Способы рафинирования черной меди

Технология порошковой металлургии

Порошковая металлургия включает производство металлических порошков, а также изделий из них или их смесей и композиций с неметаллами.

С помощью технологии порошковой металлургии решаются две задачи: 1) изготовление материалов и изделий с обычными составами, структурой и свойствами, но при значительно более выгодных экономических показателях их производства; 2) получение материалов и изделий с особыми свойствами, составом, структурой, которые недостижимы при других способах производства.

Технологический процесс порошковой металлургии состоит из трех стадий:

- производство металлических порошков;

- придание порошкообразному материалу требуемой формы (формование);

- спекание заготовки при повышенных температурах.

Для производства металлических порошков используют две группы методов: физико-химические (восстановление металла из его соединений, электролиз, термическая диссоциация идр.) и механические (измельчение твердого или распыление жидкого металла).

Часто применяемый ф/х метод:электролитический, суть которого заключается в разложении водных растворов соединений выделяемого металла или его расплавленных солей при пропускании через них постоянного электротока и последующем разряде соответствующих ионов металла на катоде. Таким образом получают порошки меди, никеля из сернокислых водных растворов, серебра из азотнокислого раствора.

Механическое измельчение наиболее целесообразно применять при производстве порошков хрупких металлов и сплавов − кремния, бериллия, сурьмы, хрома, марганца, ферросплавов. Размол с получением частиц порядка нескольких десятых или сотых миллиметра проводят в шаровых, вибрационных, молотковых мельницах. Далее порошки на ситах делят на фракции и отправляют в смесители, где происходит перемешивание порошков, отличающихся химическим составом или размером частиц, чем обеспечивается однородность смеси. Используют барабанные, лопастные, центробежные, роторные смесители.

Формование чаще всего осуществляется прессованием порошков в пресс-форме. Простейшая из них состоит из матрицы и двух пуансонов, к одному из которых или к обоим сразу прикладывают усилие, обеспечивающее уплотнение порошка в заготовку.

Прессование зачастую не обеспечивает изготовление многих сложных по конфигурации изделий. Поэтому применяют также и другие методы формования (гидростатический, шликерный, импульсный).

Суть гидростатического метода заключается в том, что порошок засыпают в резиновую или эластичную оболочку и помещают в камеру гидростата, в которой жидкостью (вода, масло, глицерин) создают давление. При уплотнении почти отсутствует трение частиц порошка о стенки оболочки, так как те из них, которые прилегают к ней, перемещаются вместе с оболочкой. Плотность заготовки почти однородна во всем объеме. Таким образом получают трубы, шары, турбинные лопатки двигателей и другие изделия сложной формы, масса которых может быть от нескольких граммов до сотен килограммов.

При шликерном формовании концентрированную взвесь порошка в жидкости (шликер) заливают в простую форму. Механизм формования заключается в осаждении частиц на стенках формы под давлением направленных к ним потоков жидкости, которые возникают в результате впитывания жидкости в поры гипсовой формы под влиянием разрежения, создаваемого за перфорированной стенкой стальной формы или пористой стенкойформы из стеклянного порошка. После извлечения заготовки ее сушат на воздухе или в сушильных шкафах при 110−150 °С.

Импульсное формование отличается очень высокой скоростью приложения нагрузки к порошку. В качестве источника энергии используют заряд взрывчатого вещества, вибрацию, импульсное электромагнитное поле, сжатый газ, поэтому такое формование называется соответственно взрывным, вибрационным, электромагнитным.

Спекание заготовок обычно осуществляется при температуре, составляющей 70−90 % температуры плавления наиболее легкоплавкого компонента, входящего в состав материала, при выдержке от нескольких минут до нескольких часов. Наиболее полно и быстро спекание происходит в вакууме.

Хорошие результаты могут быть достигнуты при совмещении операции прессования и спекания. Такой процесс называют горячим прессованием. Он позволяет использовать увеличение текучести металлов для получения малопористых изделий при сравнительно небольших давлениях. Это особенно важно при изготовлении изделий из малопластичных или хрупких компонентов. Для спекания используют печи разнообразной конструкции.

Изделия, полученные методами порошковой металлургии, нашли широкое применение в различных отраслях.

Изделия из порошков тугоплавких металлов и их сплавов (вольфрама, молибдена), тантала, ниобия, циркония нашли применение в производстве осветительных ламп, приборов, электровакуумного оборудования.

Порошки карбидов, боридов, нитридов, обладающих высокой твердостью, жаростойкостью, используют для изготовления изделий электротехники, металлургии, химической промышленности.

Пористые самосмазывающиеся подшипники широко применяются в авиа- и автомобилестроении, химической, атомной и других отраслях.

Расширяется применение фрикционных материалов, обладающих высоким и стабильным коэффициентом трения. Их используют в тормозных устройствах самолетов, тепловозов, тракторов, автомобилей.

Изделия, полученные порошковой металлургией, применяют также для изготовления антикоррозионных покрытий.

Способы рафинирования черной меди

Рафинирование черновой меди от примесей по экономическим соображениям проводят в две стадии — вначале методом огневого рафинирования, а затем электролитическим методом.

Огневое рафинирование меди

Цель огневого рафинирования − подготовить медь к электролитическому рафинированию путем удаления из нее основного количества примесей. Огневое рафинирование жидкого металла проводят в цилиндрических наклоняющихся печах, а на медьэлектролитных заводах, получающих черновую медь в слитках− в стационарных отражательных печах. Печи для огневого рафинирования часто называют анодными, так как после процесса жидкую медь разливают в аноды − слитки, имеющие форму пластин.

Наклоняющиеся (поворотные) цилиндрические печи схожи с горизонтальным конвертером, применяемым для выплавки штейна. Для выпуска меди предусмотрена летка, наиболее распространены печи вместимостью 160−220 т. Стационарные печи вместимостью до 500 т по устройству схожи с отражательной печью для выплавки штейна.

Огневое рафинирование меди в отражательной печи длится ~ 24 ч и включает следующие периоды: загрузка (длится до 2 ч), расплавление (~ 10 ч) окислительная обработка расплава, удаление шлака, восстановительная обработка, разливка готовой меди.

Рафинирование в цилиндрических печах, где не требуется плавления меди, длится примерно в два раза меньше и состоит из четырех последних периодов процесса в отражательной печи.

Окислительная обработка длительностью 1,5−4 ч заключается во вдувании в ванну воздуха через погруженные на глубину 600−800 мм стальные трубки, покрытые огнеупорной обмазкой. При этом окисляются примеси с большим, чем у меди химическим сродством к кислороду − такие как Al, Fe, Zn, Sn, Sb, Bi, As, Ni и немного меди до Cu₂O. Полностью остаются в меди золото и серебро и большая часть селена и теллура. Оксиды примесей, Cu₂O и загружаемый в печь в небольших количествах кремнезем образуют на поверхности ванны шлак, который в конце окислительной продувки удаляют из печи деревянными гребками.

Восстановительную обработку ванны (дразнение) длительностью 2,5−3 ч проводят для раскисления меди (удаления кислорода, содержащегося после окислительной продувки в количестве до 0,9% в виде Cu₂O) и удаления растворенных газов. Ранее дразнение проводили погружением в расплав сырой древесины (жердей, бревен), в настоящее время — путем вдувания паромазутной смеси или природного газа. Вдуваемые вещества разлагаются с образованием Н₂, СО и СН₄, которые, выделяясь, вызывают перемешивание ванны и удаление растворенных газов (SO₂, СО, и др.), а также раскисляют ванну, восстанавливая Cu₂O (например по реакции Cu₂O + Н₂ = 2Cu + Н₂O). После дразнения медь, содержащую менее 0,01 % S и менее 0,2 % О, разливают в аноды − слитки толщиной 35−40, длиной 800−900 и шириной 800−900 мм, предназначенные для электролитического рафинирования. Анодная медь содержит 99,4−99,6% меди.

Электролитическое рафинирование меди

При электролитическом рафинировании решаются две задачи − глубокое рафинирование меди от примесей, что обеспечивает ее высокую электропроводность, и попутно извлечение ценных золота, серебра и селена.

Электролиз ведут в ваннах ящичного типа длиной 3−5,5, шириной 1 и глубиной 1,2−1,3 м, футерованных внутри кислотостойкими материалами (винипласт, стеклопластик и др.). В ванне подвешивают аноды и между ними катоды − пластины из чистой меди.

Электролитом служит раствор CuSO₄и H₂SO₄, напряжение между анодами и катодами 0,3—0,4В. Происходит электролитическое растворение анодов, т.е. в раствор переходят ионы Cu²⁺, а на катодах эти ионы разряжаются, осаждаясь на них слоем чистой меди. Электролит периодически обновляют. Часть примесей остается в электролите, а такие как Au, Ag, Se, Те, Pb, Sn, Pt выпадают в осадок − шлам, который выгружают из ванны и перерабатывают, извлекая ценные металлы.

Растворение анода длится 20−30сут, катоды выгружают через 6−12 сут. Удельный расход электроэнергии равен 230−350 кВт∙ч на 1т меди.

Часть катодов направляют потребителям, а основное количество переплавляют для получения слитков и литых заготовок. Катоды расплавляют в отражательных и шахтных печах с отоплением природным газом, в электродуговых и индукционных печах. Жидкую медь разливают на карусельных разливочных машинах в вайербасы (заготовки для прокатки проволоки) или в слитки различной формы. Разливку производят также на установках непрерывной и полунепрерывной разливки, получая литые заготовки требуемого сечения. Применяют литейно-прокатные агрегаты, где отливаемую на УНРС заготовку обжимают в прокатных валках агрегата до получения прутка (катанки) или медной полосы.