Свойства меди и бе применение

Медь очень хорошо проводит электричество и тепло. Удель­ное сопротивление меди равно 0,018 Ом • мм²/м, а тепло­проводность при 20 °С составляет 385 Вт/(м • К). По электропроводности медь лишь немного уступает серебру. Ее электропроводность в 1,7 раза выше, чем у алюминия, и примерно в 6 раз выше, чем у платины и железа. Медь обла­дает ценными механическими свойствами— ковкостью и тягу­честью.

В присутствии воздуха, влаги и сернистого газа медь постепенно покрывается плотной зеленовато-серой пленкой основной серно-кислой соли, предохраняющей металл от дальнейшего окисления. Поэтому медь и ее сплавы находят широкое применение при строительстве линий электропередач и устройстве различного вида связи, в электромашинострое­нии и приборостроении, в холодильной технике (производст­во теплообменников охлаждающих устройств) и химическом машиностроении (изготовление вакуум-аппаратов, змееви­ков). Около 50% всей меди расходует электропромышлен­ность. На основе меди создано большое число сплавов с такими металлами, как Zn, Sn, Al, Be, Ni, Mn, Pb, Ti, Ag, Au и др., и реже с неметаллами Р, S, О и др. Область при­менения этих сплавов очень обширна. Многие из них обла­дают высокими антифрикционными свойствами. Сплавы приме­няют в литом и кованом состоянии, а также в виде изделий из порошка.

Например, широко применяют сплавы типа оловянных (4— 33 % Sn), свинцовых (~ 30 % Pb), алюминиевых (5-11 % Al), кремниевых (4-5 % Si) и сурьмяных бронз. Бронзы применяют для изготовления подшипников, теплообменников и других изделий в виде листа, прутков и труб в химической, бумаж­ной и пищевой промышленности.

Сплавы меди с хромом и порошковый сплав с вольфрамом идут на изготовление электродов и электроконтактов.

В химической промышленности и машиностроении также ши­роко применяют латунь — сплав меди с цинком (до 50 % Zn), обычно с добавками небольших количеств других элементов (Al, Si, Ni, Mn). Сплавы меди с фосфором (6-8 %) исполь­зуют в качестве припоев.

§2. СЫРЬЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДИ

Для получения меди применяют медные руды, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах содержится 1—6% меди. Горную породу, содержащую меньше 0,5% Си, не перерабатывают, так как при современном уровне техники извлечение из нее

меди нерентабельно.

В рудах медь обычно находится в виде сернистых соеди­нений (медный колчедан или халькопирит CuFeS₂, халькозин Cu₂S, ковелин CuS), окислов (куприт Cu₂0, тенорит CuO) или гидрокарбонатов [малахит СиСО_э • Си(ОН)₂, азурит 2СиС0₃ • Cu(OH)₂].

Пустая порода руд состоит из пирита FeS₂, кварца Si0₂, карбонатов магния и кальция (MgC0₃ и СаСО_э), а также из различных силикатов, содержащих Al₂0₃, CaO, MgO и оксиды железа наряду с Si0₂.

Руды разделяют на сульфидные, окисленные и смешанные. Сульфидные руды обычно бывают первичного происхождения, а окисленные руды образовались в результате окисления мине­ралов сульфидных руд. В сульфидных рудах медь находится в виде сернистых соединений, в этих рудах всегда много пи­рита FeS₂. Окисленные руды состоят главным образом из ок­сидов.

Сульфидные руды содержат обычно 1—6% Си, 8—40% Fe, 9-46% S, 1-6% Zn, 5-55% Si0₂, 2-12% А1₂О_э, 0,3-4% CaO, 0,3—1,5 % MgO, а в окислительных рудах обычно нахо­дится около 2% Си, около 1% Fe, 0,1-0,2% S, 60-68% Si0₂, 10-16% A1₂0₃, 0,3-0,7% CaO и 0,3-0,7% MgO. В не­больших количествах встречаются так называемые самородные руды, в которых медь находится в свободном виде.

Нередко руды являются комплексными, т.е. они содержат заметные количества других металлов: цинка, свинца, нике­ля, золота, серебра, селена, таллия и др.

§ 3. ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА МЕДИ

Известны два способа извлечения меди из руд и концентра­тов: гидрометаллургический и пирометаллургический.

Первый из них не нашел широкого применения. Его ис­пользуют при переработке бедных окисленных и самородных

руд. Этот способ в отличие от пирометаллургического не позвляет извлекать попутно с медью драгоценные металлы.

Большую часть меди (85—90%) производят пирометаллур­гический способом из сульфидных руд. Одновременно решает­ся задача извлечения из руд помимо меди других ценных сопутствующих металлов. Пирометаллургический способ про­изводства меди является многостадийным. Основные стадии этого производства: подготовка руд (обогащение и иногда дополнительно обжиг), плавка на штейн (выплавка медного штейна), конвертирование штейна с получением черновой ме­ди, рафинирование черновой меди (сначала огневое, а затем электролитическое).

. 1. Подготовка медных руд к плавке

Сульфидные медные руды обогащают преимущественно методом пенной флотации (см. часть 1, § 5, гл. 1). Предварительно руду измельчают до частиц крупностью 0,1—0,5 мм. После флотации получают медный концентрат, содержащий 8—35 % Си, 40—50 % S, 30—35 % Fe и пустую породу, главными сос­тавляющими которой являются Si0₂, Al₂0₃ и СаО. Медь в концентрате находится в виде сернистых соединений, желе­зо — в основном в виде пирита FeS₂. Концентрат содержит 8-10% влаги.

Обжиг медных концентратов. Большую часть концентратов (богатые концентраты, содержащие 25—35 % Си) переплавляют на штейн без обжига, а незначительную часть (бедные кон­центраты, содержащие 10—25 % Си) предварительно подвер­гают обжигу. Основная цель обжига — частичное окисление содержащихся в концентрате серы и железа с тем, чтобы в последующем обеспечивалось получение штейна с достаточно высоким (~ 25—30 %) содержанием меди.

Обжиг осуществляют преимущественно в печах кипящего слоя (см. далее рис. 243). Печь представляет собой футе­рованную шамотным кирпичом вертикальную шахту высотой до 9 м со сводом и подом, в котором расположены сопла (30—50 сопел на 1 м² площади пода), через которые в печь снизу вдувают воздух, иногда обогащенный кислородом. Над подом печи имеется окно, через которое непрерывно загружают шихту, а с противоположной стороны печи — отверстие для непрерывной выгрузки продукта плавки (огарка). Загружае-

мая в печь шихта 'состоит из медного концентрата, флюсов (измельченных известняка и кварцита) и оборотной пыли. Расход воздуха поддерживают таким, чтобы зерна загружае­мой шихты находились во взвешенном состоянии, совершая в потоке воздуха непрерывное возвратно-поступательное дви­жение (движение, похожее на кипение жидкости).

В процессе обжига происходят: нагрев шихты; термичес­кая диссоциация высших сульфидов (FeS₂ — *■ FeS + l/2S₂ и 2CuS —*- CujS + l/2S₂); окисление образующихся паров серы до S0₂ с выделением тепла; горение сульфида железа 2FeS + + 3,50₂ = Fe₂0₃ + 2S0₂ с выделением тепла. Этого тепла с избытком хватает для требуемого нагрева шихты (700— 850 °С). Температура в печи не должна превышать 850 °С во избежание спекания шихты; чтобы избежать перегрева, в шихту вводят флюсы, иногда в печь вдувают воду или в ки­пящий слой вводят трубчатые холодильники.

Продукт обжига -- огарок состоит из низших сульфидов Cu₂S и FeS и различных оксидов. Отходящие из печи газы, содержащие 7—13% S0₂, используют для производства серной кислоты. Чтобы уменьшить вынос мелкой шихты отходящими газами, иногда перед обжигом медный концентрат подвергают окомкованию. Широко распространенный в прошлом обжиг мед­ных концентратов в многоподовых печах с механическим пе-регребанием материалов применяется в настоящее время редко.

2. Плавка на штейн

Медный штейн состоит в основном из сульфидов меди и желе­за (Cu₂S + FeS = 80—90 %) и других сульфидов, а также оксидов железа, кремния, алюминия и кальция. Плавку на штейн или выплавку штейна осуществляют для того, чтобы путем расплавления шихты получить два жидких продукта -штейн и шлак и тем самым отделить медь, переходящую в штейн от оксидов шихты, которые образуют шлак. Выплавку штейна производят несколькими способами: в отражательных, шахтных и электродуговых печах и автогенными процессами.

Плавка в отражательных печах

Плавка в отражательных печах— наиболее распространенный процесс получения медного штейна.

Отражательные или пламенные печи делают длиной 30-40, шириной 8—10, высотой от пода до свода 3,5-4,5 м (рис. 237). Под печи, опирающийся на фундамент, выполняют из динасового кирпича либо путем наварки из кварцевого песка, толщина пода составляет 0,6—1,5 м. Стены выклады­вают из магнезитохромитового или магнезитового кирпича. Свод печи делают арочным из динасового кирпича, распорно-подвесным в форме арки или подвесным, который может быть плоским или трапециевидной формы (два последних свода — из магнезитохромитового кирпича). На рис. 237 показана печь с подвесным сводом трапециевидной формы. Для выпуска штейна служат шпуры периодического действия, которые после окончания выпуска закрывают глиняной пробкой; иног­да для выпуска штейна предусматривают сифонные устрой­ства.

Для выпуска шлака служат шлаковые окна в конце печи. Высота расположения порога шлакового окна определяет вы­соту слоя расплава в печи; она равна 0,8—1,2 м, в том числе высота слоя штейна 0,4—0,6 м.

Отапливают печь природным газом, мазутом или угольной пылью. Горелки или форсунки обычно располагают в один ряд в передней торцовой стенке. Воздух, подаваемый для горе­ния, нагревают до 200—400 °С и обогащают кислородом до 28-30%. Газообразные продукты сгорания проходят до зад­ней стенки и через газоход уходят в боров. Температура газов на небольшом расстоянии от передней стенки достига­ет 1550-1600 °С, а в хвостовой части снижается до 1250—1300 °С. Шихту загружают через несколько отверстий в своде печи, расположенных близ боковых стен по длине печи.

Плавка. Как отмечалось, основную часть штейна выплав­ляют из сырых (необожженных) концентратов. В шихту при этом вводят немного флюсов—известняка и кварца. Загружае­мая шихта ложится (рис.238) откосами вдоль стен (при плавке огарка она растекается по поверхности шлака). Ших­та и поверхность жидкой ванны нагреваются факелом, обра­зующимся при сгорании топлива.

По мере нагрева шихта плавится и стекает с откосов в слой шлакового расплава, где протекает разделение штейно-вой и шлаковой фаз — капли штейна опускаются через слой шлака. Происходит это поскольку штейн и шлак нерастворимы

 

45-3810

WW Я

-J

о о*

Рис. 237. Отражательная печь с подвесным сводом: 1 — фундамент, 2 — под; 3 — запасный шпур; 4 — загрузочные отверстия; 5 — шлаковое окно; 6 — шпуры; 7 - свод; 8 - стена; 9 -окна для горелок

 

I Е я«и я в •к< S о н 43 В) в> н а

о а н и о -?» Я

* 2 gg И^ft 2 (С а о Q *< ") а 2 * § я я Й ю о S 0\ ев О J=l s< я

о 8 ё ■ ■в fi" з=«8 х я -s о «со» Я g х «S л --W. s "о з; в ж 5 я ° Я со * я >-< н «3 а я и а Я Я ^а

О а ю те ~ II га

+ S •ч я « О

(в eg

"^ 8 I 3?

и со s: ^ В) _» 00

X о я« я В) S X В) оо о I о

/•8 О

СИ

1=1 ss ■я Я "оо

ю о I W о га

s?a

оо в ° I га$а

о о н Е а 2 х я< в= X X

о

Х N

I ^я

Я

Ы s со

а 8*

о i

- Е

Ра >

*Ч се СИ

|?! О

°5

OS

S

CO

гЗ

я S

> > О

s >

о а

п> чз

S н

о

о

О Н

V я

"(Л *

«!

с»

"в С ft а О

X со

Ю о

Ео а

? я S Е

я

б

я

S

£ -™-

СО (j

О

5 ^а

S о

н

я о о

Я

S о

° 7

«а CD

я о •о о б

о о н X б-¹

 

о яд

я ^u и я Е °

Л Н

S⁴ О Я СО «. |м

ни >8"

х S £ З⁴ со

И д я о (»

Е о ж 2 о Я

И 2 Й,2 Я

* 8 Q "S Е Р

ё я а со со н о X

В) ^W S r> as

Pa n s о я " a «

со у

X s В> "

Я я«a

 

>>» х S

f + я^ ^ю

сп#'

«о Э 9 Е й "» "ил- 5 2

If-StS 8

II СЛ i ■ I

о ез а

я я g

ssii.

G со О

Э - я о

со я s я

*Ч в О

Я Я ю

со X ^ ж

Со н ег

о Й 4S 5

х, со чз ь

в> Е м I 1 ^Л Е S. «о » я я я тз я

X Я я л со о а я я я й S 8 я р

•а Я' я ^Л . В> В) 1 8 S й а В 11 ° я» N я ю § со в< Я

2 Я

Ов

а» Е X я я x И)

-3*8 5 "

м

В!

X •^- В) ft X

а ч со

"f ^я X й

S о нЭ* ^ю

Й е я a

w 2 о S

я и н

О й ft

» 7 -sS

В) р

я Я 1-

•SSfl ² о 27

55 я OS

Е 1

Со Я Я

a

Ft 2

Я "

Е •» a

с я Я a

В1 О

н О я

'f 3

I on ы

"^Е

^> й G я<

Х

3 в

I

о

S

U

В)

S со н

X

о

3 v ь>

I

II

I ^ш

I

I I

I

 

 

 

Извлечение меди и благородных металлов в штейн достигает 96-99,5 %. Количество шлака составляет примерно 1,1— 1,5 т/т штейна. Недостатки процесса — необходимость рас­ходования топлива и то, что не используется теплотворная способность сульфидов.

Плавка в электрических руднагермических печах

Плавка в руднотермических печах является близким аналогом отражательной плавки. Выплавку медного штейна ведут в прямоугольных закрытых сводом электрических печах с тремя или шестью расположенными в линию угольными электродами, концы электродов погружены в шлак. Шихту загружают в печь через отверстие в своде вблизи электродов. Тепло, необхо­димое для плавления шихты выделяется при прохождении тока от электродов через шлаковый расплав, толщину слоя шлака в печи поддерживают в пределах 1,4—1,8 м.

Процесс в руднотермической печи аналогичен процессу в отражательной печи— происходит плавление шихты и разде­ление расплава на штейн и шлак. Химизм электрической и отражательной плавок полностью сходен. Штейн и шлак вы­пускают из печи периодически через шпуры. Расход электро­энергии изменяется от 380 до 600 кВт • ч/т шихты. Сущест­венным недостатком процесса, как и процесса отражательной плавки, является необходимость постороннего источника тепловой энергии, и то, что не используется теплотворная способность сульфидов шихты (тепло, которое могло бы быть получено при их сжигании в печи).

Плавка в шахтных печах

Шахтная печь имеет вытянутое по вертикали рабочее прост­ранство. При плавке загружаемые сверху шихтовые материалы опускаются вниз, а им навстречу движутся горячие газы, образующиеся внизу у фурм, где происходит горецие сульфи­дов шихты и топлива (кокса) и где плавится шихта, разде­ляющаяся затем на штейн и шлак. Для обеспечения газопро­ницаемости столба шихты необходимо применять кусковые материалы Крупностью 20-100 мм, поэтому мелкие концентра­ты и руды предварительно подвергают брикетированию или агломерации.

Известны четыре разновидности шахтной плавки: восста­новительная, пиритная, полупиритная и медно-серная. В

восстановительной плавке, применявшейся для переработки окисленных руд, тепло для плавления шихты получалось за счет сжигания кокса. В пиритной плавке необходимое тепло выделялось при сгорании в печи сульфидов шихты; руда для такого процесса должна содержать не менее 75 % пирита FeS₂. В настоящее время применяют две разновидности про­цесса: медно-серную и полупиритную плавку, при которых тепло лолучается как от горения в печи сульфидов шихты, так и топлива (кокса).

Медно-серная плавка. Ее особенностью является то, что помимо штейна в качестве продукта получают элементарную серу, выделяемую из отходящих газов. В качестве шихты применяют кусковые высокосернистые руды и высокосернистые окускованные концентраты.

Шахтная печь для медно-серной плавки показана на рис. 239. В поперечном (горизонтальном) сечении печь имеет прямоугольную форму. Нижнюю часть шахты (ее стены) собирают из плоских полых водоохлаждаемых коробок— кес-

Рис. 239. Шахтная печь для медно-серной плавки:

/ - фурмы; 2 - кессоны; 3 - газоотвод; 4 - загрузочное устройство; 5 -газоотводящие отверстия; 6 — желоб

 

сонов. На внутренней стороне кессонов нарастает слой застывшего шлака (гарнисаж), который работает как футе­ровка. Кессонированная часть шахты сделана сужающейся книзу. В нижней ее части установлены фурмы для подачи воздуха, а ниже фурм имеется желоб с порогом для выпуска штейна и шлака.

Верхнюю часть печи выкладывают из шамота и для герме­тизации заключают в железный кожух. В своде шахты печи находятся двухконусные загрузочные устройства, подобные засыпному аппарату доменной печи (см. часть I учебника). Они обеспечивают герметизацию рабочего пространства печи в процессе загрузки шихты; при загрузке очередной порции шихты вначале опускают верхний конус при поднятом нижнем, а затем опускают нижний конус при поднятом верхнем. Это исключает попадание в печь воздуха и тем самым предотвра­щает окисление паров серы в отходящих из печи газах. Газы отводят через отверстия (рис. 239, 5) в продольной стенке и газоход.

Штейн и шлак выпускают из печи через желоб непрерывно в отстойный горн (на рис. 239 не показан). Он представ­ляет собой футерованное внутри железное корыто с двумя—четырьмя шпурами для периодического выпуска штейна и желобами для непрерывного удаления шлака.

Шихта медно-серной плавки состоит из высокосерных окускованных концентратов и кусковых медных руд, флюсов (известняка и кварца) и 10-12% мелкого кокса. Через фур­мы вдувают воздух, иногда с добавкой кислорода, расход дутья такой, чтобы весь кислород расходовался в нижней части печи.

В нижней части шахты при медно-серной плавке форми­руется окислительная зона (среда), а в верхней — восста­новительная. В окислительной зоне, где есть кислород пос­тупающий из фурм дутья, происходит горение кокса (С + 0₂ = С0₂) и сернистого железа (2FeS + 30₂= 2FeCT+ + 2S0₂) с выделением тепла, благодаря чему температура в зоне составляет 1000-1100 °С, а у фурм достигает 1500 °С. При таких температурах плавятся сульфиды и остальная ших­та с образованием штейна и шлака. По мере их выпуска из печи шихта опускается навстречу -потоку горячих газов.

В поднимающихся газах кислород постепенно расходуется на перечисленные реакции горения и вверху формируется

восстановительная зона (зона без кислорода). Здесь проис­ходит восстановление SO_a и С0₂ углеродом:

2S0₂ + 2С = S_2(nap) + 2С0₂; С0₂ + С = 2СО.

Протекают также другие побочные процессы с образованием газообразных CS₂, COS, H₂S. Формирующийся из продуктов этих реакций колошниковый газ дополнительно обогащается в восстановительной зоне парами элементарной серы в резуль­тате термической диссоциации высших сульфидов CuS и FeS₂. Для сохранения серы в парообразном состоянии в процессе дальнейшей обработки газа температура газа на выходе из печи должна быть не менее 450-500 °С. Из газа сначала осаждают пыль, а затем из него извлекают серу (около 80% ее общего количества в газе).

В результате медно-серной плавки получают бедный штейн, содержащий 6-15 % меди. Чтобы повысить содержание меди этот штейн подвергают сократительной плавке. Плавку осуществляют в таких же шахтных печах. Штейн загружают кусками размером 30—100 мм вместе с кварцевым флюсом, известняком и коксом. Расход кокса составляет 7—8 % от массы шихты. При этом железо переходит в шлак, а содержа­ние меди в штейне повышается до 25—40 %. Несмотря на сложность такого двустадийного процесса он окупается за счет получения элементарной серы.

Полупиритная плавка схожа с медно-серной, но ее прово­дят без улавливания серы из отходящих газов. Шахтная печь для полупиритной плавки отличается от показанной на рис. 239 тем, что шахта по всей высоте выполнена из водо-охлаждаемых кессонов и верх печи не герметизирован, а шихту загружают через шторы (дверцы) в стенах расположен­ного над шахтой шатра (колошника), служащего для отвода газов. Шихтой служат кусковые концентраты и руды, извест­няк, кварц и 5-10% кокса. К шихте предъявляют менее жесткие требования, руда может содержать меньше серы (пи­рита) и больше пустой породы; в шихту вводят оборотные материалы (шлак, бедный штейн). Расход дутья поддерживают таким, чтобы по всей высоте печи была окислительная атмо­сфера (был избыток кислорода).

Содержание меди в штейне в зависимости от состава перерабатываемого сырья составляет 15—50%. Вся сера в отходящих газах находится в виде S0₂.

 

В последние годы начали применять дутье, обогащенное кислородом (до 28—30%), что вызывает улучшение показате­лей плавки; в частности снижается расход кокса.

Автогенные процессы

Дефицит энергетических ресурсов, неиспользование тепло­творной способности сульфидов шихты, необходимость расхо­дования дополнительного топлива при низком тепловом к.п.д. отражательной плавки и электроплавки, невозмож­ность выделения серы из отходящих газов вследствие ее низкого содержания в газах привели к тому, что начиная с 50-х годов начался постепенный переход к автогенным про­цессам выплавки штейна из медных сульфидных руд.

Автогенной называют плавку без затрат топлива, осу­ществляемую за счет тепла, получаемого при окислении сос­тавляющих шихты. При переплаве сульфидного сырья автоген-ность обеспечивается за счет сгорания сульфидов шихты. В последние годы в нашей стране и за рубежом разработаны, внедрены и внедряются ряд автогенных процессов переработ­ки сернистых медных руд. Сжигание сульфидов при этом мо­жет производиться в факеле или в расплаве.

Плавка в жидкой ванне (ПЖВ). Процесс плавки в жидкой ванне, разработанный А.В.Ванюковым, осуществляют в шахт­ной печи (рис. 240), стены которой выполнены из медных водоохлаждаемых плит, а под и свод из огнеупоров. Длина печи составляет 10-30, ширина 2,5-3 и высота 6—6,5 м. Фурмы для подачи дутья расположены в боковых стенах в ряд по всей длине печи на высоте 1,5—2 м от пода. Шихту заг­ружают через расположенные в своде воронки. Выпуск штейна и шлака происходит непрерывно и раздельно через сифоны, расположенные в противоположных торцах печи.

Процесс малочувствителен к качеству шихтовых материа­лов, можно переплавлять как кусковые руды крупностью до 50 мм, так и мелкие концентраты без их сушки. Дутьем слу­жит обогащенный кислородом воздух, для обеспечения авто-генности процесса содержание кислорода в дутье должно составлять 40-45% при влажности шихты 1-2% и 55-65% при влажности 6—8%.

Процесс ПЖВ непрерывный. Дутье, как это видно из рис.240, подают в объем расплава и в расплаве, что отли­чает этот процесс от других, происходит окисление сульфи-

Рис. 240. Схема устройства печи ПЖВ:

1 — шихта; 2 — дутье; 3 — штейн; 4 — шлак; 5 — газы; 6 — огнеупорная клад­ка; 7 — медные литые кессоны; 8 — фурмы; 9 — загрузочная воронка; 10 — шла­ковый сифон; И — штейновый сифон

дов за счет реагирования с кислородом дутья. Расплав в печи условно делится на две зоны: зону выше фурм, где идет интенсивный барботаж (перемешивание поднимающимися пузырями газа) и подфурменную, где расплав находится в относительно ^спокойном состоянии. В верхней (надфурмен-ной) зоне протекают процессы окисления сульфидов с выде­лением тепла, нагрева и плавления шихты за счет этого тепла, укрупнения мелкой сульфидной взвеси в шлаковом расплаве. Крупные капли сульфидов, как более тяжелые, движутся через слой шлака вниз, образуя на поду печи слой штейна.

В получаемом штейне содержание меди достигает 45—55%. Достоинством процесса является то, что его удельная производительность (удельный проплав шихты, 60—80т/(м²х хсут)) значительно выше, чем у других процессов выплавки штейна; так этот удельный проплав более чем в 12 раз пре­вышает проплав отражательной плавки. Процесс пригоден для плавки на штейн медно-никелевых, никелевых и других суль­фидных руд.

Плавка во взвешенном состоянии или процесс взвешенной плавки. При этом способе сульфиды шихты сгорают, двигаясь в потоке кислородосодержашего дутья, т.е. сгорают в факе­ле во взвешенном состоянии. В качестве дутья используют обогащенный кислородом воздух и иногда кислород. Шихту предварительно необходимо измельчать и просушивать. Нахо­дит применение ряд разновидностей этого процесса.

Способ фирмы "Оутокумпу" (Финляндия), применяемый в ряде стран, предусматривает использование обогащенного кислородом (до 31%) и подогретого до ~200°С воздуха. Печь имеет вертикальную плавильную шахту и расположенную под ней горизонтальную удлиненную отстойную камеру. Через специальную горелку в своде шахты в нее подают дутье и измельченную шихту. При движении вниз в факеле сгорают сульфиды шихты, обеспечивая температуру в шахте ~1400°С. Образующиеся в факеле сульфидно-оксидные капли падают на поверхность шлака в отстойной камере, и здесь происходит разделение расплава на шлак и штейн. Горячие газы из шах­ты движутся через отстойную камеру вдоль поверхности рас­плава, подогревая его. Далее газы проходят котел-утилизатор, и из них извлекают элементарную серу. Штейн содержит до 60 % меди.

Плавку во взвешенном состоянии на кислородном дутье или кислородно-факельную плавку применяют на заводах в Казахстане, Канаде и США. Печь горизонтальная, вытянутая вдоль движения факела, выполнена из огнеупоров. Стены, свод и газоотвод оборудованы водоохлаждаемыми устройства­ми. В торцевой стене печи установлены две горизонтально расположенные горелки, подающие кислород и просушенную шихту. Температура факела при сгорании сульфидов в кисло­роде достигает 1500—1600 °С, образующиеся в факеле капли сульфидно-оксидного расплава оседают в шлаковую ванну, в которой происходит отставание штейна от шлака. Штейн содержит до 50% Си, отходящие газы до ~80% S0₂, серу из газов улавливают.

Процесс "Норанда", разработанный в Канаде, является непрерывным барботажным процессом, схожим с отечественным процессом ПЖВ. Его осуществляют в горизонтальной цилинд­рической печи, вдувая через 50—60 расположенных в ряд фурм обогащенный кислородом (до 37 %) воздух в объем расплава, где происходит окисление сульфидов и разделение

штейна и шлака. Шихту загружают через торцевую стенку печи, штейн выпускают периодически через шпуры.

3. Конвертирование медного штейна

Цель конвертирования — получение черновой меди путем окисления содержащихся в штейне серы и железа. Конверти­рование осуществляют продувкой штейна воздухом в горизон­тальном конвертере. Перерабатываемые штейны, как отмеча­лось, состоят в основном из сульфидов меди (Cu₂S) и желе­за (FeS). Вследствие экзотермичности основных реакций конвертирование не требует затрат топлива.

Современный медеплавильный конвертер показан на рис. 241. Конвертеры делают длиной 6—12, с наружным диа­метром 3—4 м. Производительность конвертера за одну опе­рацию составляет 40—100 т. Футеруют конвертер хромомагне-зитовым кирпичом. Заливку расплавленного штейна и слив продуктов плавки осуществляют через горловину конвертера, расположенную в средней части его корпуса. Через ту же горловину удаляются газы. Фурмы для вдувания воздуха рас­положены в ряд по длине конвертера. Число фурм обычно составляет 32—62, а диаметр фурмы 40—50 мм. Расход возду­ха достигает 800 м³/мин (при нормальных условиях).

Процесс в конвертере циклический и делится на два пе-

Рис. 241. Горизонтальный конвертер:

1 — горловина; 2 — окно для загрузки флюсов; 3 — воздушный коллектор; 4 — фурмы

риояа. Первый период (период окисления сульфида железа), называемый набором сульфидной массы, начинается с заливки штейна, после чего подают дутье и через горловину или от­верстие в торцевой стенке конвертера загружают порцию кварцевого флюса, содержащего 70—80% SiO_z. Период длится 6—24 ч в зависимости от содержания меди в штейне. Основ­ными реакциями периода являются окисление сульфида железа

2FeS + 30₂ = 2FeO + 2S0₂

и ошлакование образующегося оксида FeO кремнеземом флюса

2FeO + Si0₂ = (FeO)₂Si0₂.

По мере накопления шлака, состоящего из FeO и Si0₂, его сливают, в конвертер заливают новую порцию штейна и, добавляя флюс, продолжают продувку. Длительность таких циклов набора массы составляет 30—50 мин.

Температура заливаемого штейна в результате протекания этих экзотермических реакций повышается с 1100—1200 до 1250—1350 °С. Более высокая температура нежелательна, и поэтому при продувке бедных Штейнов, содержащих много FeS, добавляют охладители— твердый штейн, сплески Мели, корки из ковшей, медные концентраты.

Сульфид меди в течение первого периода не окисляется, поскольку у железа больше химическое сродство к кислоро­ду, чем у меди. По окончании первого периода и слива по­следней порции шлака в конвертере остается белый штейн — почти чистая полусернистая медь Cu₂S.

Второй период — получение черновой меди из белого штейна — длится 2—3 ч и заключается в продувке без добав­ки в конвертер флюса. Основная реакция периода:

Cu₂S + 0₂ = 2Си + S0₂.

После полного окисления серы продувку заканчивают, получая черновую медь. Ее сливают из конвертера и либо направляют в рафинировочную печь, либо разливают в слит­ки, которые затем направляют на специальные рафинировоч­ные заводы. Таким образом, в результате продувки получа­ются черновая медь, содержащая 96,0-99,4% Си, 0,01-0,04 % Fe, 0,02—0,1 % S и небольшое количество Ni, Sn, As, Sb, Ag, Au, и конвертерный шлак, содержащий 22-30 % SiQ₂, 45-^0% FeO, около 3% А1₂0₃ и 1,5-2,5% Си.

4. Рафинирование меди

Рафинирование черновой меди от примесей по экономическим соображениям проводят в две стадии — вначале методом ог­невого рафинирования, а затем электролитическим методом.'

Огневое рафинирование

Цель огневого рафинирования -г- подготовить медь к электро­литическому рафинированию путем удаления из нее основного количества примесей. Огневое рафинирование жидкой меди (на медеплавильных заводах) проводят в цилиндрических на­клоняющихся печах, а на медьэлектролитных заводах, полу­чающих черновую медь в слитках, — в стационарных отража­тельных печах. Печи для огневого рафинирования часто на­зывают анодными, так как после рафинирования жидкую медь разливают в аноды — слитки, имеющие форму пластин.

Наклоняющиеся (поворотные) цилиндрические печи схожи с горизонтальным конвертером, применяемым для выплавки штейна (рис. 241). Для выпуска меди предусмотрена летка, наиболее распространены печи вместимостью 160—220 т. Ста­ционарные печи вместимостью до 500 т по устройству схожи с отражательной печью для выплавки штейна (рис. 237).

Огневое рафинирование в отражательной печи длится ~ 24 ч и включает следующие периоды: загрузка (длится до 2 ч), расплавление (~ 10 ч) окислительная обработка расп­лава, удаление шлака, восстановительная обработка, раз* ливка готовой меди. Рафинирование в цилиндрических печах, где не требуется плавления меди, длится примерно в два раза меньше и состоит из четырех последних периодов про­цесса в отражательной печи.

Окислительная обработка длительностью 1,5—4 ч заклю­чается во вдувании в ванну воздуха через погруженные на глубину 600—800 мм стальные трубки, покрытые огнеупорной обмазкой. При этом окисляются примеси с ббльшим, чем у меди химическим сродством к кислороду — такие как Al, Fe, Zn, Sn, Sb, Bi, As, Ni и немного меди до Cu₂0. Полностью остаются в меди золото и серебро и большая часть селена и теллура. Оксиды примесей, Cu₂0 и загружаемый в печь в не­больших количествах кремнезем образуют на поверхности ванны шлак, который в конце окислительной продувки удаля­ют из печи деревянными гребками.

 

Восстановительную обработку ванны (дразнение) длитель­ностью 2,5—Зч проводят для раскисления меди (удаления кислорода, содержащегося после окислительной продувки в количестве до 0,9% в виде Cu₂0) и удаления растворенных газов. Ранее дразнение проводили погружением в расплав сырой древесины (жердей, бревен), в настоящее время — путем вдувания паромазутной смеси или природного газа. Вдуваемые вещества разлагаются с образованием Н₂, СО и СН₄, которые, выделяясь, вызывают перемешивание ванны и удаление растворенных газов (S0₂, СО, и др.), а также раскисляют ванну, восстанавливая Cu₂0 (например по реак­ции Cu₂0 + Н₂ = 2Cu + Н₂0). После дразнения медь, содер­жащую < 0,01 % S и < 0,2 % [О], разливают в аноды — слит­ки толщиной 35—40, длиной 800—900 и шириной 800-900 мм, предназначенные для электролитического рафинирования. Анодная Медь содержит 99,4-99,6% меди.

Электролитическое рафинирование

При электролитическом рафинировании решаются две задачи — глубокое рафинирование меди от примесей, что обеспечивает ее высокую электропроводность, и попутно извлечение цен­ных золота, серебра и селена.

Электролиз ведут в ваннах ящичного типа длиной 3-5,5, шириной 1 и глубиной 1,2-1,3 м, футерованных внутри кис­лотостойкими материалами (винипласт, стеклопластик и др.). В ванне подвешивают аноды и между ними катоды — пластины из чистой меди.

Электролитом служит раствор CuSO„ и H₂SQ,, напряжение между анодами и катодами 0,3—0,4В. Происходит электролити­ческое растворение анодов, т.е. в раствор переходят ионы Си²*, а на катодах эти ионы разряжаются, осаждаясь на них слоем чистой меди. Электролит периодически обновляют. Часть примесей остается в электролите, а такие как Au, Ag, Se, Те, Pb, Sn, Pt выпадают в осадок — шлам, который выгру­жают из ванны и перерабатывают, извлекая ценные металлы.

Растворение анода длится 20—ЗОсут, катоды выгружают через 6—12 сут. Удельный расход электроэнергии равен 230-350 кВт • ч на 1т меди.