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.

Плавка во взвешенном состоянии или процесс взвешенной плавки (ПВП)

При этом способе сульфиды шихты сгорают, двигаясь в потоке кислородосодержашего дутья, т.е. сгорают в факеле во взвешенном состоянии.

В качестве дутья используют обогащенный кислородом воздух и иногда кислород.

Разновидности процесса:

- Способ фирмы "Оутокумпу" (Финляндия);

- Плавка во взвешенном состоянии на кислородном дутье;

- Процесс "Норанда" (Канада).

Сравнение технико-экономических показателей основных видов плавки сульфидных медных концентратов на штейн приведено в таблице.

Показатель	Наименование плавки
	Отраж.	КФП	ВП	КИВЦЭТ	Норанда	Мицубиси	Аусмелт	СПК	ПЖВ
Производительность, т/(м^2·сут)	4-5	10-13	8-12	3-5	10-11	20	-	10-16	60-80
Сод. меди, % в штейне	20-30	38-40	60	40-50	70-75	65	58-60	60-70	45-55
в шлаке (без об.)	0,4-0,5	до 1,2	1,0-1,5	0,3-0,6	5,0	0,5	0,5-0,7	1,5-4,0	0,5-06
Содер. SiO2 в шлаке	34-42	28-34	29-30	-	-	30-35	-	-	30-32
Влаж. шихты,%	6-8	до 1	до 1	до 1	10-13	до 1	-	-	6-8
Круп. шихты, мм	до 5	0,1	0,1	0,1	до 10	3-5	до 25	-	до 50
Пылевынос, %	1-2	9-12	7-10	-	5	45	1	до 28	1
О2  в дутье, %	до 25	95	35-40	95	до 37	35	-	18-22	60-65
Содер. SO2, %	1-2	70-75	18-20	35-50	16-20	-	11	-	20-40
Расх. топ., %	18-22	до 2	до 5	10-12	9-11	-	-	-	до 2

c) Конвертирование медного штейна

Цель конвертирования - получение черновой меди путем окисления содержащихся в штейне серы и железа. Конвертирование осуществляют продувкой штейна воздухом в горизонтальном конвертере. Перерабатываемые штейны, как отмечалось, состоят в основном из сульфидов меди (Cu₂S) и железа (FeS). Вследствие экзотермичности основных реакций конвертирование не требует затрат топлива.

Процесс в  конвертере циклический  и  делится на  два периода.

Первый период (период окисления сульфида железа), называемый набором сульфидной массы, начинается с заливки штейна, после чего подают дутье и через горловину или отверстие в торцевой стенке конвертера загружают порцию кварцевого флюса, содержащего 70-80% SiO₂. Период длится 6-24 ч в зависимости от содержания меди в штейне. Основными реакциями периода являются окисление сульфида железа

2FeS + 3О₂ = 2FeO + 2SО₂

и ошлакование образующегося оксида FeO кремнеземом флюса

2FeO + SiО₂ = (FeO)₂SiО₂.

По мере накопления шлака, состоящего из FeO и SiО₂, его сливают, в конвертер заливают новую порцию штейна и, добавляя флюс, продолжают продувку. Длительность таких циклов набора массы составляет 30-50 мин.

Температура заливаемого штейна в результате протекания этих экзотермических реакций повышается с 1100-1200 до 1250-1350 °С. Более высокая температура нежелательна, и поэтому при продувке бедных штейнов, содержащих много FeS, добавляют охладители – твердый штейн, сплески Мели, корки из ковшей, медные концентраты.

Сульфид меди в течение первого периода не окисляется, поскольку у железа больше химическое сродство к кислороду, чем у меди. По окончании первого периода и слива последней порции шлака в конвертере остается белый штейн – почти чистая полусернистая медь, «белый матт» – расплав Cu₂S, продукт, почти полностью состоящий из сульфида меди.

Второй период – получение черновой меди из белого штейна – длится 2-3 ч и заключается в продувке без добавки в конвертер флюса. Основная реакция периода:

2Cu₂S + 3O₂ = 2Cu₂O + SO₂

Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu + SO₂

После полного окисления серы продувку заканчивают, получая черновую медь. Ее сливают из конвертера и либо направляют в рафинировочную печь, либо разливают в слитки, которые затем направляют на специальные рафинировочные заводы. Таким образом, в результате продувки получаются черновая медь, содержащая 96,0-99,4% Cu, 0,01-0,04 % Fe, 0,02-0,1 % S и небольшое количество Ni, Sn, As, Sb, Ag, Au, и конвертерный шлак, содержащий 22-30 % SiО₂, 45-50% FeO, около 3% Аl₂O₃ и 1,5-2,5% Cu.

Качество черновой меди определяется содержанием никеля: чем больше содержание никеля в черновой меди, тем хуже ее качество.

Черновая медь не ядовита, не токсична и не взрывоопасна.

Для непосредственного технического применения черновая медь не пригодна, и поэтому ее обязательно подвергают рафинированию с целью очистки от вредных примесей и попутного извлечения благородных металлов, селена и теллура.

d) Рафинирование меди

Рафинирование черновой меди от примесей по экономическим соображениям проводят в две стадии - вначале методом огневого рафинирования, а затем электролитическим методом.

Огневое рафинирование

Цель огневого рафинирования - подготовить медь к электролитическому рафинированию путем удаления из нее основного количества примесей. Огневое рафинирование жидкой меди (на медеплавильных заводах) проводят в цилиндрических наклоняющихся печах, а на медьэлектролитных заводах, получающих черновую медь в слитках, — в стационарных отражательных печах. Печи для огневого рафинирования часто называют анодными, так как после рафинирования жидкую медь разливают в аноды - слитки, имеющие форму пластин.

Огневое рафинирование в отражательной печи длится ~ 24 ч и включает следующие периоды: загрузка (длится до 2 ч), расплавление (~ 10 ч) окислительная обработка расплава, удаление шлака, восстановительная обработка, разливка готовой меди. Рафинирование в цилиндрических печах, где не требуется плавления меди, длится примерно в два раза меньше.

Анодная Медь содержит 99,4-99,6% меди.

Электролитическое рафинирование

При электролитическом рафинировании решаются две задачи - глубокое рафинирование меди от примесей, что обеспечивает ее высокую электропроводность, и попутно извлечение ценных золота, серебра и селена.

Электролиз ведут в ваннах ящичного типа длиной 3-5,5, шириной 1 и глубиной 1,2-1,3 м, футерованных внутри кислотостойкими материалами (винипласт, стеклопластик и др.). В ванне подвешивают аноды и между ними катоды - пластины из чистой меди.

Электролитом служит раствор CuSO₂ и H₂SО₄, напряжение между анодами и катодами 0,3-0,4 В. Происходит электролитическое растворение анодов, т.е. в раствор переходят ионы Cu²⁺, а на катодах эти ионы разряжаются, осаждаясь на них слоем чистой меди. Электролит периодически обновляют. Часть примесей остается в электролите, а такие как Au, Ag, Se, Те, Pb, Sn, Pt выпадают в осадок - шлам, который выгружают из  ванны и перерабатывают, извлекая ценные металлы.

Растворение анода длится 20-30 сут, катоды выгружают через 6-12 сут. Удельный расход электроэнергии равен 230-350 кВт×ч на 1т меди.

Часть катодов направляют потребителям, а основное количество переплавляют для получения слитков и литых заготовок. Катоды расплавляют в отражательных и шахтных печах с отоплением природным газом, в электродуговых и индукционных печах. Жидкую медь разливают на карусельных разливочных машинах в вайербасы (заготовки для прокатки проволоки) или в слитки различной формы. Разливку производят также на установках непрерывной и полунепрерывной разливки, получая литые заготовки требуемого сечения. Применяют литейно-прокатные агрегаты, где отливаемую на УНРС заготовку обжимают в прокатных валках агрегата до получения прутка (катанки) или полосы.