Медная руда - это природный минерал, состоящий из различных химических элементов. Составы, которые выгодно перерабатывать, должны включать 0,5–1% основного компонента. Другим важным элементом руды считается никель.
Месторождения на карте мира
Самые большие запасы руды расположены в Чили – 34% от общемировых. В США и Перу находится по 9% залежей ископаемого. На Восточную Сибирь, Урал и Кольский полуостров приходится 5% месторождений.
Мировые месторождения меди расположены на Африканском континенте, в Южной Америке, Канаде, Австралии. Из европейских стран ими наиболее богата Польша. Известны месторождения в Китае и Монголии.
Порфировые и жильные месторождения располагаются в Западном Тихоокеанском поясе, районах средиземноморья. Обладают ими Казахстан, Армения, Узбекистан.
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 минералы, содержащие медь
Сульфидная руда, ее состав определяет выражение Cu5FeS4. Различают два полиморфных вида – низкотемпературный и высокотемпературный. Температура плавления которых, соответственно, меньше или больше 228 градусов.
Существует ранний неустойчивый сульфид , легко разрушаемый водой и ветром. Другой тип – эндогенный, имеет непостоянный химический состав за счет примесей таких элементов как галенит, пирит, халькозин, халькопирит. Борнит называют пестрым колчеданом. Характеристика этих минералов зависит от их происхождения.
Формулой CuFeS2 определяется его состав. Известен под названием медный колчедан. Относится к полиметаллическим. Может существовать в виде скарн и горных грейзенов.
Содержит 79,8% меди и 20,2% . Очень красивый, зеркальная поверхность имеет сероватый оттенок, бывает черным.
Существуют редкие ископаемые, содержащие элементы меди:
- куприт (Cu2O), оксид, замечен среди месторождений малахита и самородков;
- ковеллин, содержит 66,5% основного элемента и серу. Впервые найден в окружении вулкана Везувий. Добывается в США, Греции, Чили;
- малахит. Камень, который применяется для различных поделок. Полиметаллическая руда. Нижний Тагил – место больших залежей этого минерала;
- азурит. Это лазурь, камень синего цвета. Основные места его добычи – Африка, Австралия, Англия, Балканские страны. Залегает вблизи сульфидных месторождений.
Медно-порфировые формы включают молибден, золото, халькопирит, пирит. Их находят в залежах небогатых горных пород. Имеют форму прожилковых вкраплений штокверкового типа.
Способы добычи минерала
В зависимости от глубины залегания, руда добывается открытым или закрытым методом. Существуют стандарты, которые определяют целесообразность глубины выработки слоев грунта, применение технологий, снижающих их затратность.
Технология работ включает следующее:
- применение самоходной техники;
- производство непосредственно извлечения руды;
- заполнение материалами образовавшиеся пустоты, чтобы сделать дальнейшие работы безопасными.
При ископаемые выбираются слоями, это обеспечивает их наиболее полное использование. Для карьеров большой глубины подойдет технология циклично-поточных работ, это зависит от особенностей залегания слоев.
При залегании пластов на глубине от 500 до 1000 м и глубже, удобен закрытый способ добычи меди. Для этого необходимы вибрационные механизмы, производится сплошная выемка породы и доставка ее на поверхность. Образовавшиеся под землей пустоты заполняют, для этого применяют футерованные резиной или базальтовой смолой трубы.
Промышленность по переработке полезных ископаемых экономически выгодно располагать в непосредственной близости к местам их добычи. Здесь же необходимо строить заводы по утилизации отходов после переработки. Это может способствовать выделению различных полезных продуктов. К примеру, переработка сернистого газа позволяет получить полезные удобрения с содержанием серы.
Технологии производства
Добытая руда имеет низкую концентрацию меди. Для получения одной тонны металла в среднем понадобится 200 тонн руды. Для его извлечения современная металлургическая промышленность применяет следующие технологии:
- гидрометаллургическая;
- пирометаллургическая;
- электролиз.
Пирометаллургический метод обогащения породы использует для переработки халькопирит. Эта распространенная технология использует два этапа работы. Первое – окислительный обжиг, так называемая флотация. Получаемый черновой концентрат содержит 10–35% чистого вещества. Затем производят рафинирование меди и добавление купороса к раствору. В результате выделяют почти стопроцентной чистоты.
При гидрометаллургическом способе происходит выщелачивание металла, затем добавляется серная кислота. В итоге получают раствор, в котором выделяется медь и различные металлы, могут быть драгоценные. Эта технология применима для производства меди из бедных пород.
Для окислительного обжига минералов с высоким содержанием серы нагревают руду до 700–8000 градусов, при этом количество серы уменьшается вдвое. Получается сплав сульфидов. Боковой обдув в конвекторе позволяет получить черновую медь 91%. Для более высокой чистоты металла происходит электролитическое рафинирование, получают 99% состав.
В промышленности этот элемент в чистом виде практически не применяется. Больше всего известны сплавы:
- латунь – сплав с цинком;
- бронза – с оловом;
- различные баббиты – сплав со свинцом;
- мельхиор – в состав добавлен никель;
- дюраль – соединение с алюминием;
- ювелирные сплавы, где добавляется золото в различных процентных соотношениях.
Области применения
Одной из областей применения является электротехническая промышленность. Кабели и электрические провода включают жилы из чистого металла, что увеличивает их электропроводность. Сплавы с никелем подходят для приборостроения, соединения с вольфрамом – это нити накаливания в лампочках.
Латунь применяется в пищевой и химической промышленности. В сельском хозяйстве медь используют как удобрение. Медный купорос известен садоводам, им обрабатывают растения для защиты от болезней и вредителей.
В строительстве такие сплавы просто незаменимы. Кровельное покрытие с образовавшейся на нем патиной имеет красивый вид и очень долговечно.
Медицинская промышленность не обходится без этого химического элемента. Широко используется в лекарствах.
В машиностроении из бронзы делают подшипники, теплообменники, различные конструктивные элементы механизмов. Металл используют в порошковой металлургии для изготовления фрикционных деталей.
Мировые запасы
Медь – цветной металл, который потребляется многими видами промышленности. Самой выгодной рудой для производства является борнит. Это обусловлено его высоким содержанием и большими залежами в мировых недрах. К добыче меди пригодны породы, содержащие ее 0,5–1%. Больше всего распространены руды с добавками никеля. Они составляют 90% всех медесодержащих ископаемых, экономически выгодных для горнодобывающей промышленности.
Крупнейшие месторождения меди расположены в Чили – 34% всех мировых запасов, что составляет 140 млн тонн.
Государства, имеющие самые крупные запасы в мире, это: США – 35 млн тонн, Индонезия – 35, Перу – 30, Австралия – 24, Китай – 26, Россия – 20.
Общемировые запасы медесодержащих руд оцениваются в 467 млн тонн. Геологи утверждают, что в мировом океане находится около 5 млрд тонн залежей такой руды.
Медь - пластичный металл золотисто-розового цвета, который в чистом виде в природе встречается чаще, чем самородки золота или серебра. Но в основном медь добывают из медных руд - природных минеральных образований. Больше всего меди содержится в сульфидных рудах. В зонах окисления медь содержится в большинстве силикатов, карбонатов и оксидов. Находят медь и в осадочных породах: сланцах и медистых песчаниках.
Современной науке известно более 200 минералов, содержащих медь. В промышленности чаще всего используют металл, добытый из сульфатов, среди которых:
- Халькозин (79% меди);
- Борнит (до 65%);
- Халькопирит, или медный колчедан (около 35%).
Содержится медь и в медно-никелиевых соединениях. Самый известный из них - кубанит (до 45% меди). Из окисленных руд стоит отметить куприт (88%), малахит (до 58%), азурит (до 56%). Иногда встречаются залежи самородной меди.
Характеристики и виды меди
Медь - один из первых металлов, который стал использовать человек. Химический символ - Cu (купрум). Этот металл обладает высокой теплопроводностью, коррозийной стойкостью, электропроводностью. Медь плавится при низких температурах, превосходно поддается спайке, металл легко резать и обрабатывать.
Некоторые соединения меди могут быть токсичными для человека. Повышенное содержание меди в воде и пище может вызвать заболевания печени и желчного пузыря. Оставленные после добычи меди карьеры становятся источниками токсинов. Например, озеро Беркли Пит, образовавшееся в кратере бывшего медного рудника, считается самым токсичным озером в мире. Но, бактерицидные свойства меди несоизмеримо выше. Доказано, что медь помогает бороться с вирусами гриппа, уничтожает стафилококки.
В промышленности редко используют медь в чистом виде. Большее применение нашли сплавы:
- Латунь (сплав меди с цинком);
- Бронза (с оловом);
- Баббиты (со свинцом);
- Мельхиор (с никелем);
- Дюраль (с алюминием);
- Ювелирный сплав (с золотом).
Месторождения и добыча меди
Самое крупное месторождение меди в мире расположено в Чили - это карьер Эсконида. Здесь обнаружены огромные залежи самородной меди.
Другие крупные месторождения:
- Рудники на полуострове Кивино (США, штат Мичиган);
- Рудник "Чукикамата" в Чили (до 600 тыс. тонн в год);
- Рудник "Корокоро" Боливии;
- Рудник Гумишевский (Средний Урал, Россия) - ныне исчерпан;
- Долина реки Лёвиха (Средний Урал, Россия);
- Массив габбро (Италия).
По данным US Geological Survey крупнейшие залежи меди принадлежат Чили. Далее следуют США, Россия, Перу и Мексика.
Способы добычи меди:
- Открытый;
- Гидрометаллургический - когда медь выщелачивают из породы слабым раствором серной кислоты;
- Пирометаллургический - состоит из нескольких этапов (обогащение, обжиг, плавка на штейн, продувка и рафинирование).
Бережное отношение к медным рудам
Медные руды относятся к невозобновимым ресурсам, а поэтому их разработка требует бережного отношения, как в способах добычи, так и в промышленной переработке.
Всё больше промышленность становится требовательной к постоянным объёмам получаемых ресурсов, что приводит к их постепенному исчерпанию. Для этого нужно тщательнее контролировать добычу медных руд, наряду с другими невозобновляемыми ресурами, такими как нефть, природный газ, бережней и рациональней относится в использование, как в промышленных, так и в бытовом потреблении.
Применение меди
Медь - один из важнейших цветных металлов, который нашел применение практически во всех сферах жизнедеятельности человека.
- Электротехническая промышленность (провода, проволока);
- Машиностроение (стартер, стеклоподъемники, радиаторы, кулеры, подшипники);
- Судостроение (обшивка корпусов);
- Строительство (трубы, трубопроводы, кровельный и облицовочный материалы, ванны, смесители, раковины);
- В искусстве (ювелирные украшения, статуи, чеканки);
- В быту (кондиционеры, микроволновые печи, монеты, пищевые добавки, музыкальные инструменты).
Интересно, что Статуя Свободы изготовлена из меди. На ее сооружение потребовалось около 80 тонн металла. А в Непале медь считают священным металлом.
В незначительной концентрации могут присутствовать:
- никель;
- золото;
- платина;
- серебро.
Месторождения во всем мире имеют примерно одинаковый набор химических элементов в составе руды, отличаются лишь их процентным соотношением. Чтобы получить чистый металл, используют различные промышленные способы. Почти 90% металлургических предприятий используют одинаковый метод производства чистой меди – пирометаллургический.
Схема этого процесса позволяет также получать металл из вторичного сырья, что для промышленности является существенным плюсом. Поскольку месторождения относятся к группе не восполняемых – запасы с каждым годом уменьшаются, руды беднеют, а их добыча и производство становится дорогим. Это, в конечном счете, влияет на цену металла на международном рынке. Кроме пирометаллургического метода, существуют еще способы:
- гидрометаллургический;
- метод огневого рафинирования.
Стадии пирометаллургического производства меди
Промышленное получение меди с использованием пирометаллургического способа имеет преимущества перед другими методами:
- технология обеспечивает высокую производительность – с ее помощью можно получать метал из породы, в которой содержание меди даже ниже 0,5%;
- позволяет эффективно перерабатывать вторичное сырье;
- достигнута высокая степень механизации и автоматизации всех этапов;
- при его использовании значительно сокращаются выбросы вредных веществ в атмосферу;
- метод экономичный и эффективный.
Обогащение
Схема обогащения руды
На первом этапе производства необходимо подготовить руду, которую доставляют на обогатительные комбинаты прямо с карьера или шахты. Часто встречаются большие куски породы, которые предварительно нужно измельчить.
Происходит это в огромных дробильных агрегатах. После дробления получается однородная масса, с фракцией до 150 мм. Технология предварительного обогащения:
- в большую емкость засыпается сырье и заливается водой;
- затем добавляется кислород под давлением, чтобы образовалась пена;
- частицы металла прилипают к пузырькам и поднимаются наверх, а пустая порода оседает на дне;
- далее, медный концентрат отправляется на обжиг.
Обжиг
Этот этап направлен на то, чтобы максимально снизить содержание серы. Рудную массу помещают в печь, где устанавливается температура 700–800 о С. В результате термического воздействия содержание серы сокращается в два раза. Сера окисляется и испаряется, а часть примесей (железа и других металлов) переходит в легкошлакуемое состояние, которое облегчит в дальнейшем плавку.
Этот этап можно опустить, если порода богатая и содержит после обогащения 25–35% меди, его используют только для бедных руд.
Плавка на штейн
Технология плавки на штейн позволяет получить черновую медь, которая различается по маркам: от МЧ1 – самая чистая до МЧ6 (содержит до 96% чистого металла). В ходе процесса плавки, сырье погружается в специальную печь, в которой температура поднимается до 1450 о С.
После расплавления массы она продувается сжатым кислородом в конвертерах. Они имеют горизонтальный вид, а дутье осуществляется через боковое отверстие. В результате продува сульфиды железа и серы окисляются и переводятся в шлак. Тепло в конвертере образуется за счет протекания раскаленной массы, он дополнительно не нагревается. Температура при этом составляет 1300 о С.
На выходе из конвертера получают черновой состав, который содержит до 0,04% железа и 0,1% серы, а также до 0,5% прочих металлов:
- олова;
- сурьмы;
- золота;
- никеля;
- серебра.
Такой черновой металл отливается в слитки массой до 1200 кг. Это так называемая анодная медь. Многие производители останавливаются на этом этапе, реализуют такие слитки. Но поскольку часто производство меди сопровождается добычей драгоценных металлов, которые содержатся в руде, то на обогатительных комбинатах используется технология рафинирования чернового сплава. При этом выделяются и сохраняются прочие металлы.
Рафинирование с использованием катодной меди
Технология получения рафинированной меди довольно простая. Ее принцип используют даже для чистки медных монет от окислов в домашних условиях. Схема производства выглядит следующим образом:
- черновой слиток помещается в ванну с электролитом;
- в качестве электролита используется раствор со следующим содержанием:
- сульфат меди – до 200 г/л;
- серная кислота – 135–200 г/л;
- коллоидные добавки (тиомочевина, столярный клей)– до 60 г/л;
- вода.
- температура электролита должна быть до 55 о С;
- помещаются в ванну пластины катодной меди – тонкие листы чистого металла;
- подключается электричество. В это время происходит электрохимическое растворение металла. Частицы меди концентрируются на катодной пластине, а прочие включения оседают на дне и называются шлам.
Для того, чтобы процесс получения рафинированной меди протекал быстрее, анодные слитки должны быть не более 360 кг.
Весь процесс электролиза протекает в течение 20–28 суток. За этот период вынимают катодную медь до 3–4 раз. Вес пластин получается до 150 кг.
Как это делается: добыча меди
В процессе рафинирования, на катодной меди могут образовываться дендриты – наросты, которые сокращают расстояние до анода. В результате чего снижается скорость и эффективность реакции. Поэтому, при возникновении дендритов, их незамедлительно удаляют.
Технология гидрометаллургического производства меди
Этот способ не получил широкого распространения, поскольку, при этом можно потерять драгоценные металлы, содержащиеся в медной руде.
Его использование оправдано, когда порода бедная – содержит менее 0,3% красного металла.
Как получить медь гидрометаллургическим способом?
Вначале порода измельчается до мелкой фракции. Затем помещается в щелочной состав. Чаще всего используют растворы серной кислоты или аммиака. Во время реакции медь вытесняется железом.
Цементация меди железом
Оставшиеся после выщелачивания растворы солей меди проходят дальнейшую обработку – цементацию:
- в раствор помещают железную проволоку, листы или прочие обрезки;
- в ходе химической реакции железо вытесняет медь;
- в результате металл выделяется в виде мелкого порошка, в котором содержание меди достигает 70%. Дальнейшее очищение происходит путем электролиза с использованием катодной пластины.
Технология огневого рафинирования черновой меди
Этот способ получения чистой меди используется, когда исходное сырье – медный лом.
Процесс протекает в специальных отражательных печах, которые топятся углем или нефтью. Растопленная масса наполняет ванну, в которую вдувают воздух по железным трубам:
- диаметр труб – до 19 мм;
- давление воздуха – до 2,5 атм;
- емкость печи – до 250 кг.
В процессе рафинирования окисляется медное сырье, выгорает сера, затем металлы. Окислы не растворяются в жидкой меди, а всплывают на поверхность. Чтобы их удалить, используется кварц, который помещается в ванну еще до начала процесса рафинирования и размещается вдоль стенок.
Если в металлоломе присутствует никель, мышьяк или сурьма, то технология усложняется. Процент содержания никеля в рафинированной меди можно снизить лишь до уровня 0,35%. Но если присутствуют остальные компоненты (мышьяк и сурьма), то образуется никелевая «слюдка», которая растворяется в меди, и ее удалить не получится.
Видео: Медные руды Урала
Самая распространенная медная руда на нашей планете – это борнит. Но кроме него медь добывают и из других руд, о которых мы и поговорим в рамках данной статьи.
1
Под данной рудой подразумевают скопления минералов, в которых медь присутствует в таких количествах, которые считаются пригодными для переработки ее в промышленных целях. Общепринятым показателем разумности разработки месторождения принято считать ситуацию, когда в нем скопления меди составляют не менее 0,5–1 %.
При этом порядка 90 % запасов данного металла на земле встречаются в рудах, содержащих не только медь, но и другие металлы (например, никель).
Масштабная добыча меди в России осуществляется в Восточной Сибири, на Урале и Кольском полуострове. Самые крупные залежи этого металла присутствуют на территории Чили (по оценкам экспертов – около 190 миллионов тонн). К другим странам, занимающимся разработкой таких руд, относят США, Замбию, Казахстан, Польшу, Канаду, Заир, Армению, Конго, Перу, Узбекистан. В общей сложности, на планете совокупный запас меди на разведанных месторождениях составляет примерно 680 миллионов тонн.
Все медные залежи принято делить на шесть генетических групп и девять промышленно-геологических типов:
- стратиформная группа (медные сланцы и песчаники);
- колчеданная (самородная медь, жильный и медно-колчеданный тип);
- гидротермальная (медно-порфировые руды);
- магматическая (медно-никелевая руда);
- скарновая;
- карбонатовая (железомедный и карбонатитовый тип).
В нашей стране основная добыча меди осуществляется на медистых сланцах и песчаниках, из медноколчеданной, медно-никелевой и медно-порфировой руды.
2
В природе медь достаточно редко встречается в самородном виде. Чаще всего она "прячется" в различных соединениях. Наиболее известными из них являются следующие:
3
Намного реже встречаются иные медные минералы, среди которых можно выделить такие:
4
Данный металл, чьи характеристики (например, высокая ) обусловили его широкую востребованность) получают из описанных нами минералов и руд тремя способами – гидрометаллургическим, пирометаллургическим и электролизом. Самой распространенной является пирометаллургическая технология, использующая в качестве исходного сырья минерал халькопирит. Общая схема пирометаллургического процесса включает в себя несколько операций. Первой из них является обогащение медной руды окислительным обжигом либо флотацией.
Метод флотации базируется на разном показателе смачиваемой пустой породы и частиц, содержащих медь. За счет этого некоторые минеральные элементы прилипают (избирательно) к воздушным пузырькам и транспортируются ими на поверхность. Такая несложная технология дает возможность получить концентрат порошкообразного вида, в котором содержание меди варьируется от 10 до 35 процентов.
Окислительный обжиг (не стоит путать его с ) чаще используется тогда, когда начальное сырье содержит в себе серу в больших количествах. Руда в этом случае нагревается до температуры 700–800 градусов, что приводит к окислению сульфидов и снижению содержания серы в 2 раза. После этого выполняется плавка на штейн (сплав с сульфидами железа и меди, получаемый в отражательных или в шахтных печах) при температуре 1450 градусов.
Медный штейн, который получается после всех этих операций, продувается в конвертерах горизонтальной конструкции без подачи дополнительного топлива (химические реакции дают необходимое для процесса тепло) с боковым дутьем для окисления железа и сульфидов. Получившуюся серу переводят в SO2, а окислы – в шлак.
В итоге из конвертера выходит так называемая черная медь, в которой содержание металла составляет примерно 91 %. Впоследствии ее подвергают очистке с применением огневого рафинирования (удаление ненужных примесей) и подкисленного раствора купороса (медного). Такую очистку называют электролитической, после нее содержание меди достигает показателя в 99,9 %.
При гидрометаллургическом способе производства меди ее получают посредством выщелачивания металла серной кислотой (очень слабым раствором) и выделением из получившегося раствора меди, а также других драгоценных металлов. Такая методика рекомендована для работы с бедными рудами.