Charakterystyka technologii produkcji miedzi i aluminium

Oprócz stopów żelaza poważne zastosowanie w przemyśle i całej gospodarce znajdują metale nieżelazne i ich stopy. Ze względu na ich własności trudno je zastąpić innymi tworzywami konstrukcyjnymi. Szczególne zastosowanie znajdują w przemyśle maszynowym, chemicznym, precyzyjnym, elektrotechnicznym i elektronice i w wielu zastosowaniach specjalnych.
Jednak w przyrodzie, z wyjątkiem aluminium, spotyka je w niewielkich ilościach, w porównaniu z żelazem. W Polsce z wyjątkiem cynku, ołowiu
i miedzi, metale niezależne uważane są za deficytowe, gdyż występują na naszym terenie w stop niewystarczającym na pokrycie istniejącego na nie zapotrzebowania. W zastosowaniach technicznych zaleca się zatem daleko idącą ich oszczędność.

MIEDŹ

Miedź (Cu) jest metalem barwy czerwonej o gęstości 8,9 , temperaturze topnienia 1356 K (1083C). Jest niezbyt twarda (25 - 50 HB), doskonale ciągliwa i kowalna, tak że nawet w stanie zimnym daje się kuć
i walcować nawet na zimno. Odznacza się ponadto - po srebrze - najlepszą przewodnością cieplną i elektryczną oraz dobrą wytrzymałością na rozciąganie. Rm =200 - 250 MPa. Miedź jest dość odporna na wpływy atmosferyczne, jednak w wilgotnym powietrzu powoli pokrywa się
z zielonym nalotem (patyną), który chroni ją przed dalszą korozją. Łatwo utlenia się w wodzie.
W przyrodzie występuje głównie w postaci rud siarczkowych i tlenowych, rzadziej w stanie wolnym. Do najczęściej występujących należą: chalkopiryt, chalkozyn, bornit, kupryt, malachit azuryt:
Chalkopiryt o barwie spiżowożółtej i metalicznym połysku, zawiera około 20% miedzi, i jak na metale kolorowe jest dość rozpowszechniony.
Chalkozyn o barwie ciemnoszarej, zawierający do 75% Cu, występuje rzadziej.
Bornit zawierający do około 62% Cu. Występuje w niewielkich ilościach w Polsce.
Kupryt jest tlenkiem o barwie czerwonej, zawierającym 88% Cu.
Malachit o bardzo ładnej szmaragdowej barwie i ładnym rysunku, używany jest do wykładania ścian oraz kolumn (muzea, świątynie) i płyt do stolików.
Azuryt o lazurowoniebieskiej barwie, posiada podobne zastosowanie jak malachit.
Rudy o wyższej zawartości miedzi spotyka się niestety rzadko. Najczęściej spotykane rudy zawierają przeciętnie 0,5-1% Cu, nie przekraczając 6%.
W Polsce na dobre produkcja miedzi rozwija się od 1950 r. dzięki rozpoczęciu eksploatacji legnicko-głogowskiego zagłębia miedziowego.
Jeżeli surowcem do wyrobu miedzi jest miedź w stanie rodzimym, wtedy proces jej otrzymywania polega na stopieniu, i rafinacji i odlaniu. W praktyce jednak otrzymuje się miedź z rud. Ubogie siarczki miedziowe wzbogaca się przez flotację uzyskując w ten sposób koncentraty o zawartości miedzi 15?30%. Koncentraty poddawane są następnie prażeniu, podczas którego następuje ich utlenianie.


Częściowo wyprażony materiał przetapia się w strefie redukcyjnej
w piecu szybowym, płomieniowym lub elektrycznym. W wyniku tego procesu, otrzymuje się tzw. kamień miedziowy o zawartości 30-45% Cu, będący mieszaniną siarczków miedzi (Cu2S) i żelaza (FeS) oraz innych zanieczyszczeń. Po usunięciu siarczków żelaza powstaje w trakcie dalszego świeżenia tlenek miedziowy Cu2O, który reaguje z siarczkiem miedziowym Cu2S dając w wyniku miedź surową.



Otrzymaną miedź surową, zwaną czarną lub konwertorowi odlewa się
w bloki w tzw. płyty anodowe. Jest ona jednak zanieczyszczona domieszkami w ilości 1-2%.
Dalsze oczyszczanie polega na tzw. rafinacji metodą ogniowi lub elektrolityczną. W procesie rafinacji wypalają się domieszki takie jak ołów, arsen, antymon oraz następuje łączenie się żelaza i niklu z krzemionką. Po zakończonym procesie rafinacji rozlewa się miedź do form. Otrzymane wlewki przerabia się na pręty lub blachy, bądź też wykorzystuje wprost. Przeznaczoną do dalszego oczyszczania, odlewa się w formie płyt, które są używane jako anody w procesie elektrolizy. Miedź po rafinacji ogniowej nosi nazwę hutniczej w odróżnieniu od elektrolitycznej, otrzymywanej drogą rafinacji elektrolitycznej.
Tlenowe rudy miedzi przerabia się natomiast metodą hydrometalurgii. Pierwszą operacją w tej metodzie jest ługowanie rudy, podczas którego miedź rozpuszcza się. Następnym zabiegiem jest wytrącanie miedzi z roztworu za pomocą żelaza. Żelazo przechodzi do roztworu w postaci siarczanu żelazowego, a miedź osadza się w postaci proszku zawierającego 80-90% Cu. Taką miedź przerabia się dalej w konwertorach i rafinuje podobnie jak
w przypadku rud siarczkowych.
Różne gatunki miedzi otrzymane czy to metodą rafinacji elektrolitycznej czy ogniowej w postaci wlewków płaskich i okrągłych oraz gąsek przeznaczonych do przeróbki plastycznej podaje norma PN-66/H-82120.


Zastosowanie i sposoby obróbki miedzi


Ze względu na dobrą przewodność elektryczną, miedź ma duże zastosowanie w przemyśle elektrotechnicznym np. do wyrobu drutów na przewodniki, kable, szyny, do przewodzenia prądu elektrycznego do kontaktów, części maszyn elektrycznych itp. Używa się jej również do wyrobu lutownic oraz do celów zdobniczych. Obszerne zastosowanie znajduje miedź w galwanostegii i galwanoplastyce. Stosuje się ją bowiem do miedziowania przedmiotów stalowych, cynkowych, aluminiowych, cynowych. Miedziować można zarówno przez zanurzenie, jak też metodą elektrolityczną.
Poza tym miedź jest podstawowym składnikiem wielu stopów technicznych, używa się jej w przemyśle wojennym, drukarstwie, do pokrywania dachów zabytkowych budowli.
Obróbka mechaniczna miedzi jest dość utrudniona z racji jej małej twardości i dużej ciągliwości. Przykleja się bowiem do narzędzia. Miedź wykazuje dużą odporność na korozję, byle środowisko nie zawierało utleniaczy. Bardzo dobrym rozpuszczalnikiem miedzi jest kwas azotowy, szczególnie
w postaci stężonej. Działają silnie na miedź: chlor, chlorek glinu, chlorek amonu, kwas siarkowy w podwyższonej temperaturze i siarkowodór.
Łączenie miedzi może odbywać się na gorąco pod młotem, przez posypywanie łączonej powierzchni boraksem.


ALUMINIUM

Aluminium (Al) PN-64/H-88025 - jest metalem o barwi srebrzystobiałej, gęstości 2,7 t/m3, temperaturze topnienia 933 K. Jest odporne na działanie słabych kwasów i na wpływy atmosferyczne. Posiada dużą przewodność elektryczną i cieplną, jest kowalne i daje się odlewać. Wytrzymałość na rozciąganie w sta nie lanym Rm=90-120 MPa, kutym i żarzonym Rm=70-110 MPa, zaś twardość 15-24 HB. Wydłużenie aluminium lanego (a10) 18-25% - zaś kutego i żarzonego 30-45%.
Aluminium jest najpowszechniej występującym metalem przyrodzie (około 7%) jako składnik prawie wszystkich pospolitych minerałów
z wyjątkiem piasku i wapnia.


Otrzymywanie aluminium

Aluminium otrzymuje się najczęściej z rudy zwanej boksy (Al2O3), która zawiera do 60% wodorotlenku glinu Al(OH)3 oraz takie domieszki jak tlenki siarki (SiO2), wapnia CaO i żelaza (Fe2O3). Podejmowane są próby otrzymywania aluminium z siarczków oraz różnych gatunków gliny, które znajdują się w skorupie ziemskiej w bardzo dużych ilościach. W Polsce ostatnio opracowana została metoda otrzymywania aluminium z tlenku glinu, co znacznie zmniejsza koszty produkcji tego metalu (metoda J. Bretsznajdra). Inna, opracowana również w kraju, metoda otrzymywania aluminium z glin
i iłów zwana metodą spiekowo-rozpadową (metoda I. Grzymka).
Na proces otrzymywania aluminium składa się: wytwarzanie czystego tlenku glinu oraz elektroliza stopionego tlenku glinu przy użyciu krolitu jako rozpuszczalnika. Czysty tlenek glinu można otrzymywać wieloma metodami. Najczęściej stosuje się sposób Boyera, polegający na oddziaływaniu związkami alkalicznymi na rudę boksytową. W wyniku reakcji tworzy się glinian sodu, a z niego wodorotlenek glinu. Po wyprażeniu wodorotlenku, otrzymuje się czysty tlenek glinu. Tlenek glinu jest produktem wyjściowym do produkcji aluminium metodą elektrolizy.
Elektrolizę przeprowadza się w elektrolizerach, które zbudowane są
w postaci metalowych wanien wyłożonych materiałem izolacyjnym i ubitą masą węglową, która stanowi katodę. Nad wanną natomiast zawiesza się kilkanaście elektrod, które stanowią anody. W wyniku elektrolizy otrzymuje się tzw. aluminium hutnicze o zawartości 99-99,6% Al. Tak otrzymane aluminium stosuje się jako surowiec na odlewy oraz stopy aluminiowe. Zanieczyszczenie usuwa się z aluminium metodą rafinacji elektrycznej.


Rysunek 1. Proces otrzymywania aluminium.
Hutnicze i rafinowane aluminium należy do metali bardzo plastycznych, dających się łatwo przerobić nie tylko na gorąco, ale i na zimno przez walcowanie, prasowanie czy tłoczenie. Jako półprodukt stosowane jest aluminium w postaci wlewków.
Według PN-64/H-88025 aluminium technicznie czyste dzieli się na:
- aluminium rafinowane o czystości 99,9-99,99%, oznaczone symbolem A1 i liczbą oznaczającą procentową zawartość aluminium oraz cechą AR, stosowane na aparaturę techniczną;
- aluminium hutnicze o czystości 99,0-99,7%, znakowane jak rafinowane z tym, że cechę AR zastępuje A; przeznaczenie - na folie, kable, przewody, naczynia kuchenne i na wyroby codziennego użytku.



Literatura: - Z. Handzel-Powierża, L. Powierża – „Materiałoznawstwo dla metalowców”