Zpracování mědi – od minerálu až po kabel

Měď je nejzákladnějším materiálem v elektrotechnice. Vyjma drahých kovů se jedná o nejúčinnější vodič elektrické energie. Tento článek objasní cestu mědi od jejího získání, přes úpravu pro elektrotechnické účely, až po výrobu měděného drátu, který je dodáván do kabeloven.

Měď v elektrotechnice používaná pro elektrovodné účely má čistotu 99,90-99,99 %. Již malé množství cizích prvků výrazně zhoršuje její vodivost.

Vysoce čistá měď má měrnou vodivost 58 Sm/mm² (což odpovídá měrnému odporu ρ = 1,724 x (10 na -8) Ωm) a obsahuje do 0,05 % cizích prvků, přičemž nejvíce je zastoupen O2. Je-li obsah kyslíku výrazně potlačen (pod 0.02 %), mluvíme o bezkyslíkaté mědi.

Zdroje a způsob získání mědi

Měď se v ryzí podobě vyskytuje v přírodě velmi vzácně a je také v horninách velmi rozptýlená. Zato existuje více minerálů, které prvek Cu obsahují a naleziště některých z nich jsou dosti vydatná. Tyto minerály jsou základem měďnatých rud:

  • sirníkových – mědinosný Pyrit FeS2 , Chalkopyrit CuFeS2 , Chalkozin Cu2S
  • kysličníkových – Kuprit Cu2O , Malachit Cu2(OH)2CO3 , Azurit Cu3(OH.CO3)2

Větší význam mají rudy sirníkové, jejichž výskyt je častější. Z nich se získává měď nejdříve hutnicky, po tomto náročném a rozhodujícím procesu je čistota mědi, vyjádřená procentuálním zastoupením prvku Cu v hodnoceném produktu, 97% až 99%. Poněvadž pro výrobu vodičů musí být měď ještě čistější, následuje elektrolytická rafinace.

Hutnická tj. první část výroby mědi je založena na žárových nebo hydrometalurgických (mokrých) pochodech. Častější jsou pochody žárové. Jsou-li vstupní surovinou sirníkové rudy, které jsou mimochodem dosti bohaté na železo, prochází výroba těmito třemi fázemi:

  • pražením
  • tavením
  • besemerováním.

Pražení odstraní co nejvíce síry a získá koncentrát bohatší na měď (cca 20 %).

Tavením koncentrátu, k němuž se přidává SiO2 ve formě křemičitého písku, a které probíhá při teplotě 1.400 °C, se získá tzv.měděný kamínek (30-40 % Cu), což je směs vytvořená hlavně ze sirníků Cu2S a FeS. Z ní se měď získá teprve v následujícím, tedy třetím výrobním kroku.

měď5

Podstata funkce měďařského konvertoru. Zdroj: ČVUT FEL

Besemerování probíhá v upravených besemeračních tzv. měďařských konvertorech. Jedná se o válcové nádoby s otevřeným hrdlem, do nich se nalévá roztavený měděný kamínek, do kterého se tryskami vhání vzduch. V průběhu procesu se přidává další kamínek a křemičitý písek. V konvertoru dochází k následujícím významným chemickým reakcím. Především se FeS zčásti mění na FeO, zčásti přechází do strusky, podobně jako FeO, který se váže na křemičitan. Dále dochází k částečné oxidaci sulfidu Cu2S na oxid, který pak v následné reakci se zbylým sulfidem vytváří surovou tzv.černou měď. Uvedené reakce vystihují tyto rovnice:

měď4Surová měď mající čistotu 97-99 % obsahuje prvky, mezi nimiž zastávají důležité místo hlavně síra a kyslík. Ty prvky, které mají větší afinitu vůči kyslíku než vůči mědi lze odstranit oxidačním žíháním. Vzniklé oxidy odcházejí přitom jako plyny nebo vytvářejí strusku. Po jejím odstranění se provádí dezoxidace lázně např. dřevěným uhlím. Struska obsahuje 30-50 % Cu, nejedná se tedy o odpad, ale o vhodnou surovinu, která se vrací do výrobního procesu. Po této žárové rafinaci má měď čistotu min. 99,7 % a je vhodná pro výrobu měděných předmětů. Pro elektrotechniku je potřeba ji ještě elektrolyticky rafinovat.

Výroba vstupního měděného drátu pro kabelovny

Výroba Cu drátu metodou SCR

Do kabeloven vstupuje měď ve formě drátu o průměru 8-15 mm, který je stočen do svitků o hmotnosti až 5 t. Tento drát se získá roztavením katodových desek a následným odléváním a tvářením za tepla. V současné době je výroba u velkých světových producentů prováděna kontinuálně, tzn. je získáván měděný „nekonečně“ dlouhý odlitek, který je okamžitě, ještě ve žhavém stavu, přetvářen na drát vhodného průměru. Tuto technologii nastartoval již v roce 1947 Ital Ilario Properzi svým vynálezem, jehož podstatou je vlévání tekutého kovu do drážky velkého otáčejícího se kola.

Patentovaná konstrukce odlévacího stroje Il.Properziho. Zdroj: ČVUT FEL

Patentovaná konstrukce odlévacího stroje Il.Properziho. Zdroj: ČVUT FEL

Během asi poloviny otáčky kapalina solidifikuje a vychází z kola jako rozžhavená ale mechanicky přijatelně soudržná tyč. Tato technologie byla převzata a upravena americkými firmami Southwire a Western Electric a dnes je známa pod označením SCR (Southwire Continuous Rod). Firmy využívající tuto technologii zabírají jeden z největších podílů světové výroby vstupního měděného drátu (kontidrátu) pro kabelovny.

Princip odlévání „nekonečné“ kovové tyče metodou SCR. Zdroj: ČVUT FEL

Princip odlévání „nekonečné“ kovové tyče metodou SCR. Zdroj: ČVUT FEL

Metoda Contirod

V souladu s faktem, že každý výrobek i každá výrobní metoda mohou být upraveny a zlepšeny, se firmám MHO (Metalurgie Hoboken Overpelt) a Krupp podařilo odstranit nevýhodu metody SCR – totiž velký ohyb kovové tyče vycházející z licího kola před vstupem do tvářecích válců linky. Při metodě Contirod je tekutý kov vléván do lineárního úseku dutiny, kterou tvoří boční čela a dva běžící ocelové pásy, uzavírající dutinu zdola a seshora.Tento lineární úsek má vůči vodorovné rovině sklon pouze 15°, takže vycházející tyč nemusí být příliš prohýbaná. Z tohoto důvodu může být licí průřez větší. Také se pracuje s nižší licí teplotou, která je jen o cca 10 °C vyšší než je teplota tavení mědi. Další zpracování kovové tyče, tzn. odhraňování, čištění, válcování atd. je v podstatě stejné jako u předcházející metody.

Výroba Cu prutu metodou Contirod. Zdroj: ČVUT FEL

Výroba Cu prutu metodou Contirod. Zdroj: ČVUT FEL

Kromě dvou uvedených metod zpracování čistých katodových desek jsou známé ještě metody další. Jejich význam ovšem, pokud jde o rozsah výroby Cu kontidrátu na nich založené, nedosahuje zatím významu metod SCR a Contirod.

Zdroj: ČVUT FEL

Autor:



Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *