Технология производства и добычи меди. Что такое медная руда, как ее добывают, обрабатывают и для чего используют Получение меди из руды в домашних условиях

Медь в мировой промышленности занимает одну из ключевых позиций. Благодаря высокой тепло- и электропроводности она находит широчайшее применение в электротехнике, а высокая механическая прочность и пригодность для механической обработки делает ее незаменимой в трубном производстве для внутренних систем.

Добыча меди в России приносит весьма плодотворные результаты. А то обстоятельство, что российская сырьевая база на 40% состоит из медно-никелевых сульфидных месторождений, а на 19 - из колчеданных, дает России немалое преимущество перед другими странами.

Значение меди в мире

Особенности меди

Медь была одним из первых металлов, которые узнала и стала использовать человеческая цивилизация. Производство ее человек изобрел раньше, чем железо.

Медь - второй после алюминия наиболее потребляемый мировой экономикой цветной металл.

Название свое это металл получил от имени острова Кипр.

Из чего она состоит? В ее структуре множество кристаллов: никель, цинк, молибден, золото, кальций, серебро, свинец, железо, кобальт и многие другие.

А высокая электропроводность сделала ее особенно ценным электротехническим материалом, из которого изготавливают обмотки трансформаторов и генераторов, провода линий электропередачи, внутреннюю электропроводку.

Справка. Ранее на электропровод тратилось до половины всей произведенной в мире меди, то сегодня этим целям служит более доступный алюминий. А сама медь становится наиболее дефицитным цветным металлом.

Широко используются и сплавы меди - с цинком (латунь), с оловом или алюминием (бронза) и др.

Добыча

Медные руды добываются в 50 странах.

Основные производственные мощности медедобывающих предприятий сосредоточены в Южной Америке. Именно здесь добывается 41,2% мировых объемов медной руды, 19,8% приходится на долю азиатских стран.

Иначе выглядит ситуация в производстве рафинированной меди:

Источник: сайт people.conomy.ru

Производство рафинированной меди по итогам за 2015 год сосредоточено в азиатском регионе (51,2%). На долю Южной Америки, лидера добычи медной руды, приходится 14,9%. Здесь он уступает даже Европе.

Почти 80% всей меди было произведено из первичного сырья, оставшиеся 20% выпущены из медного лома. В мировом производстве меди сохраняется высокая консолидация - треть ее (34,8%) в 2015 г приходилось на пятерку крупнейших производителей, в которую входят:

• Codelco (Чили).
• Freeport-McMoRan (США).
• Glencore (Швейцария).
• BHP Billiton (Австралия).
• Southern Copper (Мексика).

Справочно. Компания Wood Mackenzie (Brook Hunt) в 2014 году опубликовала прогноз производства меди в мире на период до 2025 года.

Wood Mackenzie - глобальная группа исследований в области энергетики, химических веществ, возобновляемых источников энергии, металлов и горнодобывающей промышленности, имеющая международную репутацию для предоставления всеобъемлющих данных, письменного анализа и консультаций. В 2015 году компания была приобретена американской аналитической компанией и аналитической компанией Verisk Analytics (en.wikipedia.org).

Источник: Wood Mackenzie (Brook Hunt)

По данным компании, мировая добыча в 2016 году составила 19,9 млн тонн, а ее производство достигло 22,5 млн.

Запасы

По данным за 2014 год, территории Северной и Южной Америки владели почти 60% всех мировых запасов, больше половины которых зафиксированы в Чили. А в масштабах планеты на долю этой страны приходится 34% залежей этого цветного металла.

Рис. 2. Месторождения меди в мире 2014 год
Источник: сайт mining-prom.ru

На долю РФ приходилось 5% разведанных запасов меди в мире (после Чили, США, Перу и Австралии это 5-е место).

По оценкам геологов, порядка 5 млрд тонн запасов медной руды находится на дне океанов.

Медная промышленность в России

На Урале и в Западной Сибири нет-нет да и находят древнейшие шахты времен каменного века. В них трудились наши праотцы, добывая для вторженцев среди прочих полезных ископаемых медные руды.

Хотя, если верить официальным источникам, на Руси практически не добывались цветные металлы до XVIII века.

Цветная металлургия Российской империи

Опыт первых государевых медеплавильных заводов, появившихся еще в период 1638-1640 гг., когда были обнаружены медные месторождения на р. Калькарке, оказался неудачным. Руды не хватало, чтобы обеспечить загрузку. Не прошло и десяти лет, как производство пришлось остановить, а сами заводы закрыть.

Петровские реформы дали новый толчок становлению горнорудной отрасли - разведку и переработку руд цветных металлов он передал в частные руки. Созданная императором Берг-коллегия служила неким Министерством геологии (если проводить аналогии), решая, кому предоставить полномочия по поиску и разработке руд, а кому не стоит.

Тем более что о «богатых залежах» говорить не приходилось. Были небольшие источники в Олонецкой губернии и на Печоре, но для нужд внутреннего рынка их явно недоставало. Так что основным поставщиком цветмета для Российской империи была Европа. А военно-стратегическое положение Руси требовало как можно больше железа и меди. Их называли металлами войны. Разработки на Урале должны были исправить положение дел.

В 1750 году 72 «железных» и 29 медеплавильных завода России выдавали готовую продукцию. Но уже к 90-м два предприятия Богословского и Вотского округов представляли всю уральскую добычу.

«На западном склоне Урала, который был покрыт когда-то целой серией медеплавильных заводов, продолжает работать только один Юговский завод с производительностью всего около 40 т меди. По всему восточному склону Урала, с севера от Богословских заводов вплоть до Преображенского завода на юге Урала, разбросаны действовавшие когда-то медеплавильные заводы и рудники, большая масть которых уже несколько десятков лет не разрабатывается» (Л. Б. Кафенгауз «Эволюция промышленного производства России»).

Рис. 3. Вид на Миасский медеплавильный завод на Урале. 1773 год
Источник: сайт infourok.ru

И лишь в конце 90-х годов намечается сдвиг в развитии медного дела - сдвиг, который перешел в подъем только в начале XX века, превративший медную промышленность в одну из бурно развивающихся отраслей. С 1906 г. начался поистине фантастический рост производства меди, и за 7 лет оно выросло в 3,6 раз.

И даже упадок, когда страна переживала лихие времена, революции и войны, а он длился ни много ни мало 15 лет, не помешал Советской России достичь немалых успехов в медной промышленности.

Сегодняшний день медной отрасли Российской Федерации

Россия остается многие годы крупным поставщиком меди и продукции из нее на мировой рынок. В 2016 году здесь произведено 860,1 тыс. тонн рафинированной меди. Добыча меди составила 844,7 тыс. тонн.

Рис. 4. Добыча меди открытым способом на Гайском ГОКе УГМК
Источник: сайт

Центры производства меди

На размещение предприятий отрасли оказывают влияние определенные факторы:

• сырье;
• энергия и топливо;
• потребители.

Не так уж и много найдется на нашей планете металлов, объемы добычи которых превышают таковые у меди. Двадцать девятый номер в периодической таблице Менделеева находится на почетном третьем месте по уровням добычи, сразу после железа и алюминия. Слишком уж много отраслей не оберутся проблем, если вдруг такой необходимый метал закончится в их кладовых. Важность меди и медной руды трудно переоценить для электротехники, теплотехники, металлургии, медицины и даже транспорта.

Что такое медная руда

Медная руда, как и любая другая – это конгломерат веществ, пород, минералов, содержание нужного вещества в которых настолько велико, что его считают целесообразным для осуществления добычи. Стоит сказать, что вместе с так называемым Купрумом (латинское название меди), в ее руде еще в более незначительных долях добывают и другие полезные элементы. Саму же медь начинают добывать в рудах, в которых ее количество превышает 0.5%.

Да, в чистом виде медь в природе встречается даже чаще, чем тот же алюминий, но все равно от общемировых запасов данная цифра равна примерно одному проценту, потому – добыча ведется все-таки из руд. Различают по местам образования и составу такие группы руд: карбонатовая, колчеданная, медно-никелевая, медно-порфировая (гидротермальная), скарновая, стратиформная.

Различия по насыщенности

Вариаций соединений меди с другими веществами в рудах очень много, порядка двух с половиной сотен. Мы же рассмотрим самые популярные и самые насыщенные:

1. Борнит. Чаще всего принадлежит к гидротермальной группе руд, в составе своем может иметь около 65% Купрума. Хим. формула – Cu 5 FeS 4 ;
2. Ковелин. Также член гидротермальной группы, до 64% меди. Формула – CuS;
3. Халькопирит. Гидротермальная группа. Насыщенность медью равна 30%. Самая популярная руда – 50% от всех месторождений. Формула – CuFeS 2 ;
4. Халькозин. Лидер в плане насыщенности. 79,8% «рыжего металла». Все та же гидротермальная группа. Формула – Cu 2 S.

Способы добычи медной руды

Два способа добывания – шахтный и открытый. Вот и все, чем могут похвастаться современные технологии во время добычи руд. Открытый способ используют в тех случаях, если месторождение меди расположено не очень глубоко под землей (порядка 400-500 метров). Для начала снимают слой пустой породы, а затем начинается сам процесс добычи, для облегчения которого используют направленные взрывы.

В случае же шахтного метода, как ясно из названия – пробивают шахту. Глубина доходит порой до километра. Шахты оборудуют лифтами для транспортировки оборудования и рабочих, а также для переправки полученной руды наверх. Шипованные буровые машины, вгрызаясь в породу, добывают из шахт необходимую производствам руду.

Обработка полученной руды

Состоянием на сегодняшний день существует 3 способа обработки полученной медной руды. Пирометаллургичекая, гидрометаллургическая и электролиз.

Пирометаллургический метод является самым популярным. За «рабочий материал» берется наиболее распространенный халькопирит.

В самом начале выполняется обогащение. Для этого применяется метод окислительного обжига. Данный метод очень подходит халькопириту, так как он прежде всего рассчитан на руды с высокой концентрацией серы. При этой технологии руда нагревается до высоких температур (порою до 8 тысяч градусов по Цельсию), во время чего происходит взаимодействие серы и кислорода после чего практически половина серы улетучивается. Далее руду еще больше нагревают в шахтных или отражательных печах. Речь уже идет о 1,4-1,5 тысячах градусов.

Иногда из меди, как из похожего по цвету материала, делают поддельные ювелирные украшения. Дабы избежать подделок, знайте, что медь темнеет со временем, и в воде после нее остается металлический запах.

На выходе, после воздействия таких температур, получается сплав сульфидов меди и железа – штейн. Сплав обдувается конвекторами, благодаря чему и железо, и сера еще раз окисляются, где-то улетучиваясь, а где-то – оседая шлаком. Продуктом становится 91-процентная черновая медь.

Дабы достигнуть практически эталонного содержания меди в сплаве, применяется технология огневого рафинирования. Также с ней применяют подкисленный раствор CuSO 4 . После данных манипуляций, которые, кстати, называют электролитическим рафинированием меди, получаем «на руки» фактически «чистокровную» медь, концентрацией в 99,9%.

Добыча меди в мире

Первое место как по запасам меди, так и по ее добыче на планете Земля удерживает Чили. Треть мировых запасов сосредоточена здесь. В месторождении Чукикамата добывают медь уже более 100 лет. За это время было добыто более 26 миллионов тонн. Второе и третье место получают Америка и Китай. По количеству медной руды в России страна занимает в мире пятое место вместе с Польшей и Индонезией. Каждая страна содержит по 4% от общемировых запасов данного полезного ископаемого.

Медь и медная руда в России

В России запасы медных руд можно отметить Норильское, Октябрьское, Тапахнинское месторождения. В них содержится около 60% всех медных запасов страны. Недавно обнаруженный рудник Удокан (Читинская область) может обеспечить страну рудой примерно на 30 лет. Но пока что работы в этом месте не ведутся, так как он расположен в месте с зачаточной транспортной развязкой.

Применение меди

Проще указать сферы, где медь не применяется, чем охватить все области ее применения. Ведь даже в организме человека имеется потребность к ежедневной дозе меди (около 0,9 мг. в день).

Благодаря низкому показателю удельного сопротивления, Купрум используют для производства проводов, кабелей, электрических катушек, трансформаторов и другого электрооборудования.

Из-за высокой теплопроводности, в свою очередь, медь участвует при конструировании элементов систем охлаждения, отопления, кондиционирования.

В одной сфере транспорта, а именно в трубопроводном, бесшовные медные трубы стали идеальным вместилищем как для транспортировки по ним воды, так и газа.

Ювелиры используют сплав золота и меди для укрепления первого. Так как золото, само по себе, весьма мягкий металл, и изделия без примеси меди были бы крайне подвержены деформациям.

В связи с выявлением бактерицидного свойства меди, она в будущем имеет шансы получить широчайшее применение в медицине, как для изготовления инструментов и рабочих поверхностей, так и для материала к обычным дверным ручкам.

Медь сегодня — металл необыкновенно востребованный и широко применяющийся как в быту, так и в промышленности. В природе Cu можно встретить как в чистом состоянии, так и в виде руды. Способов добычи и получения меди из исходных горных пород существует несколько. При этом все они используются в промышленности достаточно широко. О том, как добывают медь, и пойдет речь в статье.

Немного истории

В какой местности медь в древние времена начала добываться и использоваться человеком впервые, археологам, к сожалению, выяснить не удалось. Однако доподлинно известно, что именно этот металл люди начали обрабатывать и применять в повседневной жизни самым первым.

Известна медь человеку стала еще в каменном веке. Некоторые найденные археологами самородки этого металла несут на себе следы обработки каменными топорами. Первоначально люди использовали медь в основном только в качестве украшений. При этом применял для изготовления таких изделий человек в древние времена исключительно найденные им самородки этого металла. Позднее люди научились обрабатывать и содержащую медь руду.

Представление о том, как добывают Cu и как его обрабатывают, имели многие народы древности. Подтверждений тому археологами было найдено множество. После того как человек научился делать сплавы меди с цинком, начался бронзовый век. Собственно само название «медь» придумали когда-то древние римляне. В эту страну такой металл привозили в основном с острова Кипр. Поэтому римляне и назвали его aes cyprium.

Поскольку металл этот в быту человеком когда-то использовался очень широко, технологии его добычи были, конечно же, разработаны достаточно совершенные. Наши предки получали медь в основном из малахитовых руд. Смесь такого материала и угля помещали в глиняный сосуд и ставили в яму. Далее массу в горшке поджигали. Выделявшийся в результате угарный газ восстанавливал малахит до меди.

Запасы в природе

Где можно добыть медь в дикой природе сегодня? На настоящий момент залежи этого популярного металла открыты на всех континентах Земли. При этом запасы Cu считаются практически неограниченными. Геологи в наше время находят все новые месторождения чистой меди, а также содержащих ее руд. К примеру, в 1950 г. мировые резервы этого металла составляли 90 млн тонн. К 1970 г. этот показатель уже увеличился до 250 млн т, а к 1998 г — до 340 млн т. На настоящий момент считается, что запасы меди на планете составляют более 2.3 млрд тонн.

Месторождения и способы добычи чистой меди

Как уже упоминалось, изначально человек использовал в быту самородный Cu. Конечно же, добывается такая чистая медь и в наши дни. Образуются самородки этого металла в земной коре в результате экзогенных и эндогенных процессов. Самое большое известное месторождение самородной меди на планете на данный момент находится в США, в районе озера Верхнее. В России самородная медь залегает в Удоканском месторождении, а также в некоторых других местах Забайкалья. Кроме того, ответом на вопрос о том, где можно добывать медь в России в виде самородков, является и уральский регион.

В природе чистый металл этой разновидности образуется в зоне окисления медносульфатных залежей. Обычно в самородках собственно самой меди содержится около 90-99%. Остальное приходится на другие металлы. В любом случае ответом на вопрос о том, как добывают медь самородную, служат две основных технологии. Разрабатывают такие месторождения, как и рудные, закрытым шахтным или открытым карьерным способом. В первом случае при этом используют такие технологические процессы, как бурение и отбойка.

Весить медные самородки могут очень много. Самые большие из них когда-то были найдены на озере Верхнем в США. Вес этих самородков составлял около 500 т.

Где добывают медь в России, мы выяснили. В основном это Забайкалье и Урал. В нашей стране, конечно же, также в разные времена находили очень крупные самородки этого металла. К примеру, медные куски весом до нескольких тонн часто находили на Среднем Урале. Один из таких самородков в 860 кг ныне храниться в Санкт-Петербурге, в музее Горного института.

Медные руды и их месторождения

На настоящий момент получать Cu считается экономически выгодным и целесообразным даже в том случае, если его содержится в породе хотя бы 0.3%.

Чаще всего для выделения меди промышленным способом в природе в наши дни добывают следующие породы:

борниты Cu 5 FeS 4 — сульфидные руды, называемые по-другому медным пурпуром или пестрым колчеданом и содержащие около 63.3% Cu;

халькопириты CuFeS 2 — минералы, имеющие гидротермальное происхождение;

халькозины Cu 2 S, содержащие более 75% меди;

куприты Cu 2 O, часто встречающиеся также и в местах залежей самородной меди;

малахиты, представляющие собой углекислую медную зелень.

Самое большое месторождение медных руд в России находится в Норильске. Также такие породы в больших количествах добывают в некоторых местах на Урале, в Забайкалье, на Чукотке, в Туве и на Кольском полуострове.

Как разрабатывают залежи медных руд

Разного рода породы, содержащие Cu, как и самородки, могут добываться на планете по двум основным технологиям:

закрытой;

открытой.

В первом случае на месторождении строятся шахты, протяженность которых может достигать нескольких километров. Для перемещения рабочих и техники такие подземные туннели оснащаются лифтами и железнодорожными путями. Дробление породы в шахтах производится с использованием специального бурового оборудования, имеющего шипы. Забор медной руды и ее погрузка для отправки наверх осуществляются с применением ковшей.

Если залежи находятся не далее 400-500 м от поверхности земли, их добыча ведется открытым методом. В этом случае на месторождении сначала снимается пласт верхней породы с использованием взрывных устройств. Далее постепенно вынимается собственно сама медная руда.

Способы получения металла из пород

Как добывают медь, а вернее, содержащие ее руды, мы, таким образом, выяснили. Но как же на предприятиях в последующем получают собственно сам Cu?

Основных способов выделения меди из горных пород существует три:

электролитический;

пирометаллургический;

гидрометаллургический.

Пирометаллургический флотационный метод

Эта технология обычно используется для выделения меди из тех пород, в которых Cu содержится 1.5-2%. Такой материал подвергают обогащению флотационным методом. При этом:

руду тщательно размалывают до самого мелкого порошка;

смешивают полученный материал с водой;

добавляют в массу специальные флотореагенты, представляющие собой сложные органические вещества.

Флотореагенты покрывают мелкие крупинки разных соединений меди и передают им несмачиваемость.

На следующем этапе:

в воду добавляют вещества, создающие пену;

пропускают через взвесь сильный поток воздуха.

Легкие сухие частички соединений меди в результате прилипают к воздушным пузырькам и всплывают наверх. Содержащую их пену собирают, отжимают от воды и тщательно просушивают. В результате и получают концентрат, из которого затем выделяют черновой Cu.

Как добывают медь из руды: обогащение методом обжига

Флотационный метод используется в промышленности достаточно часто. Но иногда для обогащения медной руды применяется и технология обжига. Такая методика чаще всего используется для руд, содержащих большое количество серы. В данном случае материал предварительно нагревается до температуры 700-8000 °С. В результате происходит окисление сульфидов с уменьшением в породе содержания серы.

На следующем этапе подготовленную таким образом руду расплавляют в шахтных печах при температуре в 14500 °С. В конечном итоге при использовании такой технологии получают штейн — сплав меди и железа. Далее это соединение улучшают путем обдувки в конвертерах. В результате оксид железа переходит в шлак, а сера — в SO4.

Получение чистой меди: электролиз

При использовании методов флотации и обжига получают черновую медь. Собственно Cu такой материал содержит около 91%. Чтобы получить более чистую медь, черновую в дальнейшем подвергают рафинированию.

В данном случае из первичной меди сначала отливают толстые пластины-аноды. Далее:

набирают в ванну раствор медного купороса;

подвешивают в ванной пластины-аноды;

в качестве катодов используют тонкие листы из чистой меди.

Во время реакции электролиза на анодах происходит растворение меди, а на катодах — осаждение. Ионы меди продвигаются к катоду, забирают у него электроны и переходят в атомы Cu+2+2e?>Cu.

Медный купорос получают медленным окислением сульфидной руды кислородом до сульфата меди CuS + 2O 2 > CuSO 4 . В последующем соль выщелачивается водой.

Гидрометаллугический способ

В данном случае для выщелачивания и обогащения меди используется серная кислота. В результате реакции при применении такой технологии получают раствор, насыщенный Cu и другими металлами. Из него затем и выделяют медь. При использовании такой методики, помимо черновой меди, можно получать и другие металлы, включая драгоценные. В любом случае применяется эта технология чаще всего для выделения Cu из не слишком богатых на него пород (менее 0.5%).

Медь в домашних условиях

Выделение этого металла из насыщенных им руд — дело, таким образом, технологически относительно несложное. Некоторые поэтому интересуются тем, как добыть медь в домашних условиях. Получить этот металл из руды, глины и пр. своими руками, без наличия специального оборудования, будет, однако, очень сложно.

Некоторые, к примеру, интересуются тем, как добыть медь из глины своими руками. Ведь в природе существуют залежи этого материала, богатого в том числе и на Cu. Однако, к сожалению, известных проверенных технологий получения в домашних условиях меди из глины, не существует.

Своими руками этот металл дома можно попробовать выделить, пожалуй, только из медного купороса. Для этого последний нужно сначала растворить в воде. Далее в полученную смесь следует просто поместить какой-нибудь железный предмет. Через некоторое время последний - в результате реакции замещения - покроется медным налетом, который в дальнейшем можно будет просто счистить.