Медь и медные сплавы

Технология производства

Медное сырье проходит несколько стадий последовательного обогащения с выведением из основных процессов схемы значительной части компонентов пустой породы.

Начальная стадия обогащения представлена стадией горно-металлургического обогащения руды с получением рудного концентрата и хвостов обогащения.

В дальнейшем медный концентрат проходит металлургическую стадию обогащения плавкой с получением промежуточного продукта металлургической переработки - штейна, и продукта, коллектирующего компоненты пустой породы, шлака.

Промпродукт металлургической переработки - штейн подвергается дальнейшему обогащению конвертированием с получением чернового металла – черновой меди, продукта, загрязненного примесями и не являющегося в большинстве случаев товарным металлом.

На этапе получения чернового металла конвертированием происходит дальнейшее отделение компонентов пустой породы в шлак. Черновая медь рафинируется (очищается), обогащается по ценному металлу – меди с отделением сопутствующих компонентов в шлак рафинирования - очередной промпродукт, содержащий сопутствующие медному сырью компоненты. Это первичное рафинирование проводят в операции огневого рафинирования меди. Тонкая очистка и отделение от меди ценных примесей происходит при электролитическом рафинировании меди.

Основные операции, которые составляют технологическую схему, следующие:

1. Флотационное обогащение медных руд.

2. Обжиг флотационных концентратов.

3. Плавка флотационных концентратов на штейн.

4. Конвертирование медных штейнов до черновой меди.

5. Окислительное рафинирование черновой меди.

6. Электролитическое рафинирование меди – получение товарного продукта – катодной меди.

Кроме того, основные процессы технологической схемы связаны с рядом процессов комплексного использования сырья. Это процессы и производства: утилизация тепла технологических газов различных операций (обжиг, плавка, конвертирование, окислительное рафинирование), выделение и переработка ценных спутников с получением товарных продуктов (никель, цинк, свинец, благородные металлы и др.), переработка технологических газов , содержащих диоксид серы, с получением товарной серной кислоты.

В современных технологических схемах медные сырые концентраты, поступающие на металлургическую переработку, подвергаются непрерывной плавке, непрерывному конвертированию и иногда и непрерывному огневому рафинированию с прямым получением меди.

Производство меди, оно связано с высокими энерго затратами и высокой экологической опасности.

Чистая медь используется для изготовления электрических проводов, но основная часть идет на легирование других металлов и приготовление медных сплавов.

Товарная медь выпускается 10 марок от М00 (содержание меди 99,99%) до М4(сод. Меди 99%).

Сплавы меди

Сплавами плавами меди являются латуни, бронзы, медно-никелевые.

Латуни

Латунями называются сплавы меди с цинком, который повышает прочность и пластичность меди. Она хорошо обрабатывается и используется в виде проволок, труб и т.д

Марка (Л 55)

Бронзы

Бронзы – сплавы меди с любыми металлами кроме цинка(но он может примешиваться в виде легирующего элемента). Бывают оловянистые, и не оловянистые.

Бронза хорошо обрабатывается. А оловянистые широко применяются в художественном литье.

Марка (Бр. А7)

Медно никелевые сплавы

Повышенная твердость и пластичность, применяется в приборостроение. Основные из них: Мельхиор и нейзильбер.

Одна из важнейших отраслей применения меди - электротехническая промышленность. Из меди изготавливают электрические провода. Для этой цели металл должен быть очень чистый: примеси резко снижают электрическую проводимость. Присутствие в меди 0,02% алюминия снизит ее электрическую проводимость почти на 10%. Еще более резко возрастает. сопротивление металла в присутствии неметаллических примесей. Для получения чистой меди, которую можно использовать в электротехнике, проводят ее электрорафинирование. Этот метод основан на проведении электролиза водного раствора соли меди с растворимым медным анодную или черновую, медь, которая служит одним из электродов, погружают ванну, заполненную водным раствором сульфата меди. В ванну погружают еще один электрод. К электродам подключают источник постоянного тока таким образом, чтобы техническая медь стала анодом (положительный полюс источника тока), электрод - катодом. На аноде идет реакция окисления металла:

анод (+) Сu (техн.)-2e = Сu2+ + примеси

Ионы меди переходят в раствор и перемещаются к катоду (отрицательно заряженному электроду). Нерастворимые примеси собираются вблизи анода, некоторые примеси могут переходить в раствор. На катоде протекает процесс восстановления ионов меди:

катод (-) Сu2 + + 2е=Сu

Условия электролиза таковы, что примеси, находящиеся в растворе, не восстанавливаются. Электрорафинированием получают Н электролитическую медь чистотой 99,999%, что вполне достаточно для нужд электротехники.Очень важная область применения меди-производство медных сплавов. Со многими металлами медь образует так называемые твердые растворы, которые похожи на обычные растворы тем, что в них атомы одного компонента (металла) равномерно распределены среди атомов другого. Большинство сплавов меди-это твердые растворы.

Сплав меди, известный с древнейших времен,-бронза содержит 4-30% олова (обычно 8-10%). Интересно, что бронза по своей твердости превосходит отдельно взятые чистые медь и олово. Бронза более легкоплавка по сравнению с медью. До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Из бронзы отливали в средние века орудия и многие другие изделия. Знаменитые Царь-пушка и Царь-колокол в Московском Кремле также отлиты из сплава меди с оловом.

В настоящее время в бронзах олово часто заменяют другими металлами, что приводит к изменению их свойств. Алюминиевые бронзы, которые содержат 5-10% алюминия, обладают повышенной прочностью. Из такой бронзы чеканят медные монеты. Очень прочные, твердые и упругие бериллиевые бронзы содержат примерно 2% бериллия. Пружины, изготовленные из бериллиевой бронзы, практически вечные. Широкое применение в народном хозяйстве нашли бронзы, изготовленные на основе других металлов: свинца, марганца, сурьмы, железа, никеля и кремния.

Большую группу составляют медно-никелевые сплавы. Эти сплавы имеют серебристо-белый цвет, несмотря на то что преобладающим компонентом является медь. Сплав мельхиор содержит от 18 до 33% никеля (остальное медь). Он имеет красивый внешний вид. Из мельхиора изготавливают посуду и украшения, чеканят монеты («серебро»). Похожий на мельхиор сплав - нейзильбер-содержит кроме 15% никеля, до 20% цинка. Этот сплав используют для изготовления художественных изделий, медицинского инструмента.

Медно-никелевые сплавы константан (40% никеля) и манганин (сплав меди, никеля и марганца) обладают очень высоким электрическим сопротивлением. Их используют в производстве электроизмерительных приборов. Характерная особенность всех медно-никелевых сплавов-их высокая стойкость к процессам коррозии - они почти не подвергаются разрушению даже в морской воде.

Сплавы меди с цинком с содержанием цинка до 50% носят название латунь. Это дешевые сплавы, обладают хорошими механическими свойствами, легко обрабатываются. Латуни благодаря своим качествам нашли широкое применение в машиностроении, химической промышленности, в производстве бытовых товаров. Для придания латуням особых свойств в них часто добавляют алюминий, никель, кремний, марганец и другие металлы.

Из латуней изготавливают трубы для радиаторов автомашин, трубопроводы, патронные гильзы, памятные медали, а также части технологических аппаратов для получения различных веществ.

В технике применяют процессы меднения - покрытие стальных изделий тонким слоем меди. Зачем это делается? Стальные детали и изделия часто покрывают защитно-декоративными хромовыми и никелевыми покрытиями. Такое покрытие, нанесенное непосредственно на сталь, непрочно: оно растрескивается и отпадает. Если сталь покрыть тонким слоем меди, а затем хромом или никелем, то электролитические осадки получаются высокого качества. Меднение проводят также для облегчения спаивания деталей - медь очень хорошо подвергается пайке.

Еще одна важная отрасль, где медь используется электрохимиками, - гальванопластика. Этот метод получения точных Металлических копий был предложен в 1837 г. российским академиком Б. С. Якоби. Сущность метода состоит в следующем. Вначале изготавливается исходная форма или берется предмет, подлежащий копированию. Они могут быть выполнены из гипса, пластмассы, воска, .металлов и других материалов.

Если форма сделана не из металла, то на нее наносят токопроводящий слой: чаще всего напыляют тонкий слой графита. Затем проводят электролиз раствора, содержащего соли меди, причем форма с напыленным то-копроводящим слоем играет роль катода. На слое графита оседает металлическая медь. Таким образом получается копия, которая может быть использована для изготовления (например, методом литья) изделий, имеющих такую же форму, как и исходный предмет. В настоящее время методом гальванопластики изготовляют инструменты, грампластинки и т.д.

Соли меди (II) имеют широкое применение. Особенно важное значение имеет медный купорос-кристаллогидрат сульфата меди (II) CuS04 • 5 Н20. Медный купорос используют в производстве минеральных и органических красителей, в медицинской промышленности, для пропитки древесины в качестве антисептика (предохраняет дерево от гниения). Большое значение имеет медный купорос в сельском хозяйстве: им протравливают семена перед посевом, опрыскивают деревья и кустарники для борьбы с вредителями.

Соединения меди обладают высокой биологической активностью. Они содержатся в животных и растительных организмах. В растениях медь участвует в процессах синтеза хлорофилла, поэтому она входит в качестве одного из компонентов в состав минеральных удобрений. Медь встречается в составе многих продуктов, которые использует в пищу человек: много меди, например, в молоке. Употребление продуктов с пониженным содержанием меди может привести к различным заболеваниям, в частности, может ухудшиться состав крови. Однако избыток соединений меди также вреден, он может привести к тяжелым отравлениям. Вот почему не рекомендуется пользоваться при приготовлении пищи медной посудой: при кипячении в раствор может перейти избыточное количество меди. Можно лишь использовать медную посуду, хорошо облуженную изнутри, т.е. покрытую слоем олова.

Марки медных сплавов

Согласно ГОСТу, медные сплавы маркируются соответствующим образом. Первая буква маркировки медных сплавов «Л» или «Бр» означают латунь и бронза. После этих букв могут стоять следующие буквы, которые означают: «А» – алюминий, «Б» – бериллий, «Ж» – железо, «К» – кремний, «Мц» – марганец, «Н» – никель, «О» – олово, «С» – свинец, «Ц» – цинк, «Ф» – фосфор. За буквенными обозначениями следуют цифры, которые показывают процентное содержание данных элементов.

Причем стоит отметить, что порядок расположения цифр латунных и бронзовых медных сплавов отличается. Если это латунь, то первые две цифры после букв отражают содержание в сплаве меди, а остальные цифры, разделенные друг от друга тире, говорят о содержании остальных легирующих компонентов, причем эти цифры располагаются, строго в том же порядке, что и буквенные выражения.

Так, например, аббревиатура ЛАЖ 60-1-1 означает, что в данном медном сплаве латуни содержится шестьдесят процентов, алюминия – один процент и железа также один процент. При маркировке бронзы процентное содержание меди как основного компонента не указывается, цифры после букв также разделяются тире и обозначают процентное содержание легирующих элементов.

Свойства медных сплавов

Медные сплавы могут изменяться при отжиге и во время холодной обработки давлением. Именно холодная обработка позволяет значительно увеличить прочность и твердость материала. Медь и медные сплавы пластичны, являются хорошими электропроводниками и теплопроводниками, устойчивы к коррозии, имеют низкий коэффициент трения.

Применение меди и медных сплавов

Литье медных сплавов используется уже на протяжении нескольких тысячелетий. Из отливки из медных сплавов в прошлом изготавливали монеты, посуду, украшения и разнообразную домашнюю утварь. Когда медные литейные сплавы стали включать в себя дополнительные элементы: олово, бронза и так далее – то началось производство статуй, пушек, колоколов.

В современном мире уже никого не удивишь объявлением «куплю медно-никелевый сплав» и т.п. сегодня широко развито как промышленное, таки частное производство изделий из меди и медных сплавов. Многие отрасли промышленности используют сегодня медные сплавы для производства холодильников, проводов, теплообменников, сантехнических труб и так далее.

Так как медь славится еще и высокими декоративными и эстетическими характеристиками, то сегодня её используют и в ювелирном деле, создаются оригинальные детали интерьера, сувениры и другая продукция. Медь и медные сплав нашла применение и в строительной сфере, с их помощью осуществляется облицовка фасадов объектов и кровли.