Получение меди

По своему промышленному значению медь занимает второе место после железа. Медь— металл характерного цвета; в зависимости от способа получения она обладает розоватым или желтоватым оттенками, в изломе обнаруживает шелковистое сложение. Медь — наилучший проводник электрического тока, она легко прокатывается и проковывается.

Соединения меди весьма распространены в природе. Медь встречается в виде самородного металла и в рудах. Самородная медь встречается в жилах. В СССР богатые месторождения самородной меди находятся в киргизских степях и на Урале, в Западной Европе—в Корнвалисе и Швеции, в Америке—около Верхнего озера, в Чили и в Перу. Красная медная руда встречается на Урале, Алтае, в Африке и в Южной Австралии. Медная лазурь встречается на Урале и Алтае, в Австралии, Пенсильвании, Америке и Корнвалисе. Малахит имеет значительное распространение в виде землистой массы и встречается на Урале, в Австралии и в Канаде. Медный колчедан— самая распространенная и самая важная медная руда, из которой получается наибольшее количество производимой во всем мире меди, — в СССР встречается на Урале, на Кавказе и на севере СССР. Известны также медный блеск — руда, встречающаяся на Урале, затем медный сланец и блеклые медные руды, встречающиеся в Америке, в Австралии и в Венгрии.

Как упоминалось выше, самой распространенной рудой является медный колчедан, встречающийся в больших количествах у нас в СССР—на Урале и на Кавказе, а потому и добыча медных руд сосредоточена в этих районах. По добыче медных руд первое место принадлежит Уралу, за ним следуют Кавказ и другие районы, что видно из следующей таблицы, представляющей добычу медных руд за ряд лет в тоннах.

Годы	Урал	Кавказ	Киргизские степи	Енисейский район	Всего
1910	359 280	247 131	35 230	26 541	668 182
1911	545 213	229 540	40 620	22 443	937 816
1912	682 000	324 705	45 500	31 262	10 85 8467
1913	670 800	365 574	47 737	32 900	111 7011

В целях экономии выплавку меди ведут в местах добычи руды, йбо из нескольких тонн руды получается лишь одна тонна меди. Для извлечения меди из руд применяются следующие способы:

1) сухой способ, то есть плавка руды,
2) мокрый способ — извлечение меди из руд с помощью химических растворителей,
3) извлечение меди из растворов электрическим током.

Сущность процессов, происходящих при плавке медных руд, заключается в удалении наибольшего количества примесей и получении продуктов, богатых- содержанием меди и носящих в металлургии название штейнов. Штейны с меньшим содержанием меди называются роштейнами и купферштейнами, а более богатые медью называются шпурштейнами, белыми штейнами.

Добыча меди из колчеданов

Добытые медные руды с целью удаления пустой породы сначала подвергаются предварительной обработке, а затем поступают на обжиг. Все операции при получении меди сухим способом распадаются на следующие стадии:

1) обжигание руды,
2) получение из обожженной руды штейна, богатого медью,
3) переработку штейна в черную медь (продукт, содержащий до 90% меди),
4) переработку (рафинирование) черной меди.

Обжигание руд раньше производили в кучах, или стойлах. В настоящее время обжиг производят в пламенных печах, щахтных печах и ретортных (муфельных) печах. Происходящие при этом процессы называются окислительными и имеют целью удаление наибольшего количества примесей, из которых главное место занимает сера. Последняя при обжиге соединяется с кислородом воздуха и дает сернистый газ, идущий на переработку в серную кислоту (смотрите „Основные продукты химической технологии “).

Рисунок 80. Шахтная печь для обжига медистых руд.

Если нет возможности или этот способ невыгоден, то обжигание сернистых руд (колчеданов) ведут в пламенных печах, напоминающих пудлинговые печи (смотрите „Производство сварочного железа“). Руда, подвергающаяся обжигу, вводится в задний конец печи, постепенно передвигается вручную к переднему ее концу (граничащему с топкой) и отсюда выгребается из печи. Для того чтобы не перегребать руду вручную, стали применять печи с механическими приспособлениями, а также с вращающейся рабочей камерой, наподобие вращающейся содовой печи (смотрите „Производство соды по способу Леблана“). С целью использования отходящего при обжиге медных руд сернистого газа употребляют шахтные печи. Такая печь изображена на рисунке 80. Измельченная руда поступает через отверстие а, с помощью механического приспособления y ссыпается на полки, называемые колосниками; они сделаны из огнеупорной массы и расположены в шахматном порядке. В начале пуска печь разогревается сжиганием топлива на чугунной колосниковой решетки L. Руда, постепенно опускаясь, встречает горячие газы, спустя некоторое время самовоспламеняется, и обжиг продолжается дальше самостоятельно, без постороннего горючего. Необходимый для горения воздух поступает через отверстия h и i, продукты сгорания уходят по каналам ее и направляются в камеры ВСЕD. Для чистки колосников в передней стенке устроены отверстия bb. Для обжигания руды в кусках применяют печи — кильны. Шахтные печи и кильны вытесняются полочными печами и механическими печами для обжига колчеданов (смотрите „Производство серной кислоты“). Муфельные печи применяются для руд легко спекающихся и растрескивающихся. Каким бы из способов ни производилось обжигание, стараются получить продукт с определенным содержанием не выгорающей серы.

Получение штейнов

Полученные таким образом обожженные руды переплавляются на роштейн. Эту плавку производят в шахтных печах с дутьем (немецкий способ) или в пламенных печах (английский способ). При производстве плавки в шахтных печах обоженную руду смешивают с флюсами и углем и подвергают плавке. Самые печи по форме напоминают доменные. Плавку на штейны по английскому способу производят в пламенных печах, в которых обжигается руда.

Шахтные печи, употреблявшиеся раньше для плавки медных руд, были очень несовершенны и ненадежны в работе. Возводились они на огромных фундаментах и в солидных кожухах. Современные шахтные печи, применяющиеся для плавки медных руд, называются ватер-жакетами (печи с водяным охлаждением). На рисунке 81 изображена такая печь. Вода входит по трубе F, выходит по трубе G; Е — спускные краны. На лещадной доске Р набит горн M, сложенный из огнеупорного кирпича. Выпускное отверстие для шлака—L, для штейна—О. Вся печь стоит на четырех колоннах R и покрыта колоколом Н, удлиняющимся в трубу K. При задувке ватер-жакета требуется только нагреть воду и небольшой горн, который быстро покрывается расплавленным материалом. При задувке же кирпичных печей требуется большое количество топлива, чтобы нагреть большую массу кирпичной кладки до высокой температуры. Простота конструкции и вместе с этим легкость работ, связанных с обслуживанием печи, легкость сборки и установки, дешевизна ремонта и простота выдувки ватер-жакетов, — вот что способствовало их распространению. 90% всех шахтных печей медной плавки составляют теперь ватержакеты.

Рисунок 81. Ватер-жакетная печь с водяным охлаждением для выплавки меди.

Выплавка штейнов на черную медь раньше производилась, как и самая плавка на штейны, по английскому способу, — в отражательных печах, или по-немецкому — в шахтных. Но эти способы почти вытеснены и заменены бессемерованием штейна. Долгое время процесс бессемерования штейнов не давал хороших результатов, и только благодаря работам Мане (1 881 г.) переработка штейнов в черную медь бессемерованием увенчалась успехом. Бессемерование состоит в продувании воздуха через расплавленный штейн; при этом большая часть серы выгорает, и за счет тепла, образующегося при сгорании серы, масса поддерживается в расплавленном состоянии.

Аппараты, служащие для бессемерования штейна, напоминают бессемеровские конвертеры. При плавке штейнов в конвертере образующаяся медь, лишенная серы, собирается на дне реторты. Воздух вводят не в дно конвертера, а сбоку — над высшим уровнем, до которого доходит черная медь во время процесса.

Рисунок 82. Конвертер для выплавления меди.

На рисунке 82 изображен такой конвертер. Воздуходувный ящик обхватывает переднюю и обе боковые плоские стенки.

Очищение черной меди (рафинировка)

Черная медь, выплавленная описанными способами, все же содержит примеси, для удаления которых медь подвергают окислительной плавке. При этом все примеси, кроме золота и серебра, переходят в окисли и частью улетучиваются, а частью переходят в шлаки. Очищение меди ведут в пламенных печах. Перед началом плавки закрывают все дверцы, чтобы устранить доступ воздуха. Когда черная медь расплавится, то открывают отверстие для притока воздуха; при этом происходит улетучивание, окисление и шлакование посторонних примесей.

Когда посторонние элементы окислились, начинается выделение серы в виде сернистого газа, вызывающего кипение меди. Затем поверхность металла постепенно успокаивается, но часть сернистого газа остается еще в расплавленной меди. Для удаления его приступают к первому выдразниванию меди. С этой целью в расплавленную медь погружают конец толстого деревянного шеста. При этом выделяется большое количество газов, которые перемешивают металл и содействуют выделению сернистого газа. Так как при доступе воздуха расплавленная медь соединяется с кислородом воздуха, то в меди образуются ее окислы, для удаления которых приступают к о второму выдразниванию. Закрывают отверстия для притока воздуха и покрывают поверхность расплавленного металла слоем чистого угля. При этом уголь отнимает у меди кислород и сгорает за счет последнего. Вынимают пробу и исследуют. Если вынутая проба покажет, что медь достаточно чиста, то ее немедленно вычерпывают и выливают в формы. Медь, рафинированная этим способом, всегда содержит некоторое количество посторонних примесей. Для удаления последних в настоящее время применяется рафинировка меди путем электролиза, которая будет описана ниже.

Выплавка меди из кислородных руд (то есть руд, в которых медь соединена с кислородом) производится в доменных печах, в которых руду смешивают с углем и флюсам дающими легкоплавкие шлаки. Черную медь, получаемую в домнах, затем рафинируют описанным выше способом, а также электролизом.

Добыча меди мокрым путем (гидрометаллургический способ)

Сущность этого способа основана на легкости переведения меди в растворимые в воде соединения и обратного осаждения из них меди. Этот способ применим лишь в тех случаях, когда содержание меди в руде незначительно и не может окупить обработки ее сухим путем. В настоящее время мокрым способом добывают медь из естественных вод, содержащих в растворе соединения меди. Воды эти образуются в рудниках или на поверхности земли при выветривании колчеданов. Воды, содержащие соединения меди, носят название цементных, а медь, из них получаемая, — цементной Цементные воды для извлечения из них меди пропускают через систему каналов, в которых помещены чугунные решетки или железный лом. При медленном протекании воды из нее осаждается медь в виде ила, содержащего до 70% меди. Ил собирают, промывают, высушивают и уже сухим путем перерабатывают на черную медь. Для перевода меди бедных сернистых руд в растворимое состояние применяется выветривание. Последнее основано на окислительном действии воздуха, при котором сернистые соединения меди переходят в другие соединения, могущие растворяться в воде. Окислительное обжигание производят с тою же целью, как и выветривание. Хлорирующее обжигание состоит в том, что руду, смешанную с обыкновенной поваренной солью, подвергают обжигу. При этом медь переходит в растворимое соединение. Для извлечения этого соединения продукт обжига смачивают соляной кислотой (смотрите „Производство кислот“) и заливают водой, которая и извлекает медные соединения в раствор. Хлорирование мокрым путем состоит в том, что измельченную руду обрабатывают раствором хлорного железа (соединение хлора с железом). При этом нерастворимые соединения меди с кислородом, или с серой переходят в растворимые. Хлорирующим обжигом и хлорированием мокрым путем извлекают медь из колчеданных медистых огарков (отброс при производстве серной кислоты). Осаждение меди из полученных растворов производят большею частью железными отбросами, а для ускорения осаждения меди прибегают к нагреванию растворов и перемешиванию жидкости.

Электролитический способ рафинирования меди

Отцом электрометаллургии считают Беккереля, который в 1 835—1 840 гг. указал способы для добывания металлов путем электролиза, но только после усовершенствования динамомашин (1 871 г.) электричество получило действительное применение в металлургии. Для выяснения процессов, происходящих при получении меди помощью электрического тока, обратимся сначала к простым примерам. Проводниками электрического тока называют все вещества, способные пропускать ток. Эти проводники делятся на два вида: проводники первого рода, к которым относятся все металлы, и проводники второго рода. При прохождении электрического тока по проводникам первого рода последние не претерпевают никаких внутренних изменений. К проводникам второго рода относятся все растворы, расплавленные соли, способные проводить ток, и окислы металлов (соединения металлов с кислородом). Растворы, могущие пропускать ток, называются электролитами. При этом в отличие от проводников первого рода, которые при прохождении по ним электрического тока не изменяются, проводники второго рода претерпевают при прохождении тока внутренние изменения. Если опустить в раствор медного купороса (смотрите „Основная химическая промышленность“) две платиновые пластинки и соединить их с полюсами источника тока, например с полюсами электрического элемента или динамомашины, то на одной из них, соединенной с отрицательным полюсом источника электричества и называемой катодом, выделится медь, а на другой — пузырьки газа, кислорода. Вторая пластинка будет служить анодом. Если вместо платиновой анодной пластинки взять медную, то выделение пузырьков газа прекратится, и скоро мы заметим, что часть этой пластинки растворилась, а на катодной пластинке медь нарастает.

Теперь обратимся к наиболее простому заводскому способу — именно к рафинированию меди путем электролиза.

Черная медь, поступающая для рафинировки, используется в качестве анодов, а в качестве катодов применяются тонкие медные пластинки, изготовленные прокаткой чистой меди или электролизом. Электролитом служит раствор медного купороса, подкисленный серной кислотой. При пропускании электрического тока через такую систему аноды будут растворяться, а чистая медь будет нарастать на катодных пластинах. Все примеси, которые сопровождали медь, остаются в растворе или выпадают нерастворенными и образуют шламм, а чистая медь отлагается на катоде. Такая медь называется катодной или электролитической. Сосуды, служащие для разложения, называются ваннами. Они представляют деревянные баки, выложенные внутри свинцом.

Катодная медь переплавляется в пламенных печах, отливается в виде чушек (брусков) и в таком виде поступает на заводы для прокатки на листовую медь или для дальнейшей переработки на провода. Полученная таким способом медь очень чиста и содержит не более 0,2 % примесей.

Электролитический способ получения меди из руд

Для извлечения меди из руд электролизом предложено несколько способов. По первому способу медные руды перерабатывают на штейн (роштейн), из которого отливают аноды, а катодами служат тонкие медные листы. По второму способу измельченную медную руду подвергают обжиганию, после которого руду обрабатывают несколько раз раствором сернокислой окиси железа; при этом медные соединения руды превращаются в сернокислые (медный купорос). Полученный раствор подвергают электролизу, причем анодом служит уголь, а катодом — медная пластинка. Анод и катод разделены друг от друга перегородкой. Сущность третьего способа заключается в обработке измельченной руды раствором двухлористой меди, которая, соединяясь с сернистой медью руды, дает однохлористую медь. Последнюю растворяют в поваренной соли и хлористом кальции. Такой раствор протекает последовательно через несколько ванн, у которых анодами служит уголь, а катодами—медные пластинки. Аноды и катоды разделены друг от друга перегородками. Эти способы извлечения меди из руд, благодаря их дороговизне по сравнению с сухими способами извлечения меди, пока не получили распространения.

Медь находит широкое применение в промышленности; в громадных количествах она применяется в электротехнике для изготовления проводов, для изготовления аппаратуры химической промышленности, для изготовления сплавов — бронзы, и латуни, для фабрикации медного купороса и синей краски — ярь-медянки; она находит широкое применение также в машиностроении — для изготовления подшипников, медных труб, арматуры и тому подобное, а также для изготовления самоваров и посуды для кухни. Медь применяется также для гальванопластики, то есть для покрывания предметов тонким слоем меди и прочие.

В следующей таблице показаны количества (в тоннах) получаемой в различных странах меди:

Страны	1910 год	1912 год	1918 год	1920 год
Соединенные Штаты	527 700	592 400	879 000	576 450
Англия	71 000	63 200	79 100	91 000
Германия	34 900	39 800	15 100	17 250
Япония	50 100	67 000	90 323	65 554
Россия	22 600	33 500	—	—
Франция	12 900	13 200	—	—
Австралия и Африка	38 900	47 900	72 800	58 700
Америка (исключая Соединенные Штаты)	87 500	115 500	287 840	228 180
Прочие стр Европы	34 100	47 300	—	—
Всего	880 000	1 019 800	—	—