Страны обеспеченные медной рудой

Месторождения меди

Металлы, находящиеся в подгруппе меди отличаются небольшой химической активностью, по этой причине они встречаются в виде химических соединений, а также самородками. Много веков назад медь можно было встретить лишь в виде сернистых соединений – халькопирита и халькозина. А все потому, что медь обладает высоким химическим сродством к сере. Большая часть первичных руд содержит медь в сульфидной форме – CuS.
С течением времени, особенно в условиях вулканической деятельности, при действии большого количества кислорода, сульфиды меди становились окислами. Самородки меди образовывались в природе вовремя сильного нагревания окисленной сернистой руды. К примеру, если окисленные минералы меди и сернистые руды залегали под толстым слоем горной породы, то их нагревали природные катаклизмы и земное тепло. В подобных природных «металлургических цехах» выплавлялись колоссальные объемы меди. На территории Северной Америки нашли самородок весом 420 тонн. Однако это редкость, самородной меди на планете примерно 1%.

Мировые месторождения меди

Много меди, как и прочих полезных ископаемых, расположено на дне океанов. На дне лежат скопления круглых камней, в которых находится примерно 0,5% меди. Согласно анализу геологов запасы медной руды в океане достигают 5 млрд. тонн.
Существует почти 250 минералов меди, однако лишь 20 из применяются в промышленности. В основным медным рудам относят:

• халькозин — Cu₂S, который содержит 79,8% меди
• халькопирит — CuFeS₂, в котором присутствует 30% меди. Эта руда составляет почти 50% всех месторождений меди
• борнит — Cu₅FeS₄, содержит от 52 до 65% меди
• ковеллин – CuS, содержит 64% меди.

По генетическим и промышленно-геологическим параметрам месторождения меди бывают:

• стратиформными, которые включают медные сланцы и песчаники
• колчеданными. К этой группе относится самородная и жильная медь
• гидротермальными
• магматическими, включающие самые распространенные руды медно-никелевого типа
• карбонатовыми. В эту группу входят железомедные и карбонатитовые руды .

Запасы меди в мире

Наибольшее количество меди, примерно 65%, залегает на территории Северной и Южной Америке. Европейские государства имеют 15% ресурсов, азиатские — 11%, африканские- 4,5%.
Самые крупные подтвержденные запасы меди зафиксированы Чили. Там находится почти 20% мирового запаса. А в США — 12,7%. Помимо этих стран, меди много в Польше, Индонезии, Иране, Казахстане, Китае, Узбекистане, на Филиппинах, а также в Заире, Замбии, Бразилии, Канаде, Мексике, Панаме, Перу и Австралии. В каждом из этих государств по оценкам специалистов имеется около 10 млн. тонн.

Добыча медной руды

Вследствие низкого содержания меди в руде ее добыча связанна с переработкой больших объемов горных пород. Для того, чтобы выплавить 1 т меди нужно переработать свыше 200 т руды.
Методы добычи меди:

• открытый способ. Если рудные месторождения находятся близко к земной поверхности, то их разрабатывают таким способом глубина открытых разработок составляет 150-300 м. Метод характеризуется более низкими потерями
• подземный способ. Этим методом руду добывают с глубины 500 м, а иногда и с 800-1000 м.

Существует пять технологических систем разработки месторождений:

• при помощи самоходного оборудования. Эта технология широко применяется
• при помощи вибрационных механизмов непрерывного действия
• при помощи твердеющей закладки выработанного пространства. При этом происходит сплошная выемка запасов мощных залежей с наименьшими потерями. С применением подобных систем снижаются потери в 3-4 раза
• метод выемки руды горизонтальными пластами. Во время наполнения выработанного пространства (в рудниках под землей) твердеющими соединениями применяют футерованные резиной или базальтом трубы, период эксплуатации которых в 50-100 раз выше, чем у стальных
• циклично-поточная технология реализации горных работ.

Таблица 1. Добыча меди в мире

Страна	Добыча руды ( тыс. тонн в год)	Запасы ( млн. тонн)
Чили	5,38	140
США	1,16	35
Перу	1	30
Индонезия	0,8	35
Австралия	0,85	24
Россия	0,84	20
Китай	0,62	26
Мир	14,49	467

Центры производства меди

Производственные центры по добыче меди присутствуют в разных регионах России. Самыми богатыми месторождениями руды может похвастаться Казахстан. Имеются и месторождения на Урале. По последним данным Россия по добыче медной руды находится на первом месте в мире.
Медные предприятия возводятся в непосредственной близости к рудникам. Сырьевой фактор – это определяющая составляющая, по причине малого содержания концентратов в исходном сырье. На территории Урала расположено 11 медных комплексов, выпускающие 43% меди в стране. Кроме собственного сырья на производстве используется и привезенное из Казахстана. Есть и заводы с утилизацией отходов. К примеру, сернистые газы, как побочный продукт добычи меди, применяются для создания серной кислоты, из которой потом делают удобрения.

Источник

Медная руда — добыча меди, рафинирование, месторождения

Медная руда: свойства и характеристики

Медь – пластичный элемент золотисто-розового оттенка. На открытом воздухе металл сразу покрывается кислородной пленкой, которая придает ему специфический красно-желтый цвет.

Характерные свойства: коррозийная устойчивость, высокая тепло- и электропроводность.

При этом элемент отличается высокими антибактериальными свойствами, уничтожает вирусы гриппа и стафилококки.

В промышленном комплексе чаще всего медь используется в сплавах с другими компонентами: никелем, цинком, оловом, золотом и т.д.

Группы медных руд

Все медные руды принято делить на девять промышленно-геологических видов, которые в свою очередь подразделяются на шесть групп по происхождению:

Колчеданная группа

Сюда входит самородная медь, жильные и медно-колчеданные соединения. Самородный металл чаще всего встречается в зонах окисления медно-сульфидных рудников вместе с другими окисленными минералами.

Медно-колчеданные металлы отличаются формами и размерами. Основной минерал в руде — пирит, также присутствуют халькопириты и сфалериты.

Для жильных руд характерна прожилковая структура с вкраплениями. Такие руды, как правило, залегают в контакте с порфирами.

Медно-порфировая (гидротермальная)

Эти месторождения вместе с медью и молибденом содержат золото, серебро, селен и другие полезные элементы, наличие которых значительно выше нормы.

Медно-никелевая

Месторождения представлены в пластовой, линзообразной, неправильной и жильной форме. Металл имеет вкрапленную массивную текстуру с кобальтом, платиноидами, золотом и т.д.

Скарновая руда

Скарновые руды — это локальные месторождения в известняках и известково-терригенных породах. Они характеризуются небольшими размерами и сложной морфологией. Концентрация меди высокая, но неравномерная — до 3%.

Карбонатовая

В состав этой группы входит железомедная и карбонатитовая руда. По этому типу меди обнаружено пока единственное месторождение в ЮАР. Этот комплексный рудник относится к массиву щелочных пород.

Интересно! Медь очень редко встречается в природе в виде самородков. На сегодняшний день самой крупной такой находкой считается самородок, обнаруженный в Северной Америке на территории США массой 420 тонн.

Существует почти 250 видов меди, но из них всего 20 видов используются в промышленности. Самые распространенные из них:

Халькозин

Соединение минералов с содержанием серы (20%) и меди (80%). Носит название «медный блеск» из-за своего характерного металлического блеска. Руда имеет плотную или зернистую структуру черного или серого оттенка.

Борнит

Распространенный в природе минерал класса сульфидов, один из главных элементов медных руд. Имеет характерный синевато-пурпурный оттенок. Содержит в себе медь (63,33%), железо (11,12%), серу (25,55%) и примеси серебра. Встречается в виде плотных мелкозернистых масс.

В зависимости от глубины рудника используются открытый и закрытый способы добычи металла.

При закрытой (подземной) разработке строятся шахты протяженностью в несколько километров. Шахты оснащаются лифтами для перемещения рабочих и техники, а также для транспортировки минерала на поверхность.

Закрытый (подземный) способ добычи медной руды

Под землей порода подлежит дроблению специальным буровым оборудованием с шипами. Затем с помощью ковшей происходит забор и погрузка руды.

Открытый способ актуален в том случае, когда залежи находятся на глубине до 400-500 метров. Сначала снимается верхний пласт пустой породы, после чего вынимается медная руда. Чтобы было проще доставать твердые породы, ее предварительно разрушают взрывными устройствами.

Открытый способ добычи медной руды

Выделяют два основных способа производства меди:

Первый способ предполагает огневое рафинирование металла и позволяет обработать любое сырье с извлечением всех полезных элементов. С помощью этой технологии можно получать медь даже из бедной породы, в которой содержание металла ниже 0,5%. Второй способ применяется, как правило, только для обработки окисленной или самородной руды с бедным содержанием меди.

Медные рудники не сосредоточены в определенных географических зонах, а обнаружены в разных странах. В Америке в штатах Невада и Аризона разрабатывают месторождения халькозина. На Кубе распространены залежи оксида меди — куприта. В Перу ведется добыча хлорида меди.

Источников обогащенных руд в мире почти не осталось, медь добывается уже несколько сотен лет, поэтому все богатые рудники давно уже разработаны. В промышленности приходится применять низкосортные минералы (до 0,5% меди).

Интересно! По объёму мирового производства, медь находится на третьем месте после железа и алюминия.

В список стран, богатых медными рудами, входят: Чили, Америка, Китай, Казахстан, Польша, Индонезия, Замбия. Доля РФ в мировой добыче руды составляет 9% (это третье место после Чили и США). По запасам минерала лидирует Чили, в которой находится 33% от мирового объема меди.

Самыми крупными рудниками считаются:

• Рудник Чукикамата (Чили). Разработки ведутся более 100 лет, в течение этого периоды было разработано 26 млн. тонн металла;

Карьер Чукикамата (Чили)

• Рудник Эскондида (Чили). Добыча осуществляется с 1990 года;

Карьер Эскондида (Чили)

Карьер Грасберг (Индонезия)

Халькопирит

Металл имеет гидротермальное происхождение, встречается в скарнах и грейзенах. Чаще всего входит в состав полиметаллической руды вместе с галенитом и сфалеритом.

Основные свойства меди

Физические свойства

На воздухе медь приобретает яркий желтовато-красный оттенок за счёт образования оксидной плёнки. Тонкие же пластинки при просвечивании зеленовато-голубого цвета. В чистом виде медь достаточно мягкая, тягучая и легко прокатывается и вытягивается. Примеси способны повысить её твёрдость.

Высокую электропроводность меди можно назвать главным свойством, определяющим её преимущественное использование. Также медь обладает очень высокой теплопроводностью. Такие примеси как железо, фосфор, олово, сурьма и мышьяк влияют на базовые свойства и уменьшают электропроводность и теплопроводность. По данным показателям медь уступает лишь серебру.

Медь обладает высокими значениями плотности, температуры плавления и температуры кипения. Важным свойством также является хорошая стойкость по отношению к коррозии. К примеру, при высокой влажности железо окисляется значительно быстрее.

Медь хорошо поддаётся обработке: прокатывается в медный лист и медный пруток, протягивается в медную проволоку с толщиной, доведённой до тысячных долей миллиметра. Этот металл является диамагнетиком, то есть намагничивается против направления внешнего магнитного поля.

Химические свойства

Медь является сравнительно малоактивным металлом. В нормальных условиях на сухом воздухе её окисления не происходит. Она легко реагирует с галогенами, селеном и серой. Кислоты без окислительных свойств не оказывают воздействия на медь. С водородом, углеродом и азотом химических реакций нет. На влажном воздухе происходит окисление с образованием карбоната меди (II) – верхнего слоя платины.

Медь обладает амфотерностью, то есть в земной коре образует катионы и анионы. В зависимости от условий, соединения меди проявляют кислотные или основные свойства.

Оптические свойства

Цвет в отраженном свете	розовато-белый
Плеохроизм	не плеохроирует
Люминесценция в ультрафиолетовом излучении	не флюоресцентный

Кристаллографические свойства

Точечная группа	m3m (4/m 3 2/m) — гексоктаэдрический
Пространственная группа	Fm3m (F4/m 3 2/m)
Сингония	кубическая
Параметры ячейки	a = 3.615Å
Морфология	кубы, додекаэдры и тетрагексаэдры; редко октаэдры и сложные комбинации; нитевидные, древовидные
Двойникование	Двойники по <111>по шпинелевому закону

Разновидности медных руд

Классификация руды по генетическим и геологическим особенностям:

• стратиформная — это песчаники и сланцы;
• колчеданная – жильная медь и самородки;
• гидротермальная — ее называют медно-порфировой формой;
• скарновые породы;
• магматические — эта руда содержит никель;
• карбонатные — имеют железомедный и карбонатитовый состав.

Природные соединения с содержанием меди в своем составе

Самородки чистой меди в нашей Земле содержатся в небольших количествах. В основном она добывается в соединении с другими элементами, вот самые известные из них:

1. Борнит – это такой минерал, который был назван в честь чешского ученого Борна. Он представляет собой сульфидную руду. У него имеются и альтернативные названия, например, медный пурпур. Добывается в двух видах: низкотемпературный тетрагонально-скаленоэдрический и высокотемпературный кубически-гексаоктаэдрический. Различие видов этого материала зависит от того, где он произошел. Экзогенный борнит – это вторичный ранний сульфид, обладает неустойчивостью и подлежит разрушению при воздействии на него ветров. Эндогенный борнит обладает сменным химическим составом, в нем могут присутствовать различные элементы, например, халькозин и галенит. В теории в состав борнита может входить 11 % железа и более 63 % меди, но, к сожалению, на практике данный состав не сохраняется.
2. Халькопирит — данный вид минерала первоначально носил название — медный колчедан, зарождается он гидротермальным путем. Относят халькопирит к категории полиметаллических руд. Помимо меди, такой минерал имеет у себя в составе железо и серу. Образуется он в результате метаморфических процессов, и присутствует в метасоматических типах медных руд.
3. Халькозин — такая руда имеет у себя в составе большое количество меди, практически 80 %, оставшееся место занимает сера. Нередко такой вид по-другому называют медным блеском, так как его поверхность похожа на блестящий металл, переливающийся несколькими оттенками. В рудах халькозин образуется как мелкозернистое или плотное включение.
4. Куприт — этот минерал относится к группе оксидных, а зарождается он в тех местах, где содержится самородная медь или малахит.
5. Ковеллин — такой минерал формируется только метасоматическим путем. Медь в нем содержится практически на 67 %. Крупное месторождение медных руд есть на территории Сербии, Италии и США.
6. Малахит, или, как его еще называют, поделочный камень, обладает большой популярностью, представляет собой он медную углекислую зелень. Если где-то находят этот минерал, значит, рядом можно найти и иные, с содержанием в своем составе меди.

Применение

Браслеты из меди

Из-за низкого удельного сопротивления, медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках энергосберегающих электроприводов и силовых трансформаторов.

Другое полезное качество меди — высокая теплопроводность. Это позволяет применять её в различных теплоотводных устройствах, теплообменниках, к числу которых относятся и широко известные радиаторы охлаждения, кондиционирования и отопления.

В разнообразных областях техники широко используются сплавы с использованием меди, самыми широко распространёнными из которых являются упоминавшиеся выше бронза и латунь. Оба сплава являются общими названиями для целого семейства материалов, в которые помимо олова и цинка могут входить никель, висмут и другие металлы.

В ювелирном деле часто используются сплавы меди с золотом для увеличения прочности изделий к деформациям и истиранию, так как чистое золото очень мягкий металл и нестойко к этим механическим воздействиям.

Прогнозируемым новым массовым применением меди обещает стать её применение в качестве бактерицидных поверхностей в лечебных учреждениях для снижения внутрибольничного бактериопереноса: дверей, ручек, водозапорной арматуры, перил, поручней кроватей, столешниц — всех поверхностей, к которым прикасается рука человека.

Медь (англ. Copper) — Cu

Молекулярный вес	63.55 г/моль
Происхождение названия	От греческого «Kyprium», то есть «кипрский металл», по названию острова Кипр
IMA статус	действителен, описан впервые до 1959 (до IMA)

Сырьё для получения меди

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.

Немного истории

В какой местности медь в древние времена начала добываться и использоваться человеком впервые, археологам, к сожалению, выяснить не удалось. Однако доподлинно известно, что именно этот металл люди начали обрабатывать и применять в повседневной жизни самым первым.

Известна медь человеку стала еще в каменном веке. Некоторые найденные археологами самородки этого металла несут на себе следы обработки каменными топорами. Первоначально люди использовали медь в основном только в качестве украшений. При этом применял для изготовления таких изделий человек в древние времена исключительно найденные им самородки этого металла. Позднее люди научились обрабатывать и содержащую медь руду.

Представление о том, как добывают Cu и как его обрабатывают, имели многие народы древности. Подтверждений тому археологами было найдено множество. После того как человек научился делать сплавы меди с цинком, начался бронзовый век. Собственно само название «медь» придумали когда-то древние римляне. В эту страну такой металл привозили в основном с острова Кипр. Поэтому римляне и назвали его aes cyprium.

Как добывали медь в древности

Поскольку металл этот в быту человеком когда-то использовался очень широко, технологии его добычи были, конечно же, разработаны достаточно совершенные. Наши предки получали медь в основном из малахитовых руд. Смесь такого материала и угля помещали в глиняный сосуд и ставили в яму. Далее массу в горшке поджигали. Выделявшийся в результате угарный газ восстанавливал малахит до меди.

Запасы в природе

Где можно добыть медь в дикой природе сегодня? На настоящий момент залежи этого популярного металла открыты на всех континентах Земли. При этом запасы Cu считаются практически неограниченными. Геологи в наше время находят все новые месторождения чистой меди, а также содержащих ее руд. К примеру, в 1950 г. мировые резервы этого металла составляли 90 млн тонн. К 1970 г. этот показатель уже увеличился до 250 млн т, а к 1998 г — до 340 млн т. На настоящий момент считается, что запасы меди на планете составляют более 2.3 млрд тонн.

Как разрабатывают залежи медных руд

Разного рода породы, содержащие Cu, как и самородки, могут добываться на планете по двум основным технологиям:

В первом случае на месторождении строятся шахты, протяженность которых может достигать нескольких километров. Для перемещения рабочих и техники такие подземные туннели оснащаются лифтами и железнодорожными путями. Дробление породы в шахтах производится с использованием специального бурового оборудования, имеющего шипы. Забор медной руды и ее погрузка для отправки наверх осуществляются с применением ковшей.

Если залежи находятся не далее 400-500 м от поверхности земли, их добыча ведется открытым методом. В этом случае на месторождении сначала снимается пласт верхней породы с использованием взрывных устройств. Далее постепенно вынимается собственно сама медная руда.

Месторождения и способы добычи чистой меди

Как уже упоминалось, изначально человек использовал в быту самородный Cu. Конечно же, добывается такая чистая медь и в наши дни. Образуются самородки этого металла в земной коре в результате экзогенных и эндогенных процессов. Самое большое известное месторождение самородной меди на планете на данный момент находится в США, в районе озера Верхнее. В России самородная медь залегает в Удоканском месторождении, а также в некоторых других местах Забайкалья. Кроме того, ответом на вопрос о том, где можно добывать медь в России в виде самородков, является и уральский регион.

В природе чистый металл этой разновидности образуется в зоне окисления медносульфатных залежей. Обычно в самородках собственно самой меди содержится около 90-99%. Остальное приходится на другие металлы. В любом случае ответом на вопрос о том, как добывают медь самородную, служат две основных технологии. Разрабатывают такие месторождения, как и рудные, закрытым шахтным или открытым карьерным способом. В первом случае при этом используют такие технологические процессы, как бурение и отбойка.

Весить медные самородки могут очень много. Самые большие из них когда-то были найдены на озере Верхнем в США. Вес этих самородков составлял около 500 т.

Где добывают медь в России, мы выяснили. В основном это Забайкалье и Урал. В нашей стране, конечно же, также в разные времена находили очень крупные самородки этого металла. К примеру, медные куски весом до нескольких тонн часто находили на Среднем Урале. Один из таких самородков в 860 кг ныне храниться в Санкт-Петербурге, в музее Горного института.

Способы получения меди

Для извлечения меди из минералов и руд, в которых она находится, на сегодняшний день используют три метода:

• гидрометаллургический
• пирометаллургичекий
• электролиз.

Получение меди пирометаллургическим методом является наиболее распространенным. Сырьем для этого процесса выступает халькопирит. Чтобы получить из халькопирита чистую медь, необходимо осуществить ряд операций. Первая, из которых, заключается в обогащении медной руды, методом окислительного обжига или флотации.

В основе флотации лежит тот факт, что пустая порода и ее медесодержащие части, смачиваются по-разному. Если поместить всю массу породы в емкость с жидким составом, в котором имеются воздушные пузырьки, то часть с минеральными элементами, перемещается при помощи этих пузырьков на поверхность, и прилипает к ним. В результате на поверхности ванны наблюдается наличие концентрата или черновой меди. В этом составе присутствует от 10 до 35% чистой меди. Этот порошкообразный концентрат является сырьем для дальнейшего получения чистой меди.

Совсем по-другому протекают реакции получения меди методом окислительного обжига. Этим методом обогащают медные руды, в составе которых имеется существенное количество серы. Для реализации этой технологии необходимо нагреть руду до температуры 700–8000 градусов. Под действием таких высоких температур происходит окисление сульфидов, и объем серы в медной руде снижается почти в два раза. Следующим этапом является расплавление обогащенной руды в отражательных или шахтных печах при температуре 14500. Результатом этого расплава является образование штейна – сплава, который состоит из сульфидов меди и железа.

Чтобы улучшить показатели штейна его подвергают обдуванию в горизонтальных конвертерах без добавления дополнительного топлива. Таким образом, железо и сульфиды окисляются, оксид железа превращается в шлак, а сера становится оксидом – SO2.

Черновая медь, полученная таким способом, имеет в своем составе около 91% меди. Для дополнительной очистки металла выполняется рафинирование меди, то есть удаление посторонних примесей. Это осуществляется благодаря технологии огневого рафинирования в присутствии подкисленного раствора медного купороса. Это рафинирование меди носит электролитический характер, и дает возможность получить металл с чистотой 99,9%.

Гидрометаллургический метод обогащения меди основан на процессе выщелачивания металла с помощью серной кислоты. Результатом такого процесса является получение раствора, из которого в дальнейшем выделяют чистую медь. Также этот метод подходит для выделения драгоценных металлов. Эту технологию применяют для обогащения руд, в которых присутствует крайне малое количество меди.

Обогащение медной руды

Большинство медных руд обогащают способом флотации. В результате получают медный концентрат, содержащий 8-35% Cu, 40-50% S, 30-35% Fe и пустую породу, главным образом составляющими которой являются SiO2, Al2O3 и CaO. Концентраты обычно обжигают в окислительной среде с тем, чтобы удалить около 50% серы и получить обожженный концентрат с содержанием серы, необходимым для получения при плавке достаточно богатого штейна. Обжиг обеспечивает хорошее смешение всех компонентов шихты и нагрев ее до 550-600 ºС и, в конечном итоге, снижение расхода топлива в отражательной печи в два раза. Однако при переплавке обожженной шихты несколько возрастают потери меди в шлаке и унос пыли. Поэтому обычно богатые медные концентраты (25-35% Cu) плавят без обжига, а бедные (8-25%Cu) подвергают обжигу. Для обжига концентратов применяют многоподовые печи с механическим перегреванием. Такие печи работают непрерывно.

Пирометаллургический способ производства меди

Основу пирометаллургического процесса составляет плавка, при которой расплавленная масса разделяется на два жидких слоя: штейн-сплав сульфидов и шлак-сплав окислов. В плавку поступают либо медная руда, либо обожженные концентраты медных руд. Обжиг концентратов осуществляется с целью снижения содержания серы до оптимальных значений. Жидкий штейн продувают в конвертерах воздухом для окисления сернистого железа, перевода железа в шлак и выделения черновой меди. Черновую медь далее подвергают рафинированию – очистке от примесей.

Конвертирование медного штейна

Изобрел конвертер для получения меди русский инженер Г. С. Семенников в 1866 г. Он предложил применить конвертер типа бессемеровского для продувки штейна. Продувка штейна снизу воздухом обеспечила получение лишь полусернистой меди (около 79% меди) – так называемого белого штейна. Дальнейшая продувка приводила к затвердеванию меди. В 1880 г. русский инженер предложил конвертер для продувки штейна с боковым дутьем, что и позволило получить черновую медь в конвертерах.

Конвертер делают длиной 6-10 метров, с наружным диаметром 3-4 метра. Производительность за одну операцию составляет 80-100 т. Футеруют конвертер магнезитовым кирпичом. Заливку расплавленного штейна и слив продуктов осуществляют через горловину конвертера, расположенной в средней части его корпуса. Через ту же горловину удаляют газы. Фурмы для вдувания воздуха расположены по образующей поверхности конвертера. Число фурм обычно составляет 46-52, а диаметр фурмы – 50мм. Расход воздуха достигает 800 м2/мин. В конвертер заливают штейн и подают кварцевый флюс, содержащий 70-80% SiO2, и обычно некоторое количество золота. Его подают во время плавки, пользуясь пневматической загрузкой через круглое отверстие в торцевой стенке конвертеров, или же загружают через горловину конвертера.

Процесс конвертирования ведется в циклическом режиме при температуре 1250-1350 °С и состоит из двух периодов. В первом периоде удаляют железо и связанную с ним серу. Первый период (окисление сульфида железа с получением белого штейна) длится от 6 до 24 часов в зависимости от содержания меди в штейне. Загрузку кварцевого флюса начинают с начала продувки. По мере накопления шлака его частично удаляют и заливают в конвертер новую порцию исходного штейна, поддерживая определенный уровень штейна в конвертере.

В первом периоде протекают следующие реакции окисления сульфидов:

2FeS + 3O2 =2FeO + 2SO2 + 930360 Дж

2Cu2S + 3O2= 2Cu2O + 2SO2 + 765600 Дж.

Пока существует FeS, закись меди не устойчива и превращается в сульфид:
Cu2O + FeS = Cu2S+ FeO

Закись железа шлакуется добавляемым в конвертер кварцевым флюсом:

2FeO + SiO2 =(FeO) × SiO2

При недостатке SiO2 закись железа окисляется домагнетита:

6FeO + O2 = 2Fe3O4, который переходит в шлак.

Температура заливаемого штейна в результате протекания этих экзотермических реакций повышается с1100–1200 до 1250-1350 0С. Более высокая температура нежелательна, и поэтому при продувке бедных штейнов, содержащих много FeS, добавляют охладители – твердый штейн, сплески меди, корки из ковшей, медные концентраты.

В результате, в конвертере остается, главным образом, так называемый белый штейн, состоящий из сульфидов меди, а шлак сливается в процессе плавки. Он состоит в основном из различных оксидов железа (магнетита, закиси железа) и кремнезема, а также небольших количеств глинозема, окиси кальция и окиси магния. При этом, как следует из вышесказанного, содержание магнетита в шлаке определяется содержанием кремнезема. В шлаке остается 1,8-3,0% меди. Для ее извлечения шлак в жидком виде направляют в отражательную печь или в горн шахтной печи.

Во втором периоде, называемом реакционным, продолжительность которого составляет 2-3 часа, из белого штейна образуется черновая медь. В этот период окисляется сульфид меди и по обменной реакции выделяется медь:

2Cu2S + 3O2= 2Cu2O + 2SO2

Cu2S + 2Cu2O= 6Cu + O2

Таким образом, в результате продувки получают черновую медь, содержащая 98,4-99,4% — меди, 0,01-0,04% железа, 0,02-0,1% серы, и небольшое количество никеля, олова, мышьяка, серебра, золота и конвертерный шлак, содержащий 22-30% SiO2, 47-70% FeO, около 3% Al2O3 и 1.5-2.5% меди.

Выплавка медного штейна

Медный штейн, состоящий в основном из сульфидов меди и железа (Cu2S+FeS=80-90%) и других сульфидов, а также окислов железа, кремния, алюминия и кальция, выплавляют в печах различного типа. Комплексные руды, содержащие золото, серебро, селен и теллур, целесообразно обогащать так, чтобы в концентрат была переведена не только медь, но и эти металлы. Концентрат переплавляют в штейн в отражательных или электрических печах.

Сернистые, чисто медныеруды целесообразно перерабатывать в шахтных печах. При высоком содержании серы в рудах целесообразно применять так называемый процесс медно-серной плавки в шахтной печи с улавливанием газов и извлечением из них элементарной серы. В печь загружают медную руду, известняк, кокс и оборотные продукты. Загрузку ведут отдельными порциями сырых материалов и кокса. В верхних горизонтах шахты создается восстановительная среда, а в нижней части печи – окислительная. Нижние слои шихты плавятся, и она постепенно опускается вниз навстречу потоку горячих газов. Температура у фурм достигается 1500 ºС на верху печи она равна примерно 450 ºС. Столь высокая температура отходящих газов необходима для того, чтобы обеспечить возможность из очистки от пыли до начала конденсации паров серы.

В нижней части печи, главным образом у фурм, протекают следующие основные процессы:

а) Сжигание углерода кокса

б) Сжигание серы в виде сернистого железа

2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2

в) Образование силиката железа

2 FeO + SiO2 =(FeO)2 × SiO2

Газы, содержащие CO2, SO2, избыток кислорода и азот, проходятвверх через столб шихты. На этом пути газов происходит теплообмен между шихтойи ними, а также взаимодействие CO2 с углеродом шихты. При высоких температурах CO2 и SO2 восстанавливаются углеродом кокса и при этом образуется окись углерода, сероуглерод и серная окись углерода (COS):

2SO2 + 5C = 4CO+ CS2

SO2 + 2C = COS+ CO

В верхних горизонтах печи пирит разлагается по реакции:

При температуре около 1000 0Сплавятся наиболее легкоплавкие эвтектики из FeS и Cu2S, в результате чего образуется пористая масса.

В порах этой массы расплавленный поток сульфидов встречается с восходящим потоком горячих газов и при этом протекают химические реакции, важнейшие из которых указаны ниже:

а) образование сульфида меди из закиси меди

2Cu2O + 2FeS +SiO2 = (FeO)2 × SiO2 + 2Cu2S;

б) образование силикатов из окислов железа

3Fe2O3+ FeS + 3,5SiO2 = 3,5(2FeO × SiO2) + SO2;

3Fe3O4+ FeS + 5SiO2 = 5(2FeO × SiO2) + SO2;

в) разложение CaCO3 и образование силиката извести

CaCO3 + SiO2= CaO × SiO2 + CO2;

г) восстановление сернистого газа до элементарной серы

SO2 + C = CO2+ ½ S2

В результате плавки получаются штейн, содержащий 8-15% меди (Cu), шлак состоящий в основном из силикатов железа и извести, колошниковый газ, содержащий серу и её соединения (S2, COS, H2S), и углекислый газ (CO2). Из газа сначала осаживают пыль, затем из него извлекают серу (до 80% S).

Чтобы повысить содержание меди в штейне, его подвергают сократительной плавке. Плавку осуществляют в таких же шахтных печах. Штейн загружают кусками размером 30-100 мм вместе с кварцевым флюсом, известняком и коксом. Расход кокса составляет 7-8% от массы шихты. В результате получают обогащенный медью штейн (25-40% Cu) и шлак (0,4-0,8% Cu).

Температура плавления переплавки концентратов, как уже упоминалось, применяют отражательные и электрические печи. Иногда обжиговые печи располагают непосредственно над площадкой отражательных печей с тем, чтобы не охлаждать обожженные концентраты и использовать их тепло.

По мере нагревания шихты впечи протекают следующие реакции восстановления окиси меди и высших оксидов железа:

6CuO + FeS = 3Cu2O+ SO2 + FeO;

FeS + 3Fe3O4+ 5SiO2 = 5(2FeO × SiO2) + SO2

В результате реакции образующейся закиси меди Cu2Oс FeS получается Cu2S:

Cu2O + FeS = Cu2S+ FeO

Сульфиды меди и железа, сплавляясь между собой, образуют первичный штейн, а расплавленные силикаты железа, стекая по поверхности откосов, растворяют другие оксиды и образуют шлак. Благородные металлы (золото и серебро) плохо растворяются в шлаке и практически почти полностью переходят в штейн. Штейн отражательной плавки на 80-90% (по массе) состоит из сульфидов меди и железа. Штейн содержит, %:15-55 меди; 15-50 железа; 20-30 серы; 0,5-1,5 SiO2; 0,5-3,0 Al2O3; 0.5-2.0(CaO + MgO); около 2% Zn и небольшое количество золота и серебра. Шлак состоит в основном из SiO2, FeO, CaO, Al2O3 и содержит 0,1-0,5 % меди. Извлечение меди и благородных металлов в штейн достигает 96-99 %.

Добыча медных руд в мире

Медные рудники не сосредоточены в определенных географических зонах, а обнаружены в разных странах. В Америке в штатах Невада и Аризона разрабатывают месторождения халькозина. На Кубе распространены залежи оксида меди – куприта. В Перу ведется добыча хлорида меди.

Источников обогащенных руд в мире почти не осталось, медь добывается уже несколько сотен лет, поэтому все богатые рудники давно уже разработаны. В промышленности приходится применять низкосортные минералы (до 0,5% меди).

Интересно! По объёму мирового производства, медь находится на третьем месте после железа и алюминия.

Страны лидеры по запасам и добыче медной руды

В список стран, богатых медными рудами, входят: Чили, Америка, Китай, Казахстан, Польша, Индонезия, Замбия. Доля РФ в мировой добыче руды составляет 9% (это третье место после Чили и США). По запасам минерала лидирует Чили, в которой находится 33% от мирового объема меди.

Самыми крупными рудниками считаются:

• Рудник Чукикамата (Чили). Разработки ведутся более 100 лет, в течение этого периоды было разработано 26 млн. тонн металла;

Недавно были обнаружены крупные рудники в Перу (Антамина), в Бразилии (Салобу), Казахстане (Нурказган).

Эксперты утверждают, что объем экономически рентабельной меди составляет более 400 млн. тонн. по всему миру.

Добыча медной руды в России

Структура сырьевой базы меди в России существенно отличается от мирового рынка. Основная доля в ней приходится на сульфидные медно-никелевые (40%) и колчеданные (19%) рудники. В то время как в других странах преобладают медно-порфировые месторождения и медистые песчаники.

Источник