Пірометалургічний спосіб виробництва міді

Пірометалургійного СПОСІБ ВИРОБНИЦТВА МІДІ.

Відомі два способи вилучення міді з руд і концентратів: гідрометалургійний і пірометалургічний.

Перший з них не знайшов широкого застосування. Його використовують при переробці бідних окислених і самородні руд. Цей спосіб на відміну від пірометалургійного не дозволяє витягти попутно з міддю дорогоцінні метали.

Другий спосіб придатний для переробки всіх руд і особливо ефективний в тому випадку, коли руди піддаються збагаченню.

Основу цього процесу складає плавка, при якій розплавлена ​​маса розділяється на два рідких шару: штейн-сплав сульфідів і шлак-метал окислів. У плавку роблять або мідна руда, або обпалені концентрати мідних руд. Випал концентратів здійснюється з метою зниження вмісту сірки до оптимальних значень.

Рідкий штейн продувають в конвертерах повітрям для окислення сірчистого заліза, перекладу заліза в шлак і виділення чорнової міді.

Чорнову мідь далі піддають рафінування - очищення від домішок.

Підготовка руд до плавки.

Більшість мідних руд збагачують способом флотації. В результаті отримують мідний концентрат, що містить 8-35% Cu, 40-50% S, 30-35% Fe і пусту породу, головним чином складовими якої є SiO2, Al2O3 і CaO.

Випал забезпечує гарне змішування всіх компонентів шихти і нагрівання її до 550-600 0С і, в кінцевому підсумку, зниження витрати палива в відбивної печі в два рази. Однак при переплавки обпаленої шихти кілька зростають втрати міді в шлаку і винесення пилу. Тому зазвичай багаті мідні концентрати (25-35% Cu) плавлять без випалу, а бідні (8-25%
Cu) піддають випалу.

Температура випалу концентратів застосовують многоподовие печі з механічним перегріванням. Такі печі працюють безперервно.

Виплавка мідного штейну

Мідний штейн, що складається в основному з сульфідів міді і заліза
(Cu2S + FeS = 80-90%) і інших сульфідів, а також оксидів заліза, кремнію, алюмінію і кальцію, виплавляють в печах різного типу.

Комплексні руди, що містять золото, срібло, селен і телур, доцільно збагачувати так, щоб в концентрат була переведена не тільки мідь, але і ці метали. Концентрат переплавляють в штейн у відбивних або електричних печах.

Сірчисті, чисто мідні руди доцільно переробляти в шахтних печах.

При високому вмісті сірки в рудах доцільно застосовувати так званий процес мідно-сірчаної плавки в шахтної печі з улавливанием газів і витягом з них елементарної сірки.

У піч завантажують мідну руду, вапняк, кокс і оборотні продукти.
Завантаження ведуть окремими порціями сирих матеріалів і коксу.

У верхніх горизонтах шахти створюється відновлювальна середу, а в нижній частині печі - окислювальна. Нижні шари шихти плавляться, і вона поступово опускається вниз назустріч потоку гарячих газів. Температура у фурм досягає 1500 0С на верху печі вона дорівнює приблизно 450 0С.

Настільки висока температура відхідних газів необхідна для того, щоб забезпечити можливість з очищення від пилу до початку конденсації парів сірки.

У нижній частині печі, головним чином у фурм, протікають наступні основні процеси: а) Спалювання вуглецю коксу
C + O2 = CO2

б) Спалювання сірки сірчистого заліза

2FeS + 3O2 = 2 FeO + 2SO2 в) Освіта силікату заліза
2 FeO + SiO2 = (FeO) 2 (SiO2

Гази, що містять CO2, SO2, надлишок кисню і азот, проходять вгору через стовп шихти. На цьому шляху газів відбувається теплообмін між шихтою і ними, а також взаємодія CO2 з вуглецем шихти. При високих температурах CO2 і SO2 відновлюються вуглецем коксу і при цьому утворюється окис вуглецю, сірковуглець і оксисульфід вуглецю:
CO2 + C = 2CO
2SO2 + 5C = 4CO + CS2
SO2 + 2C = COS + CO

У верхніх горизонтах печі пірит розкладається по реакції:
FeS2 = Fe + S2

При температурі близько 1000 0С плавляться найбільш легкоплавкіевтектики з FeS і Cu2S, в результаті чого утворюється пориста маса.

У порах цієї маси розплавлений потік сульфідів зустрічається з висхідним потоком гарячих газів і при цьому протікають хімічні реакції, найважливіші з яких вказані нижче: а) освіту сульфіду міді з закису міді
2Cu2O + 2FeS + SiO2 = (FeO) 2 (SiO2 + 2Cu2S; б) освіту силікатів з оксидів заліза
3Fe2O3 + FeS + 3,5SiO2 = 3,5 (2FeO (SiO2) + SO2;
3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5 (2FeO (SiO2) + SO2; в) розкладання CaCO3 і освіту силікату вапна
CaCO3 + SiO2 = CaO (SiO2 + CO2; г) відновлення сірчистого газу до елементарної сірки
SO2 + C = CO2 + Ѕ S2

В результаті плавки виходять штейн, що містить 8-15% Cu, шлак складається в основному з силікатів заліза і вапна, колошниковим газ, що містить S2, COS, H2S, і CO2. З газу спочатку осажают пил, потім з нього витягують сірку (до 80% S)

Температура плавлення переплавки концентратів, як уже згадувалося, застосовують відбивні і електричні печі. Іноді випалювальні печі розташовують безпосередньо над майданчиком відбивних печей з тим, щоб не охолоджувати обпалені концентрати і використовувати їх тепло.

У міру нагрівання шихти в печі протікають наступні реакції відновлення окису міді і вищих оксидів заліза:
6CuO + FeS = 3Cu2O + SO2 + FeO;
FeS + 3Fe3O4 + 5SiO2 = 5 (2FeO (SiO2) + SO2

В результаті реакції утворюється закису міді Cu2O з FeS виходить
Cu2S:
Cu2O + FeS = Cu2S + FeO

Сульфіди міді та заліза, сплавляючись між собою, утворюють первинний штейн, а розплавлені силікати заліза, стікаючи по поверхні укосів, розчиняють інші оксиди і утворюють шлак.

Благородні метали (золото і срібло) погано розчиняються в шлаку і практично майже повністю переходять в штейн.

Штейн відбивної плавки на 80-90% (по масі) складається з сульфідів міді і заліза. Штейн містить,%: 15-55 міді; 15-50 заліза; 20-30 сірки; 0,5-
1,5 SiO2; 0,5-3,0 Al2O3; 0.5-2.0 (CaO + MgO); близько 2% Zn і невелика кількість золота і срібла. Шлаки складається в основному з SiO2, FeO, CaO,
Al2O3 і містить 0,1-0,5% міді. Витяг міді і благородних металів в штейн досягає 96-99%.

Конвертація мідного штейну

У 1866 р український інженер Г. С. насінників запропонував застосувати конвертер типу бесемерівського для продувки Штейн. Продувка Штейна знизу повітрям забезпечила отримання лише полусерністой міді (близько 79% міді) - так званого білого штейну. Подальша продування призводила до затвердіння міді. У 1880 р український інженер запропонував конвертер для продувки Штейн з боковим дуттям, що і дозволило отримати чорнову мідь в конвертерах.

Конвертер роблять довжиною 6-10, з зовнішнім діаметром 3-4 м.
Продуктивність за одну операцію становить 80-100 т. Футера конвертер магнезитовим цеглою. Заливку розплавленого штейну і слив продуктів здійснюють через горловину конвертера, розташованої в середній частині його корпусу. Через ту ж горловину видаляють гази. Фурми для вдування повітря розташовані по котра утворює поверхні конвертера. Число фурм зазвичай становить 46-52, а діаметр фурми - 50мм. Витрата повітря досягає 800 м2 / хв. У конвертер заливають штейн і подають кварцовий флюс, що містить 70
80% SiO2, і зазвичай кілька золота. Його подають під час плавки, користуючись пневматичним завантаженням через круглий отвір в торцевій стінці конвертерів, або ж завантажують через горловину конвертера.

Процес можна розділити на два періоди. Перший період (окислення сульфіду заліза з отриманням білого штейну) триває близько 6-024 годин в залежності від вмісту міді в штейн. Завантаження кварцового флюсу починають з початку продувки. У міру накопичення шлаку його частково видаляють і заливають в конвертер нову порцію вихідного Штейна, підтримуючи певний рівень штейну в конвертері.

У першому періоді протікають наступні реакції окислення сульфідів:
2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 + 930360 Дж
2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2 + 765600 Дж

Поки існує FeS, закис міді не стійка і перетворюється в сульфід:
Cu2O + FeS = Cu2S + FeO

Закис заліза шлакується додаються в конвертер кварцовим флюсом:
2FeO + SiO2 = (FeO) (SiO2

При нестачі SiO2 закис заліза окислюється до магнетиту:
6FeO + O2 = 2Fe3O4, який переходить в шлак.

Температура заливається Штейна в результаті протікання цих екзотермічніреакцій підвищується з 1100-1200 до 1250-1350 0С. Більш висока температура небажана, і тому під час продування бідних штейн, що містять багато FeS, додають охолоджувачі - твердий штейн, сплески міді.

У другому періоді, званому реакційним, тривалість якого становить 2-3 години, з білого штейну утворюється чорнова мідь. У цей період окислюється сульфід міді і по обмінної реакції виділяється мідь:
2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2
Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + O2

Таким чином, в результаті продування отримують чорнову мідь, що містить 98,4-99,4% - міді, 0,01-0,04% заліза, 0,02-0,1% сірки, і невелика кількість нікелю, олова, миш'яку , срібла, золота і конвертерний шлак, що містить 22-30% SiO2, 47-70% FeO, близько 3% Al2O3 і 1.5-2.5% міді.