Огневое рафинирование черновой меди.

Лекция 4. Процессы конвертирования штейнов и рафинирования меди

Конвертирование медных штейнов.

Медные штейны, содержащие в зависимости от состава исходного рудного сырья и вида применяемого процесса плавки от 10-12 до 70-75 % Сu, повсеместно перерабаты­вают методом конвертирования. На конвертирование, кроме штейна, в расплавленном или твердом состоянии поступают богатые медью обороты, кварцевый флюс (часто золото­содержащий) и другие материалы.

Как уже отмечалось выше, медные штейны состоят в основном из сульфидов меди (Cu₂S) и железа (FeS). Основ­ная цель процесса конвертирования - получение черновой меди за счет окисления железа и серы и некоторых сопут­ствующих компонентов. Благородные металлы практически полностью, а также часть селена и теллура остаются в чер­новом металле. Вследствие экзотермичности большинства реакций конвертирование не требует затрат постороннего топлива, т.е., является типичным автогенным процессом.

Организационно процесс конвертирования медных штей­нов делится на два периода. Первый период - набор суль­фидной массы. В основе его лежит процесс окисления суль­фидов железа и перевод образующихся при этом его окси­дов в шлак. Преимущественное окисление сульфидов железа в первом периоде обусловлено повышенным сродст­вом железа к кислороду по сравнению с медью.

Химизм первого периода конвертирования характеризу­ется протеканием реакций окисления и ошлакования сульфида железа:

2 FeS + O₂ + SiO₂ = 2 FeO^.SiO₂ +2 SO₂ +979 кДж

Медные штейны практически всегда содержат примеси других металлов, в частности Zn, Pb, As, Sb, Bi, Se, Te, Au, Ag и др. Из сравнения величин изменения энергии Гиббса реакций окисления установлена следующая последовательность окисления сульфидов: FeS, ZnS, PbS, Cu₂S. С уменьшением концентрации сульфида в перерабатываемой штейновой массе и соответствующем изменении энергии Гиббса наступают условия, при которых возможно совместное окисление сульфидов.

Важное практическое значение имеют закономерности совместного окисления сульфидов и с этой точки зрения последовательность окисления сульфидов может быть выявлена из сравнения величин изменения энергии Гиббса реакций:

                           FeS + 1,5 O₂ = FeO + SO₂                                       

                         3FeS + 5 O₂ = FeO + 3 SO₂                                         

                           CuS + 1,5 O₂ = Cu₂O + SO₂                                    

                           ZnS + 1,5 O₂ = ZnO + SO₂                                        

                           PbS + 1,5 O₂ = PbO + SO₂                                        

       По данным Ю.П. Купрякова результаты расчетов изменения энергии Гиббса низших сульфидов приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 Изменения реакций окисления сульфидов, Дж/моль SO₂

Номер реакции	при температурах , K
	1073	1173	1273	1373	1473	1573
85	-372894	-369502	-361882	-354304	-346725	-339147
86	-449809	-436327	-422845	-409363	-395881	-382399
87	-276342	-265455	-254611	-243725	-232839	-221995
88	-394122	-382189	-370214	-358240	-346307	-334332
89	-339230	-330814	-322399	-314025	-305609	-297193

Из данных таблицы можно сделать вывод, что при одинаковых температурных условиях и концентрации кислорода в газовой фазе в первую очередь будет окисляться сульфид железа, затем цинка, свинца и меди.

Реакции дают почти все тепло для процесса и обеспечивают его автогенность. Обыч­но конвертирование ведут при 1200 - 1280°С. Повышение температуры ускоряет износ футеровки конвертера. При по­вышении температуры в конвертер загружают холодные присадки - твердый штейн, оборотные материалы, вторичное сырье, цементную медь и гранулированные концентра­ты. Продуктами первого периода являются обогащенная медью сульфидная масса (белый штейн), конвертерный шлак и серусодержащие газы.

Холодный ход конвертера и недостаток кварцевого флю­са приводят к переокислению железа в шлаке и образова­нию больших количеств магнетита. Разогрев конвертера достигается заливкой свежей порции штейна или добавкой кварца.

Рис.4.1 Горизонтальный конвертер 3,66 х 6,1 м:[3,стр.137]

 

Рис.4.2 Общий вид конвертера с боковым отводом газов:

1-уплотнение подвижного стояка с газовой коробкой; 2-газовая коробка; 3-П-образный газоход; 4-горловина; 5-кожух. [3,стр.140]

В первом периоде происходит также окисление сульфи­дов меди, но вследствие повышенного сродства к сере она вновь сульфидируется сернистым железом. Содержание ме­ди в конвертерных шлаках обычно составляет 1,5 - 2%. Вследствие высокого содержания меди конвертерные шла­ки с целью обеднения либо возвращаются в оборот (в плав­ку на штейн), либо подвергаются самостоятельной перера­ботке.

Первый период процесса конвертирования носит цикли­ческий характер; Каждый цикл состоит из операций заливки жидкого штейна, загрузки кварцевого флюса и холод­ных присадок, продувки расплава воздухом, слива конвер­терного шлака. Длительность каждого цикла в зависимо­сти от состава исходного штейна составляет 30 - 50 мин. После каждой продувки в конвертере остается обогащенная медью сульфидная масса. Содержание меди в массе посте­пенно возрастает до предельной величины, отвечающей почти чистой полусернистой меди (Cu₂S). Продолжительность первого периода определяется, кро­ме содержания меди в штейне, и количеством подаваемого воздуха, которое зависит в основном от размеров (числа фурм) и состояния конвертера и организации работы.

При богатом штейне (35 - 45% Сu) первый период продолжа­ется 6 - 9 ч, при бедном (20-25% и менее Сu) до 16-24 часов. На 1кг FeS в штейне, требуется около 2м³
воздуха. Коэффициент использования конвертера под дутьем в первом периоде составляет 70 - 80 %. Остальное время тратится на слив шлака и на загрузку конвертера. По окончании первого периода и слива последней пор­ции шлака в конвертере остается почти чистая полусерни­стая медь - белый штейн (78 - 80% Сu).

Второй период - получение черновой меди за счет окис­ления ее сульфида проводится непрерывно в течение 2 - 3 ч без загрузки каких-либо твердых и оборотных мате­риалов и при подаче только воздуха по суммарной реакции:

 Cu₂S + O₂= 2 Cu + SO₂ + 215000 кДж

Готовую черновую медь в зависимости от места проведения рафинирования ли­бо заливают в жидком виде в миксер и далее по мере на­добности в рафинировочную печь, либо разливают в слитки массой до 2 т и отправляют на рафинировочные заводы.

Черновая медь согласно ОСТ 47-33-72 выпускалась шести марок с суммарным содержанием меди, золота и се­ребра не менее 99,4% (МЧ1) и 96 % (МЧ6). Наиболее строгие требования при этом предъявляются к содержа­нию в черновой меди висмута, мышьяка и сурьмы. Прямое использование черновой меди потребителями не допускается вследствие присутствия примесей, ухудшаю­щих электрические, механические и другие важнейшие свойства меди, и ценных элементов-спутников. Вся черно­вая медь подлежит обязательному рафинированию.

Рафинирование черновой меди по экономическим сооб­ражениям проводят в две стадии. Сначала очистку меди от ряда примесей проводят методом огневого (окислительно­го) рафинирования, а затем - электролитическим спосо­бом. Возможна одна операция электролитического рафинирования. Од­нако без предварительной, частичной очистки меди элект­ролиз становится чрезмерно дорогим и громоздким.

Огневое рафинирование черновой меди.

Цель огневого рафинирования сводится к частичной очистке меди от примесей, обладающих повышенным срод­ством к кислороду, и подготовке ее к последующему элек­тролитическому рафинированию. При огневом рафиниро­вании из меди стремятся максимально удалить кислород, серу, железо, никель, цинк, свинец, мышьяк сурьму и растворенные газы. Медь после огневого рафини­рования разливают в слитки пластинчатой формы с ушка­ми - аноды, которые направляют в электролизный цех. Для огневого рафиниро­вания меди используют два типа печей: стационарные от­ражательные и наклоняющиеся.

Рис.4.3 Отражательная печь для рафинирования меди:

1-столбчатый фундамент; 2-подина; 3- газоход; 4-распорно-подвесной свод; 5-горелка; 6-рабочее окно с заслонкой; 7-шлаковое окно; 8-щелевая летка. [3,стр.140]

Стационарная рафинировочная печь по устройству по­хожа на отражательную печь для плавки концентратов, но имеет ряд конструктивных осо­бенностей. Вместимость современных анодных печей - до 400 т жидкой меди.

Анодные печи покоятся на столбчатом фундаменте, что обеспечивает повышенную стойкость подины. На одной из продольных стен печи имеются рабочие окна с опускаю­щимися заслонками, предназначенные для загрузки в печь твердых материалов и обслуживания печи во время рабо­ты. Рафинировочные печи отапливаются только высокока­чественным топливом (природный газ или мазут). Топоч­ная сторона печи имеет форкамеру, в которой начинается горение топлива. Окна для съема шлака расположены в одной из боковых или в задней торцовой стенке печи.

Ра­бочие и шлаковые окна можно использовать для окислитель­ной и восстановительной обработки расплавленной меди. На противоположной длинной стороне печи имеется щелевая летка, которую перед началом загрузки заклады­вают огнеупорным кирпичом или заделывают глиной. Во время разливки меди в конце операции щель постепенно разбирают сверху, что обеспечивает почти постоянный на­пор струи жидкой меди. Стационарные отражательные печи применяют для ог­невого рафинирования как жидкой, так и твердой черно­вой меди, а также, для переплавки и дополнительного ра­финирования катодной меди при изготовлении из нее вайербарсов - слитков особой формы, используемых в дальнейшем для проката и волочения проволоки.

 

Рис.4.4 Наклоняющаяся печь для рафинирования меди:

1-кожух; 2-футеровка; 3- горловина; 4-крепление; 5-загрузочное окно; 6-привод; 7-летка; 8-окно горелки. [3,стр.140]

Наклоняющиеся рафинировочные печи конст­руктивно сходны с горизонтальными конвертерами, но име­ют большую емкость (до 300 т). У таких печей горловина смещена обычно к одному торцу. Ее используют для залив­ки жидкой черновой меди, загрузки твердых оборотов и отвода отходящих газов. Для выпуска рафинированной меди со стороны разливочной машины в печи сделана лет­ка диаметром - 60 мм. Напор струи жидкой меди регулируется в этом случае углом поворота печи в сторону роз­лива. Наклоняющиеся рафинировочные печи имеют ряд пре­имуществ перед стационарными, но пригодны только для переработки жидкой черновой меди. Загрузка через горло­вину слитков черновой ме­ди приводит к быстрому разрушению футеровки пода.

Огневое рафинирование меди- периодический процесс и состоит из стадий, включающих под­готовку и загрузку печи, плавление или разогрев меди, окислительную обработку расплава и съем шлака, восста­новительную обработку (дразнение) и разливку готовой меди. Подготовка печи сводится к ее осмот­ру, заделке изъянов в футеровке и заправке выпускной летки. Далее производят загрузку печи. При рафинирова­нии твердой меди массивные слитки загружают в стацио­нарную печь через рабочие окна с помощью загрузочной машины - шарнирного крана с хоботом. Жидкую медь заливают ковшами по желобу или через горловину; продолжительность загрузки - до 2 ч.

Расплавление меди занимает до 10 ч. При пе­реработке жидкой меди и небольшого количества твердых, главным образом оборотных материалов, длительность этой стадии сокращается. Период расплавления и разогрева расплава сопровождается частичным окислением твердой меди и расплава кислородом, присутствующим в атмосфере печи. После разогрева ванны до 1200°С начинается стадия окислительной продувки меди для окис­ления примесей с повышенным по сравнению с медью срод­ством к кислороду. Медь окисляют возду­хом, который вдувают в ванну на глубину 600 - 800 мм с помощью погружаемых в расплав стальных трубок, покры­тых снаружи огнеупорной обмазкой.

Теоретически при взаимодействии с кислородом дутья должны были бы сразу окисляться примеси, обладающие большим по сравнению с медью сродством к кислороду. Однако на практике с учетом закона действующих масс в первую очередь окисляется медь, концентрация которой по сравнению с примесями является преобладающей. При продувке воздухом медь окисляется до Сu₂О, которая, рас­творяясь в ванне меди до концентрации 10-12%, перено­сит кислород к более активным металлам и окисляет их по обратимой реакции

Сu₂О + Ме = 2 Сu + МеО

Оксиды металлов- примесей вместе с избытком Сu₂О и кремнеземом, загружаемым в небольшом количестве в печь для ошлакования примесей, образуют на поверхности ванны шлак. В конце окислительной продувки шлак обычно сгребают деревянными гребками. Шлаки рафинировоч­ных печей содержат до 50 % Сu. Выход шлаков составляет 1- 2 % от массы меди. Рафинировочные шлаки возвращают в процесс конвертирования.

Наиболее полно окисляются и удаляются в шлак при­меси с наибольшим сродством к кислороду: алюминий, цинк, железо, олово. Однако если примесь обладает высо­кой растворимостью в меди, то степень ее удаления будет небольшой. Так, концентрацию никеля, обладающего не­ограниченной растворимостью в меди, не удается снизить ниже 0,25 - 0,3%. К числу трудноудаляемых примесей от­носятся мышьяк и сурьма, особенно при их совместном присутствии с никелем. Практически полностью при огне­вом рафинировании в меди остаются благородные метал­лы, селен и теллур. Продолжительность окислительной продувки зависит от степени загрязнения исходной черновой меди и состав­ляет 1,5 - 4 ч.

Продутая воздухом медь насыщена кислоро­дом и газовыми пузырьками, которые удаляются при вос­становительной обработке меди (дразнении). Дразнение можно производить свежесрубленной древе­синой (бревнами), мазутом или природным газом. При разложении реагентов образуются во­дород, оксид углерода и углеводороды, которые взаимодей­ствуют с растворенной Сu₂О и восстанавливают ее по ре­акциям:

Сu₂О + Н₂ = 2 Сu + Н₂О   

Сu₂О + СО = 2 Сu + СО₂

4 Сu₂О + СН₄ = 8 Сu + СО₂ + 2 Н₂О и т. д.

В процессе дразнения ванна хорошо перемешивается га­зовыми пузырьками, что обеспечивает высокую степень восстановления Сu₂О, удаление растворенных газов и спо­собствует глубокой десульфуризации меди. Продолжительность периода дразнения достигает 2,5 - 3 ч и определяется степенью насыщения продутой ранее меди кислородом. После дразнения получают плотную - красную медь, содержащую не более 0,01 % S и до 0,2 % О₂. Такую медь разливают в аноды. Для разливки применяют изложницы, установленные на горизонтальных разливочных машинах карусельного типа.

Готовые аноды имеют длину 800 - 900 мм, ширину 800 - 900 мм и толщину 35 - 40 мм. Масса анодов на разных за­водах составляет 240 - 320 кг. Общая продолжительность огневого рафинирования при переработке твердой меди составляет около 24 ч.

---

Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 2732; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!