Металлургия меди

Добрый день. Следующая тема наших с вами лекций — это металлургия меди. По плану лекции вы видите на слайде: медь, применение, сырье для получения меди, современное состояние медной промышленности, окислительный обжиг медных концентратов, конвертирование медных штейнов, автогенные процессы плавки, огневое рафинирование черновой меди и электролитическое рафинирование меди.

Гидрометаллургия. Всем известно, что медь совместно с никелем, свинцом, цинком и оловом образует группу основных тяжелых цветных металлов. И из этой группы только лишь никель является молодым металлом, производство которого началось в 19 веке. Все остальные металлы, включая медь, уже известны человеку на протяжении почти всей истории развития человеческого общества. Значение меди для современного общества трудно переоценить.

Ну, все мы знаем, что в периодической системе элементов Менделеева медь расположена в первой группе, четвертом периоде, и порядковый номер ее будет 29. И как элемент первой группы, медь одновалентна, и поэтому в этом состоянии она наиболее широко представлена в минералах, штейнах, шлаках и других продуктах пирометаллургии. При температуре плавления 1085 градусов давление паров меди очень мало и составляет 1,6 мегапаскаль. Практически нелетучими являются сера и кислород меди.

Медь — мягкий, вязкий и ковкий металл красного цвета, вы видите это на слайде. Она легко прокатывается в тонкие листы и вытягивается в проволоку. По электропроводности медь уступает только лишь серебру, а в химическом отношении медь — малоактивный металл, хотя она в определенных условиях может непосредственно соединяться с серой, кислородом и другими элементами. При обычной температуре сухой воздух и влага в отдельности не действуют на медь, но во влажном воздухе, содержащем CO2, медь окисляется и покрывается зеленой пленкой основного карбоната, который является ядовитым веществом.

Медь можно также в ряду напряжений поставить более электроположительно, чем водород, и поэтому в растворах таких кислот, как, например, соляная и серная, в отсутствии окислителя медь не растворяется. В кислотах, одновременно являющихся окислителями, например, в азотной кислоте, медь растворяется легко.

Где же у нас применяется область применения меди? Ну, во-первых, это в электротехнике и электронике, а именно: кабели, обмотки двигателей, детали радиоэлектронных приборов, токопроводящие шины, схемы, печатные платы и так далее. Это именно в электротехнике и электронике.

На втором месте у нас именно машиностроение. Мы видим в машиностроении, автомобильной и тракторной промышленности, а именно в радиаторах ее применяют.

Третье — это транспорт, то есть детали и узлы железнодорожных вагонов, автомобилей, самолетов, морских, речных судов, тракторов. Вот на данном слайде мы видим днище корабля, именно с медными заклепками.

Также строительство, а именно в кровельных листах, вот мы видим медную кровлю.

Далее, химическая промышленность — это производство солей, красок, катализаторов.

Шестое — изделия и приборы для бытового назначения, а именно детали часов, стиральных машин, бытовых электроприборов.

И, наконец, седьмое — это сельское хозяйство, а именно при производстве ядохимикатов, именно медный купорос пользуется спросом, как удобрение.

Следующий пункт — сырье для получения меди. Источниками получения меди у нас являются руды, продукты их обогащения и концентраты, и вторичное сырье. На долю вторичного сырья приходится около 40% от общего выпуска меди. Медные руды практически все относятся к полиметаллическим, а монометаллических руд меди в природе нет.

Ну, возможными природными спутниками меди, как и других тяжелых металлов, является большинство элементов четвертых-шестых периодов периодической системы Менделеева. Ценными спутниками меди в рудном сырье является более 30 элементов, и важнейшими из них мы видим на слайде: это золото, это серебро, это цинк, свинец, никель, это сера, это металлы платиновой группы, железо. Известно более 250 медных минералов, большинство из них встречаются редко. Наибольшее промышленное значение для производства меди имеет небольшая группа минералов, содержащих медь в количестве процентов. Ну, видим вот на слайде: именно эритрокиприт, халькопирит, куприт и так далее.

Все эти соединения меди на слайде. В современной практике обычно разрабатывают месторождения с содержанием меди 0,8-1,5%, а иногда и выше. Однако для крупных месторождений кратное нужное минеральное содержание меди, пригодное для разработки в современных условиях, составляет примерно до 0,5%. Наряду с медными минералами, в рудах находятся в больших и меньших количествах сульфиды других и родственных металлов, как, например, цинка, свинца, никеля и железа. Железо может присутствовать как в форме самостоятельных, так и в виде комплексных сульфидов типа халькопирита и пирита.

Ценность медных руд значительно повышается из-за наличия в них благородных металлов и ряда редких и рассеянных элементов: селена и теллура. И смотрите на слайде: халькопирит, борнит, киноварь — это так называемые сульфиды. Анис — это избыток серы сверх стехиометрического содержания соответствующих валентных соотношений. Кроме рудных минералов, в медных рудах содержится пустая порода в виде кремнезема, глинозема, извести и других.

В практике медной промышленности встречаются оксидные пустые породы, которые преобладают, силициум, алюминий и другие, и основные руды со значительным количеством известняков и других минералов. Все эти руды низкого содержания меди и комплексного характера в большинстве случаев непосредственной металлургической переработке невыгодны, поэтому они предварительно подвергаются флотационному обогащению. При обогащении медных руд основным продуктом является медный концентрат, содержащий до 55% меди, чаще 30%. Извлечение меди в концентрат при флотации достигает 95%. Кроме медных, при обогащении руд получаются золотосодержащие концентраты и иногда концентраты редких металлов. Отходами обогащения у нас являются хвосты.

Следующее по нашей лекции — это современное состояние медной промышленности. Как нам известно, медная промышленность является одной из ведущих в цветной металлургии. Выпуск продукции постоянно растет, а технологии ее получили непрерывное совершенствование. Дальнейшее увеличение производства меди возможно за счет вовлечения в разработку новых видов сырья, повышения комплексности его использования и интенсивного освоения новых прогрессивных технологических процессов и аппаратов для переработки всех видов медьсодержащего сырья с целью получения металлической меди.

Используются как пирометаллургические процессы, так и гидрометаллургические процессы. И в общем объеме производства меди на долю пирометаллургических способов примерно приходится около 87% мирового выпуска этого металла. Наибольшее распространение получила пирометаллургия меди в странах с жарким климатом, где есть возможность использовать открытые установки без сооружения больших производственных зданий. Пирометаллургическая технология предусматривает переработку сырьевых материалов, руд и концентратов на черновое меди с последующим ее рафинированием.

Если принять во внимание, что основная масса медной руды или концентратов содержит медь, железо и минералы пустой породы, то конечная цель пирометаллургии меди — получение черновой меди — достигается за счет практически полного удаления железа, серы и пустой породы. Соответствующие технологии переработки медных руд и концентратов в черновое меди в промышленных условиях могут быть осуществлены несколькими путями. Чем дальше мы с вами будем проходить схему, на схеме видно, что основная задача технологии — это удаление меди. На слайде это удаление железа и серы. Может решаться лишь путем их окисления. Три стадии: это обжиг, плавка и конвертирование. В две стадии: это плавка и конвертирование. И даже лишь в одну — это получается прямая плавка на черновое меди.

Наиболее распространенная до последнего времени технология получения товарной меди предусматривает обязательное использование следующих пирометаллургических процессов: это плавка на штейн, конвертирование медного штейна, огневое и/или электролитическое ее рафинирование. В отдельных случаях переплавку на штейн проводят с предварительным окислительным обжигом сухих материалов.

Плавка на штейн — это основной технологический процесс переработки сульфидных медных руд и концентратов. Можно проводить в восстановительной, нейтральной или окислительной атмосфере. В условиях нейтральной или восстановительной атмосферы, из-за отсутствия в нем кислорода или же весьма незначительного его содержания, регулировать степень окисления невозможно, и содержание меди в штейне будет незначительно отличаться от содержания в исходной шахте. При получении очень бедных штейнов (18-20% меди) технологически и экономически невыгодным становится процесс их последующего конвертирования. В условиях окислительной плавки можно получать штейн любого заданного состава, вплоть до черновой меди.

Следующее — окислительный обжиг. Обжиг медных концентратов. Окислительный обжиг в пирометаллургии меди не является обязательным в медной промышленности, отличается очень редко и применяют его обычно перед плавкой на штейн высокосернистых, бедных медью концентратов или руд. Применение обжига оправдано также при переработке медного сырья с получением цинка с целью окислительного обжига. Целью является частичное удаление серы и перевод части железа в форму шлака или в последующую плавку оксидов. Это вызвано стремлением получить при плавке, проводимой в условиях незначительного окисления, штейн с содержанием не менее 25-30% меди.

Если при окислительном обжиге окислить все содержащие сульфиды, то обожженный материал полностью будет состоять из оксидов. При плавке такого материала штейн не получится. Полностью обожженный концентрат можно переработать либо восстановительной плавкой на черновое меди, либо гидрометаллургическим способом, либо плавкой концентратов в отражательных или электрических печах. Обжиг проводится без расплавления шихты.

Плавка шихтовых печей, мелких руд и концентратов требует их современного окускования. В этих случаях частично окислительный обжиг сопровождается окускованием шихты с получением обожженного крупнокускового продукта, именно агломерата. Частично, наряду с частичным окислением серы и железа, в процессе окислительного обжига решаются задачи получения сернистых газов, пригодных для производства серной кислоты.

Перемешивание компонентов шихты и ее термическая подготовка. Медная шихта, поступившая в обжиговую печь, состоит из концентратов, измельченных флюсов и обратной пыли. Состав шихты должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к следующему процессу плавки, с целью получения штейна заданного состава. Окислительный обжиг медных концентратов проводят при температуре 750-900 градусов. При этих температурах окисление сульфидов проходит преимущественно с образованием оксида, и, как вы видите на слайде, состоит из следующих уравнений. Это можно сейчас записать. Образование сульфатов или плавка на штейн нежелательна, так как при этом ведет к снижению диссоциации. Верхний температурный предел 900 градусов ограничен тем, что при более высокой температуре может начаться плавление отдельных сульфидов, и наиболее легко плавится пирит. Это все к чему может привести? Это все может привести к спеканию мелких частиц шихты при обжиге порошка, и это недопустимо.

Процесс обжига у нас состоит из следующих процессов, элементарных стадий, а именно: нагрев несущей шихты, термическая диссоциация высших сульфидов, воспламенение и горение сульфидов. Нагрев шихтовых материалов сопровождается удалением влаги и происходит как за счет теплоотдачи от горячих газов, так и за счет тепла реакции окисления. После нагрева шихты до температуры 350-400 градусов начинаются почти одновременные процессы диссоциации сульфидных минералов и их воспламенения. И вот нам на слайде представлены, как же происходит разложение сульфидов, выделяющиеся пары серы сгорают в окислительной атмосфере печи по следующей реакции. Получается CO2. При термическом разложении до половины удаляются газы, то есть это примерно составляет 50%. Десульфуризация при диссоциации халькопирита и пирита равна примерно 10%.

Продуктом окислительного обжига медных концентратов является у нас огарок. Минералогический состав огарка будет резко отличаться от состава исходного концентрата. Получающийся огарок характеризуется наличием в нем оксидов и практически полным отсутствием высших сульфидов. Основными химическими соединениями огарка, полученного, например, при обжиге медного концентрата, будут следующие. Мы видим это на слайде: это CuO, Fe2SiO4 и так далее. При проведении обжига возможно образование небольших количеств сульфата меди и железа и цинка, как вы видите на слайде. Нужно будет вам пройти и записать.

Две серии: первое — сущность общего кипящего слоя, и второе — плавка на штейн.

Переходим к огневому рафинированию черновой меди. Черновая медь у нас может содержать до 4% примесей, делающих ее непригодной для прямого применения. По этой причине вся черновая медь в настоящее время обязательно подвергается двухстадийному рафинированию: а это именно огневому и последующему электролизу. Возможны три варианта организации рафинирования меди в промышленных условиях.

Первое — обе стадии рафинирования проводят на том же предприятии, где и выплавляется черновая медь. В этом случае на огневое рафинирование поступает расплавленная медь.

Вторая стадия — обе стадии рафинирования осуществляют на специальных рафинировочных заводах, на которые медь поступает в слипкой массе до полутора тысяч килограмм. Такая технология требует повторного расплавления черного металла, но позволяет, как мы говорили, именно впереди переплавлять черновую медь на месте, перерабатывать анодные остатки электролизных переделов и технологический брак процессов огневого и/или электролитического рафинирования.

Третий этап — огневое рафинирование жидкой черновой меди осуществляют на медеплавильных заводах, а электролиз проводится организованно на специальных предприятиях.

Какая же цель огневого рафинирования? Она сводится к частичной очистке меди от примесей, обладающих повышенным содержанием кислорода, и подготовке ее к последующему электролитическому рафинированию. При огневом рафинировании расплавленная медь стремится максимально удалить кислород, серу, железо и так далее. Медь после огневого рафинирования разливают в слитки пластинчатой формы — сушки, аноды, которые направляют в электролизный цех. Поэтому печи для огневого рафинирования часто называют анодными печами.

На современных предприятиях огневого рафинирования у нас используют два основных типа печей: это отражательные и наклоняющиеся стационарные. Рафинировочная медь — устройство похожее на отражательные печи для плавки концентратов, но имеет ряд специфических конструктивных особенностей. Вместимость современных — до 400 тонн жидкой меди. Анодные печи покоятся на столбчатом фундаменте, где обеспечивают повышенную стойкость. На одной из продольных стен печи имеются рабочие окна с опускающимися заслонками, предназначенные для загрузки черновых материалов и обслуживания печи во время работы. Рафинировочные печи отапливаются только лишь высококачественным топливом, а именно природным газом или мазутом.

Стационарные отражательные печи применяют для огневого рафинирования жидкой черновой меди, также для переплавки и дополнительного рафинирования, которое меди при изготовлении из нее слитков особой формы, которые используются для дальнейшей прокатки и получения продукции. Наклоняющиеся стационарные рафинировочные печи коллективно сходны с горизонтальными конвертерами, но имеют большую вместимость до 300 тонн для выпуска рафинированной меди. Со стороны разливочной машины при печи сделаны отверстия диаметром примерно 60 миллиметров. Напор струи жидкой меди регулируется в этом случае углом поворота печи в сторону разлива. Наклоняющиеся рафинировочные печи универсальны, но пригодны только для переработки жидкой черновой меди.

Огневое рафинирование меди — периодический процесс. Он у нас состоит из последовательных стадий, включающих подготовку и загрузку печи, плавление или разогрев меди, окислительную обработку расплава и съем шлака, восстановительную обработку и разливку готовой меди.

Электролитическое рафинирование меди — это уже последнее. На аноде меди примерно 94-96% меди, остальное приходится на долю оставшихся после огневого рафинирования примесей, тем самым включая золото, серебро, селен и теллур. И вот такую медь обязательно подвергают рафинированию. Электролиз. В процессе электролитического рафинирования решаются две основные задачи: первая — это глубокая очистка от вредных примесей, и попутное извлечение соответствующих меди ценных компонентов.

Еще раз: сущность электролитического рафинирования заключается в том, что слитки анодной пластины и катодной меди, которые переменного тока, замещены электролитом, и через эту систему проводят постоянный ток. Что такое электролит? Это водные растворы солей меди и серной кислоты. Также вот эти примеси и водные добавки. Чаще всего в качестве водной товарной добавки используют столярный клей. Он вводится для улучшения структуры катодных осадков.

На этом наша лекция с вами закончена. Спасибо за внимание.