Медная руда – свойства, применение, методы ее добычи и обработки

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.

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.

Обработка полученной руды

Состоянием на сегодняшний день существует 3 способа обработки полученной медной руды. Пирометаллургичекая, гидрометаллургическая и электролиз.

Пирометаллургический метод является самым популярным. За «рабочий материал» берется наиболее распространенный халькопирит.

В самом начале выполняется обогащение. Для этого применяется метод окислительного обжига. Данный метод очень подходит халькопириту, так как он прежде всего рассчитан на руды с высокой концентрацией серы. При этой технологии руда нагревается до высоких температур (порою до 8 тысяч градусов по Цельсию), во время чего происходит взаимодействие серы и кислорода после чего практически половина серы улетучивается. Далее руду еще больше нагревают в шахтных или отражательных печах. Речь уже идет о 1,4-1,5 тысячах градусов.

Иногда из меди, как из похожего по цвету материала, делают поддельные ювелирные украшения. Дабы избежать подделок, знайте, что медь темнеет со временем, и в воде после нее остается металлический запах.

На выходе, после воздействия таких температур, получается сплав сульфидов меди и железа – штейн. Сплав обдувается конвекторами, благодаря чему и железо, и сера еще раз окисляются, где-то улетучиваясь, а где-то – оседая шлаком. Продуктом становится 91-процентная черновая медь.

Дабы достигнуть практически эталонного содержания меди в сплаве, применяется технология огневого рафинирования. Также с ней применяют подкисленный раствор CuSO4. После данных манипуляций, которые, кстати, называют электролитическим рафинированием меди, получаем «на руки» фактически «чистокровную» медь, концентрацией в 99,9%.

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.

1. Колчеданная — группа, состоящая из единения меди и самородков. Этот вид металлов широко применяется в ювелирном деле.
2. 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.
3. Скарновые породы — месторождения таких руд локальны. Они встречаются среди известняковых пород. Здесь концентрация меди не превышает 30 %. Кроме того, она неравномерна.
4. 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.
5. Карбонатные — эта группа состоит из смесей железа и меди. Во всем мире пока обнаружено только одно такое месторождение — в ЮАР.

СЫРЬЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДИ — МЕДНЫЕ РУДЫ

Для получения меди применяют медные руды, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах содержится 1-6% меди. Медь, как и многие другие цветные металлы, становится все дефицитнее. Если в 19 в. медь добывалась из руд, где содержалось 6-9% этого элемента, то сейчас 5%-ные медные руды считаются очень богатыми, а промышленность многих стран перерабатывает руды, в которых всего 0,5% меди. В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений (медный колчедан или халькопирит CuFeS2,халькозин Cu2S, ковелин CuS), оксидов (куприт Cu2O, тенорит (CuO)или гидрокарбонатов (малахит CuCO3 × Cu(OH2), азурит 2CuCO3­ × Cu(OH)2). Пустая порода состоит из пирита FeS, кварца SiO2,карбонатов магния и кальция (MgCO3 и CaCO3), а также из различных силикатов, содержащих Al2O3, CaO, MgO и оксиды железа. В медных рудах иногда содержится значительное количество других металлов: цинка, олова, никеля, золота, серебра, кремния и др. Медные руды делятся на сульфидные, окисленные и смешанные руды. Сульфидные руды бывают обычно первичного происхождения, а окисленные руды образовались в результате окисления металлов сульфидных руд. В небольших количествах встречаются так называемые самородные руды, в которых медь находится в свободном виде.

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?

1. Халькозин — наиболее концентрированная медь. Здесь ее концентрация может быть до 80 %.
2. Халькопирит — медь, входящая в состав полиметаллов и имеющая гидротермальное происхождение.
3. Борнит — этот вид имеет синеватый оттенок из-за примесей железа и серебра. Концентрация — более 60 %.
4. Ковелин — относится к гидротермальной группе, как и халькопирит. Концентрация составляет 64 %.

Именно из этих руд получают большую часть металла, которая потом используется человеком.

Природные соединения с содержанием меди

Чистая медь, которую собой представляют ее самородки, представлена в природе в очень незначительных количествах. В основном медь в природе присутствует в виде различных соединений, наиболее распространенными из которых являются следующие.

• Борнит – минерал, получивший свое название в честь ученого из Чехии И. Борна. Это сульфидная руда, химический состав которой характеризует ее формула – Cu5FeS4. Борнит имеет и другие названия: пестрый колчедан, медный пурпур. В природе эта руда представлена в двух полиморфных видах: низкотемпературной тетрагонально-скаленоэдрической (температура меньше 228 градусов) и высокотемпературной кубически-гексаоктаэдрической (больше 228 градусов). Данный минерал может иметь различные виды и в зависимости от своего происхождения. Так, экзогенный борнит – это вторичный ранний сульфид, который очень неустойчив и легко разрушается при выветривании. Второй тип – эндогенный борнит – характеризуется непостоянством химического состава, в котором могут присутствовать халькозин, галенит, сфалерит, пирит и халькопирит. Теоретически минералы данных видов могут включать в свой состав от 25,5% серы, более 11,2% железа и свыше 63,3% меди, но на практике такое содержание этих элементов никогда не выдерживается.
• Халькопирит – минерал, химический состав которого характеризуется формулой CuFeS2. Халькопирит, имеющий гидротермальное происхождение, раньше называли медным колчеданом. Наряду со сфалеритом и галенитом он входит в категорию полиметаллических руд. Данный минерал, который, кроме меди, содержит в своем составе железо и серу, формируется в результате протекания метаморфических процессов и может присутствовать в двух типах медных руд: контактово-метасоматического вида (скарны) и горные метасоматические (грейзены).
• Халькозин – сульфидная руда, химический состав которой характеризуется формулой Cu2S. Такая руда содержит в своем составе значительное количество меди (79,8%) и серу (20,2%). Эту руду часто называют «медным блеском», что объясняется тем, что ее поверхность выглядит как отблескивающий металл, обладающий различными оттенками – от свинцово-серого до совершенно черного. В медесодержащих рудах халькозин выглядит как плотные или мелкозернистые включения.

Халькопирит

В природе встречаются и более редкие минералы, которые содержат в своем составе медь.

• Куприт (Cu2O), относящийся к минералам оксидной группы, часто можно встретить в местах, где есть малахит и самородная медь.
• Ковеллин – сульфидная порода, сформированная метасоматическим путем. Впервые этот минерал, содержание меди в котором составляет 66,5%, был обнаружен в начале позапрошлого столетия в окрестностях Везувия. Сейчас ковеллин активно добывают на месторождениях в таких странах, как США, Сербия, Италия, Чили.
• Малахит – минерал, хорошо известный всем как поделочный камень. Наверняка все видели изделия из этого красивейшего минерала на фото или даже являются их обладателями. Малахит, который в России очень популярен, – это углекислая медная зелень или дигидрококскарбонат меди, относящийся к категории полиметаллических медесодержащих руд. Найденный малахит свидетельствует о том, что рядом есть месторождения других минералов, содержащих медь. В нашей стране крупное месторождение этого минерала находится в районе Нижнего Тагила, раньше его добывали и на Урале, но сейчас его запасы там значительно истощены и не разрабатываются.
• Азурит – минерал, который из-за своего синего цвета также называют «медной лазурью». Он характеризуется твердостью 3,5–4 единицы, основные его месторождения разрабатываются в Марокко, Намибии, Конго, Англии, Австралии, Франции и Греции. Азурит часто сращивается с малахитом и залегает в тех местах, где поблизости расположены месторождения медесодержащих руд сульфидного типа.

Малахит

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.

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.

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.