Медь: история, производство и устойчивое будущее

История возникновения

Медь (Cu) — естественно красновато-оранжевый металл, ценный за исключительную тепловую и электрическую проводимость. Она составляет основу бесчисленных повседневных предметов — от электропроводки и посуды до автомобильных радиаторов и защитных покрытий. Исторически универсальность меди расширялась на пигменты, консерванты для бумаги и красители для текстиля. Легирование меди с цинком дает лать, с оловом — бронзу.

Археологические данные показывают использование меди ~10 000 лет назад. Медный подвес датированный 8700 г. до н.э. найден в северном Ираке, а к 6400 г. до н.э. Анатолийский регион плавил и лить медь. Египетские практики последовали к 4500 г. до н.э., и систематическая добыча документирована на Синайском полуострове около 3800 г. до н.э. В 3000 г. до н.э. Кипр раскрыл богатые медные залежи; римляне назвали металл aes cyprium, термин, эволюционировавший в «cuprum» и современный символ Cu.

В Америке прибрежные сообщества Перу производили медные артефакты к 500 г. до н.э., и инкская металлургия процветала до испанского завоевания в 16 веке.

В США первый коммерческий рудник открылся в Бранби, Коннектикут (1705), затем в Ланкастере, Пенсильвания (1732). Несмотря на раннюю добычу, американская медь в основном поступала из Чили до 1844 года, когда Спериорский медный район у озера Спериор начал внутреннее производство. Конец 19 века принес прогресс в добыче из низкокачественных руд через обширные открытые карьеры на Западе.

Сегодня США и Чили доминируют в мировом производстве, за ними следуют Россия, Канада и Китай.

Сырьё

Чистая медь редко встречается в природе; её извлекают из разнообразных руд. Около 40 стран добывают примерно 15 коммерческих медных руд, большинство из которых — сульфидные минералы, связанные с серой. Оксидные, карбонатные и смешанные руды также встречаются, и многие содержат ценные побочные продукты: золото, серебро, никель. Типичные американские медные руды содержат 1,2–1,6% меди по весу.

Главная сульфидная руда — халькопирит (CuFeS₂), известный как медная пирит или желтая медная руда. Халькозит (Cu₂S) — еще один распространенный сульфид. Оксидные руды включают куприт (Cu₂O, красная медь) и карбонатные руды вроде малахита (Cu(OH)₂·CuCO₃) и азурита (Cu(OH)₂·2CuCO₃). Другие минералы — теннантит, борнонит, хризоколла и атакамит — также поставляют медь.

Переработка и аффинаж обычно используют серную кислоту, кислород, железо, кремнезем и органические реактивы, в зависимости от выбранного метода.

Производственный процесс

Извлечение меди варьируется по типу руды и желаемой чистоте. Процесс систематически удаляет немедные материалы и концентрирует медь через физические и химические шаги, проводимые как на месте, так и на специализированных объектах.

Добыча

• Крупные открытые карьеры используют бурение и взрывные работы. Удаление несущей породы раскрывает рудные залежи, создавая карьеры, превышающие милю в поперечнике. Дороги, уложенные в карьер, обеспечивают доступ для тяжелой техники.
• Экскаваторы, каждый способный на 500–900 кубических футов (15–25 м³) за ковш, загружают руду в самосвалы для вывозки из карьера.

Обогащение

Сырая руда содержит грязь, глину и немедные минералы. Первый шаг — сократить эти отходы через флотацию.

• Руду дробят серией конусных дробилок, сжимающих её между вращающимися внутренними и внешними конусами.
• Дробленный материал дальше помалывают в стержневых и двух шаровых мельницах, производя слизь с частицами около 0,01 дюйма (0,25 мм).
• Реагенты покрывают медные частицы; пенообразователь (сосновое масло или длинноцепочечный спирт) создает пузыри. Воздух подают снизу флотационных камер, заставляя медь прилипать к пузырям, поднимающимся на поверхность. Пену сдирают, воду сливают, и полученный концентрат содержит 25–35% меди со следами золота, серебра и других металлов. Хвосты — безрудные отходы — откладывают в осадочные пруды.

Плавка

После физической очистки концентрат подвергают плавке для удаления железа и серы. Традиционные печи используют две печи; современные заводы могут комбинировать стадии в один блок.

• В выносной печи концентрат и кремнеземный флюс нагревают обогащенным кислородом воздухом. Железо соединяется с флюсом, образуя шлак, который сдирают. Сера образует диоксид серы, отводимый и позже превращаемый в серную кислоту. Оставшаяся расплавленная шихта — около 60% меди — течет в конвертер.
• Конвертер добавляет больше флюса и дует кислород. Реакции удаляют остаточное железо и серу, производя бульбашистую медь ~99% чистоты. Шлак может перерабатываться обратно в выносную печь; диоксид серы обрабатывают в кислотном заводе.

Аффинаж

Бульбашистая медь все еще содержит примеси, препятствующие конечному использованию. Огневой аффинаж сначала окисляет остаточную серу и кислород. Натрия карбонат флюс удаляет следы мышьяка и сурьмы. Расплавленная медь, теперь ~99,5% чистая, отливают в крупные аноды для электроаффинажа.

• Каждый анод помещают в полимерно-бетонную ячейку с медным катодом напротив. Ячейка содержит кислый сульфат меди, и при прохождении тока медь растворяется с анода и осаждается на катоде.
• Через 9–15 дней катод — теперь 99,95–99,99% чистый — весит ~300 фунтов (136 кг).
• Полученный ил, богатый золотом, серебром, селеном и теллуром, собирают для извлечения благородных металлов.

Отливка

Аффинированную медь плавят и отливают в слитки, пластины, биллеты или прутки, адаптированные к конечному применению:

• Слитки: прямоугольные или трапецеидальные блоки для легирования.
• Пластины: 8 дюймов (20 см) толщиной плиты до 28 футов (8,5 м) длиной, прокаткиваемые в листы, полосы, фольгу.
• Биллеты: 8 дюймов (20 см) диаметром цилиндры, экструдируемые в трубы и трубопроводы.
• Прутки: ~0,5 дюйма (1,3 см) диаметром, отливают длинные и мотают в катушки, затем волочат в провод.

Контроль качества

Электрические приложения требуют ультра-низких уровней примесей. Медь аффинируют до почти абсолютной чистоты, и аналитическая выборка на каждом этапе обеспечивает своевременные корректировки процесса при необходимости.

Побочные продукты и отходы

Плавка дает серную кислоту, снижая выбросы печей. Извлечение золота, серебра и других благородных металлов из шлака и ила добавляет экономическую ценность.

Горные отходы — включая несущую породу, хвосты и шлак — могут содержать мышьяк, свинец и другие опасные вещества. В США EPA регулирует хранение и рекультивацию таких отходов. Управление миллиардами тонн материалов создает вызовы, но также предлагает возможности для восстановления полезных ресурсов.

Будущее

Спрос на медь — особенно в электрике и электронике — остается надежным. Текущие отраслевые тренды لصالحствуют энергоэффективным, низкоэмиссионным процессам и большему сокращению отходов. Однако строгие экологические нормативы и ограничения низкокачественных руд могут повышать затраты производства.

Переработка движет ростом: более половины американского производства меди исходит из переработанных источников. Медные отходы механической обработки составляют 55% переработанной меди, в то время как 45% приходят от конечных продуктов вроде проводки и радиаторов. По мере роста затрат на первичную добычу доля переработки ожидается к росту.