков и др. Эти материалы обладают высоким коэффициентом трения, при торможении он достигает 25–30 %.