Металлургия меди, никеля и кобальта (стр. 13 )

В современной практике медной промышленности используют горизонтальные конвертеры вместимостью по меди 40, 75, 80 и 100 тонн. Длина конверторов колеблется в пределах 6-12м, диаметр 3-4м. Число фурм 32-62, диаметр 40-50мм.

Горизонтальные конвертеры являются аппаратами периодического действия. Основными рабочими положениями конвертера в зависимости от угла его

1 - электродвигатель; 2 - редуктор; 3 – сальниковое устройство;

4 - зубчатый бандаж; 5 – опорный бандаж; 6- горловина;

7 – фурма-коллектор; 8 – шариковый клапан; 9- фурменная трубка;

10-опрный ролик.

Рисунок 1.22 - Принципиальная схема устройства конвертера.

поворота являются: заливка штейна, продувка штейна, слив шлака и слив черновой меди ( рисунок 1.23).

Газы, образующиеся при продувке поступают через горловину в герметизированный напыльник., установленный над конвертером, а затем в газоходную систему. Однако в процессе работы конвертера имеет место значительный подсос воздуха, достигающий 300-400%. От первичного объёма технологических газов.

1- заливка штейна; 2- продувка штейна; 3 - слив конверторного шлака;

4 - слив черновой меди

Рисунок 1.23 - Рабочие положения горизонтального конвертера.

Вследствие этого происходит существенное разбавление отходящих газов. Содержание SO2 в них составляет 4-4,5%. Отходящие газы используются для получения серной кислоты.

Черновая медь имеет суммарное содержание меди золота и серебра 96-99,4%. Примеси, находящиеся в черновой меди сильно ухудшают её свойства. Поэтому вся черновая медь подлежит рафинированию. Рафинирование черновой меди проводят в два этапа. Сначала медь очищают от примесей методом огневого рафинирования, а затем она подвергается электролитическому рафинированию.

1.7 Огневое рафинирование меди

Черновая медь может содержать до 3 % примесей. В ней содержатся следующие основные примеси: Ni, As, Sb, Bi, Pb, Zn, S, Fe, Se, Ne, Au, Ag. Их содержание колеблется в широких пределах. Ниже приведён примерный состав черновой меди, %: Cu - 98,3- 99,4; Ni-0,03-0,3; As - 0,004-0,336; Sb - 0,001-0,007; Bi - 0,013-0,8; S - 0,02-0,26; Fe-0,001- 0,063; Se - 0,01-0,055 Te - 0,0002-0,2; а также Ag и Au.

Эти примеси сильно изменяют свойства меди в худшую сторону. Поэтому возникает необходимость процесса рафинирования черновой меди. Рафинирование черновой меди производится в два этапа. Первым этапом является огневое рафинирование, а вторым - электролитическое рафинирование. Основной целью огневого рафинирования черновой меди является получение плотных анодов для последующего электролитического рафинирования и удаление примесей, присутствие которых в анодах отрицательно влияет на процесс электролитического рафинирования.

Огневое или окислительное рафинирование меди основано на преимущественной по сравнению с основным металлом (медью) склонности окисления ряда примесей с последующим выделением их в виде нерастворимых в меди оксидов в самостоятельную шлаковую фазу или частично в виде возгонов в газовую фазу. Склонность примесей к окислению определяется их химическим сродством к кислороду или, другими словами, изменением энергии Гиббса реакции образования оксидов примесей металлов, присутствующих в черновой меди. Для окисления примесей, содержащихся в черновой меди, через расплавленную черновую медь продувают воздух. Реакции окисления протекают на поверхности пузырьков воздуха, всплывающих в жидком металле. В виду того, что концентрация меди в расплаве высока, в первую очередь в расплаве протекает реакция:

4Cu + O2 = 2Cu2O (1.73)

Образующийся оксид меди Cu2O растворяется в расплавленной металлической меди

Сu2O(тв) = [Cu2O] (1.74)

где [Cu2O] - равновесная концентрация оксида меди в расплавленной меди.

За счёт конвекции и диффузии оксид меди заполняет весь объём расплава. Растворимость оксида меди в расплавленной меди довольно высока и существенно зависит от температуры:

Температура, оС 1100 1150 1200

Растворимость Сu2O в меди, % 5,0 8,3 12,4

При дальнейшем повышении температуры растворимость оксида меди в металлической меди практически не увеличивается.

Основной химической реакцией окислительного рафинирования является:

[Сu2O] + [Me] = 2[Cu] + (MeO) (1.75)

где [Cu] - концентрация меди в расплаве;

(МеО) - концентрация оксида примеси в шлаковой фазе.

[Me] - концентрация примеси в черновой меди (Fe, Al, Zn, Ni, Sb, As,

Bi, Sn и др.)

Поведение примеси в жидкой меди будет определяться отношением упругости диссоциации оксида меди и оксида примеси. Если при данных растворимости, концентрации и температуре Р(Сu2O) > Р(MeO), то примесь будет окисляться и переходить в шлак, если же Р(Сu2O) < Р(MeO), то примесь будет восстанавливаться и оставаться в расплавленной меди. Конечная концентрация примеси в расплаве меди будет определяться равенством давления диссоциации оксида примеси и оксида меди (рисунок 1.24).

На рисунке 1.24 приведены зависимости давления диссоциации (упругости диссоциации) оксида меди и оксидов примесей МеО, Ме2О и Ме2О3 в зависимости от концентрации оксида меди и концентрации примесей в черновой меди.

Рисунок 1.24 - Схема удаления примесей при окислительном рафинировании меди.

По мере роста растворимости оксида меди в расплаве черновой меди упругость диссоциации оксида меди будет возрастать до тех пор, пока не образуется насыщенный раствор оксида меди в расплавленной черновой меди. Предельная концентрация оксида меди в расплаве на рисунке 1.21 обозначена как [Cu2O]н. р.. По достижении предельной концентрации оксида меди упругость диссоциации (Р) оксида меди достигнет своего максимального значения и в дальнейшем изменяться не будет.

По мере удаления примеси из расплавленной меди концентрация её в расплаве будет уменьшаться, а равновесное давление диссоциации оксида примеси будет возрастать. Когда давление диссоциации оксида примеси сравняется с упругостью диссоциации оксида меди, окисление примеси прекратится. На рисунке 1.21 показаны остаточные концентрации примесей MеО и Ме2О рафинированной черновой меди. Примесь Ме2О3 из расплава черновой меди удаляться не будет, так давление диссоциации оксида этой примеси выше, чем давление кислорода при диссоциации оксида меди и примесь не будет окисляться. В результате протекания реакции (1.75) оксиды металлов - примесей вместе с избытком оксида меди и кремнезёмом, загружаемым в печь в небольшом количестве, образуют на поверхности ванны шлак, так как они очень плохо растворяются в металлической меди. В конце процесса рафинирования шлак деревянными скребками сгребают с поверхности шлака. Из приведённых выше примесей наиболее полно удаляются железо, алюминий, цинк и олово, которые практически полностью переходят из расплавленной меди в шлаковую фазу.

Очистка меди от Ni, Sb, As, Bi определяется равновесием реакции (1.74). Если их концентрации в жидкой меди ниже равновесных, то они не удаляются из меди. Так прeдельными концентрациями являются: для Ni - 0,25%; для As –

0,66%. Висмута в черновой меди очень мало и в процессе огневого рафинирования он практически не удаляется из меди. Мышьяк и сурьма относятся к трудно удаляемым примесям

В процессе огневого рафинирования в меди практически полностью остаются благородные металлы, селен и теллур. В металлической меди содержится сера, которая находится в ней в виде Cu2S. Очистка черновой меди осуществляется по реакции, которая протекает с период окислительного рафинирования:

Cu2S +2Cu2O = 6Cu + SO2 (1.76)

Сернистый газ выделяется при этом под большим давлением и удаляется из печи с отходящими газами.

Продутая воздухом расплавленная медь содержит растворённый оксид меди Cu2O (порядка 8%) и небольшое количество других примесей, которые не удаляются в результате огневого рафинирования. Для того, чтобы получить анодную (красную) медь, которая пригодна для электролитического рафинирования, необходимо восстановить находящийся в меди её оксид. Это осуществляется операцией, которую назвали «дразнением». «Дразнение» проводят или погружением в расплавленную медь свежесрубленной древесины (жердей или брёвен) или сжиганием мазута или природного газа. При разложении восстановительных реагентов в расплавленной меди образуются газы Н2, СО, СН4, которые реагируют с оксидом меди по реакциям:

Cu2O + H2 = 2Cu + H2O (1.77)

Cu2O + CO = 2Cu + CO2 (1.78)

4Cu2O + CH4 = 8Cu + CO2 + 2H2O (1.79)

В процессе дразнения ванна хорошо перемешивается газовыми пузырями. Это обеспечивает высокую степень восстановления оксида меди, удаление растворённых газов и способствует глубокой десульфуризации меди.

На современных заводах для огневого рафинирования используют два типа печей: стационарные отражательные печи и наклоняющиеся печи.

Стационарные рафинировочные печи по своему устройству похожи на отражательные печи для плавки медных концентратов. Схема принципиального устройства печи приведена на рисунке 1.25.

Печь покоится на столбчатом фундаменте. На одной из продольных стен имеются закрывающиеся загрузочные окна для загрузки в печь твёрдых материалов и обслуживания печи. В горелке сжигается высоко качественное топливо. На противоположной стороне (торце) печи имеются шлаковые окна. На противоположной от загрузочных окон боковой стене имеется лётка для слива меди. Вместимость печи составляет порядка 400 тонн жидкой меди.

1 – столбчатый фундамент; 2 – основной фундамент; 3 - лещадь;

4 - откос; 5 – шлаковое окно; 6 – каркас крепления печи;

7 - газоход; 8 - свод; 9 - стены; 10- горелочное окно;