Класифікація сплавів на основі міді

Найбільш розповсюджені елементи у сплавах міді - цинк, алюміній, олово, залізо, кремній, марганець, берилій, нікель. Усі ці елементи підвищують міцностні властивості міді.

Сплави на основі міді поділяють на деформовані та ливарні, які зміцнюють і не зміцнюють термічною обробкою. Однак широко використовується розподіл мідних сплавів на латуні, бронзі і мідно-нікелеві сплави.

Латунями називаються сплави міді, у яких основним легуючим елементом є цинк. Прості латуні маркують літерою Л і позначають числом, що характеризує середній вміст міді. Так, наприклад, Л68 містить 68 % Cu і 32 % Zn.

Якщо латунь, крім цинку, легують іншими елементами, то після літери Л ставлять умовну позначку цих елементів: Φ - Р; О - Sn; Ж - Fe; А - Αl; Κ - Si; Мц - Μn; Η - Ni. Число після літер показує середній вміст цих елементів у латуні, крім цинку. Вміст цинку визначають за різницею від 100%. Так, наприклад, ЛАН59-3-2 містить 59 % Cu; 3 % Аl; 2 % Ni; 36 % Zn.

Бронзами називають всі сплави міді (крім латуней і мідно-нікелевих сплавів). Бронзи маркуються літерами Бр, а після них вказують основні легуючі елементи та їхній вміст у сплаві. Елементи позначають літерами: Ц - Zn; Φ - Р; Б - Be; Ж - Fe, А - Àl тощо. Наприклад, БрАЖМц 10-3-1,5 легована 10 % Àl, 3 % - Fe, 1,5 % - Μn, інше - Cu.

§12. Виробництво міді

1. Мідні руди і підготовка їх до плавки. Сировиною для ви­робництва міді е сульфідні мідні руди (CuS, Cu₂S, CuFeS₂, Сu₃FеS₃) і окислені (CuO, Сu₂О, СuСО₃, Сu(ОН)₂). До 80% мі­ді добувають із сульфідних руд, 15...20% —з окислених. Вміст міді в рудах звичайно становить 1...3%. Мідні руди містять у собі також невелику кількість цинку, свинцю, срібла, золота та інших металів. До складу пустої породи мідних руд входять кварц, глинозем, вапняк і різні силікати.

Усі мідні руди перед плавкою збагачують методом флотації. Для цього руду подрібнюють і розмелюють до зерен розміром 0,05...0,5 мм, а потім засипають у флотаційну машину. Тут вона перемішується з водою: і утворює пульпу. У ванну флота­ційної машини добавляють смерекову (ялинову) олію, яка сприяє утворенню на поверхні зерен рудних мінералів погано змочуваної водою плівки. Якщо тепер продувати через пульпу стис­нене повітря, то ці дрібні зерна прилипають до бульбашок повітря і виносяться ними на поверхню води, утворюючи піну. Піна безперервно видаляється з машини. Після фільтрації і сушіння з неї утворюється мідний концентрат. Часточки пустої породи, добре змочувані водою, осідають на дно машини, звідки в міру нагромадження видаляються у відвал. Збагачення сульфідних мідних руд методом флотації дає змогу мати кон­центрат, який містить 15...30% міді.

Мідний концентрат перед плавкою випалюють у багатоподових вертикальних печах або в киплячому шарі (в завислому стані).

2. Способи вироблення міді. Добувають мідь з руд пірометалургійним або гідрометалургійним способом. Гідрометалургій­ний спосіб застосовують порівняно рідко — тільки для перероб­ки мідних окислених руд. Пірометалургійним способом мідь добувають з сульфідних мідних руд плавленням концентрату їх у полуменевих відбивних печах або кускової руди в шахтних пе­чах. У мідеплавильній промисловості тепер застосовують пере­важно плавлення в полуменевих відбивних печах.

Рис. 41. Схема конвертора для виплавлення чорнової міді.

Виробництво міді з сульфідних руд скла­дається з трьох послідовних етапів: 1) плавлення мідного концентрату у відбивній печі для вироблення мідного штейну; 2) переробки мідного штейну на чорнову мідь; 3) рафіну­вання чорнової міді.

Вироблення мідно­го штейну. У сучасні полуменеві відбивні печі завдовж­ки до 40 м і завширшки 6—8 м завантажують одночасно по­над 100 т концентрату або дрібної руди. У цих печах тем­пература досягає 1500...1600° С при спалюванні найбільш де­шевих і недефіцитних сортів палива.

У результаті плавлення на поді печі утворюється розплав сульфідів міді і заліза (мідний штейн). Звідси його випускають у ковші. Склад мідного штейну: 20...50% Cu; 20...40% Fe; 22... 25% S; до 8% О₂ і домішки—золото, срібло, цинк, нікель та ін. Пуста порода відокремлюється від штейну у вигляді шлаку.

Виплавляння чорнової міді. Рідкий мідний штейн продувають у конверторах повітрям, внаслідок чого утворюєть­ся так звана чорнова мідь. Найбільш поширеними в промисло­вості є горизонтальні конвертори. На рис. 41 показано горизон­тальний конвертор, який виготовляють діаметром 3...4 м, завдовжки 6...10 м і місткістю до 75 т. Зсередини конвертор об­кладено магнезитовою цеглою 2. Установлений він на роликах 5 і має механічний привод для повертання. У горловину 1 залива­ють мідний штейн, засипають на поверхню залитого розплаву кремнезем, потрібний для відшлакування закису заліза, і продувають повітрям. Повітря підводиться під тиском 0,07...0,12 МПа (0,75...1,25 ат) по трубах 3 і спрямовується у фурми 4, розмі­щені вздовж конвертора.

Процес продування ведуть у дві стадії. У першій стадії окислюються сульфіди заліза і відшлаковується закис заліза:

2FeS + ЗО₂ + SiO₂ = (FeO)₂×SiO2 + 2SO₂ + Q.

Шлак зливають у горловину і замість нього вводять нові порції штейну. Продування проходить при температурі 1200...1300° С, яка підтримується за рахунок тепла хімічних реакцій. Після зливання шлаку залишається чиста напівсірчиста мідь Cu₂S (білий штейн), який в другій стадії переробляється на чорнову мідь за такими реакціями:

2Cu₂S + 3O₂ = 2Cu₂O + 2SO₂ + Q;

Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu + SO₂ — Q.

Тривалість процесу продування штейну на чорнову мідь за­лежить від вмісту міді в штейні та від місткості конвертора і становить 15...20 год. Для прискорення процесу застосовують кисневе дуття. Вироблену чорнову мідь розливають у плити або чушки і потім рафінують, щоб звільнитись від розчинених у ній газів і різних домішок.

Рафінування чорнової міді (очищення її від до­мішок) проводять двома способами: вогневим і електролітичним.

Вогневе рафінування ведуть у полуменевих відбив­них печах, схожих за конструкцією на печі для виробництва мідного штейну. Чорнову мідь завантажують у піч і розплав­ляють, домішки окислюють продуванням крізь розплавлений метал повітря під тиском 0,15...0,20 МПа (1,5...2 ат). Оксиди сірки, сурми, цинку, свинцю, що утворилися, видаляються з ди­мовими газами, а інші оксиди переходять у шлак. Золото і сріб­ло залишаються розчиненими в міді. Поряд з окисленням домі­шок окислюється і мідь. Для відновлення окисленої міді і для видалення розчинених газів метал перемішують дерев'яними жердинами. Цей процес називається «дражненням» міді. При проведенні його мідь відновлюється вуглецем деревини:

Сu₂О + С = 2Cu + CO — Q;

Cu2O + CO = 2Сu + CO2 + Q.

Чорнову мідь розливають у форми і дістають злитки, або анод­ні плити, для наступного електролітичного рафінування.

Електролітичне рафінування застосовують, щоб виробити найчистішу, високоякісну мідь (не менше 99,99% Cu) і виділити з неї благородні метали (платину, золото, срібло). Електролізні ванни являють собою довгі прямокутні резервуари, наповнені 12...16%-ним водним розчином мідного купоросу в сірчаній кислоті, в якому підвішено поперемінно аноди і катоди. Корпус ванни виготовляють з дерева або бетону, а зсередини його викладають шаром пластмаси. Установлюють корпус на скляні ізолятори. Анодами є плити з червоної міді масою 200...250 кг, а катодами — тонкі листи (0,5...0,7 мм) електролітичної міді. Під час пропускання електричного струму через ванну анод розчиняється і на катоді осаджуються іони міді. Протягом 10...12 днів на катоді збирається до 100 кг електролітичної міді. Катодні пластини потім переплавляють у печах і розливають у виливки потрібного перерізу. При електролізі частина домішок, що є в аноді, не розчиняється і осаджується на дно ванни у вигляді шламу, який періодично випускають з ванни і піддають дальшій обробці для виділення з нього благородних металів.