Опишите процесс получения меди?

Опишите процесс получения меди?

   Извлечение меди из руд производится пирометаллургическим способом. Перед обогащением руда измельчается методом флотации. Смесь измельченной руды с водой называется пульпой. Пульпу продувают сжатым воздухом. Пузырьки воздуха адсорбируются на не смачиваемой поверхности кусочков руды и поднимают их на поверхность в виде пены. Так отделяют руду от пустой породы.  Пену снимают, сушат и получают концентрат, который перед плавкой спекают в обжиговых печах. При температуре свыше 600 ºC происходит частичное удаление серы и спекание руды в комки, которые называют огарком. В отражательных печах огарок перегревают до 1600 ºC и обеспечивают окисление FeS с образованием FeO и SO₂. Сплавляясь с пустой породой, FeO образует шлак, ниже которого располагается более тяжелые сульфиды меди и железа, так называемый медный штейн. Штейн, содержащий около 35% меди, 40% железа в виде сульфидов и некоторое количество SiO₂ заливают в конвертер и продувают воздухом.

 Процесс превращения штейна в черновую медь разделяется на два периода. В первом периоде происходит окончательное окисление FeS и связывание FeO пустой породой (SiO₂). Реакция идет с выделением тепла, разогревая ванну свыше 1300 ºC. В ходе второго периода Cu₂S окисляется кислородом воздуха и удаляется SO_2, реакции идут с поглощением тепла, температура расплава снижается. Черновая медь содержит примеси и неметаллические включения, поэтому нуждается в рафинировании.

  Электролитическое рафинирование основано на анодном растворении чушек черновой меди в растворе медного купороса и серной кислоты. Катионы меди из раствора поступают на катод и там разряжаются, а примеси выпадают в осадок. Процесс идет в течение нескольких дней. Медь после переплава и разливки подается на пркатку.

2.1.3. Охарактеризуйте физические свойства меди

    Медь (Cu) – металл красно-розового цвета, мягкий и пластичный, обладает высокими показателями тепло- и электропроводности. Плотность 8,96; температура плавления 1083 ºC; твердость по Бринеллю НВ 350 МПа. Медь кристаллизуется в гранецентрированной решетке и не имеет полиморфных превращений.

  2. 1.4. Охарактеризуйте химические свойства меди.

Медь химически малоактивна. На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь медленно окисляется, покрываясь пленкой, так называемой, патины зеленого цвета, которая является щелочным карбонатом меди (CuOH)₂CO₃, и которая сохраняет ее от дальнейшего разрушения.

 Медь обладает высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, легко растворяется в азотной и концентрированной соляной кислотах при нагревании.

   2.1.5. Охарактеризуйте механические и  технологические свойства меди.

Механические свойства меди в литом состоянии:s_B=160 MPа, s₀₂= 35 MPа при относительном удлинении d= 25 %; в горячедеформированном: s_B= 250 MPа, s₀₂= 95 MPа при относительном удлинении d= 50 %.

Медь легко паяется,  полируется,  хорошо куется, но из-за своей мягкости плохо обрабатывается режущим инструментом. Имеет плохие литейные свойства из-за большой усадки и низкой жидкотекучести.  

Назовите области применения меди.

Из-за низких значений предела текучести и высокой стоимости  чистая медь как конструкционный материал не применяется. Медь принято считать эталоном электрической проводимости и теплопроводности по сравнению с другими металлами. Около половины производимой меди используется в электро- и радиотехнике. Служит основой медных сплавов – латуней, бронз. Медь и ее сплавы являются традиционными материалами, используемыми в технике низких температур.

Латуни. Структура, свойства, классификация, маркировка, применение.

2.2.1. Какие сплавы называют датунями?   Латунями называются сплавы  меди с цинком.

Рис.2.2.1. Диаграмма состояния Cu-Zn

Из диаграммы видно, что Zn растворяется в меди в количестве до 39%.

Рис.2.2.2.  Влияние содержания цинка на механические свойства латуней

Увеличение содержания цинка более 43% ведет к резкому снижению пластичности ввиду значительного содержания в сплаве твердой и хрупкой β'-фазы.

В отличие от равновесного состояния β'-фаза появляется уже при концентрации цинка более 30%. Поэтому в сплавах, содержащих менее 30% Zn, увеличение его концентрации повышает и прочность и пластичность. При увеличении содержания цинка выше 30% пластичность сплавов начинает уменьшаться, а после появления в структуре значительного количества β'-фаза происходит резкое падение пластичности. Прочность при увеличении содержания цинка растет до 45%, а потом также резко падает ввиду значительного содержания в сплаве твердой и хрупкой β'-фазы.

Рис.2.2.4. Структура литой однофазной латуни

Наилучшей жидкотекучестью обладает литейная латунь марки ЛЦ20К3 (старое обозначение ЛК80-3Л), несколько хуже литейные свойства латуней типа ЛА, ЛАЖ, ЛАЖМц.

Ввиду узкого интервала температур кристаллизации литейные латуни не склонны к ликвации. При кристаллизации имеют значительную сосредоточенную усадку. Поэтому латунные отливки могут быть получены с высокой плотностью. Литейные латуни отливают в землю, в кокиль, под давлением.

Рис.2.3.2. Микроструктура оловянной бронзы (х200): а – после литья; б – после деформации и отжига

Двойные оловянные бронзы дороги и имеют пониженные литейные свойства. Их обычно дополнительно легируют цинком, свинцом, никелем, фосфором.

  2.3.11.  Как влияет введение в оловянистую бронзу цинка и никеля?

Литые оловянные бронзы с цинком и свинцом имеют высокие литейные свойства: малую объемную усадку (менее 1%) и хорошую жидкотекучесть. Введение в оловянистую бронзу цинка и никеля приводит к увеличению количества эвтектоида. Эти элементы новых фаз не образуют, так как находятся в твердом растворе.

2.3.12.  Назовите области применения литейных оловянных бронз.

Бронзы, содержащие 9-10% Sn, являются одним из лучших антифрикционных материалов и применяются для изготовления подшипников. Наличие включений твердого эвтектоида обеспечивает высокую стойкость против истирания, а мягкие частицы облегчают “приработку” и образуют на поверхности мельчайшие каналы, по которым может циркулировать смазка. Для улучшения антифрикционных свойств в состав бронз также вводят свинец. Литые оловянные бронзы имеют предел прочности s_B=170-200 MPа при относительном удлинении d=5-10 %.

  Из бронзы изготавливают сложные отливки, в частности художественное литье. Высокая коррозионная стойкость позволяет использовать литейные бронзы в качестве арматуры, работающей в агрессивных средах и обладающей высокой электрической проводимостью и теплопроводностью.

  Среди оловянных бронз следует выделить так называемую колокольную бронзу. Она содержит около 20% Sn с небольшими добавками других элементов.

2.3.13. Каков структурный состав алюминиевых бронз?

  Из диаграммы состояния системы Cu-Al (рис.2.3.3) следует, что медь образует с алюминием широкую область a-твердых растворов замещения с кристаллической решеткой ГЦК, а также b-фазу на базе электронного соединения Cu₃Al. b-фаза претерпевает эвтектоидное превращение при 565°С по реакции b®a+g₂. Предельная растворимость алюминия в меди составляет 9,8%. Сплавы, содержащие до 9% Al, однофазные и состоят только из a-твердого раствора алюминия в меди. Увеличение содержания алюминия более 9% приводит к появлению в структуре эвтектоида, обеспечивающего высокие антифрикционные свойства алюминиевых бронз, которые применяются для изготовления деталей, работающих в условиях трения.

 

 

Рис. 2.3.3. Диаграмма равновесных состояний системы сплавов Cu-Al

Рис.2.3.5. Диаграмма состояния системы Cu – Be

Закалка с 800°С фиксирует пересыщенный a-твердый раствор, из которого при старении (300-350°С) выделяются дисперсные частицы CuBe (рис2.3.6).После закалки свойства бериллиевой бронзы БрБ2: s_в = 500 МПа, d=30%, после старения: s_в = 1200 МПа, d=4%. 

                                          

Рис.2.3.6. Электронно-микроскопическое изображение бериллиевой бронзы после старения (регулярное расположение выделений). Х50 000                                        

Бериллиевые бронзы обладают высокими упругими свойствами. Их используют для изготовления пружин. Они хорошо сопротивляются усталости и коррозии. Бериллиевые бронзы немагнитны и не искрят при ударе. Из них изготавливают инструменты для работы во взрывоопасных средах – шахтах, на газовых заводах, где нельзя использовать обычные стали.

 

Вопросы к теме «Структура, свойства и применение сплавов на основе меди.»

1. Какие сплавы называют латунями?
2.  Какова максимальная растворимость меди в цинке?
3. Каков структурный состав латуни?
4. Как подразделяют латуни по составу?
5. Как изменяются механические свойства латуней в зависимости от содержания цинка?
6. Охарактеризуйте технологические свойства латуни?
7. Охарактеризуйте физико-химические свойства латуней.
8.  Как изменяется стоимость латуни в зависимости от содержания цинка?
9. Охарактеризуйте α-латуни.

10. Охарактеризуйте (a+b)-латуни.

1. Как делят латуни по назначению?

12. Охарактеризуйте литейные латуни?

13. Какие латуни называют морскими?

14. В чем состоит отрицательное свойство деформированных латуней, чем оно обусловлено и как его избежать?

1. Как маркируют деформируемые латуни?

16. Как маркируют литейные латуни?

1. Назовите области применения латуней?
2. Какие сплавы называют бронзами?
3. Какова максимальная растворимость олова в меди?
4. Каков структурный состав оловянных бронз?
5. Как изменяются механические свойства бронз в зависимости от содержания олова?

22. Как влияет введение в оловянистую бронзу цинка и никеля?

1. Охарактеризуйте алюминиевые бронзы.
2. Как маркируют литейные бронзы?

 

Вопросы к теме 17. Структура, свойства и применение сплавов на основе меди.

Опишите процесс получения меди?

   Извлечение меди из руд производится пирометаллургическим способом. Перед обогащением руда измельчается методом флотации. Смесь измельченной руды с водой называется пульпой. Пульпу продувают сжатым воздухом. Пузырьки воздуха адсорбируются на не смачиваемой поверхности кусочков руды и поднимают их на поверхность в виде пены. Так отделяют руду от пустой породы.  Пену снимают, сушат и получают концентрат, который перед плавкой спекают в обжиговых печах. При температуре свыше 600 ºC происходит частичное удаление серы и спекание руды в комки, которые называют огарком. В отражательных печах огарок перегревают до 1600 ºC и обеспечивают окисление FeS с образованием FeO и SO₂. Сплавляясь с пустой породой, FeO образует шлак, ниже которого располагается более тяжелые сульфиды меди и железа, так называемый медный штейн. Штейн, содержащий около 35% меди, 40% железа в виде сульфидов и некоторое количество SiO₂ заливают в конвертер и продувают воздухом.

 Процесс превращения штейна в черновую медь разделяется на два периода. В первом периоде происходит окончательное окисление FeS и связывание FeO пустой породой (SiO₂). Реакция идет с выделением тепла, разогревая ванну свыше 1300 ºC. В ходе второго периода Cu₂S окисляется кислородом воздуха и удаляется SO_2, реакции идут с поглощением тепла, температура расплава снижается. Черновая медь содержит примеси и неметаллические включения, поэтому нуждается в рафинировании.

  Электролитическое рафинирование основано на анодном растворении чушек черновой меди в растворе медного купороса и серной кислоты. Катионы меди из раствора поступают на катод и там разряжаются, а примеси выпадают в осадок. Процесс идет в течение нескольких дней. Медь после переплава и разливки подается на пркатку.

2.1.3. Охарактеризуйте физические свойства меди

    Медь (Cu) – металл красно-розового цвета, мягкий и пластичный, обладает высокими показателями тепло- и электропроводности. Плотность 8,96; температура плавления 1083 ºC; твердость по Бринеллю НВ 350 МПа. Медь кристаллизуется в гранецентрированной решетке и не имеет полиморфных превращений.

  2. 1.4. Охарактеризуйте химические свойства меди.

Медь химически малоактивна. На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь медленно окисляется, покрываясь пленкой, так называемой, патины зеленого цвета, которая является щелочным карбонатом меди (CuOH)₂CO₃, и которая сохраняет ее от дальнейшего разрушения.

 Медь обладает высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, легко растворяется в азотной и концентрированной соляной кислотах при нагревании.

   2.1.5. Охарактеризуйте механические и  технологические свойства меди.

Механические свойства меди в литом состоянии:s_B=160 MPа, s₀₂= 35 MPа при относительном удлинении d= 25 %; в горячедеформированном: s_B= 250 MPа, s₀₂= 95 MPа при относительном удлинении d= 50 %.

Медь легко паяется,  полируется,  хорошо куется, но из-за своей мягкости плохо обрабатывается режущим инструментом. Имеет плохие литейные свойства из-за большой усадки и низкой жидкотекучести.