Добыча меди: способы, обогащение и применение

В рудах медь находится в виде сернистых соединений (CuFeS2 – халько-пирит, Cu2S – халькозин, CuS – ковелин), оксидов (CuO, CuO) и гидрокарбонатов [CuCO3·Cu(OH)2,2CuCO3·Cu(OH)2]

Пустая порода руд состоит из пирита (FeS2), кварца (SiO2), различных соединений содержащих Al2O3, MgO, CaO, и оксидов железа.

В рудах иногда содержится значительные количества других металлов (цинк, золото, серебро и другие).

Известны два способа получения меди из руд:

гидрометаллургический;
пирометаллургический.

Гидрометаллургический не нашел своего широкого применения из-за невозможности извлекать попутно с медью драгоценные металлы.

Пирометаллургический способ пригоден для переработки всех руд и включает следующие операции:

подготовка руд к плавке;
плавка на штейн;
конвертирование штейна;
рафинирование меди.

Разновидности медных руд

Существует девять геологических видов медных руд, имеющих промышленное значение:

Железно-никелевые руды, залегающие в магматических горных породах.
Медистые песчаники и сланцы. Стратиформные запасы составляют 30% запасов меди и поэтому занимают второе место в данном списке.
Медно-никелевые. Залежи отличаются разнообразием форм с крупными вкраплениями искомого металла.
Медно-порфировые. Они являются безусловными лидером и обеспечивают 40% мировой добычи меди.
Карбонатитовые. Уникальны тем, что имеется всего лишь одно месторождение в мире, кроме того в их составе присутствуют щелочные соединения.
Кварцево-сульфидные. Существенной роли в обеспечении добычи не играют.
Самородные. Располагаются в местах окисления рудников медно-сульфидных руд.
Скарновые. Размещаются среди известняков и отличаются крайней неоднородностью морфологической структуры.

Медь в перечисленном списке руд бывает представлена в сульфидной, оксидной или смешанной форме, что определяет соответствующие разновидности залежей. По виду своего строения в породах залежи подразделяются на вкраплённые, массивные и сплошные текстуры. В ближайшей перспективе этот список могут пополнить руды, залегающие на дне морей, океанов, а также конкреции урановых месторождений.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Образец меди, 13,6 см. Полуостров Кинави, Мичиган, США

Среднее содержание меди в земной коре (кларк) — (4,7-5,5)·10−3% (по массе). В морской и речной воде содержание меди гораздо меньше: 3·10−7% и 10−7% (по массе) соответственно. Большая часть медной руды добывается открытым способом. Содержание меди в руде составляет от 0,3 до 1,0 %. Мировые запасы в 2000 году составляли, по оценке экспертов, 954 млн т, из них 687 млн т — подтверждённые запасы, на долю России приходилось 3,2 % общих и 3,1 % подтверждённых мировых запасов. Таким образом, при нынешних темпах потребления запасов меди хватит примерно на 60 лет. Медь получают из медных руд и минералов. Основные методы получения меди — пирометаллургия, гидрометаллургия и электролиз. Пирометаллургический метод заключается в получении меди из сульфидных руд, например, халькопирита CuFeS2. Гидрометаллургический метод заключается в растворении минералов меди в разбавленной серной кислоте или в растворе аммиака; из полученных растворов медь вытесняют металлическим железом.

Природные минералы, содержащие медь

В природе существую 250 медесодержащих минералов, однако практическое использование находят не более 20. Список самых распространённых из них с указанием процентного содержания меди:

Самородная медь – 88-100%.
Куприт – 88,8%.
Тенорит – 79,9%.
Хальзокин – 79,8%.
Ковеллин – 66,5%.
Борнит – 52-65%
Атакамит – 59,5%.
Малахит – 57,4%.
Брошантит – 56,2%.
Азурит – 55,3%.
Блеклые руды – 22-53%.
Энаргит – 48,3%.
Хризоколла – 32,8-40,3%.
Халькопирит – 34,5%.
Кубанит – 22-24%.

Добыча медной руды

Медь – один из самых первых металлов, освоенных человечеством. В самом начале его добывали, собирая самородки, а затем научились извлекать из руд. С годами технологии добычи полезных ископаемых совершенствовались. Но определяющим фактором при выборе способа добычи, всегда являлась и является глубина расположения залежей. Впрочем, существуют специально разработанные стандарты, учитывающие множество факторов и позволяющие выбрать наиболее удачное с экономической точки зрения решение, в плане выбора рабочей глубины разработки и применяемых технологий.

В карьере

В случае размещения пласта осваиваемого минерала на глубине не более 500 м, наиболее целесообразным является открытый способ добычи. Именно с его помощью извлекается большая часть медных руд. Несмотря на ряд проблем, связанных с освоением значительной площади, перемещением огромных масс пустой породы, привлечением значительного количества технических средств и вредным воздействием на окружающую среду, способ отличается достаточно высокой эффективностью и отсутствием значительных потерь полезного ископаемого. Соотношение выхода металла на добываемую руду составляет: 1:200.

Проведя предварительные геологические исследования в месте будущего карьера или разреза, производится съём и удаление в отвалы верхних слоёв породы. Очень часто это сопровождается бурением твёрдых скальных массивов и взрывными работами. Ископаемый минерал извлекается слоями с дальнейшей разработкой новых массивов. Руда забирается ковшевой техникой (экскаваторами, погрузчиками) и грузится в транспортные средства (конвейера, самосвалы) для перевозки на перерабатывающие предприятия.

В шахтах

Если искомая руда располагается на глубине порядка 1 км, то в дело идёт закрытый способ добычи, то есть – строительство шахты и организация вертикальных, наклонных или горизонтальных выработок. Используя горнопроходческую технику и буровое оборудование, разрабатываются медесодержащие слои. После чего добытая порода загружается и извлекается на поверхность. Для этого подземные сооружения оснащаются лифтами, подъёмным оборудованием, железнодорожными путями.

Медь

Способ достаточно затратный, но в то же время обеспечивающий доступ к глубокозалегающим месторождениям.

Бурение скважин

Существует и третий метод добычи медных руд – с помощью закачки выщелачивающих растворов кислот и щелочей вглубь заранее пробуренной скважины. В результате чего получается полужидкая смесь, извлекаемая на поверхность мощными насосами, подвергаемая в дальнейшем переработке.

Способы добычи

Как добывают медь на рудных месторождениях? Низкая концентрация металла в породе предусматривает обработку большого количества материала. Для получения единицы массы металла требуется переработать 200 единиц руды.

Медь, добыча которой в основном производится открытым способом, находится на глубине до 1000 м. Глубина открытых разработок достигает 150–300 м, а в отдельных случаях до 600 м. Подземным способом разрабатываются залежи, находящиеся на глубине до 1000 м.

Переработка руды в поисках меди.

Определенные стандарты регламентируют целесообразность углубления разработок с целью извлечения рудного сырья. Это связано с технологией добычи, дополнительными затратами и снижением производительности оборудования, увеличивающими себестоимость сырья.

Поэтому в металлургической отрасли широко используется открытый способ, отличающийся незначительными потерями при разработке. Хотя и здесь есть свои минусы, связанные со складированием пустой породы.

Например, в 2013 году в США на медном карьере Kennecott Utah Copper Bingham Canyon Mine произошел оползень. Глубина карьера Бингем Каньон около 1 км, а диаметр около 4 км. Добыча руды здесь производилась в течение 150 лет.

Доставка сырья к месту переработки осуществлялась автомашинами грузоподъемностью 231 т. Горняки были предупреждены об опасном явлении и были готовы к развитию событий. Стена карьера двигалась со скоростью несколько дюймов в сутки, а предпринятые попытки укрепления не дали желаемого результата. Условия добычи сырья предполагают использование технологии последовательной разработки с использованием:

самоходного оборудования;
ведения работ во время добычи сырья;
закладки специальными материалами выработанного пространства с целью безопасности дальнейшей разработки.

Каждый технологический процесс предусматривает снижение потерь при разработке месторождений, улучшение показателей по выпуску руды.

При выемке руды слоями обеспечивается полное использование запасов. В условиях глубоких карьеров применяют циклично-поточную технологию, учитывающую особенности залегания руды.

Получение меди

После добычи руды возникает следующая проблема: как извлечь из неё необходимый материал? Существует несколько способов.

Одна из древнейших технологий заключалась в сжигании малахитовых руд с ограниченным доступом воздуха. Размещённая в горшках масса, смешанная с углём, сгорала, выделяя при этом угарный газ. Что приводило к достижению желаемого результата – получению достаточно чистой для своего времени меди.

Понятно, что за прошедшие века методы и способы переработки руд претерпевали серьёзные изменения движимые целью достижения наиболее оптимальных результатов при любом виде первичного сырья. Вот почему современная металлургия базируется на трёх основных способах получения меди.

Пирометаллургический метод

Основанный на проведении высокотемпературных процессов, пирометаллургический метод как нельзя лучше подходит для сульфидных руд, подчас достаточно бедных в отношении концентрации меди. Он позволяет извлекать металл даже при содержании его в 0,5%.

Но прежде всего исходное сырьё подвергается обогащению в процессе флотации. Суть его заключается в тщательном измельчении руды, заливке её водой, добавлении туда сложных органических флотореагентов. Они обволакивают частицы минерала, содержащие в своём составе сплавы меди, придавая им несмачиваемость.

На втором этапе этого процесса в растворе создаётся пена, пузырьки которой забирают покрытые органикой частицы. Происходит это под воздействием потока воздуха, в результате чего образования всплывают на поверхность, откуда в дальнейшем забираются. Насыщенная медными соединениями пена собирается, отжимается и высушивается.

После чего полученный концентрат подвергают обжигу при температуре 14000 C. Это необходимо для удаления серы и окисления сульфидов. Затем производят высокотемпературную (14 0000 – 15 0000C) плавку в шахтных печах для получения сплава железа и меди – штейна. Далее в процессе бессемеровской плавки в конвертере под воздействием кислорода получают оксид, а затем и саму черновую медь, содержащую в себе 90,95% металла. При этом сера переходит в кислотный остаток, а железо – в силикатный шлак.

Получить из черновой субстанции чистую медь можно с помощью:

огневого рафинирования,
электролиза,
экзотермической реакции восстановления под воздействием водорода.

Гидрометаллургический метод

Для извлечения меди и ряда других металлов из полиметаллических руд, содержащих в своём составе менее 0,5% искомого минерала, применяют гидрометаллургический метод.

Добытые минералы растворяют с помощью неконцентрированной серной кислоты или аммиака. Из образовавшихся жидкостей в процессе реакции вытеснения получают медь. Для проведения реакции используется металлическое железо.

Электролизный метод

Метод предназначен для получения чистой меди в процессе электролитической реакции.

Его технология заключается в изготовлении чистых медных тонких листовых катодов и толстых пластинчатых анодов из черновой меди. Помещённые затем в ванну, заполненную медным купоросом, они вступают в реакцию под воздействием электрического тока. Происходит растворение меди на анодах и её осаждение на катодах. Освободившиеся примеси удаляют химическими методами.

Медные трубы

Способы производства меди

В настоящее время разработано несколько способов получения меди. Основными являются:

пирометаллургия;
гидрометаллургия;
электролиз.

Наибольшее количество производится с применением первого способа. С его помощью получают практически 90% всего металла. Он достаточно трудоёмкий и продолжительный. Технология производства меди этим способом включает несколько этапов, которые осуществляют обогащение поступающего материала, последовательное получение готового материала. Каждый из этапов содержит строгую последовательность технологических задач. Обычно завод по производству меди выполняет весь комплекс операций.

Для получения так называемой катодной меди используется третий способ. Полностью этот способ называется – электролитическое рафинирование с последующим осаждением готового продукта на поверхности металлических пластин.

Области применения

Отраслей, где находит своё применение этот древнейший из металлов, множество:

Металлургия. Именно эта отрасль выпускает множество готовых изделий в виде

проката: листов, плит, лент, труб, прутков, шин, проволоки;
сплавов: бронзы, латуни, мельхиора, константана, манганина нейзельбера.

Те и другие изделия, и промежуточные материалы находят широкое применение в технических отраслях, при производстве вооружений, в декоративно-прикладном искусстве. Отличительными особенностями сплавов являются – сохранение механических свойств, высокий уровень скольжения в парном сочетании и антикоррозийная устойчивость.

Машиностроение. Здесь используется значительная часть медесодержащей продукции, полученной в результате металлургических процессов. Это – высокопрочные сплавы с алюминием, оловом, кремнием, цинком. А также разнообразные детали машин и механизмов. Одним из направлений является изготовление твёрдых припоев, опять же находящих применение в машиностроительной отрасли.
Химия. Катализатором процесса полимеризации ацетилена выступает опять же медь.
Электротехника. Благодаря высокой электрической проводимости, этот металл стал незаменим в качестве проводника при изготовлении шин, кабелей, проводов, дорожек печатных плат. Они, в свою очередь, входят в состав множества электротехнических изделий, где также присутствуют медные элементы конструкций и сплавы данного металла. Кроме того, медь находит использование в химических источниках тока и при изготовлении высокотемпературных сверхпроводящих материалов.
Энергетика. Одним из важных направлений использования меди является изготовление на её основе труб, являющихся составной частью систем газоснабжения, водоснабжения, отопления, охлаждения, кондиционирования и обеспечения технологическими жидкостями.
Ювелирное дело. Специфика изготовления драгоценных изделий, служащих в качестве украшений, требует сочетания целого ряда противоречивых факторов. Чтобы придать прочность золоту, в него добавляют медь. Податливость материала не уменьшается, а срок службы и устойчивость к механическим воздействиям – существенно возрастают.

Особенности меди: ее состав, структура и технология производства

Медь, которая относиться к цветным металлам, известна с давних пор. Ее производство было изобретено раньше, чем люди начали изготавливать железо.

По предположениям активное ее использование произошло в результате ее доступности и достаточно простого извлечения из содержащих медь соединений и сплавов.

Итак, давайте рассмотрим сегодня свойства и состав меди, страны мира-лидеры по производству меди, изготовление изделий из нее и особенности этих сфер.

Медь обладает высоким коэффициентом электропроводимости, что послужило росту ее ценности, как электротехнического материала. Если ранее на электропровод тратилось до половины всей произведенной в мире меди, то сейчас с этими целями используется алюминий, как более доступный металл. А сама медь становиться наиболее дефицитным цветным металлом.

В этом видео рассмотрен химический состав меди:

Структурный состав меди включает в себя множество кристаллов: никель, золото, кальций, серебро, свинец и многие другие. Все металлы, входящие в ее структуру, отличаются относительной мягкостью, пластичностью и простотой обработки. Большинство таких кристаллов в сочетании с медью образуют твердые растворы с непрерывными рядами.

Элементарная ячейка данного металла представляет собой кубическую форму. На каждую такую ячейку приходится по четыре атома, располагающихся на вершинах и центральной части грани.

Химический состав

Состав меди в процессе ее производства может включать в себя ряд примесей, которые влияют на структуру и характеристики конечного продукта. При этом их содержание должно регулироваться как по отдельным элементам, так и по их суммарному количеству. К примесям, которые встречаются в составе меди, можно отнести:

Висмут. Этот компонент негативно сказывается как на технологических, так и на механических свойствах металла. Именно поэтому он не должен превышать 0,001% от готового состава.
Кислород. Считается наиболее нежелательной примесью в составе меди. Его предельное содержание в сплаве составляет до 0,008% и стремительно сокращается в процессе воздействия высоких температур. Кислород негативно отражается на пластичности металла, а также на его устойчивости к коррозии.
Марганец. В случае изготовления проводниковой меди негативно отображается данный компонент на ее токопроводимости. Уже при комнатной температуре быстро растворяется в меди.
Мышьяк. Этот компонент создает твердый раствор с медью и практически не влияет на ее свойства. Его действие по большей мере направлено на нейтрализацию негативного воздействия от сурьмы, висмута и кислорода.
Никель. Образует твердый раствор с медью и при этом снижает ее тепло- и электропроводность.
Олово. Создает твердый раствор и способствует усилению теплопроводности.
Селен, сера. Эти два компонента имеют одинаковое воздействие на конечный продукт. Они организуют хрупкое соединение с медью и составляют не более 0,001%. При увеличении концентрации резко снижается степень пластичности меди.
Сурьма. Данный компонент хорошо растворяется в меди, поэтому оказывает минимальное воздействие на ее конечные свойства. Допускается ее не больше 0,05% от общего объема.
Фосфор. Служит главным раскислителем меди, предельная растворимость которого составляет 1,7% при температуре 714°С. Фосфор, в сочетании с медью, не только способствует ее лучшему свариванию, но и улучшает ее механические свойства.
Цинк. Содержится в небольшом количестве меди, практически не влияет на ее тепло- и электропроводность.

Далее будут рассмотрены процесс и правильная последовательность производства меди.

Месторождения в России и мире

На территории России существует немало достаточно крупных месторождений медных руд:

Аллареченское, Мончегорское, Печенга – Мурманская область.
Гайское – Оренбургская область.
Михеевское, Томинское – Челябинская область
Юбилейный, Сибайское, Подольское, Западно-Озёрное, Учалинское, Ново-Учалинское, Октябрьское – Республика Башкортостан.
Быстринское и Удоканское – Забайкалье.
Октябрьское, Талнахское – Красноярский край.

На карте мира выделяются следующие месторождения этого полезного ископаемого:

Чукикамата, Эскондида, Кольяуаси, Антамина, Эль-Тесоро – Чили.
Бингем-Каньон, Кивино, Пэблл – США.
Вале-Салобу – Бразилия.
Нурказган – Казахстан.
Ую-Толгой – Монголия.
Гразберг – Индонезия.

Страны, добывающие медь

Лидирующие позиции в мировой добыче меди (данные 2021 года в количественном выражении добытого металла за год) занимают:

Чили – 5,8 млн. тонн.
Перу – 2,4 млн. тонн.
Китай – 1,6 млн. тонн.
США – 1,2 млн. тонн.
Конго – 1,2 млн. тонн.

Судя по оценкам специалистов, общий объём, пока что неизведанных, запасов меди в мире составляет 3,5 млрд. тонн. Этих запасов должно хватить на ближайшие полтора столетия.

Автор: Юрий Флоринских Все статьи этого автора

Последние статьи автора: Крупнейшие производители молока и молочной продукции в мире Алмазы: свойства, способы добычи и применение

Медь и полезные диеты.

Потребности организма во всех необходимых ему веществах должны восполняться, главным образом, из продуктов в процессе питания. Пища в питательных формах содержит все, что необходимо, включая: витамины, минералы, пищевые волокна и другие природные вещества, оказывающие положительное влияние на здоровье человека.

В некоторых случаях обогащенные продукты питания и пищевые добавки могут быть полезны для обеспечения необходимого количества одного или нескольких питательных веществ.