По сегодняшний день в мире добывается огромное количество полезных ископаемых. Это и металлы, и драгоценные камни, и топливо. Без них невозможно представить повседневную жизнь. Если обратиться к металлам, которых больше всего добывается в мире, то третье место принадлежит меди, после железа и алюминия. Сложно представить, но без этого простого и обыденного металла проблемы возникнут в таких отраслях, как электротехника, теплотехника, медицина, и во многих других. Медь — что это за руда? Какие имеет свойства? Как добывается? И каковы мировые запасы?
Свойства и характеристики
Медная руда — это особые соединения химических элементов, в которых концентрация меди достигает значения не менее 0,5–1 %. Только такая руда пригодна для переработки и дальнейшего использования. Она занимает 25-й номер в таблице Менделеева и имеет название «купрум», с латинского.
Медь — достаточно пластичный и мягкий элемент, который имеет золотисто-розовый оттенок. Этот металл легко поддается окислению, и поэтому при малейшем контакте с воздухом покрывается красноватой кислотной пленкой. Для этого материала характерні:
- хорошая электропроводность;
- высокая теплопроводность;
- устойчивость к коррозии и разрушительному воздействию.
Медь также имеет антибактериальное свойство. Она легко уничтожает всевозможные вирусы гриппа, а также бактериальные инфекции.
Если ее смешать с другим минералом, то получатся интересные сплавы. Многие из них человек использует в повседневной жизни, даже не догадываясь, что держит в руках медь. Так, известны: латунь, бронза, различные баббиты и ювелирные сплавы.
Схема и режимы обогащения сульфидных руд
Сульфидные медные руды в большинстве случаев характеризуются крайне неравномерной вкрапленностью минералов меди, что предопределяет необходимость использования многостадиальных схем обогащения.
Сростки сульфидов меди как с пиритом, так и с минералами породы обычно удается выделить после сравнительно грубого измельчения руды: до 50 – 65% класса -0,074 мм. Для раскрытия сростков необходимо доизмельчать или концентрат, или промежуточный продукт, или оба названных продукта обогащения до 80 – 95 % -0,074 мм (рис. 3.1). Однако схемы циклов флотации обычно просты.
В качестве собирателя при флотации сульфидов меди и железа наиболее часто используются ксантогенаты и аэрофлоты, а в качестве пенообразователей — сосновое масло, дауфрос. Если медь в рудах представлена в основном вторичными сульфидами меди, то в качестве собирателя используется смесь ксантогенатов или аэрофлотов с более сильными собирателями или аполярными маслами.
Реагентный режим флотации пластовых руд (рис. 3.1) обычно прост: флотацию ведут в слабощелочной среде, создаваемой известью (до 1 кг/т), в присутствии собирателя и пенообразователя. Применение высших ксантогенатов в контрольных операциях флотации обеспечивает более высокие технологические показатели по сравнению с низшими ксантогенатами и более полное извлечение в концентрат сопутствующих редких, цветных и благородных металлов.
Рис. 3.1. Технологическая схема обогащения сульфидных медных руд Джезказганского месторождения
Флотация сульфидных медных руд со средним содержанием пирита осуществляется по схеме коллективной флотации с последующим разделением коллективного концентрата на медный и пиритный или по схеме селективной флотации с последовательным выделением медного и пиритного концентратов. Более экономичной из них является схема коллективно-селективной флотации.
Значение рН при коллективной флотации не превышает 7,5, чтобы обеспечить эффективную флотацию сульфидов железа в концентрат. Селективная флотация руд и разделение коллективного медно-пиритного концентрата осуществляются обычно в известковой среде при рН меньше 10, чтобы обеспечить эффективную депрессию сульфидов железа. Расход извести при этом зависит от содержания пирита и степени затронутости руды процессами окисления и находится в пределах 1-5 кг/т.
Разделение сульфидов меди и железа при флотационном обогащении сплошных медно-пиритных руд ведут по селективной схеме в сильнощелочной среде (рН 10-12), создаваемой загрузкой извести (до 15-20 кг/т) обычно после аэрации пульпы перед флотацией для окисления сульфоксидных соединений, солей двухвалентного железа и дополнительной депрессии пирратина и пирита. Хвосты медной флотации являются готовым пиритным концентратом, если содержание породы в исходной руде не превышает 10-15%. В иных случаях пиритные концентраты получают перефлотацией хвостов медной флотации после их сгущения и последующего разбавления свежей водой или кислыми рудничными водами. Для повышения качества пиритных концентратов иногда практикуют обесшламливание их в гидроциклонах.
Применение медной руды
Благодаря полезным свойствам меди, ее используют в сфере электротехники. Из этого металла делают провода и силовые кабели, которые необходимы в повседневной жизни человека.
Интересно и то, что при смешивании меди с другими материалами получаются не менее полезные вещи. Так, например, сплав с никелем необходим в приборостроении. Смесь с вольфрамом используется для нитей накаливания в обычных лампочках. Кроме того, медь необходима в изготовлении радиаторов, кондиционеров, потому что она имеет хорошую теплопроводность.
Также этот металл используют в следующих отраслях:
- машиностроении;
- строительстве;
- судостроении.
Существует еще одно полезное свойство, за которое этот металл очень ценится и часто применяется в строительстве. Он слабо поддается коррозии. Изделия из него продержатся несколько десятков лет, прежде чем начнут распадаться.
Медь используется и в ювелирном деле. Иногда создаются украшения исключительно из этого металла, иногда с примесью золота. Поскольку материал мягкий и пластичный, из него удобно создавать тонкие и изысканные ювелирные изделия. Сейчас идет тенденция внедрения дверных ручек, перил из меди, так как она имеет антибактериальные свойства.
Это интересно! Статуя Свободы была облицована именно медью. На ее изготовление потребовалось 80 тонн. В королевстве Непал этот металл и вовсе считается священным.
В сельском хозяйстве медь играет важную роль. Она добавляется во многие удобрения. Многим садоводам известен медный купорос, который они используют для обработки растений от вредных насекомых.
Рафинирование меди
Рафинирование меди для получения меди необходимо чистоты черновую медь подвергают огневому и электролитическому рафинированию, и при этом, помимо удаления вредных примесей, можно извлечь также благородные металлы. Огневое рафинирование черновой меди проводят в печах, напоминающие отражательные печи, используемые для выплавки штейна из медных концентратов. Электролиз ведут в ваннах, футурованных внутри свинцом или винипластом.
Огневое рафинирование меди
Основные операции огневого рафинирования меди:
- загрузка в печь твердой меди и ее расплавление или заливка жидкой меди
- окисление меди и примесей продувкой меди воздухом и удаление из печи шлака
- восстановление оксида меди (Cu2O), растворенного в меди, и удаление растворенных в меди газов
- выпуск меди из печи и разливка в анодные слитки
В период удаления примесей из меди в газовой фазе поддерживают окислительную атмосферу, продувая расплав воздухом через железные трубки, погруженные в него одним концом. Медь при этом окисляется, а Cu2O растворяется в меди (до определенного предела). Сера удаляется из меди по реакции (48), а примеси по реакции Мепр + Cu2O Û MenpO + 2Cu.
Примеси, присутствующие в меди, можно разделить на три группы: хорошо удаляемые (S, Zn, Fe, Pb, Sn ) – степень удаления 70-99 %; частично удаляемые (Ni, As, Sb, Se, Te, Bi) – степень удаления 5-70 %; совсем неудаляемые (Au, Ag). В меди остается в сумме 0,2-0,5 % примесей.
После удаления примесей и снятия шлака проводят восстановление Сu2O, оставшегося в меди (раскисление меди), и удаление растворенных в меди газов – дразнение на ковкость и дразнение на плотность, проходящие в обратной последовательности. При дразнении медь перемешивают восстановительными газами, получаемыми за счет погруженных в медь одним концом жердей или бревен, продувки меди природным газом или мазутом в смеси с паром. Во всех случаях основными восстановителями Cu2O являются СО и Н2:
Cu2O + CО = 2Cu + CO2
Cu2O + Н2 = 2Cu + Н2О
Процесс ведут до остаточного содержания кислорода в меди 0,05-0,2 %. Шлаки рафинировочных печей содержат 35-70 % меди (выход их 1,2-4 %). Их обычно используют в качестве холодных присадок при конвертировании штейнов.
Электролитическое рафинирование меди
Электролитическое рафинирование меди позволяет получить практически чистый продукт. Аноды для электролитического рафинирования меди представляют собой пластины шириной 700-900 мм, длиной 700-1000 мм, толщиной 30-50 мм и массой 160-350 кг. Аноды имеют ушки, которыми они опираются на борта ванны или шины, по которым подводится электрический ток. Катодами в товарных ваннах служат листы из чистой меди толщиной 0,4-0,8 мм. Катодные основы получают в матричных ваннах, в которых катодами служат листы из чистой полированной меди, нержавеющей стали или титана. Электролитная ванна – это прямоугольной формы ящик, корпус которого в настоящее время делают из железобетона. Изнутри он имеет футеровку из кислотоупорного материала (свинец, винипласт и др.). Электролит – водный раствор сульфата меди (35-50 г/л меди) и серной кислоты (125-230 г/л H2SO4). Катоды и аноды завешивают в ванны параллельно друг другу через один на расстоянии 90-120 мм между центрами одноименных электродов. Число пар электродов в ванне 24-49 (анодов на один меньше). Аноды подключают к положительному, а катоды к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Электролизные ванны соединяют последовательно, объединяя в блоки и серии.
Для производства медной проволоки используют чистую рафинированную медь из которой вначале делают катанку диаметром 8 и более мм которую, затем протягивают через фильеры, получая в резудьтате одной или нескольких протяжек проволоку разных диаметров.
Группы медных руд
Медь — металл, имеющий огромное количество разновидностей, каждой из которых присущи свои свойства. Существует более 200 видов. Однако в производстве используется не более 20. Все эти разновидности ученые объединяют в несколько групп.
Стратиформная — группа, характеризующаяся месторождениями, которые сформировались осадочным способом. С этим металлом часто находят сланец.
- Колчеданная — группа, состоящая из единения меди и самородков. Этот вид металлов широко применяется в ювелирном деле.
- Гидротермальная — группа, характерной чертой которой является то, что в этих месторождениях часто содержатся золото, серебро и другие полезные ископаемые вместе с медью. Их количество превышает норму.
- Скарновые породы — месторождения таких руд локальны. Они встречаются среди известняковых пород. Здесь концентрация меди не превышает 30 %. Кроме того, она неравномерна.
- Магматические— к этой группе относят виды, в которых преобладают смеси меди и никеля. Такие породы получились в результат магматических процессов, то есть затвердевания и изменения магмы или лавы.
- Карбонатные — эта группа состоит из смесей железа и меди. Во всем мире пока обнаружено только одно такое месторождение — в ЮАР.
Схемы и режимы флотационного обогащения окисленных и смешанных медных руд
Различие сростков и вкрапленности сульфидов и оксидов меди, их флотационных свойств и склонности окисленных медных минералов к переизмельчению привело к широкому использованию на фабриках раздельной флотации сульфидных и окисленных минералов меди.
Коллективную флотацию сульфидов меди и железа проводят в слабощелочной среде (рН до 8,5), а значительную часть собирателя для гидрофобизации сульфидов подают обычно в мельницу. Получаемые коллективные медно-пиритные концентраты разделяют в известковой среде при рН больше 10. При значительной активации сульфидов железа солями меди и недостаточной эффективности депрессии их в известковой среде разделение коллективного концентрата проводят в слабощелочной среде (рН меньше 9) с добавками цианида (до 200 г/т).
Флотация окисленных минералов меди с оксигидрильными собирателями используется (например, на фабрике «Катанга») при кремнистой или глинистой породе в руде с незначительным содержанием карбонатов и гидроксидов железа в ней. При этом хорошо извлекается только малахит, гораздо хуже — куприт, совсем плохо — хризоколла и другие силикаты меди.
Флотация окисленных минералов меди с сульфгидрильными собирателями после предварительной сульфидизации является наиболее распространенным методом обогащения руд с карбонатной и сильноожелезненной породой, когда применять жирные кислоты, их мыла и другие оксигидрильные собиратели практически нельзя. Наиболее распространенным реагентом-сульфидизатором на фабриках является гидрасульфид натрия или оксид его с сернистым натрием. На всех фабриках сульфидизатор (0,3-2 кг/т) подают стадиально: в несколько приемов по фронту основной и контрольной флотации, чтобы получить более плотную пленку сульфида меди на поверхности сульфидизируемых минералов. Оптимальное значение рН пульпы при флотации окисленных медных руд после сульфидизации равно примерно 9. Извлечение окисленной меди обычно повышается в следующих случаях: при совместной загрузке ксантогената и аэрофлота, подаче до 40 % собирателя в мельницу, применении высших ксантогенатов, добавке к собирателю технических продуктов, содержащих аполярные углеводороды. Применение сильных собирателей (меркаптанов, высших ксантогенатов и др.) может обеспечить также увеличение извлечения присутствующих в руде благородных металлов. Депрессия флотации минералов породы чаще всего осуществляется загрузками жидкого стекла. Основные потери окисленной «свободной» меди наблюдаются в тонких классах, особенно при переработке сильношламистых руд. Для повышения эффективности переработки таких руд на ряде фабрик (см. рис. 3.1) используют схему с раздельной флотацией песков и шламов. На некоторых зарубежных фабриках («Банкрофт», «Нчанга» и др.) при флотации окисленных минералов меди после предварительной сульфидизации используется смесь сульфгидрильных и оксигидрильных собирателей.
Из каких руд получают медь
Медь крайне редко встречается в виде самородков. Она всегда добывается с дополнительными примесями. Самый большой самородок был найден в США. Он имеет вес более 420 тонн.
Всего 20 видов используются в тяжелой промышленности. Самые известные и широко применяемые из них — халькозин, халькопирит и борнит. Каковы их свойства?
- Халькозин — наиболее концентрированная медь. Здесь ее концентрация может быть до 80 %.
- Халькопирит — медь, входящая в состав полиметаллов и имеющая гидротермальное происхождение.
- Борнит — этот вид имеет синеватый оттенок из-за примесей железа и серебра. Концентрация — более 60 %.
- Ковелин — относится к гидротермальной группе, как и халькопирит. Концентрация составляет 64 %.
Именно из этих руд получают большую часть металла, которая потом используется человеком.
Способы добычи медной руды
Как уже говорилось, медь имеет разные способы образования и происхождения. Какие-то пласты находятся ближе к поверхности, какие-то дальше. В зависимости от этого и определяется способ добычи этого металла. Так, существуют закрытый и открытый способы.
Закрытый способ применяется в случае, если полезные ископаемые находятся под землей на расстоянии более 600 метров от поверхности. Чаще всего они залегают намного глубже. В таком случае строятся длинные шахты, которые протягиваются на несколько десятков километров. Они оснащаются всем необходимым оборудованием, в частности техникой. Для добычи меди нужны специальные машины, имеющие буровой механизм с шипами. Машина в прямом смысле дробит и царапает породы, тем самым добывая медь. К закрытому способы можно также отнести бурение.
Открытый способ используется чаще, но только в том случае, если полезные ископаемые находятся на глубине не более 500 метров. В таком случае снимаются верхние слои, не имеющие ценности. Затем происходит сама добыча меди. Часто используются взрывные устройства, которые упрощают работу. Такой способ добычи крайне губителен для окружающей среды. После того как месторождение иссякает, его забрасывают, а яма так и остается на поверхности земли. В ней скапливается вода и происходит коррозия почвы, что приводит к образованию оврагов.
Технологический процесс производства меди
После того как металл был изъят из недр земли, его необходимо переработать и произвести непосредственно саму продукцию. Всего существует три технологии:
Первый способ — пирометаллургический — он предполагает обработку руды с помощью огневого рафинирования. В ходе этой обработки из руды извлекаются все полезные ископаемые и их элементы. Такая технология позволяет добыть медь даже из самых скудных пород, где ее концентрация ниже 0,5 %.
Второй способ — гидрометаллургический — применяется реже, и только для обработки уже окисленной меди или ее самородков с бедной концентрацией металла. Эти технологии позволяют использовать всю медь, которая есть в той или иной руде.
Третий способ — электролиз — особый процесс, при котором с помощью электричества и жидкости происходит очищение руды. Этот способ появился сравнительно недавно.
Комбинированные схемы с предварительным обжигом руды и последующей флотацией
Комбинированные схемы с предварительным восстановительным обжигом руды и последующей флотацией образующихся зерен металлической меди используют для переработки окисленных медных руд, не пригодных к выщелачиванию вследствие высокого содержания в них кислоторастворимых карбонатов породы, для извлечения меди из труднообогатимых руд с высоким содержанием силикатов, сложных алюмосиликатов и алюмофосфатов меди и медьсодержащих гидроксидов железа.
Промышленное применение за рубежом (в Чили, США, Перу, Мавритании, Замбии, Японии и др.) получил сегрегационно-флотационный процесс. Он включает сегрегационный обжиг измельченной руды с добавками (0,5-2 %) твердого углеродистого восстановителя (кокса, угля) и поваренной соли (NaCl) в течение 10-60 мин при температуре 700-850 °C. В результате протекающих реакций при обжиге медь восстанавливается до металлической с одновременным укрупнением восстановительных частиц до 80-10 мкм. Полученный огарок охлаждают без доступа воздуха и подвергают флотации с сульфгидрильным собирателем (100-300 г/т) и добавками пенообразователя. В богатый по меди концентрат, содержащий обычно 35-70 % меди при извлечении ее около 90 %, в процессе флотации извлекаются также имеющиеся в руде висмут и благородные металлы.
Сегрегационно-флотационный процесс обеспечивает наиболее высокое извлечение металлов при переработке труднообогатимых окисленных и смешанных медных руд. Однако он является одновременно наиболее сложным и дорогим процессом, требующим для своего осуществления значительных затрат на строительство обжигового цеха. Процесс обычно не экономичен, если руда содержит менее 3 % меди, и это существенно ограничивает возможность переработки больших количеств сложных по составу медных руд с его применением.
Добыча медных руд в мире
Месторождения не имеют какой-то системы, которая позволяет их отыскивать. Она распространена в самых разных географических зонах и расположена случайным образом. Так, медь добывается во многих странах, в частности, в США, Перу, Казахстане, Чили, России, Китае, Индонезии, на Кубе. Происходит добыча всех видов меди, независимо от ее концентрации в руде. Например, в Америке производится халькозиновая медь.
Интересно то, что в мире практически не осталось богатых месторождений. Медь добывается несколько сотен лет, и поэтому все крупные источники давно иссякли. Так сейчас активно идет снижение процесса использования в производстве концентрированного материала. Чаще всего используется руда с концентрацией этого металла, не превышающей 0,5 %. Это позволяет более экономно тратить необходимый материал.
Минеральный состав и технологические задачи при обогащении медных руд
Медь извлекают из сульфидных, окисленных и смешанных медных и медно-пиритных руд.
К промышленным сульфидным рудам относятся руды, содержащие более 0,3 – 0,4 % меди, которая не менее чем на 85 – 90 % представлена сульфидными минералами (халькопиритом, барнитом и халькозином). Неизменным спутником сульфидов меди в рудах является сульфид железа – пирит.
Окисленные и смешанные медные руды находятся в верхних горизонтах месторождений меди. К легкофлотируемым окисленным медным минералам относятся малахит, азурит, атакамит, куприт, тенорит; к труднофлотируемым – хризоколла, диоптаз, практически неизвлекаемые алюмосиликаты и фосфаты меди, а также медь, тесно связанная с гидроксида ми железа и марганца.
Основным методом обогащения окисленных и смешанных руд является флотация. Гравитационные и магнитные методы обогащения играют подчиненную роль. При этом решаются задачи эффективного отделения сульфидных и окисленных минералов меди от породы, разделения сульфидов меди и железа, получения окисленных концентратов, повышения комплексности использования сырья за счет доизвлечения благородных металлов, магнетита и других ценных компонентов в отдельные продукты или концентраты. Из труднофлотируемых и “упорных” руд медь извлекают гидрометаллургическими методами или по комбинированным схемам, предусматривающим использование методов металлургии и обогащения. Получаемые при обогащении медные концентраты содержат 15 – 40 % меди, пиритные концентраты от 38 до 50% серы и не более 1% свинца и цинка.
