Меню

Электролитическим рафинированием получают медь чистотой

Электролитическое рафинирование меди

Рафинирование – заключительный этап в цепочке получения из медной руды «чистого» металла. Он состоит из двух последовательных этапов – пирометаллургическое и электролитическое рафинирование. В первом черновая медь (содержит до 4% примесей) обрабатывается в печах и из неё удаляются все примеси, кроме включений серебра, золота, селена и теллура, при этом чистота основного металла может достичь 99,6%. Во втором с помощью электролитических ванн получают полностью очищенную медь, доля примесей в которой не превышает 0,001%.

Рассмотрим подробнее процесс электролитического рафинирования. Речь идёт исключительно о промышленном производстве, в работе чаще всего используются гальванические ванны объемом 4-12 м 3 метра, в качестве электролита выступает смесь из сернокислой меди (CuSO4), подкисленной серной кислотой (H2SO4). В смесь погружаются аноды из меди, прошедшей пирометаллургическое рафинирование, и катоды из «чистой» меди. В ходе электролиза все примеси остаются в растворе электролита, а на катоде оседает очищенный металл. После завершения процесса катод, по сути, представляет собой готовый слиток меди, который можно как отправить предприятиям-потребителям напрямую, так и переплавить в слитки или иной требуемый тип проката. Часть «вымытых» из меди примесей оседает на дно ванны (т.н. шлам), в дальнейшем их можно подвергнуть последующей переработке с целью получения ценных металлов.

Промышленный процесс электролитического рафинирования предполагает работу с большими объёмами металлов, электролитов и, как следствие, высокие сопутствующие затраты (стоимость электролитов, электричество, потери и т.д.). В ходе рафинирования анод («загрязнённая» медь) постепенно растворяется, теряя в объёме – часть примесей оседает на дно ванны, часть растворяется в электролите. При этом «чистая» медь «нарастает» на катоде, постепенно увеличивая его в размерах. Начальная фаза изображена на рисунке ниже.

В рафинировании меди применяется такое понятие как экономическая плотность тока – плотность тока, при которой затраты электроэнергии на получение 1 тонны чистой меди будут минимальными (не путать с таковой при расчете сечения проводов, когда идет расчет электрических потерь в ЛЭП). При этом время процесса зачастую бывает не оптимальным или вовсе не принимается во внимание из-за решающей роли стоимости электричества. Так, в среднем на растворение анода требуется 20-30 суток, а катоды достигают оптимального размера за 6-12 суток при стандартной плотности тока 170-200 А/м 2 и напряжении между анодом и катодом 0,3-0,4 В. Расход электроэнергии при этом составляет в среднем 230-350 кВт*ч на 1 тонну меди.

Тем не менее, время тоже является важным фактором, напрямую влияющим как на себестоимость процесса получения медного проката, так и на общую производительность предприятия. Уменьшить время процесса рафинирования можно одним способом – увеличением плотности тока до более высоких, по сравнению со стандартными, значений. При этом, разумеется, придётся изменять многие параметры процесса, чтобы использование токов высокой плотности оставалось в рамках «экономической плотности». Для выполнения этого условия в ход идут различные методики, дополняющие друг друга:

1) Поиск сочетаний поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые улучшают свойства электролита,

2) Использование различных схем циркуляции электролита, позволяющих повысить скорость до 20 л/мин на 1 см 2 поверхности (при этом плотность тока может достигать 860 А/м 2 ),

3) Применение реверсного тока в процессе рафинирования. Оптимальным на данный момент является соотношение прямого и реверсного тока 200:10. Этот метод является в настоящее время самым эффективным, но требует надёжного источника питания, позволяющего генерировать импульсы тока, строго соответствующие заданным параметрам.

Все описанные выше средства в настоящее время активно исследуются и совершенствуются на многих металлургических предприятиях в России и за рубежом. Основной их целью является не только ускорение процесса, но и обеспечение его непрерывности и повышение эффективности, в том числе экономической.

Первые два способа, как правило, обкатываются непосредственно на предприятиях в ходе экспериментов – проверяются новые комбинации ПАВ, меняется состав электролита, строятся новые системы подачи электролита для повышения скорости его циркуляции. Использование же реверсных токов зачастую становится самым доступным методом – для его внедрения в промышленный процесс достаточно изменить схему питания гальванической ванны, применив современный источник тока и обеспечив циркуляцию электролита.

Хорошим решением этой задачи будет использование источников питания российского предприятия «Навиком», разрабатывающего источники питания для промышленного применения.

Источник

Электролитическим рафинированием получают медь чистотой

Двигатель – это сердце каждого автомобиля. Если он неисправен, ничего не работает, а ущерб автотранспортной компании из-за простоя может исчисляться тысячами рублей.

При необходимости снять квартиру, можно воспользоваться разными вариантами поиска подходящей недвижимости. На протяжении многих лет практически единственным источником.

Проведение газа в частном доме имеет не только множество преимуществ, но и сопровождается большим количеством сложностей. Во-первых, подключение к магистральному.

Ни одна строительная площадка не обходится без использования металлоконструкций. Они являются одним из самых важных элементов, когда требуется создать высокопрочный.

Производственная вентиляция имеет большое значение. Для обеспечения здоровья и безопасности сотрудников она является обязательным оборудованием.

Генераторы — это приборы, которые помогают решить проблему ненадежного электроснабжения. На сайте компании «Юнит Тулс» unit-tools.ru можно получить не только.

При выполнении различных ремонтных или же строительных работ, крайне важно отслеживать возможные деформационные процессы, которые в свою очередь образовываются в.

Прочистка канализационных труб может потребоваться в разных ситуациях. Такие работы обычно требуются в том случае, если в канализацию стоки не стекают вообще или стекают.

Источник

«Чистый металл», или Электролитическое рафинирование меди

Рафинирование — заключительный этап в цепочке получения из медной руды «чистого» металла. Он состоит из двух последовательных этапов — пирометаллургическое и электролитическое рафинирование. В первом черновая медь (содержит до 4 % примесей) обрабатывается в печах и из неё удаляются все примеси, кроме включений серебра, золота, селена и теллура, при этом чистота основного металла может достичь 99,6 %. Во втором с помощью электролитических ванн получают полностью очищенную медь, доля примесей в которой не превышает 0,001 %.

Рассмотрим подробнее процесс электролитического рафинирования. Речь идёт исключительно о промышленном производстве, в работе чаще всего используются гальванические ванны объемом 4-12 м 3 метра, в качестве электролита выступает смесь из сернокислой меди (CuSO4), подкисленной серной кислотой (H2SO4). В смесь погружаются аноды из меди, прошедшей пирометаллургическое рафинирование, и катоды из «чистой» меди. В ходе электролиза все примеси остаются в растворе электролита, а на катоде оседает очищенный металл. После завершения процесса катод, по сути, представляет собой готовый слиток меди, который можно как отправить предприятиям-потребителям напрямую, так и переплавить в слитки или иной требуемый тип проката. Часть «вымытых» из меди примесей оседает на дно ванны (т.н. шлам), в дальнейшем их можно подвергнуть последующей переработке с целью получения ценных металлов.

Промышленный процесс электролитического рафинирования предполагает работу с большими объёмами металлов, электролитов и, как следствие, высокие сопутствующие затраты (стоимость электролитов, электричество, потери и т. д.). В ходе рафинирования анод («загрязнённая» медь) постепенно растворяется, теряя в объёме — часть примесей оседает на дно ванны, часть растворяется в электролите. При этом чистая медь нарастает на катоде, постепенно увеличивая его в размерах. Начальная фаза изображена на рисунке ниже.

В рафинировании меди применяется такое понятие как экономическая плотность тока — плотность тока, при которой затраты электроэнергии на получение 1 тонны чистой меди будут минимальными (не путать с таковой при расчете сечения проводов, когда идет расчет электрических потерь в ЛЭП).

При этом время процесса зачастую бывает не оптимальным или вовсе не принимается во внимание из-за решающей роли стоимости электричества. Так, в среднем, на растворение анода требуется 20-30 суток, а катоды достигают оптимального размера за 6-12 суток при стандартной плотности тока 170-200 А/м 2 и напряжении между анодом и катодом 0,3-0,4 В. Расход электроэнергии при этом составляет в среднем 230-350 кВт⋅ч на 1 тонну меди.

Тем не менее, время тоже является важным фактором, напрямую влияющим как на себестоимость процесса получения медного проката, так и на общую производительность предприятия. Уменьшить время процесса рафинирования можно одним способом — увеличением плотности тока до более высоких, по сравнению со стандартными, значений. При этом, разумеется, придётся изменять многие параметры процесса, чтобы использование токов высокой плотности оставалось в рамках «экономической плотности». Для выполнения этого условия в ход идут различные методики, дополняющие друг друга:

  • Поиск сочетаний поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые улучшают свойства электролита.
  • Использование различных схем циркуляции электролита, позволяющих повысить скорость до 20 л/мин на 1 см 2 поверхности (при этом плотность тока может достигать 860 А/м 2 ).
  • Применение реверсного тока в процессе рафинирования. Оптимальным на данный момент является соотношение прямого и реверсного тока 200:10. Этот метод является в настоящее время самым эффективным, но требует надёжного источника питания, позволяющего генерировать импульсы тока, строго соответствующие заданным параметрам.

Все описанные выше средства в настоящее время активно исследуются и совершенствуются на многих металлургических предприятиях в России и за рубежом. Основной их целью является не только ускорение процесса, но и обеспечение его непрерывности и повышение эффективности, в том числе экономической.

Первые два способа, как правило, обкатываются непосредственно на предприятиях в ходе экспериментов:

  • проверяются новые комбинации ПАВ,
  • меняется состав электролита,
  • строятся новые системы подачи электролита для повышения скорости его циркуляции.

Использование же реверсных токов зачастую становится самым доступным методом — для его внедрения в промышленный процесс достаточно изменить схему питания гальванической ванны, применив современный источник тока и обеспечив циркуляцию электролита.

Хорошим решением этой задачи будет использование источников питания российского предприятия «Навиком», разрабатывающего источники питания для промышленного применения.

Источник

Электролитическая и электрохимическая очистка меди и ее сплавов

Самородная медь размером около 4 см

— минерал из класса самородных элементов. В природном минерале обнаруживаются Fe, Ag, Au, As и другие элементы в виде примеси или образующие с Cu твёрдые растворы. Простое вещество медь — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). Один из первых металлов, широко освоенных человеком из-за сравнительной доступности для получения из руды и малой температуры плавления. Он входит в семёрку металлов, известных человеку с очень древних времён. Медь является необходимым элементом для всех высших растений и животных.

  1. Структура
  2. Свойства
  3. Запасы и добыча
  4. Происхождение
  5. Применение
  6. Классификация
  7. Физические свойства
  8. Оптические свойства
  9. Кристаллографические свойства

— структура и физические свойства

— структура и физические свойства

СТРУКТУРА

Кристаллическая структура меди

Кубическая сингония, гексаоктаэдрический вид симметрии m3m, кристаллическая структура — кубическая гранецентрированная решётка. Модель представляет собой куб из восьми атомов в углах и шести атомов , расположенных в центре граней (6 граней). Каждый атом данной кристаллической решетки имеет координационное число 12. Самородная медь встречается в виде пластинок, губчатых и сплошных масс, нитевидных и проволочных агрегатов, а также кристаллов, сложных двойников, скелетных кристаллов и дендритов. Поверхность часто покрыта плёнками «медной зелени» (малахит), «медной сини» (азурит), фосфатов меди и других продуктов её вторичного изменения.

СВОЙСТВА

Кристаллы самородной меди, Верхнее озеро, округ Кинави, Мичиган, США. Размер 12 х 8,5 см

Медь — золотисто-розовый пластичный металл, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет.

Читайте также:  Как отделить контакты серебра от меди в домашних условиях

Наряду с осмием, цезием и золотом, медь — один из четырёх металлов, имеющих явную цветовую окраску, отличную от серой или серебристой у прочих металлов. Этот цветовой оттенок объясняется наличием электронных переходов между заполненной третьей и полупустой четвёртой атомными орбиталями: энергетическая разница между ними соответствует длине волны оранжевого света. Тот же механизм отвечает за характерный цвет золота.

Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности среди металлов после серебра). Удельная электропроводность при 20 °C: 55,5-58 МСм/м. Медь имеет относительно большой температурный коэффициент сопротивления: 0,4 %/°С и в широком диапазоне температур слабо зависит от температуры. Медь является диамагнетиком.

Существует ряд сплавов меди: латуни — с цинком, бронзы — с оловом и другими элементами, мельхиор — с никелем и другие.

Тема: Медь и ее сплавы

После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн

, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа . Штейн содержит 20…50 % меди, 20…40 % железа, 22…25 % серы, около 8 % кислорода и примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки 1450 0C.

Полученный медный штейн, с целью окисления сульфидов и железа, подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак, а серу – в . Тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций без подачи топлива. Температура в конвертере составляет 1200…1300?C. Таким образом, в конвертере получают черновую медь

, содержащую 98,4…99,4 % меди, 0,01…0,04 % железа, 0,02…0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.

Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей, проводят огневое

, а затем
электролитическое рафинирование
.

Сущность огневого рафинирования

черновой меди заключается в окислении примесей, имеющих большее сродство к кислороду, чем медь, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99…99,5%. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования.

проводят для получения чистой от примесей меди (99,95% ).

Электролиз проводят в ваннах, где анод изготавливают из меди огневого рафинирования, а катод – из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор (10…16%) и (10…16%).

При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди, осаждаясь на них слоем чистой меди.

Примеси осаждаются на дно ванны в виде шлака, который идёт на переработку с целью извлечения металлов.

Катоды выгружают через 5…12 дней, когда их масса достигнет 60…90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах.

Медь по чистоте подразделяется на марки: М0 (99,95% Cu), М1 (99,9%), М2(99,7%), М3 (99,5%), М4 (99%).

Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку. Плотность меди 8,94 г/см3, температура плавления 1083oС.

Характерным свойством меди является ее высокая электропроводность, поэтому она находит широкое применение в электротехнике. Технически чистая медь маркируется: М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М2, М3 и М4 (99 % Cu).

Механические свойства меди относительно низкие: предел прочности составляет 150…200 МПа, относительное удлинение – 15…25 %. Поэтому в качестве конструкционного материала медь применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием различных сплавов на основе меди.

Различают две группы медных сплавов: латуни – сплавы меди с цинком, бронзы – сплавы меди с другими (кроме цинка) элементами.

Латуни могут иметь в своем составе до 45 % цинка. Повышение содержания цинка до 45 % приводит к увеличению предела прочности до 450 МПа. Максимальная пластичность имеет место при содержании цинка около 37 %.

Латуни имеют хорошую коррозионную стойкость, которую можно повысить дополнительно присадкой олова. Латунь ЛО70-1 стойка против коррозии в морской воде и называется “морской латунью“.

Добавка никеля и железа повышает механическую прочность до 550 МПа.

Литейные латуни также маркируются буквой Л, После буквенного обозначения основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 содержит 23 % цинка, 6 % алюминия, 3 % железа, 2 % марганца.. Наилучшей жидкотекучестью обладает латунь марки ЛЦ16К4. К литейным латуням относятся латуни типа ЛС, ЛК, ЛА, ЛАЖ, ЛАЖМц. Литейные латуни не склонны к ликвации, имеют сосредоточенную усадку, отливки получаются с высокой плотностью.

Латуни являются хорошим материалом для конструкций, работающих при отрицательных температурах.

Сплавы меди с другими элементами кроме цинка назаваются бронзами.

Бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.

При маркировке деформируемых бронз на первом месте ставятся буквы Бр, затем буквы, указывающие, какие элементы, кроме меди, входят в состав сплава. После букв идут цифры, показавающие содержание компонентов в сплаве. Например, марка БрОФ10-1 означает, что в бронзу входит 10 % олова, 1 % фосфора, остальное – медь.

Маркировка литейных бронз также начинается с букв Бр, затем указываются буквенные обозначения легирующих элементов и ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, бронза БрО3Ц12С5 содержит 3 % олова, 12 % цинка, 5 % свинца, остальное – медь.

Оловянные бронзы При сплавлении меди с оловом образуются твердые растворы. Эти сплавы очень склонны к ликвации из-за большого температурного интервала кристаллизации. Благодаря ликвации сплавы с содержанием олова выше 5 % имеют в структуре эвтектоидную составляющую Э(), состоящую из мягкой и твердой фаз. Такое строение является благоприятным для деталей типа подшипников скольжения: мягкая фаза обеспечивает хорошую прирабатываемость, твердые частицы создают износостойкость. Поэтому оловянные бронзы являются хорошими антифрикционными материалами.

Переход промышленности на сплавы из легких металлов значительно расширяет сырьевую базу. Титан, алюминий, магний можно получать из бедных и сложных по составу руд, отходов производства.

Титан серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см3. Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660…1680oС.

Чистый иодидный титан, в котором сумма примесей составляют 0,05…0,1 %, имеет модуль упругости МПа, предел прочности около 300 МПа, относительное удлинение 65%. Наличие примесей сильно влияет на свойства. Для технического титана ВТ1, с суммарным содержанием примесей 0,8 %, предел прочности составляет 650 МПа, а относительное удлинение – 20 %.

При температуре 882oС титан претерпевает полиморфное превращение, –титан с гексагональной решеткой переходит в – титан с объемно-центрированной кубической решеткой. Наличие полиморфизма у титана создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки.

Титан имеет низкую теплопроводность. При нормальной температуре обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах ( не стоек в плавиковой, крепких серной и азотной кислотах), благодаря тому, что на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных оксидов. При нагреве выше 500oС становится очень активным элементом. Он либо растворяет почти все соприкасающиеся и ним вещества, либо образует с ними химические соединения.

Титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими:

· сочетание высокой прочности ( МПа) с хорошей пластичностью ();

· малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность;

· хорошая жаропрочность, до 600…700oС;

· высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.

Однородные титановые сплавы, не подверженные старению, используют в криогенных установках до гелиевых температур.

В результате легирования титановых сплавов можно получить нужный комплекс свойств. Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру аллотропического превращения. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана показано на рис. 21.1.

Области применения титановых сплавов:

· авиация и ракетостроение (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа);

· химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили для агрессивных жидкостей);

· оборудование для обработки ядерного топлива;

· морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок);

· криогенная техника (высокая ударная вязкость сохраняется до –253oС).

Магний – очень легкий металл, его плотность – 1,74 г/см3. Температура плавления – 650oС. Магний имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. Очень активен химически, вплоть до самовозгорания на воздухе. Механические свойства технически чистого магния (Мг1): предел прочности – 190 МПа, относительное удлинение – 18 %, модуль упругости – 4500 МПа.

Основными магниевыми сплавами являются сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем, цирконием. Сплавы делятся на деформируемые и литейные.

Сплавы упрочняются после закалки и искусственного старения. Закалку проводят от температуры 380…420oС, старение при температуре 260…300oС в течение 10…24 часов. Особенностью является длительная выдержка под закалку – 4…24 часа.

Деформируемые магниевые сплавы.

Магний плохо деформируется при нормальной температуре. Пластичность сплавов значительно увеличивается при горячей обработке давлением (360…520oС). Деформируемые сплавы маркируют МА1, МА8, МА9, ВМ 5—1.

Из деформируемых магниевых сплавов изготавливают детали автомашин, самолетов, прядильных и ткацких станков. В большинстве случаев эти сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью.

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.

СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ МЕДИ Российский патент 2020 года по МПК C25C1/12

Изобретение относится к металлургической отрасли, в частности получению высококачественной меди методом электролиза, и предназначено для ускорения процесса электролитического получения меди из медьсодержащего сырья растворением анода в электролите и переходом ионов меди на катод, с повышением качества конечного продукта.

Известен способ получения высококачественной меди, имеющей чистоту порядка 99,97±0,02%, основанный на электролитическом рафинировании анодных пластин [Кнорозов Б.В. Технология металлов. / Б.В. Кнорозов [и др.]. — М.: Металлургия, 1978. С.903] в электролите, содержащем серную кислоту и сернокислую медь (CuSO4).

Существенными недостатками указанного способа являются:

— большая продолжительность растворения анодов (20÷30 суток);

— значительный удельный расход электроэнергии (на 1 т катодной меди составляет 200÷400 кВт·ч).

Известен также способ получения высококачественной меди , при реализации которого электролитическое рафинирование ускоряют путем установки между анодом и катодом решетки с отрицательным потенциалом, увеличивающим (как полагают авторы) скорость движения ионов металла, и ускоряющим процесс электролиза. Кроме того, для более быстрого растворения анода на его торцевые поверхности (сверху, снизу, слева, справа) подается ультразвук. Ультразвуковые колебания, возбуждаемые магнитострикционными преобразователями, (по мнению авторов) ослабляют связи между ионами, что способствует более быстрому растворению анода.

Читайте также:  Компрессионные чулки меди адреса

Существенные недостатки указанного метода, обусловленные (по нашему мнению) недостаточно ясными представлениями авторов о процессах, протекающих в акустических полях в жидких средах, а также о влиянии ультразвука на поверхность твердого тела в жидкости, заключаются в следующем:

— давно известно, что непрерывное действие ультразвука на жидкости сопровождаются смыванием с поверхности твердых тел, контактирующих с этими жидкостями (в данном случае, по крайней мере, с поверхности анодов), частиц основных тел и частиц загрязняющих их поверхность веществ, последующее диспергирование смытых частиц в жидкости [Бергман Л., Ультразвук и его применение в науке и технике. М., 1956, 1250 с., RU 2090662, опубл. 20.09.1997], а применительно к рассматриваемому случаю — ультразвуковое воздействие приводит к загрязнению электролита посторонними веществами;

— установленная между анодом и катодом металлическая решетка, к которой «подводится параллельно катоду напряжение», в соответствии с наблюдениями Х.К. Эрстеда еще в 1820 году, не может создать магнитное поле [Савельев И.В., Курс общей физики в 3-х томах, 2011], а следовательно, за счет магнитного поля не «увеличивает скорость движения ионов металла, тем самым ускоряя процесс электролиза».

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения высококачественной меди с ускорением электролитического рафинирования путем установки между анодом и катодом решетки с отрицательным потенциалом, ускоряющим процесс электролиза, и воздействием на торцевые поверхности анодных пластин ультразвука.

Технический результат достигается тем, что электролит предварительно дегазируют, образующийся в процессе электролиза водород эвакуируют, а медьсодержащее сырье, загруженное в кассету, в процессе электролитического растворения периодически подвергают кратковременному ультразвуковому воздействию.

Предлагаемый способ позволяет стабилизировать расход электроэнергии в процессе электролитического анодного растворения за счет ультразвукового воздействия, которое способствует очистке поверхности гранул медьсодержащего сырья, и улучшить качество конечного продукта.

Поставленная в заявленном изобретении задача решается способом, включающим последовательно следующие действия:

— сернокислый медьсодержащий электролит дегазируют, подвергая воздействию ультразвука кавитационных интенсивностей, и вводят в электролизер;

— образец медьсодержащего сырья, включающего около 90% меди, а также

1,5% железа и 1% свинца, помещают в токопроводящую кассету, подключенную к анодной клемме источника напряжения, а пластинчатые катоды помещают по сторонам от кассеты;

— действуют ультразвуком с частотой 18÷44 кГц с плотностью энергии 3 Вт/см в течение 5÷15 с на кассету через электролит, в результате чего поверхность гранул очищается, и начинают процесс электролитического растворения, включая электрический ток и выдерживая разность потенциалов между анодом и катодом в пределах 0,5±0,2 В;

— проводят процесс электролитического растворения, постоянно эвакуируя образующийся газообразный водород, а также контролируя разность потенциалов между анодом и катодом, и при повышении этой разности до

0,8÷0,9 В, (как правило, через 25-35 мин после начала цикла), свидетельствующей о снижении электропроводности системы за счет загрязнения поверхности гранул сырья в анодной кассете, на 6±2 с включают ультразвук, в результате поверхность гранул вновь очищается, после чего разность потенциалов вновь падает до 0,35±0,1 В и следующий цикл продолжается еще примерно 30 мин, и циклы повторяются 8 раз в течение 4 часов;

— катоды вынимаются из электролизера (при необходимости) и слой меди анализируется (либо следующий четырехчасовый цикл проводится с теми же электродами).

Настоящее изобретение направлено на повышение эффективности процесса электролитического получения меди из медьсодержащего сырья, в частности на стабилизацию процесса, его ускорение и повышение качества конечного продукта. Для осуществления заявленного способа, в качестве источника ультразвука кавитационных параметров для дегазации электролизного раствора в равной степени могут быть использованы как пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи, так и (предпочтительно) гидроакустические преобразователи непрерывного широкого спектра частот, среди которых всегда существуют частоты, резонансные собственным частотам газовых кавитационных пузырьков различных размеров, а для периодической очистки и механоактивации поверхности гранул медьсодержащего сырья предпочтительно использовать магнитострикционный излучатель, расположенный на расстоянии, кратном половине длины волны от центра анодной кассеты так, чтобы кассета оказалась в пучности стоячей волны, возникающей при наложении волн от излучателя и отраженной от кассеты.

Техническая реализация предлагаемого изобретения поясняется следующими примерами, не носящими, однако, ограничивающего характера.

Пример 1 (по прототипу, в оптимальном варианте)

Гранулированное медьсодержащее сырье в количестве 100 г, содержащее 90% меди,

1,5% железа и 1% свинца, помещают в электролизер, вливают в электролизер 3 литра подогретого до 54°С сернокислого медьсодержащего электролита, содержащего 15% серной кислоты и 3% сернокислой меди, вставляют в электролизер заранее взвешенные катоды, включают ток от источника, устанавливая напряжение в 0,5 В, и продолжают процесс в течение 4 часов. Электролизер отключают, оценивают качество слоя на катоде визуально и, взвешивая, оценивают количество меди, осажденное на катоде за время электролиза (4 часа), оценивают чистоту меди ААС методом. Визуальный контроль свидетельствует, что поверхность на катодах неровная, пупырчатая с редкими вкраплениями, прибыль массы катода составляет 380,9 г/м2·ч, чистота осажденной меди — 99,90%.

Пример 2 (по предлагаемому способу в оптимальном варианте)

Гранулированное медьсодержащее сырье в количестве 100 г, содержащее 90% меди,

1,5% железа и 1% свинца, помещают в электролизер, вливают в электролизер 3 литра подогретого до 54°С, предварительного подвергнутого дегазации в ультразвуковом поле гидроакустического преобразователя сернокислого медьсодержащего электролита, содержащего 15% серной кислоты и 3% сернокислой меди, вставляют в электролизер заранее взвешенные катоды, включают ток от источника, выдерживая напряжение в 0,5 В, каждые 0,5 часа, когда разность потенциалов на электродах повышается до 0,7÷0,8 В, анодную кассету с медьсодержащим сырьем подвергают кратковременному (5 с) ультразвуковому воздействию с плотностью мощности 2÷4 Вт/см3 и продолжают этот периодический процесс в течение 4 часов. Электролизер отключают, оценивают качество слоя на катоде визуально и, взвешивая, оценивают количество меди, осажденное на катоде за полное время электролиза (4 часа), оценивают чистоту меди ААС методом. Визуальный контроль свидетельствует, что поверхность на катодах зеркально гладкая, без посторонних вкраплений, прибыль массы катода составляет 453,0 г/м2·ч, чистота осажденной меди — 99,99%.

Результаты, полученные при электролизе по прототипу и предлагаемому способу, представлены в таблице 1.

Из анализа результатов, приведенных в таблице, следует, что количество и качество осажденной по предлагаемому способу меди существенно выше качества меди, полученной по прототипу, при снижении удельного расхода электроэнергии.

Проведенные нами дополнительные исследования по варьированию различных физических параметров процесса (плотности энергии ультразвука, частоты, степени разрежения, импульсного режима, температуры), при поиске оптимальных режимов электролиза, показали, что изменение каждого из указанных параметров как в сторону увеличения, так и уменьшения (при постоянстве остальных параметров) снижало показатели эффективности электролитического анодного растворения на 15÷45%.

Исследования показали, что параметры заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, близки к оптимальным и способ может быть осуществлен с помощью описанных в заявке средств и методов.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Обычно самородная медь образуется в зоне окисления некоторых медносульфидных месторождений в ассоциации с кальцитом, самородным серебром, купритом, малахитом, азуритом, брошантитом и другими минералами. Массы отдельных скоплений самородной меди достигают 400 тонн. Крупные промышленные месторождения самородной меди вместе с другими медьсодержащими минералами формируются при воздействии на вулканические породы (диабазы, мелафиры) гидротермальных растворов, вулканических паров и газов, обогащенных летучими соединениями меди (например, месторождение озера Верхнее, США). Самородная медь встречается также в осадочных породах, преимущественно в медистых песчаниках и сланцах. Наиболее известные месторождения самородной меди — Туринские рудники (Урал), Джезказганское (Казахстан), в США (на полуострове Кивино, в штатах Аризона и Юта).

Механические свойства меди

Свойства Состояние Деформированное Отожженное Предел прочности на разрыв, σ МПа340 — 450220 — 245 Относительное удлинение после разрыва, δ ψ%4 — 645 — 55 Относительное сужение, после разрыва, %40 — 6065 — 80 Твердость по Бринеллю, НВ90 — 11035 — 55 При отрицательных температурах медь имеет более высокие прочностные свойства и более высокую пластичность, чем при температуре 20°С. Признаков холодноломкости техническая медь не имеет. С понижением температуры увеличивается предел текучести меди и резко возрастает сопротивление пластической деформации. Применение меди Такие свойства меди, как электропроводность и теплопроводность, обусловили основную область применения меди — электротехническая промышленность, в частности, для изготовления проводов, электродов и т. д. Для этой цели применяется чистый металл (99,98-99,999%), прошедший электролитическое рафинирование. Медь обладает многочисленными уникальными свойствами: устойчивостью к коррозии, хорошей технологичностью, достаточно долгим сроком службы, прекрасно сочетается с деревом, природным камнем, кирпичом и стеклом. Благодаря своим уникальным свойствам, с древнейших времен этот металл используется в строительстве: для кровли, украшения фасадов зданий. Срок службы медных строительных конструкций исчисляется сотнями лет. Кроме этого, из меди изготовлены детали химической аппаратуры и инструмент для работы с взрывоопасными или легковоспламеняющимися веществами. Очень важная область применения меди — производство сплавов. Один из самых полезных и наиболее употребляемых сплавов — латунь (или желтая медь). Ее главные составные части: медь и цинк. Добавки других элементов позволяют получать латуни с самыми разнообразными свойствами. Латунь тверже меди, она ковкая и вязкая, потому легко прокатывается в тонкие листы или выштамповывается в самые разнообразные формы. Одна беда: она со временем чернеет. С древнейших времен известна бронза. Интересно, что бронза более легкоплавка по сравнению с медью, но по своей твердости превосходит отдельно взятые чистые медь и олово. Если еще 30-40 лет назад бронзой называли только сплавы меди с оловом, то сегодня уже известны алюминиевые, свинцовые, кремниевые, марганцевые, бериллиевые, кадмиевые, хромовые, циркониевые бронзы. Медные сплавы, так же как и чистая медь, с давних пор используются для производства различных орудий, посуды, применяются в архитектуре и искусстве. Медные чеканки и бронзовые статуи украшали жилище людей с древних времен. До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Большими мастерами в области бронзового литья были японцы. Гигантская фигура Будды в храме Тодайдзи, созданная в VIII веке, весит более 400 тонн. Чтобы отлить такую статую, требовалось поистине выдающееся мастерство.

ПРИМЕНЕНИЕ

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.

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)
Читайте также:  Что лучше стома или меди

Спецпроект “Медь” — как на Урале получают самый нужный металл?

“Ох, заливают, медь — самый нужный металл! Почему самый?!”, — поправил монокль наш въедливый читатель. А если вся медь в радиусе пяти метров от вас вдруг превратится в арахисовую пасту, то: погаснет экран смартфона, вырубится компьютер, потухнет свет под потолком. Да и типичный холодильник без медных трубок тоже бесполезен. Полный блэкаут, короче, да еще и с талым мороженым. Впору выть.

Процесс выплавки и очистки меди очень сложный, многоступенчатый. Но “Хорошие новости” вам покажут, как это работает. Да, и про экологию любопытное расскажем, потому что видели все своими глазами и нюхали своими ноздрями.

Медный век человечества

Миру нужна максимально чистая медь и в невероятных количествах — медь есть в каждом электрическом или электронном приборе. Только металл чистотой 99,99% (грубо говоря: на сто килограммов меди один грамм примесей) подходит для изготовления электронных плат, компонентов, Li-ion аккумуляторов, проводов, кабелей и шлейфов.

Кыштымский медеэлектролитный завод не всегда был медеэлектролитным. Более того, когда завод строил Никита Демидов в 1757 году, в Кыштыме планировали выплавлять не медь, а железо и чугун. А к электролитическому рафинированию меди здесь приступили только в 1908 году.

История длинная, славная, с любопытными поворотами и персонами. Как-то раз мы писали, что работал здесь в начале XX века американец Герберт Гувер. Мужик был бесстрашный, вояка и авантюрист, да еще и блестяще образованный. Мы, правда, знаем мистера Гувера не как блестящего горного инженера, а как 31-го президента США.

Но вернемся к дню сегодняшнему, к выплавке меди. И к электролиту. Наша экскурсия на Кыштымский медеэлектролитный завод, входящий в состав Русской медной компании, начинается от печек. Желтые строения на фото — “историческая часть”. Цеха возвели в 1908 году, расширили в 1913, а спустя сто лет основательно реконструировали.

Ведет нас начальник медеплавильного цеха Александр Постников.

Как уверяет Александр, эти клепаные фермы и каменная кладка сто лет простояли и еще столько же простоят без ремонтов.

Печь на фото ниже выпускает медный порошок. Это сырье для получения купороса, а еще порошок — необходимый компонент в последующих технологических операциях, в частности для очистки растворов электролизного цеха и как катализатор в производстве драгоценных металлов.

Основная же часть цеха занята анодной печью, в которой плавится медь.

Поясним, что конкретно происходит. В качестве исходного сырья на завод поступает черновая медь, которую из медного концентрата получают в Карабаше; также в переплавку идут металлолом и остатки анодов, которые накапливаются на заводе по завершении всей цепочки (об этом позже). Задача металлургов — из черновой меди с примесями получить ту самую “четыре девятки”, то есть на 99,99% чистую. Первый этап очистки меди называется “рафинирование”.

Сначала из лома следует отлить медные аноды. Это плиты, похожие по форме на рыцарские щиты с “ушками” по краям. Оговоримся: аноды еще не “четыре девятки”!

Давайте переместимся из “исторической части” в новый цех по соседству, чтобы посмотреть на производство анодов поближе. В новом литейном цехе все аналогично, только оборудование побольше… и более высокопроизводительное. Начнем опять-таки с печи.

Анодная печь полностью автоматизирована, работает круглосуточно и контролируется одним оператором.

На фото ниже — рафинировочный шлак, то есть оксиды металлов, от которых очищается медь при переплавке. Кстати, какое-то количество меди в шлаке осталось, и ее еще извлекут в дальнейшем.

Расплавленный металл автоматически дозируется (разливается) по изложницам с точностью плюс-минус один килограмм, медь остывает, а затем аноды извлекают и перемещают дальше. Пролистайте галерею, красота невероятная!

В огнеупорные “ванночки” — изложницы — разливается расплавленная медь. После остывания анод извлекают.

В прошлом веке розливом управлял человек, “на глазок”, поэтому аноды получались с достаточно большим разбросом массы.

Готовые аноды по рельсам увозят в отделение электролиза.

Анод превращается… превращается…

Следующая остановка — большой цех электролиза. Здесь и происходит окончательное рафинирование меди. Встречает нас главный технолог цеха электролиза меди Евгений Самсонов.

Чтобы понять происходящее, придется вспомнить школьный курс физики. Электролиз — процесс выделения на электродах составных частей растворов веществ. В нашем случае выделяться будет чистая медь, а пока еще присутствующие примеси (на уровне десятых долей процента) уйдут в шлам.

Медный анод и пластину из нержавеющей стали — “матрицу” — опускают в ванну с электролитом и подают ток. На аноде “плюс”, на матрице “минус”. Ионы меди с анода “убегают” в электролит и пристают к матрице — на катод. Примеси остаются в электролите. В итоге, через 15 дней анод полностью исчезает, растворяется, остаются практически только крепежные уши (их потом снова переплавят). За это время катоды с медью “четыре девятки” достанут из ванны три раза.

Евгений Самсонов перечисляет: в одной серии — две линии, в каждой линии — 20 железобетонных ванн. В цехе два отделения по десять серий. А в каждой серии 800 матриц. Итого 16 000 матриц. И 400 ванн.

Загружаются ванны автоматическим краном: мощные мужички, несгибаемые ломики и сногсшибательно крепкое слово на этом этапе давным-давно не требуются.

На фото ниже хорошо видно чередующиеся аноды и катоды. Электролит непрерывно перемешивается с помощью насосов (зеленоватая жидкость на фото — электролит).

К слову, по территории завода бесконечно снуют фуры, из Бельгии они привозят новые ванны для технического перевооружения цеха электролиза меди. На фото хорошо виден размер каждой ванны в сравнении с грузовиком.

Чтобы отделить медь катода от стальной матрицы, катод проходит через специальную линию — катодосдирочную машину. Там его изгибают и “простукивают” зубилами. На все про все около минуты.

Ручного труда процесс обычно не требует, линия работает по принципу автоматического конвейера.

Итак, вот она, наша желанная медь “четыре девятки”! Катоды грузят в вагонетки и везут в переплавку. О, да! О вагонетках разговор особый.

О вагонетках разговор особый

Заводская узкоколейка — исчезающий вид, настоящий артефакт. В ближайшее время вагонетки заменят грузовыми машинами, рельсы разберут. Но пока “железка” работает, можно полюбоваться.

Ширина колеи — 75 сантиметров. Построили ее в 50-60-х годах, дорога полностью электрифицирована. Вагонетки тянут шахтными электровозами позднесоветского производства (с большой долей вероятности можно сказать, что это не серийные образцы).

Куда прикатили катод

Наш чистейший катод должен стать конечным изделием. Прямо сейчас Кыштымский завод делает катанку, это что-то вроде прутка толщиной 8 миллиметров, нарезанного по три километра и смотанного по бухтам. Самый же высокотехнологичный продукт — медную фольгу для электронных устройств — начнут выпускать в самое ближайшее время. О фольге еще поговорим, а пока прокатимся с прутком.

Из катанки на соответствующих предприятиях делают кабели, провода. Экскурсию ведет дальше главный технолог цеха производства медной катанки Вадим Гуньков.

Катоды, расфасованные по пачкам, с помощью вилочного погрузчика укладывают в плавильную печь.

Расплавленная медь из машины непрерывного литья подается по волочильному стану. За процессом следит один оператор.

Несколько затвердевший металл (температура 850 градусов) проходит через серию вращающихся роликов прокатного стана — валков. Валки друг к другу все ближе и ближе, сечение заготовки становится все меньше, и меньше…

…. и на выходе получается тот самый восьмимиллиметровый пруток. По ходу движения в стальной трубе катанку отмывают спиртом, сушат и покрывают воском. Для чистоты и блеска.

Готовую бухту стягивают, а затем погрузчик отвозит ее в сторонку.

Давайте подытожим, чтобы можно было за минуту объяснить детям, как это работает? На завод привозят черновую медь. Чтобы очистить ее, сначала отливают медные аноды. В электролизных ваннах анод растворяется, примеси остаются в электролите, а ионы меди “убегают” на катоды. Из шлама, кстати, потом на предприятии добывают драгоценные металлы! Катодную медь 99,99% снимают с нержавеющих матриц, а затем плавят, чтобы получить катанку. Катанку удобно транспортировать и делать из нее другие медные изделия. Отходы производства снова пускают в дело, чтобы извлечь всю медь без остатка. Всё!

Фольга — тонкое дело

Новый цех уже почти готов: оборудование под чехлами, вовсю идет инсталляция станков, систем водоочистки и подготовки воздуха. Новейшее оборудование демонстрирует начальник строящегося цеха электролиза медной фольги Игорь Тараканов. Рассказывает о своей вотчине вдохновенно, с чувством!

Подробно останавливаться на производстве фольги не будем, пусть будет задел для еще одной экскурсии. Покажем несколько самых любопытных уголков, почти полностью укомплектованных оборудованием.

Прямо сейчас чехи устанавливают систему очистки воды. Из пруда “зачерпнули”, использовали для производства, очистили — и ну ее по кругу гонять. Цеху требуется 20 кубометров воды в час.

Это — чистая комната. Именно здесь готовую фольгу будут нарезать на листы или ленты любого размера. На поверхность фольги не допускается попадание даже мельчайших пылинок, персонал в таких комнатах работает в специальных “скафандрах”.

Для подготовки и фильтрации воздуха в чистой комнате нужна отдельная система.

Фольга — важнейший компонент печатных плат и Li-ion аккумуляторов. У вас в кармане или на столе есть как минимум один такой аккумулятор, в телефоне или ноутбуке. Запуск цеха запланирован на середину 2020 года.

Завод для людей и наоборот

Заводу уж скоро три века, но, главное, самые тяжелые времена — пресловутые девяностые — он пережил.

Все, кто застал красный закат империи, в курсе: заводы и фабрики всегда были больше, чем просто стены, трубы и заводской гудок. Заметим, что здесь атмосфера очень человеколюбивая. Одни только автоматы с газировкой в цехах чего стоят!

Газированная минеральная вода хорошо очищает горло и восстанавливает солевой баланс. Если вдруг возник такой вопрос: разумеется, вода бесплатная.

В заводской столовой периодически собирается комиссия и решает, какие блюда не будут дорожать в ближайшее время. Работяга должен точно знать: на свои 80 рублей (столько стоит комплексный обед) он и через год сможет съесть борщ и макароны с печенью. А на проходной висят афиши и объявления: выступает ансамбль “Гусельки”, приглашают рабочих в поездки по святым местам, объявлен набор в женскую волейбольную команду… В лучших традициях государства рабочих, короче.

Ну а главное, пожалуй, что сделано для людей, это фильтр немецкой фирмы LÜHR FILTER на главной заводской трубе. Наши провожатые замечают: “Последний год люди, кто не знаком с обстановкой, спрашивают — а завод вообще работает? Дыма-то нет”. Действительно, в разгар рабочего дня, когда медь плавят вовсю, над трубой не то что дыма нет, нет даже облачка! Только пар котельных и эпизодические дымки транспорта. Фото прикладываем. Внимание на самую высокую трубу на снимке. А лучше приезжайте посмотреть своими глазами.

Системы очистки установлены повсеместно, даже на маленьких лабораторных печах. И снег на заводских газонах… белый.

За экскурсию сердечно благодарим руководство и сотрудников Кыштымского медеэлектролитного завода. Отдельная благодарность пресс-службе Русской медной компании.

Источник

Adblock
detector