Раздел 5. Производство цветных металлов

Цель раздела:

Ознакомиться с современными технологиями при производстве цветных металлов

План раздела 5:

5.1. Металлургия меди

5.2. Металлургия никеля

5.3. Металлургия алюминия

5.4. Получение других цветных металлов

Цель подраздела 5.1:

Ознакомиться с современными технологиями и оборудованием при производстве меди.

План подраздела 5.1:

5.1.1. Свойства меди и ее применение

5.1.2. Сырье для получения меди

5.1.3. Пирометаллургический способ производства меди:

a) Подготовка медных руд к плавке;

b) Плавка на штейн;

c) Конвертирование медного штейна;

d) Рафинирование меди.

Большую часть меди (85-90%) производят пирометаллургический способом из сульфидных руд. Одновременно решается задача извлечения из руд помимо меди других ценных сопутствующих металлов. Пирометаллургический способ производства меди является многостадийным.

Основные стадии этого производства:

a) подготовка руд (обогащение и иногда дополнительно обжиг),

b) плавка на штейн (выплавка медного штейна),

c) конвертирование штейна с получением черновой меди,

d) рафинирование черновой меди (сначала огневое, а затем электролитическое).

а) Подготовка медных руд к плавке

Сульфидные медные руды обогащают преимущественно методом пенной флотации. Предварительно руду измельчают до частиц крупностью 0,1-0,5 мм. После флотации получают медный концентрат, содержащий 8-35 % Cu, 40-50 % S, 30-35 % Fe и пустую породу, главными составляющими которой являются SiО₂, Al₂О₃ и СаО. Медь в концентрате находится в виде сернистых соединений, железо - в основном в виде пирита FeS₂. Концентрат содержит 8-10% влаги.

Обжиг медных концентратов. Большую часть концентратов (богатые концентраты, содержащие 25-35 % Cu) переплавляют на штейн без обжига, а незначительную часть (бедные концентраты, содержащие 10-25 % Cu) предварительно подвергают обжигу. Основная цель обжига - частичное окисление содержащихся в концентрате серы и железа с тем, чтобы в последующем обеспечивалось получение штейна с достаточно высоким (~ 25-30 %) содержанием меди.

В процессе обжига происходят:

- нагрев шихты;

- термическая диссоциация высших сульфидов (FeS₂ ® FeS + l/2S₂ и 2CuS ® Cu₂S + l/2S₂);

- окисление образующихся паров серы до SО₂ с выделением тепла;

- горение сульфида железа 2FeS + 3,5О₂ = Fe₂О₃ + 2SО₂ с выделением тепла.

Этого тепла с избытком хватает для требуемого нагрева шихты (700-850 °С). Температура в печи не должна превышать 850 °С во избежание спекания шихты; чтобы избежать перегрева, в шихту вводят флюсы, иногда в печь вдувают воду или в кипящий слой вводят трубчатые холодильники.

Продукт обжига – огарок состоит из низших сульфидов Cu₂S и FeS и различных оксидов. Отходящие из печи газы, содержащие 7-13% SО₂, используют для производства серной кислоты. Чтобы уменьшить вынос мелкой шихты отходящими газами, иногда перед обжигом медный концентрат подвергают окомкованию. Широко распространенный в прошлом обжиг медных концентратов в многоподовых печах с механическим перегребанием материалов применяется в настоящее время редко.

b) Плавка на штейн

Медный штейн состоит в основном из сульфидов меди и железа (Cu₂S + FeS = 80-90 %) и других сульфидов, а также оксидов железа, кремния, алюминия и кальция. Плавку на штейн или выплавку штейна осуществляют для того, чтобы путем расплавления шихты получить два жидких продукта -штейн и шлак и тем самым отделить медь, переходящую в штейн от оксидов шихты, которые образуют шлак. Выплавку штейна производят несколькими способами: в отражательных, шахтных и электродуговых печах и автогенными процессами.

Плавка в отражательных печах

Плавка в отражательных печах - наиболее распространенный процесс получения медного штейна.

Химические процессы, протекающие при отражательной плавке:

1) Испарение влаги и реакции термического разложения неустойчивых химических соединений и высших сульфидов, карбонатов, гидроксидов и др., например:

FeS₂ → FeS + ½ S₂

CaCO₃ → CaO + CO₂

2) Реакции взаимодействия ферритов (MeO ∙Fe₂O₃) с сульфидами:

3Fe₃O₄(FeO ∙Fe₂O₃) + FeS + SiO₂ = 5(2FeO∙SiO₂) + SO₂

3) Реакции взаимодействия оксидов цветных металлов с сульфидами:

FeS + Cu₂O = Cu₂S + FeO

4) Реакции распределения ценных компонентов, являющихся спутниками меди, между продуктами плавки.

Плавка в шахтных печах

Известны четыре разновидности шахтной плавки: восстановительная, пиритная, полупиритная и медно-серная.

В восстановительной плавке, применявшейся для переработки окисленных руд, тепло для плавления шихты получалось за счет сжигания кокса.

В пиритной плавке необходимое тепло выделялось при сгорании в печи сульфидов шихты; руда для такого процесса должна содержать не менее 75 % пирита FeS₂.

В настоящее время применяют две разновидности процесса: медно-серную и полупиритную плавку, при которых тепло получается как от горения в печи сульфидов шихты, так и топлива (кокса).

Плавка в руднотермических печах

Плавка в руднотермических (РТП) печах @ аналог отражательной плавки. Процессы в РТП @ процессам в отражательной печи.

Недостаток процесса плавки в электрических РТП:

- необходимость постороннего источника тепловой энергии;

- не используется теплотворная способность сульфидов шихты.

Восстановительная плавка:

- применяется для переработки окисленных руд;

- тепло для плавления шихты получается за счет сжигания кокса;

- основной метод получения черновой меди из вторичного сырья.

 Пиритная плавка:

- необходимое тепло выделяется при сгорании в печи сульфидов шихты;

- руда должна содержать не менее 75 % пирита FeS₂.

 Медно-серная плавка:

- тепло получается от горения в печи сульфидов шихты и топлива (кокса);

- в качестве продукта получают элементарную серу.

 Полупиритная плавка:

- тепло получается от горения в печи сульфидов шихты и топлива (кокса);

- применяют дутье, обогащенное кислородом.