Медная руда и технология добычи чистой меди. Привет студент

В металлургии известны два основных способа получения меди: пирометаллургический (плавка) и гидрометаллургический (выщелачивание). Сульфидные руды обогащают методом флотации и полученный концентрат подвергают пирометаллургической переработке, а окисленные руды перерабатывают гидрометаллургическим способом (кучное и подземное выщелачивание).

выплавка штейна (химическое обогащение).

Наиболее целесообразным способом освободится от основного количества пустой породы оказалась плавка медных концентратов с получением 2-х расплавов – штейна , содержащего сульфиды меди и железа (Cu 2 S, FeS) и шлака, состоящего из оксидов SiO 2 , Al 2 O 3 , CaO. Благодаря существенному различию по плотности (у штейна 4,8-5,3, а у шлака – около 2,8-3,2 г/см 3), происходит практически полное разделение штейна и шлака. Возможность концентрации меди в штейне обусловливается следующими обстоятельствами:

1. Медь из всех тяжелых металлов, за исключением марганца, обладает наибольшим сродством к сере. В следствие этого, она в первую очередь связывает серу, независимо от того, в каких соединениях медь находится в руде, при этом образуется химическое соединение Cu 2 S, устойчивое при высоких температурах.

2. Железо, обладая большим сродством к кислороду, чем медь, легко окисляется и шлакуется кремнекислотой.

3. Оставшаяся после связывания всей меди сера соединяется с железом, с которым образует FeS – соединение, устойчивое при высоких температурах.

4. Cu 2 S и FeS легко растворяются одно в другом в любых пропорциях, образуя штейн.

5. Штейн почти не растворяется в силикатных шлаках, что дает возможность разделить отстаиванием расплавленный штейн и шлак.

Для получения хороших результатов плавки “на штейн” требуется определенное содержание в рудном материале серы, соответствующее примерно стехиометрическому соотношению в молекулах Cu 2 S и FeS. Медные концентраты, в которых концентрация серы превышает оптимальную, перед плавкой подвергаются окислительному обжигу для удаления избытка серы.

Обжиг - этопирометаллургический процесс, проводимый в интервале температур 600-1200 о С с целью изменения химического и фазового состава перерабатываемого сырья. В металлургии меди наибольшее распространение получили окислительный и сульфатизирующий виды обжига.

Цель окислительного обжига – частичное удаление из обжигаемых материалов серы и перевод сульфидов железа в легкошлакуемые при последующей плавке оксиды. Предварительный обжиг высокосернистых руд и концентратов позволяет получать при последующей плавке относительно более богатый по содержанию меди штейн.

Сульфатизирующий обжиг применяют в гидрометаллургии меди для перевода извлекаемых металлов в водорастворимые сульфаты, а железа – в нерастворимые в воде оксиды. В общем виде окисление сульфидов при обжиге может быть выражено следующими основными реакциями:

2MeS+3O 2 ->2MeO+2SO 2

MeS+2O 2 ->MeSO 4

MeS+O 2 ->Me+SO 2

Обжиг медных руд и концентратов осуществляется в кипящем слое. Преимущество обжига в кипящем слое заключается в простоте конструкции печей, высокой производительности, возможности эффективного использования отходящих газов для производства серной кислоты, возможности полной автоматизации и механизации процесса.

Принцип обжига в кипящем слое состоит в следующем: если через слой сыпучего материала продувать снизу какой-либо газ, этот слой при определенных параметрах дутья будет разрыхляться до такого состояния, что приобретает основные свойства жидкости – подвижность, способность перемешиваться, принимать форму сосуда в который она помещена.

Ковкостью называют восприимчивость металлов и сплавов к ковке и иным видам обработки давлением. Это может быть волочение, штамповка, прокатка либо прессование. Ковкость медихарактеризуется не только сопротивлением деформации, но и пластичностью. Что же такое пластичность? Это умение металла изменять свои контуры под давлением без разрушения. Ковкими металлами являются латунь, сталь, дюралюминий и некоторые иные медные, магниевые, никелевые, Именно у них высокий уровень пластичности совмещается с низким сопротивлением деформации.

Медь

Интересно, как выглядит характеристика меди? Известно, что это элемент 11 группы 4 периода системы химических элементов Д. И. Менделеева. Его атом имеет 29 номер и обозначается символом Cu. Фактически это переходный пластичный металл розовато-золотистого цвета. Кстати, он имеет розовый цвет, если оксидная плёнка отсутствует. С давних пор данный элемент используется людьми.

История

Одним из первых металлов, которые люди начали активно использовать в своём хозяйстве, является медь. Действительно, она слишком доступна для получения из руды и имеет малую температуру плавления. С давних пор человеческому роду известна семёрка металлов, в которую также входит и медь. В природе данный элемент встречается намного чаще, чем серебро, золото или железо. Древние предметы из меди, шлак, являются свидетельством её выплавки из руд. Они обнаружены при раскопках посёлка Чатал-Хююк. Известно, что в медный век получили большое распространение медные вещи. Во всемирной истории он следует за каменным.

С. А. Семёнов с сотрудниками проводил экспериментальные исследования, в которых выяснил, что медные орудия труда по сравнению с каменными выигрывают по многим параметрам. У них выше скорость строгания, сверления, рубки и распилки древесины. А обработка кости медным ножом длится столько же, сколько и каменным. А ведь медь считается мягким металлом.

Очень часто в древности вместо меди использовали её сплав с оловом - бронзу. Она необходима была для изготовления оружия и иных вещей. Итак, на смену медному веку пришёл бронзовый. Бронзу впервые получили на Ближнем Востоке за 3000 лет до н. э.: людям нравилась прочность и отличная ковкость меди. Из получаемой бронзы выходили великолепные орудия труда и охоты, посуда, украшения. Все эти предметы находят в археологических раскопках. Далее бронзовый век сменился железным.

Как получить медь можно было в древности? Первоначально её добывали не из сульфидной, а из малахитовой руды. Ведь в этом случае заниматься предварительным обжигом не было необходимости. Для этого смесь угля и руды помещали в глиняную посудину. Сосуд устанавливали в неглубокую яму и смесь поджигали. Далее начинал выделяться угарный газ, который способствовал восстановлению малахита до свободной меди.

Известно, что на Кипре уже в третьем тысячелетии до нашей эры были построены медные рудники, на которых и осуществлялась её выплавка.

На землях России и соседних государств медные рудники возникли за два тысячелетия до н. э. Их развалины находят и на Урале, и на Украине, и в Закавказье, и на Алтае, и в далёкой Сибири.

Промышленное плавление меди было освоено в тринадцатом веке. А в пятнадцатом в Москве был создан Пушечный двор. Именно там из бронзы отливали орудия различных калибров. Неимоверное количество меди уходило на изготовление колоколов. В 1586 году из бронзы была отлита Царь-пушка, в 1735 году - Царь-колокол, в 1782 году был создан Медный всадник. В 752 году мастера изготовили великолепную статую Большого Будды в храме Тодай-дзи. Вообще, список произведений литейного искусства можно продолжать бесконечно.

В восемнадцатом веке человек открыл электричество. Именно тогда огромные объёмы меди начали уходить на изготовление проводов и подобных им изделий. В двадцатом веке провода научились делать из алюминия, но медь в электротехнике всё ещё имела большое значение.

Происхождение названия

А вы знаете, что Cuprum - это латинское наименование меди, произошедшее от названия острова Кипр? Кстати, у Страбона медь величают халкосом - город Халкида на Эвбее виновен в происхождении такого имени. Большинство древнегреческих названий медных и бронзовых предметов произошли именно от этого слова. Они нашли широкое применение и в кузнечном ремесле, и среди кузнечных изделий и литья. Иногда медь называют Aes, что означает руду или рудник.

Славянское слово «медь» не имеет ярко выраженной этимологии. Возможно, оно старинное. Но оно весьма часто встречается в древнейших литературных памятниках России. В. И. Абаев предполагал, что это слово произошло от названия страны Мидия. Алхимики прозвали медь «Венера». В более древние времена её называли «Марс».

Где находят медь в природе?

Земная кора вмещает (4,7-5,5) х 10 -3 % меди (по массе). В речной и морской воде её намного меньше: 10 -7 % и 3 х 10 -7 % (по массе) соответственно.

В природе очень часто находят соединения меди. В промышленности используется халькопирит CuFeS 2 , именуемый , борнит Cu 5 FeS 4 , халькозин Cu 2 S. Одновременно люди находят и иные минералы меди: куприт Cu 2 O, азурит Cu 3 (CO 3) 2 (OH) 2 , малахит Cu 2 CO 3 (OH) 2 и ковеллин CuS. Очень часто масса отдельных скоплений меди достигает 400 тонн. Медные сульфиды образуются в основном в гидротермальных среднетемпературных жилах. Нередко и в осадочных породах можно отыскать медные месторождения - сланцы и медистые песчаники. Наиболее известными месторождениями являются в Забайкальском крае Удокан, Жезказган в Казахстане, Мансфельд в Германии и медоносный пояс Центральной Африки. Другие богатейшие месторождения меди расположены в Чили (Кольяуси и Эскондида) и США (Моренси).

На катоде образуется электролитическая медь, которая обладает высокой частотой около 99,99%. Предметы из меди полученной изготавливают самые разные: провода, электротехническое оборудование, сплавы.

Гидрометаллургический метод выглядит несколько по-иному. Здесь минералы меди растворяются в разведённой серной кислоте либо в аммиачном растворе. Из приготовленных жидкостей медь вытесняют железом металлическим.

Химические свойства меди

В соединениях медь показывает две степени окисления: +1 и +2. Первая из них тяготеет к диспропорционированию и устойчива лишь в нерастворимых соединениях либо комплексах. Кстати, соединения меди бесцветны.

Степень окисления +2 более устойчива. Именно она придаёт соли синий и сине-зелёный цвет. В непривычных условиях можно приготовить соединения со степенью окисления +3 и даже +5. Последнюю обычно находят в солях купраборанового аниона, полученных в 1994 году.

Чистая медь на воздухе не изменяется. Это слабый восстановитель, не вступающий в реакцию с разбавленной соляной кислотой и водой. Окисляется концентрированными азотной и серной кислотами, галогенами, кислородом, «царской водкой», оксидами неметаллов, халькогенами. При нагревании вступает в реакцию с галогеноводородами.

Если воздух влажный, медь окисляется, образуя основной карбонат меди (II). Она великолепно реагирует с холодной и горячей насыщенной серной кислотой, горячей безводной серной кислотой.

С разбавленной хлороводородной кислотой медь реагирует в присутствии кислорода.

Аналитическая химия меди

Все знают, что такое химия. Медь в растворе обнаружить несложно. Для этого необходимо платиновую проволочку смочить исследуемым раствором, а затем внести её в пламя бунзеновской горелки. Если в растворе присутствует медь, пламя будет окрашено в зелёно-голубой цвет. Необходимо знать, что:

• Обычно количество меди в слабокислых растворах измеряется с помощью сероводорода: его смешивают с субстанцией. Как правило, при этом сульфид меди выпадает в осадок.
• В тех растворах, где отсутствуют мешающие ионы, медь определяют комплексонометрически, ионометрически либо потенциометрически.
• Малые количества меди в растворах измеряют спектральными и кинетическими методами.

Применение меди

Согласитесь, изучениемеди является весьма занимательной вещью. Итак, данный металл обладает низким удельным сопротивлением. Благодаря данному качеству медь используют в электротехнике для производства силовых и иных кабелей, проводов и иных проводников. Медные провода используются в обмотках силовых трансформаторов и электроприводов. Для создания вышеуказанных изделий металл подбирают очень чистый, так как примеси моментально снижают электрическую проводимость. И если в меди присутствует 0,02% алюминия, её электрическая проводимость снизится на 10%.

Вторым полезным качеством меди является великолепная теплопроводность. Благодаря данному свойству она применяется в различных теплообменниках, тепловых трубках, теплоотводных устройствах и компьютерных кулерах.

А где же используется твёрдость меди? Известно, что бесшовные медные трубы круглого сечения обладают замечательной механической прочностью. Они прекрасно выдерживают механическую обработку и применяются для перемещения газов и жидкостей. Обычно их можно встретить во внутренних системах газоснабжения, водоснабжения, отопления. Их широко используют в холодильных агрегатах и кондиционных системах.

Отличная твёрдость меди известна многим странам. Так, во Франции, Великобритании и Австралии медные трубы применяют для газоснабжения зданий, в Швеции - для отопления, в США, Великобритании и Гонконге - это основной материал для водоснабжения.

В России производство водопроводных и газовых медных труб нормируется стандартом ГОСТ Р 52318-2005, а федеральный Свод правил СП 40-108-2004 регулирует их применение. Трубы, выполненные из меди и её сплавов, активно используются в энергетике и судостроении для перемещения пара и жидкостей.

А вы знаете, что сплавы меди используются в разнообразных областях техники? Из них самыми известными считаются бронза и латунь. Оба сплава включают в себя колоссальное семейство материалов, в которое, помимо цинка и олова, могут входить висмут, никель и иные металлы. Например, пушечная бронза, использовавшаяся до девятнадцатого века для изготовления артиллерийских орудий, состояла из меди, олова и цинка. Её рецептура менялась в зависимости от места и времени изготовления орудия.

Всем известна отменная технологичность и высокая пластичность меди. Благодаря данным свойствам, неимоверное количество латуни уходит на производство гильз для оружия и артиллерийских боеприпасов. Примечательно, что автозапчасти изготавливают из сплавов меди с кремнием, цинком, оловом, алюминием и иными материалами. Медные сплавы отличаются высокой прочностью и при сохраняют свои механические свойства. Их устойчивость к износу определяется лишь химическим составом и его влиянием на структуру. Необходимо отметить, что данное правило не относится к бериллиевой бронзе и некоторым алюминиевым бронзам.

Медные сплавы имеют модуль упругости ниже, чем у стали. Основным их преимуществом можно назвать небольшой коэффициент трения, сочетающийся для большинства сплавов с высокой пластичностью, отличной электропроводностью и замечательным противодействием коррозии в агрессивной среде. Как правило, это бронзы алюминиевые и сплавы медно-никелевые. Они, кстати, нашли своё применение в парах скольжения.

Практически все медные сплавы имеют одинаковую величину коэффициента трения. Вместе с тем износостойкость и механические свойства, поведение в агрессивной среде напрямую зависят от состава сплавов. Пластичность меди используетсяв однофазных сплавах, а прочность - в двухфазных. Мельхиор (медноникелевый сплав) применяют для чеканки Медноникелевые сплавы, в том числе и «адмиралтейский», используются в судостроении. Из них изготавливают трубки для конденсаторов, очищающих турбинный отработанный пар. Примечательно, что турбины охлаждаются забортной водой. Медноникелевые сплавы обладают изумительной коррозионной устойчивостью, поэтому их стараются использовать в областях, связанных с агрессивным влиянием морской воды.

Фактически медь является важнейшей составляющей твёрдых припоев - сплавов, имеющих температуру плавления от 590 до 880 градусов Цельсия. Именно им присуща замечательная адгезия к большинству металлов, благодаря чему они применяются для прочного соединения различных металлических деталей. Это могут быть трубопроводная арматура или жидкостные реактивные двигатели, изготовленные из разнородных металлов.

А теперь перечислим сплавы, в которых ковкость меди имеет большое значение. Дюраль или дюралюминий является сплавом алюминия и меди. Здесь меди находится 4,4%. Сплавы меди с золотом часто используются в ювелирном деле. Они необходимы для повышения прочности изделий. Ведь чистое золото - весьма мягкий металл, который не может проявлять стойкость к механическим воздействиям. Изделия из чистого золота быстро деформируются и истираются.

Интересно, что для создания оксида иттрия-бария-меди используют оксиды меди. Он служит основой для изготовления высокотемпературных сверхпроводников. Медь также используют для производства батарей и медно-окисных

Иные сферы применения

А вы знаете, что медь очень часто употребляют как катализатор полимеризации ацетилена? Благодаря этому свойству медные трубопроводы, используемые для перемещения ацетилена, разрешено применять лишь тогда, когда содержание меди в них не превышает 64%.

Люди научились использовать ковкость меди и в архитектуре. Фасады и кровли, изготовленные из тончайшей листовой меди, служат безаварийно по 150 лет. Данный феномен объясняется просто: в медных листах происходит автозатухание процесса коррозии. В России используют медный лист для фасадов и кровель в соответствии с нормами Федерального Свода правил СП 31-116-2006.

В недалёком будущем люди планируют использовать медь в качестве бактерицидных поверхностей в клиниках для препятствования перемещению бактерий в помещениях. Все поверхности, к которым притрагивается рука человека, - двери, ручки, перила, водозапорная арматура, столешницы, кровати - специалисты будут изготавливать лишь из этого удивительного металла.

Маркировка меди

Какие марки меди использует человек для производства необходимых ему изделий? Их множество: М00, М0, М1, М2, М3. Вообще, марки меди идентифицируются чистотой её содержания.

Например, медь марок М1р, М2р и М3р содержит 0,04% фосфора и 0,01% кислорода, а марок М1, М2 и М3 - 0,05-0,08% кислорода. В марке М0б кислород отсутствует, а в МО его процентное содержание составляет 0,02%.

Итак, рассмотрим более подробно медь. Таблица, приведённая далее, предоставит более точную информацию:

Марка меди
Процентное

27 марок меди

Всего существует двадцать семь марок меди. Где же такое количество медных материалов использует человек? Рассмотрим данный нюанс подробнее:

• Материал Cu-DPH используется для изготовления фитингов, необходимых для соединения труб.
• АМФ нужен для создания горячекатаных и холоднокатаных анодов.
• АМФу используют для производства холоднокатаных и горячекатаных анодов.
• М0 нужен для создания проводников тока и высокочастотных сплавов.
• Материал М00 используют для изготовления высокочастотных сплавов и проводников тока.
• М001 применяют для изготовления проволоки, шин и иных электротехнических изделий.
• М001б необходим для изготовления электротехнических изделий.
• М00б используют для создания проводников тока, высокочастотных сплавов и аппаратов электровакуумной индустрии.
• М00к - исходное сырьё для создания деформированных и литых заготовок.
• М0б применяют для создания сплавов с высокой частотой.
• М0к используют для производства литых и деформированных заготовок.
• М1 нужен для изготовления проволоки и изделий криогенной техники.
• М16 применяют для производства приборов электровакуумной индустрии.
• М1Е необходим для создания холоднокатаных фольги и ленты.
• М1к нужен для создания полуфабрикатов.
• М1ор применяют для изготовления проволоки и иных электротехнических изделий.
• М1р используют для изготовления электродов, применяемых для сварки чугуна и меди.
• М1рЕ нужен для производства холоднокатаных ленты и фольги.
• М1у используют для создания холоднокатаных и горячекатаных анодов.
• М1ф нужен для создания ленты, фольги, горячекатаных и холоднокатаных листов.
• М2 используют для изготовления добротных сплавов и полуфабрикатов на медной основе.
• М2к используют для производства полуфабрикатов.
• М2р необходим для изготовления прутков.
• М3 нужен для изготовления проката, сплавов.
• М3р используют для создания проката и сплавов.
• МБ-1 необходим для создания бериллийсодержащих бронз.
• МСр1 используют для изготовления электротехнических конструкций.

Для получения меди применяют медные руды (содержание меди – 1…6 %), а также отходы меди и ее сплавов.

Медь в природе находится в виде сернистых соединений (CuS , Cu 2 S ), оксидов (CuO , Cu 2 O ), гидрокарбонатов (Cu (OH ) 2 ), углекислых соединений (CuCO 3 ) в составе сульфидных руд и самородной металлической меди.

Наиболее распространенные руды – медный колчедан и медный блеск, содержащие 1…2 % меди.

90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10% — гидрометаллургическим.

Гидрометаллургический способ – получение меди путём её выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора. Метод используют при переработке бедных руд, он не позволяет извлекать попутно с медью драгоценные металлы.

Получение меди пирометаллургическимспособом состоит из обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования.

Обогащение медных руд производится методом флотации и окислительного обжига.

Метод флотации основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы. Сущность флотации состоит в избирательном прилипании некоторых минеральных частиц, взвешенных в водной среде, к поверхности пузырьков воздуха, с помощью которых эти минеральные частицы поднимаются на поверхность. Метод позволяет получать медный порошкообразный концентрат, содержащий 10…35 % меди.

Медные руды и концентраты, содержащие большие количества серы, подвергаются окислительному обжигу . В процессе нагрева концентрата или руды до 700…800 0 C в присутствии кислорода воздуха сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое против исходного. Обжигают только бедные (с содержанием меди 8…25 %) концентраты, а богатые (25…35 % меди) плавят без обжига.

После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн , представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа (Cu 2 S , FeS ). Штейн содержит 20…50 % меди, 20…40 % железа, 22…25 % серы, около 8 % кислорода и примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. В зависимости от химического состава руды и ее физического состояния штейн получают либо в шахтных печах, если сырьем служит кусковая медная руда, содержащая много серы, либо в отражательных печах, если исходным продуктом является порошкообразный флотационный концентрат. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки — 1450 0 C.

Полученный медный штейн, в целях окисления сульфидов и железа подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак, а серу – в SO 2 . Тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций без подачи топлива. Температура в конвертере составляет 1200…1300 ºC. Таким образом, в конвертере получают черновую медь , содержащую 98,4…99,4 % меди, 0,01…0,04 % железа, 0,02…0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.

Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей, проводят огневое , а затем электролитическое рафинирование .

Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, имеющих большее сродство к кислороду, чем медь, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99…99,5 %. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (99,95 % Cu ).

Электролиз осуществляют в ваннах, где анод изготавливают из меди огневого рафинирования, а катод – из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор CuSO 4 (10…16 %) и H 2 SO 4 (10…16 %).

При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди, осаждаясь на них слоем чистой меди.

Примеси осаждаются на дно ванны в виде шлама, который идёт на переработку в целях извлечения металлов: серебра, сурьмы, селена, теллура, золота и др...

Катоды выгружают через 5…12 дней, когда их масса достигнет 60…90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах.

Медь по чистоте подразделяется на марки: М0 (99,95 % Cu ), М1 (99,9 %), М2 (99,7 %), М3 (99,5 %), М4 (99 %).

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 отличии от пирометаллургического не позволяет извлечь попутно с медью драгоценные металлы.

Второй способ пригоден для переработки всех руд и особенно эффективен в том случае, когда руды подвергаются обогащению.

Основу этого процесса составляет плавка, при которой расплавленная масса разделяется на два жидких слоя: штейн-сплав сульфидов и шлак-сплав окислов. В плавку поступают либо медная руда, либо обожженные концентраты медных руд. Обжиг концентратов осуществляется с целью снижения содержания серы до оптимальных значений.

Жидкий штейн продувают в конвертерах воздухом для окисления сернистого железа, перевода железа в шлак и выделения черновой меди.

Подготовка руд к плавке.

Большинство медных руд обогащают способом флотации. В результате получают медный концентрат, содержащий 8-35% Cu, 40-50% S, 30-35% Fe и пустую породу, главным образом составляющими которой являются SiO2, Al2O3 и CaO.

Концентраты обычно обжигают в окислительной среде с тем, чтобы удалить около 50% серы и получить обожженный концентрат с содержанием серы, необходимым для получения при плавке достаточно богатого штейна.

Обжиг обеспечивает хорошее смешение всех компонентов шихты и нагрев ее до 550-600 0С и, в конечном итоге, снижение расхода топлива в отражательной печи в два раза. Однако при переплавке обожженной шихты несколько возрастают потери меди в шлаке и унос пыли. Поэтому обычно богатые медные концентраты (25-35% Cu) плавят без обжига, а бедные (8-25%
Cu) подвергают обжигу.

Температура обжига концентратов применяют многоподовые печи с механическим перегреванием. Такие печи работают непрерывно.

Выплавка медного штейна

Медный штейн, состоящий в основном из сульфидов меди и железа
(Cu2S+FeS=80-90%) и других сульфидов, а также окислов железа, кремния, алюминия и кальция, выплавляют в печах различного типа.

Комплексные руды, содержащие золото, серебро, селен и теллур, целесообразно обогащать так, чтобы в концентрат была переведена не только медь, но и эти металлы. Концентрат переплавляют в штейн в отражательных или электрических печах.

Сернистые, чисто медные руды целесообразно перерабатывать в шахтных печах.

При высоком содержании серы в рудах целесообразно применять так называемый процесс медно-серной плавки в шахтной печи с улавливанием газов и извлечением из них элементарной серы.

В печь загружают медную руду, известняк, кокс и оборотные продукты.
Загрузку ведут отдельными порциями сырых материалов и кокса.

В верхних горизонтах шахты создается восстановительная среда, а в нижней части печи - окислительная. Нижние слои шихты плавятся, и она постепенно опускается вниз навстречу потоку горячих газов. Температура у фурм достигается 1500 0С на верху печи она равна примерно 450 0С.

Столь высокая температура отходящих газов необходима для того, чтобы обеспечить возможность из очистки от пыли до начала конденсации паров серы.

В нижней части печи, главным образом у фурм, протекают следующие основные процессы: а) Сжигание углерода кокса
C + O2 = CO2

б) Сжигание серы сернистого железа

2FeS + 3O2 = 2 FeO + 2SO2 в) Образование силиката железа
2 FeO + SiO2 = (FeO)2 (SiO2

Газы, содержащие CO2, SO2, избыток кислорода и азот, проходят вверх через столб шихты. На этом пути газов происходит теплообмен между шихтой и ними, а также взаимодействие CO2 с углеродом шихты. При высоких температурах CO2 и SO2 восстанавливаются углеродом кокса и при этом образуется окись углерода, сероуглерод и сероокись углерода:
CO2 + C = 2CO
2SO2 + 5C = 4CO + CS2
SO2 + 2C = COS + CO

В верхних горизонтах печи пирит разлагается по реакции:
FeS2 = Fe + S2

При температуре около 1000 0С плавятся наиболее легкоплавкие эвтектики из FeS и Cu2S, в результате чего образуется пористая масса.

В порах этой массы расплавленный поток сульфидов встречается с восходящим потоком горячих газов и при этом протекают химические реакции, важнейшие из которых указаны ниже: а) образование сульфида меди из закиси меди
2Cu2O + 2FeS + SiO2 = (FeO)2 (SiO2 + 2Cu2S; б) образование силикатов из окислов железа
3Fe2O3 + FeS + 3,5SiO2 = 3,5(2FeO (SiO2) + SO2;
3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO (SiO2) + SO2; в) разложение CaCO3 и образование силиката извести
CaCO3 + SiO2 = CaO (SiO2 + CO2; г) восстановление сернистого газа до элементарной серы
SO2 + C = CO2 + Ѕ S2

В результате плавки получаются штейн, содержащий 8-15% Cu, шлак состоящий в основном из силикатов железа и извести, колошниковый газ, содержащий S2, COS, H2S, и CO2. Из газа сначала осажают пыль, затем из него извлекают серу (до 80% S)

Чтобы повысить содержание меди в штейне, его 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. В результате получают обогащенный медью штейн (25-40% Cu) и шлак (0,4-0,8%
Cu).

Температура плавления переплавки концентратов, как уже упоминалось, применяют отражательные и электрические печи. Иногда обжиговые печи располагают непосредственно над площадкой отражательных печей с тем, чтобы не охлаждать обожженные концентраты и использовать их тепло.

По мере нагревания шихты в печи протекают следующие реакции восстановления окиси меди и высших оксидов железа:
6CuO + FeS = 3Cu2O + SO2 + FeO;
FeS + 3Fe3O4 + 5SiO2 = 5(2FeO (SiO2) + SO2

В результате реакции образующейся закиси меди Cu2O с FeS получается
Cu2S:
Cu2O + FeS = Cu2S + FeO

Сульфиды меди и железа, сплавляясь между собой, образуют первичный штейн, а расплавленные силикаты железа, стекая по поверхности откосов, растворяют другие оксиды и образуют шлак.

Благородные металлы (золото и серебро) плохо растворяются в шлаке и практически почти полностью переходят в штейн.

Штейн отражательной плавки на 80-90% (по массе) состоит из сульфидов меди и железа. Штейн содержит, %: 15-55 меди; 15-50 железа; 20-30 серы; 0,5-
1,5 SiO2; 0,5-3,0 Al2O3; 0.5-2.0 (CaO + MgO); около 2% Zn и небольшое количество золота и серебра. Шлак состоит в основном из SiO2, FeO, CaO,
Al2O3 и содержит 0,1-0,5 % меди. Извлечение меди и благородных металлов в штейн достигает 96-99 %.

Конвертирование медного штейна

В 1866 г. русский инженер Г. С. Семенников предложил применить конвертер типа бессемеровского для продувки штейна. Продувка штейна снизу воздухом обеспечила получение лишь полусернистой меди (около 79% меди) - так называемого белого штейна. Дальнейшая продувка приводила к затвердеванию меди. В 1880 г. русский инженер предложил конвертер для продувки штейна с боковым дутьем, что и позволило получить черновую медь в конвертерах.

Конвертер делают длиной 6-10, с наружным диаметром 3-4 м.
Производительность за одну операцию составляет 80-100 т. Футеруют конвертер магнезитовым кирпичом. Заливку расплавленного штейна и слив продуктов осуществляют через горловину конвертера, расположенной в средней части его корпуса. Через ту же горловину удаляют газы. Фурмы для вдувания воздуха расположены по образующей поверхности конвертера. Число фурм обычно составляет 46-52, а диаметр фурмы - 50мм. Расход воздуха достигает 800 м2/мин. В конвертер заливают штейн и подают кварцевый флюс, содержащий 70-
80% SiO2, и обычно некоторое количество золота. Его подают во время плавки, пользуясь пневматической загрузкой через круглое отверстие в торцевой стенке конвертеров, или же загружают через горловину конвертера.

Процесс можно разделить на два периода. Первый период (окисление сульфида железа с получением белого штейна) длится около 6-024 часов в зависимости от содержания меди в штейне. Загрузку кварцевого флюса начинают с начала продувки. По мере накопления шлака его частично удаляют и заливают в конвертер новую порцию исходного штейна, поддерживая определенный уровень штейна в конвертере.

В первом периоде протекают следующие реакции окисления сульфидов:
2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 + 930360 Дж
2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2 + 765600 Дж

Пока существует FeS, закись меди не устойчива и превращается в сульфид:
Cu2O + FeS = Cu2S + FeO

Закись железа шлакуется добавляемым в конвертер кварцевым флюсом:
2FeO + SiO2 = (FeO) (SiO2

При недостатке SiO2 закись железа окисляется до магнетита:
6FeO + O2 = 2Fe3O4, который переходит в шлак.

Температура заливаемого штейна в результате протекания этих экзотермических реакций повышается с 1100-1200 до 1250-1350 0С. Более высокая температура нежелательна, и поэтому при продувке бедных штейнов, содержащих много FeS, добавляют охладители - твердый штейн, сплески меди.

Из предыдущего следует, что в конвертере остается главным образом так называемый белый штейн, состоящий из сульфидов меди, а шлак сливается в процессе плавки. Он состоит в основном из различных оксидов железа
(магнетита, закиси железа) и кремнезема, а также небольших количеств глинозема, окиси кальция и окиси магния. При этом, как следует из вышесказанного, содержание магнетита в шлаке определяется содержанием магнетита в шлаке определяется содержанием кремнезема. В шлаке остается 1,8-
3,0% меди. Для ее извлечения шлак в жидком виде направляют в отражательную печь или в горн шахтной печи.

Во втором периоде, называемом реакционным, продолжительность которого составляет 2-3 часа, из белого штейна образуется черновая медь. В этот период окисляется сульфид меди и по обменной реакции выделяется медь:
2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2
Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + O2

Таким образом, в результате продувки получают черновую медь, содержащая 98,4-99,4% - меди, 0,01-0,04% железа, 0,02-0,1% серы, и небольшое количество никеля, олова, мышьяка, серебра, золота и конвертерный шлак, содержащий 22-30% SiO2, 47-70% FeO, около 3% Al2O3 и 1.5-2.5% меди.

За рубежом в настоящее время пирометаллургическим способом производится около 85% от общего выпуска меди. В России на долю меди, производимой гидрометаллургической технологией, приходится менее 1%. Перспектив для значительного развития гидрометаллургии меди на ближайшие десятилетия в нашей стране нет.

Таким образом, переработку медного и никелевого рудного сырья в основном производят пирометаллургическими процессами.

К числу пирометаллургических процессов, применяемых при производстве меди относятся окислительный обжиг, различные виды плавок (на штейн, восстановительные, рафинировочные), конвертирование штейнов и в ряде случаев- возгоночные процессы.

Технологические схемы действующих предприятий по производству меди и никеля в каждом случае имеют свои специфические особенности, связанные с видом перерабатываемого сырья, применяемым металлургическим оборудованием, источниками тепловой энергии и с рядом других местных условий. Однако все они близки по своей структуре и укладываются в рамки принципиальных технологических схем.

С учетом разновидностей перерабатываемых медных и никелевых руд в настоящее время в промышленности используют три принципиальные пирометаллургические схемы.

Пирометаллургическую переработку сульфидных медных руд и концентратов можно вести двумя путями. Первый путь предусматривает полное окисление всей серы перерабатываемого сырья с помощью предварительнего окислительного обжига (обжиг «намертво») при одновременном переводе меди железа в оксидную форму:

4FeS 2 + 11О 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 ;

2Cu 2 S + ЗО 2 = 2Cu 2 O + 2SO 2 .

Продукт обжига (огарок) далее подвергают селективному восстановлению при полном расплавлении материала - восстановительной плавке. При этом медь восстанавливается до металлического состояния, а железо - в основном до вюстита. Оксиды железа совместно с пустой породой руды и оксидами флюсов образуют шлак, который удаляют в отвал. Процесс восстановления описывается следующими основными реакциями:

Си 2 О + СО = 2Си + СО 2 ,

Fe 2 O 3 + СО = 2FeO + СО 2 ,

FeO+CO=Fe+CO 2 .

Такой прием получения меди кажется наиболее простым и естественным. Именно поэтому он, по существу, был единственным способом переработки медных руд в XVIII и XIX вв. Однако целый ряд существенных недостатков восстановительной плавки заставил отказаться от ее применения. В настоящее время процесс, близкий к восстановительной плавке, используется лишь для переработки вторичного медного сырья. Важнейшими недостатками этого метода являются:

1. При плавке получается очень грязная (черная) медь, содержащая до 20% железа и других примесей. Это, как известно из теории пирометаллургических процессов, объясняется облегченными условиями восстановления железа в присутствии расплавленной меди. Рафинирование черной меди от большого количества примесёй является очень сложным и дорогим и связано, кроме того, с большими потерями меди,

2. Шлаки, находящиеся в равновесии с металлической медью, получаются очень богатыми, что снижает извлечение меди в товарную продукцию.

3. Плавка осуществляется с большим расходом (до 20% от массы шихты) дефицитного и дорогого кокса.

Второй путь, характерный для современной пирометаллургии меди, предусматривает на промежуточной стадии технологии плавку на""Штейн" с последующей его переработкой на черновую медь. Пустая порода при этом переходит в шлак. Плавку на штейн можно вести в окислительной, нейтральной или восстановительной атмосфере. В условиях окислительной плавки можно получать штейны любого заданного состава. В этом случае преимущественно будут окисляться сульфиды железа с последующим ошлакованием его оксида кремнеземом по реакции

2FeS + ЗО 2 + SiO 2 = 2FeO SiO 2 + 2SO 2 . (14)

При плавке на штейн в нейтральной или восстановительной атмосфере регулировать степень десульфуризации невозможно и содержание меди в штейнах будет значительно отличатся от ее содержаниям в исходной шихте. По этой причине для получения более богатых по содержанию меди штейнов при переработке бедных концентратов иногда целесообразно предварительно удалить часть серы путем окислительного обжига, осуществляемого без расплавления материала при 800-900 °С.

Дальнейшую переработку штейнов с целью, получения из них металлургической меди осуществляют путем их окисления в жидком состоянии. При этом вследствие большего сродства железа к кислороду сначала окисляется сульфид железа по реакции (14). После окисления всего железа и удаления получившегося шлака окисляют сульфид меди по суммарной реакции:

Cu 2 S + О 2 = 2Cu + SO 2 . (15)

Технология, включающая плавку на штейн, позволяет получать более чистый металл, содержащий 97,5-99,5% Си. Такую медь называют черновой. Рафинирование черновой меди по сравнению с черной значительно упрощается и удешевляется.

В последние годы в металлургии сульфидного сырья все большее развитие получают автогенные процессы, осуществляемые за счет тепла от окисления сульфидов при использовании подогретого дутья и дутья, обогащенного кислородом. В этих процессах, являющихся окислительными плавками, в одной операции совмещаются процессы обжига и плавки на штейн.

Современная пирометаллургия меди, несмотря на принципиальную общность используемых различными предприятиями технологических схем, предусматривает несколько вариантов (I -IV) ее практического осуществления (рис. 14).

Как следует из рис. 14, технология получения черновой меди характеризуется многостадийностью (за исключением варианта IV, предусматривающего непосредственную плавку концентратов на черновую медь). В каждой из последовательно проводимых технологических операций постепенно повышают концентрацию меди в основном металлсодержащем продукте за счет отделения пустой породы и сопутствующих элементов, главным образом железа и серы. На практике удаление железа и серы осуществляют за счет их окисления в три (обжиг, плавка, конвертирование), в две (плавка, конвертирование) или в одну стадию.

Наиболее распространенная до настоящего времени технология предусматривает (см. рис. 14) обязательное использование следующих металлургических процессов: плавка на штейн, конвертирование медного штейна, огневое и электролитическое рафинирование меди. В ряде случаев перед плавкой на штейн проводят предварительный окислительный обжиг сульфидного сырья.

Плавку на штейн медных руд и концентратов - основной технологический процесс - можно проводить практически любым видом рудных плавок. В современной металлургии меди для ее осуществления используют отражательные, руднотермические (электрические) и шахтные печи, а также автогенные процессы нескольких разновидностей.

Удельный вес различных способов производства меди в Советском Союзе выражается следующими примерными цифрами, %: 60-65 - отражательная плавка; 18-22 - шахтная плавка; 10-15 - электроплавка; 8-10 - автогенные процессы; 0,1-0,2 - гидрометаллургия.

Никель, полученный из окисленных руд, выпускают в гранулированном виде (огневой никель) без дополнительного рафинирования. Это обусловлено тем, что такой никель не содержит в больших количествах вредных для черной металлургии примесей и в основном его используют для легирования специальных сталей.

Технология переработки очень бедных окисленных никелевых руд, подвергающихся плавке на штейн без предварительного обогащения, очень громоздка и многостадийна, что является ее большим недостатком.