Основы металлургии (стр. 1 )

Министерство образования и науки Республики Казахстан

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. Серикбаева

ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИИ

Курс лекции

Усть-Каменогорск

2012

1 МЕТАЛЛУРГИЯ МЕДИ

1.1  Характеристика сырьевой базы для получения меди

1.2 

Источниками получения меди являются руды, продукты их обогащения - концентраты - и вторичное сырье. На долю вторич­ного сырья в настоящее время приходится ~ 40 % от общего вы­пуска меди.

Медные руды практически полностью относятся к полиметаллическим. Монометаллических руд меди в природе нет. Возможными природными спутниками меди, как и других тяжелых цветных металлов, являются большинство элементов 4... 6-го длинных периодов Периодической системы .

Ценными спутниками меди в рудном сырье являются ~ 30 элементов. Важнейшие из них: цинк, свинец, никель, кобальт, золо­то, серебро, металлы платиновой группы, сера, селен, теллур, кадмий, германий, рений, индий, таллий, молибден, железо.

Одновременное присутствие в медных рудах всех указанных элементов не является обязательным, но все они в различных комбинациях могут встречаться в тех или иных типах руд.

В тех случаях, когда медьсодержащие руды содержат заметные количества других металлов-спутников, соизмеримые с содержа­нием меди, их соответственно называют медно-никелевыми, медно-цинковыми и т. д.

В медном производстве используют все типы руд: сульфидные (сплошные и вкрапленные), окисленные, смешанные и самород­ные. Однако основным медным сырьем являются сульфидные вкрапленники, запасы которых в недрах являются наибольшими. Из сульфидных руд в настоящее время выплавляют 85... 90 % всей первичной меди.

Известно более 250 медных минералов. Большинство из них встречается редко. Наибольшее промышленное значение для производства меди имеет небольшая группа минералов, содержа­щих медь в количестве, %:

Халькопирит CuFeS2	34,5
Ковеллин CuS	66,4
Халькозин Cu2S	79,8
Борнит Cu5FeS4	63,3
Малахит CuCO3×Cu(OH)3	57,4
Азурит CuCO3×2Cu(OH)2	55,1
Куприт CuO	88,8
Хризоколла CuSiO3×2H2O	36,2
Самородная медь	Д100 %

В современной практике обычно разрабатывают руды с содержанием 0,8 ... 1,5 % Си, а иногда и выше. Однако для крупных месторождений вкрапленных руд минимальное содержание меди, пригодное для разработки в современных условиях, составляет 0,4... 0,5 %.

Наряду с медными минералами в рудах находятся в больших или меньших количествах сульфиды других тяжелых цветных металлов (цинка, свинца, никеля) и железа. Железо может присутствовать как в форме самостоятельных, так и в виде комплексных сульфидов типа халькопирита и борнита. Основными природными

сульфидами железа являются пирит FeS2 и пирротин Fe7S8 (Fe1 _ S). Ценность медных руд значительно повышается из-за наличия в них благородных металлов и ряда редких и рассеянных элементов - селена, теллура, рения, висмута и др.

Халькопирит, ковеллин, борнит и пирит относятся к так на­зываемым высшим сульфидам. Они содержат избыток серы сверх стехиометрического содержания, соответствующего валентным соотношениям. При нагреве высшие сульфиды диссоциируют с образованием низших (Cu2S и FeS) и выделением паров элементарной серы. Так, пирит термически разлагается по реакции FeS2 - FeS + 1/2S2, что соответствует 50 %-ному удалению серы в газовую фазу.

Кроме рудных минералов в медных рудах содержится пустая порода в виде кремнезема, глинозема, кальцита, различных си­ликатов и др. В практике медного производства встречаются кислые руды, в пустой породе которых преобладает кремнезем SiO2, и основные руды со значительными количествами извест­няка и других минералов.

Вследствие низкого содержания меди и комплексного характера руд в большинстве случаев непосредственная металлургическая переработка их невыгодна, поэтому они предварительно подвергаются флотационному обогащению.

При обогащении медных руд основным продуктом являются медные концентраты, содержащие до 55%Си (чаще 10...30%). Извлечение меди в концентраты при флотации колеблется от 80 до 95 %. Кроме медных, при обогащении руд получают пиритные концентраты и иногда концентраты ряда других цветных металлов (цинковый, молибденовый и др.). Отходами обогащения являются отвальные хвосты. Примерный состав флотационных концентра­тов приведен в табл.

Флотационные концентраты представляют собой тонкие по­рошки с частицами крупностью 89 ... 95 % -74 мкм с влажностью 8... 10%.

Тип концентрата	Содержание%
	Сu	Рb	Zn	Ni	Fe	S	SiO2	А12О	CaO
Медный	13,5		0,5		36,5	39,0	2,7	3,4	0,5
То же	36,5	1.5	1,1	-	7,1	17,0	25,5	7,2	2,4
Медно-цинковый	15,7	0,8	6,8	-	31,6	40,4	0,7	-	0,2
Медный никельсодержащий	24,7	-	-	1,8	34,9	32,6	1.7	1,5	0,7

1.2 Привести и охарактеризовать технологическую схему получения меди пирометаллургическим способом

Окислительный обжиг не является обязательным. Он применяется обычно перед плавкой на штейн высокосернистых, бедных по меди концентратов и руд. Его целью является частичное удаление серы и перевод части сульфидов железа в форму шлакуемых при последующей плавке оксидов. Степень дисульфуризации в печи КС 50-60%, содержание SO2 в газах 13-15%, пылевынос 83-84%, температура обжига 870-890 °С.

Широкое распространение имеет плавка на штейн в отражательных печах, пригодная для переработки только мелких материалов. Штейн отражательных печей содержит: Cu 15-60; Zn до 6, Ni до 0,5; Pb до 1; Fe 30-40; S 23-26; благородные металлы, Se, Te, и др. Шлаки Cu 0,3-0,8; SiO2 32-46; FeO 35-55; CaO 1,5-22; Al2O3 3-10; Zn до 6-8; S 0,5-1,5/ Газы бедные по SO2 0,5-1,5. Топливо природный газ.

Медные штейны содержащие от 10-12 до 70-75 Cu, перерабатывают конвертированием. Также подают богатые медью обороты, кварцевый флюс и др. Конвертирование проводят 2 периода. Черновая медь содержит Cu+Ag+Au 96-98. Газы содержат 4-4,5 % SO2.

Черновая медь может содержать до 4% примесей. Она подвергается рафинированию огневым и последующим электролизом.

Цель огневого рафинирования - частичная очистка меди от примесей обладающих повышенным сродством к О2. (О2, S, Fe, Ni, Zn, Pb, As, Sb). Печи стационарные отражательные и наклоняющиеся. Продолжительность продувки 1,5-4 ч. Далее проводят дразнение – восстановительная обработка меди (2,5-3 ч). После дразнения получают красную медь содержащую0,01 S, и до 0,2 O2, ее разливают в аноды.

Анодная медь содержит 99,4 – 99,6 Cu. В 1 т содержится 30-100г Au и до 1000г Ag. Ее подвергают электролетическому рафинированию. Электролит – водный раствор сульфата меди (160-200 г/л) и H2SO4 (135-200 г/л) с примесями и коллоидными добавками (50-60 г/т). Медь марки М00 содержит более 99,99 Cu. Плотность тока 250-300 А/м2, вход тока 95%, напряжение на ванне 0,25-0,3 В, удельный расход электроэнергии на 1т Сu 230-350 кВт×ч.

1.3 Привести и охарактеризовать технологическую схему получения меди гидрометаллургическим способом

Гидрометаллургические способы получения меди в принципе пригодны для переработки любых видов рудного сырья. Однако их обычно используют для извлечения меди из окисленных руд или предварительно обожженных сульфидных руд. Доля гидро­металлургических процессов в общем производстве меди за ру­бежом постоянно возрастает и составляет сейчас ~ 12... 15 %. В СНГ эти способы пока почти не применяют; лишь небольшое количество меди извлекается выщелачиванием вскрышных по­род в отвалах (кучах) и забалансовых руд.

Ограниченное применение гидрометаллургических способов в медной промышленности является следствием в основном малых запасов окисленных руд и сложности попутного извле­чения золота и серебра. По этой причине гидрометаллургию ис­пользуют главным образом для переработки бедных руд с нерента­бельным содержанием благородных металлов, пустая порода которых не вступает в химическое взаимодействие с раствори­телем. Для практической выгодности гидрометаллургии необхо­димо также, чтобы медь находилась в форме легкорастворимого соединения или переводилась в растворимую форму без значи­тельных затрат.

Любой гидрометаллургический способ, не считая подготовительных и вспомогательных операций, состоит из двух основных стадий: обработки рудного сырья растворителем (выщелачивание) и осаж­дения металла из раствора.

Кучное выщелачивание применяют для извлечения меди на месте из вскрышных пород (отвалов) старых и новых карьеров и бедных крупнокусковых руд, содержащих 0,1 ••• 0,3 % Си. Основным растворителем служит разбавленный кислый раствор сульфата трехвалентного железа, образующийся при воздействии кислорода воздуха и воды на пирит:

2FeS2 + 2Н2О + 7О2 = 2FeSO4 + 2H2SO4

4FeSO4 + 2H2SO4 + О2 = 2Fe2 (SO4 )3 + 2H2O

CuFeS2+2Fe2(SO4)3+2H2O+3O2=CuSO4+2H2SO4+5FeSO4.