Технологии добычи меди и ее место в современной промышленности

Месторождения на карте мира

Самые большие запасы руды расположены в Чили – 34% от общемировых. В США и Перу находится по 9% залежей ископаемого. На Восточную Сибирь, Урал и Кольский полуостров приходится 5% месторождений.

Мировые месторождения меди расположены на Африканском континенте, в Южной Америке, Канаде, Австралии. Из европейских стран ими наиболее богата Польша. Известны месторождения в Китае и Монголии.

Порфировые и жильные месторождения располагаются в Западном Тихоокеанском поясе, районах средиземноморья. Обладают ими Казахстан, Армения, Узбекистан.

Карта месторождений меди в мире

Разновидности медных руд

Классификация руды по генетическим и геологическим особенностям:

• стратиформная — это песчаники и сланцы;
• колчеданная – жильная медь и самородки;
• гидротермальная — ее называют медно-порфировой формой;
• скарновые породы;
• магматические — эта руда содержит никель;
• карбонатные — имеют железомедный и карбонатитовый состав.

Природные минералы, содержащие медь

Борнит. Сульфидная руда, ее состав определяет выражение Cu5FeS4. Различают два полиморфных вида – низкотемпературный и высокотемпературный. Температура плавления которых, соответственно, меньше или больше 228 градусов.

Существует ранний неустойчивый сульфид, легко разрушаемый водой и ветром. Другой тип – эндогенный, имеет непостоянный химический состав за счет примесей таких элементов как галенит, пирит, халькозин, халькопирит. Борнит называют пестрым колчеданом. Характеристика этих минералов зависит от их происхождения.

Халькопирит. Формулой CuFeS2 определяется его состав. Известен под названием медный колчедан. Относится к полиметаллическим. Может существовать в виде скарн и горных грейзенов.

Халькозин. Содержит 79,8% меди и 20,2% серы. Очень красивый, зеркальная поверхность имеет сероватый оттенок, бывает черным.

Существуют редкие ископаемые, содержащие элементы меди:

• куприт (Cu2O), оксид, замечен среди месторождений малахита и самородков;
• ковеллин, содержит 66,5% основного элемента и серу. Впервые найден в окружении вулкана Везувий. Добывается в США, Греции, Чили;
• малахит. Камень, который применяется для различных поделок. Полиметаллическая руда. Нижний Тагил – место больших залежей этого минерала;
• азурит. Это лазурь, камень синего цвета. Основные места его добычи – Африка, Австралия, Англия, Балканские страны. Залегает вблизи сульфидных месторождений.

Медно-порфировые формы включают молибден, золото, халькопирит, пирит. Их находят в залежах небогатых горных пород. Имеют форму прожилковых вкраплений штокверкового типа.

Получение меди

После добычи руды возникает следующая проблема: как извлечь из неё необходимый материал? Существует несколько способов.

Одна из древнейших технологий заключалась в сжигании малахитовых руд с ограниченным доступом воздуха. Размещённая в горшках масса, смешанная с углём, сгорала, выделяя при этом угарный газ. Что приводило к достижению желаемого результата – получению достаточно чистой для своего времени меди.

Понятно, что за прошедшие века методы и способы переработки руд претерпевали серьёзные изменения движимые целью достижения наиболее оптимальных результатов при любом виде первичного сырья. Вот почему современная металлургия базируется на трёх основных способах получения меди.

Пирометаллургический метод

Основанный на проведении высокотемпературных процессов, пирометаллургический метод как нельзя лучше подходит для сульфидных руд, подчас достаточно бедных в отношении концентрации меди. Он позволяет извлекать металл даже при содержании его в 0,5%.

Но прежде всего исходное сырьё подвергается обогащению в процессе флотации. Суть его заключается в тщательном измельчении руды, заливке её водой, добавлении туда сложных органических флотореагентов. Они обволакивают частицы минерала, содержащие в своём составе сплавы меди, придавая им несмачиваемость.

На втором этапе этого процесса в растворе создаётся пена, пузырьки которой забирают покрытые органикой частицы. Происходит это под воздействием потока воздуха, в результате чего образования всплывают на поверхность, откуда в дальнейшем забираются. Насыщенная медными соединениями пена собирается, отжимается и высушивается.

После чего полученный концентрат подвергают обжигу при температуре 14000 C. Это необходимо для удаления серы и окисления сульфидов. Затем производят высокотемпературную (14 0000 – 15 0000C) плавку в шахтных печах для получения сплава железа и меди – штейна. Далее в процессе бессемеровской плавки в конвертере под воздействием кислорода получают оксид, а затем и саму черновую медь, содержащую в себе 90,95% металла. При этом сера переходит в кислотный остаток, а железо – в силикатный шлак.

Получить из черновой субстанции чистую медь можно с помощью:

• огневого рафинирования,
• электролиза,
• экзотермической реакции восстановления под воздействием водорода.

Гидрометаллургический метод

Для извлечения меди и ряда других металлов из полиметаллических руд, содержащих в своём составе менее 0,5% искомого минерала, применяют гидрометаллургический метод.

Добытые минералы растворяют с помощью неконцентрированной серной кислоты или аммиака. Из образовавшихся жидкостей в процессе реакции вытеснения получают медь. Для проведения реакции используется металлическое железо.

Электролизный метод

Метод предназначен для получения чистой меди в процессе электролитической реакции.

Его технология заключается в изготовлении чистых медных тонких листовых катодов и толстых пластинчатых анодов из черновой меди. Помещённые затем в ванну, заполненную медным купоросом, они вступают в реакцию под воздействием электрического тока. Происходит растворение меди на анодах и её осаждение на катодах. Освободившиеся примеси удаляют химическими методами.

Медные трубы

Способы добычи минерала

В России расположены залежи типа сланцев и песчаника. Здесь имеют место медноколчеданная, медно-никелевая и медно-порфировая формы. В горнодобывающей промышленности применяются различные методы извлечения ископаемых из недр земли.

В зависимости от глубины залегания, руда добывается открытым или закрытым методом. Существуют стандарты, которые определяют целесообразность глубины выработки слоев грунта, применение технологий, снижающих их затратность.

Технология работ включает следующее:

• применение самоходной техники;
• производство непосредственно извлечения руды;
• заполнение материалами образовавшиеся пустоты, чтобы сделать дальнейшие работы безопасными.

При открытом способе ископаемые выбираются слоями, это обеспечивает их наиболее полное использование. Для карьеров большой глубины подойдет технология циклично-поточных работ, это зависит от особенностей залегания слоев.

Отрицательные последствия добычи полезных ископаемых

При залегании пластов на глубине от 500 до 1000 м и глубже, удобен закрытый способ добычи меди. Для этого необходимы вибрационные механизмы, производится сплошная выемка породы и доставка ее на поверхность. Образовавшиеся под землей пустоты заполняют, для этого применяют футерованные резиной или базальтовой смолой трубы.

Промышленность по переработке полезных ископаемых экономически выгодно располагать в непосредственной близости к местам их добычи. Здесь же необходимо строить заводы по утилизации отходов после переработки. Это может способствовать выделению различных полезных продуктов. К примеру, переработка сернистого газа позволяет получить полезные удобрения с содержанием серы.

Минеральная база для извлечения металла

Сырьем для добычи медной руды являются естественные образования минералов, в которых металлический компонент содержится в количестве, необходимом для экономически выгодной промышленной разработки.

Сырье для добычи медной руды.

Рудные месторождения представлены силикатными, карбонатными, сульфатными соединениями, оксидами, образовавшимися в зоне окисления.

Среди разведанных минералов для промышленной разработки можно выделить:

• халькопирит;
• халькозин;
• борнит;
• куприт;
• самородная медь;
• брошантит;
• азурит;
• кубанит;
• малахит;
• хризотил.

В руде концентрация металла составляет 0,3–5%, а в минералах показатель концентрации составляет 22–100% (самородный металл). Месторождения меди находятся в генетической взаимосвязи с другими ценными компонентами, которые добываются как дополнительные химические элементы к основному процессу.

Среди попутных компонентов встречаются:

• платаноиды;
• серебро;
• золото;
• теллур;
• галлий;
• молибден;
• висмут;
• никель;
• титан;
• цинк.

Руда для извлечения меди содержит мышьяк, сурьму, реже ртуть. В зависимости от вида попутных химических элементов различают типы месторождений, среди которых главное значение имеют:

• медно-никелевый;
• медно-колчеданный;
• медистых песчаников и сланцев;
• медно-порфировый.

Скарновые месторождения металла и кварцево-сульфидные образования имеют подчиненное значение. В перспективе в качестве сырья для промышленного производства металла рассматриваются железомарганцевые конкреции, находящиеся в донных отложениях Мирового океана.

Технологии производства

Добытая руда имеет низкую концентрацию меди. Для получения одной тонны металла в среднем понадобится 200 тонн руды. Для его извлечения современная металлургическая промышленность применяет следующие технологии:

• гидрометаллургическая;
• пирометаллургическая;
• электролиз.

Пирометаллургический метод обогащения породы использует для переработки халькопирит. Эта распространенная технология использует два этапа работы. Первое – окислительный обжиг, так называемая флотация. Получаемый черновой концентрат содержит 10–35% чистого вещества. Затем производят рафинирование меди и добавление купороса к раствору. В результате выделяют цветной металл почти стопроцентной чистоты.

При гидрометаллургическом способе происходит выщелачивание металла, затем добавляется серная кислота. В итоге получают раствор, в котором выделяется медь и различные металлы, могут быть драгоценные. Эта технология применима для производства меди из бедных пород.

Для окислительного обжига минералов с высоким содержанием серы нагревают руду до 700–8000 градусов, при этом количество серы уменьшается вдвое. Получается сплав сульфидов. Боковой обдув в конвекторе позволяет получить черновую медь 91%. Для более высокой чистоты металла происходит электролитическое рафинирование, получают 99% состав.

В промышленности этот элемент в чистом виде практически не применяется. Больше всего известны сплавы:

• латунь – сплав с цинком;
• бронза – с оловом;
• различные баббиты – сплав со свинцом;
• мельхиор – в состав добавлен никель;
• дюраль – соединение с алюминием;
• ювелирные сплавы, где добавляется золото в различных процентных соотношениях.

Как добывают медь из руды в природе

Залежи медных руд обнаруживаются повсеместно, рудники не сосредоточены на определенном континенте или географической зоне, обнаруживаются регулярно по всему миру. Различием между медными рудниками служит тип обнаруженной руды: в США известен халькозин, на Кубе – куприт, в Перу добывают хлориды меди. В России располагаются сульфидные, колчеданные и медно-никелевые залежи.

Так как медь добывается человечеством несколько веков, обогащенные рудники обнаруживаются всё реже, самые богатые мировые залежи уже разработаны, поэтому этот цветной металл высоко ценится. Сегодня все чаще используют в производстве минеральные руды с низким содержанием меди – до 0.5%, а зачастую до 0.1%. При этом, в мировом производстве, медь остается одним из лидеров среди производящихся металлов, занимая третье место после алюминия и железа.

Минеральные образования, которые добываются для извлечения металла, редко содержат в себе исключительно медь, зачастую в них содержатся попутные компоненты. Из ценных сопутствующих химических элементов, вместе с медью часто добывают:

• Серебро;
• Золото;
• Висмут;
• Платаноиды;
• Галлий;
• Теллур;
• Титан;
• Цинк;
• Никель;
• Молибден;
• Мышьяк;
• Ртуть.

В зависимости от того, какие попутные компоненты содержат минеральные образования в залежах, месторождения получают и название: медно-никелевые, медистые песчаники, медно-колчеданные, медно-порфировые, медистые сланцы, скарновые и кварцево-сульфидные минеральные образования.

Из-за низкой концентрации меди в минералах и рудах, с целью добычи этого цветного металла приходится добывать и обрабатывать большое количество рудного материала. На 1 единицу массы меди, приходится 200 единиц массы переработанной руды. В связи с этим, разработка целесообразна только в карьерах с открытым способом добычи и глубиной до 1000 метров. В мировой практике распространены в основном открытые разработки в виде карьеров глубиной 200-300 метров, при благоприятных условиях их углубляют до 600 метров. При необходимости, оборудуются шахты, на глубине до 1000 метров.

Подземная разработка и добыча меди используется реже, так как это зачастую нецелесообразно. Технологии добычи, необходимость в больших объемах и дополнительные затраты при подземной добыче значительно увеличивают себестоимость меди. Из-за этого, более распространенным и окупаемым является добыча открытым способом, но так как месторождений становится всё меньше, возможно через 30-60 лет открытые разработки перестанут быть возможными.

После процесса добычи медной руды наступает производство, подробнее об этом вы можете прочитать в статье как делают медь.

Области применения

Одной из областей применения является электротехническая промышленность. Кабели и электрические провода включают жилы из чистого металла, что увеличивает их электропроводность. Сплавы с никелем подходят для приборостроения, соединения с вольфрамом – это нити накаливания в лампочках.

Применение меди

Латунь применяется в пищевой и химической промышленности. В сельском хозяйстве медь используют как удобрение. Медный купорос известен садоводам, им обрабатывают растения для защиты от болезней и вредителей.

В строительстве такие сплавы просто незаменимы. Кровельное покрытие с образовавшейся на нем патиной имеет красивый вид и очень долговечно.

Медицинская промышленность не обходится без этого химического элемента. Широко используется в лекарствах.

В машиностроении из бронзы делают подшипники, теплообменники, различные конструктивные элементы механизмов. Металл используют в порошковой металлургии для изготовления фрикционных деталей.

Мировые запасы

Мировые подтвержденные запасы меди оцениваются в пределах от 654 млн. до 1600 млн.т.

Медь – цветной металл, который потребляется многими видами промышленности. Самой выгодной рудой для производства является борнит. Это обусловлено его высоким содержанием и большими залежами в мировых недрах. К добыче меди пригодны породы, содержащие ее 0,5–1%. Больше всего распространены руды с добавками никеля. Они составляют 90% всех медесодержащих ископаемых, экономически выгодных для горнодобывающей промышленности.

Крупнейшие месторождения меди расположены в Чили – 34% всех мировых запасов, что составляет 140 млн тонн.

Государства, имеющие самые крупные запасы в мире, это: США – 35 млн тонн, Индонезия – 35, Перу – 30, Австралия – 24, Китай – 26, Россия – 20.

Общемировые запасы медесодержащих руд оцениваются в 467 млн тонн. Геологи утверждают, что в мировом океане находится около 5 млрд тонн залежей такой руды.

Добыча медных руд в мире

Месторождения не имеют какой-то системы, которая позволяет их отыскивать. Она распространена в самых разных географических зонах и расположена случайным образом. Так, медь добывается во многих странах, в частности, в США, Перу, Казахстане, Чили, России, Китае, Индонезии, на Кубе. Происходит добыча всех видов меди, независимо от ее концентрации в руде. Например, в Америке производится халькозиновая медь.

Интересно то, что в мире практически не осталось богатых месторождений. Медь добывается несколько сотен лет, и поэтому все крупные источники давно иссякли. Так сейчас активно идет снижение процесса использования в производстве концентрированного материала. Чаще всего используется руда с концентрацией этого металла, не превышающей 0,5 %. Это позволяет более экономно тратить необходимый материал.