При вычислении степени кислотности силикатного шлака Al2o3 и другие амфотерные оксиды в расчет не принимаются.

Степенью основности или основностью шлака называют от­ношение числа молей основных окисидов к числу молей крем­незема. Например для составов 2СаО-SiO₂ ; FеО-СаО-SiO₂ степень основности равна 2.

ПЛАВКА СУЛЬФИДНЫХ МЕДНЫХ РУД НА ШТЕЙН

Медные руды и концентраты содержат медь, главным образом, в виде сульфидов: СuS, Cu₂S, CuFeS₂ и др. и пустую породу ;в виде SiO₂ и силикатов. При содержании от 1,5—2,5% меди в руде и до 15—30% в концентрате основная задача плавки — получить медный штейн с содержанием меди 20—50%. Для этой цели применяют окислительную концен­трационную плавку кусковых руд в шахтных печах, печах Ванюкова и других печах, где реализуется автогенный процесс.

4CuS = 2 Cu₂S + S₂,

S + O₂ = SO₂,

2CuFeS₂ = Cu₂S + 2FeS + 0,5 S₂,

FeS + 1,5O₂ = FeO + SO₂,

2FeS₂ = 2FeS + S₂,

Cu₂S + 1,5O₂ = Cu₂O + SO₂ .

Между сульфидами и образовавшимися окcидами, особенно после расплавления сульфидов, образующих штейновую фазу (при­мерно при 900° С), происходит взаимодействие, в том числе и реак­ции взаимного обмена:

Cu₂O + FeS = Cu₂S + FeO.

При повышении температуры образуются силикаты и расплавлен­ные шлаки из оксидов CuO, FеО, SiO₂ и др. Далее идёт взаи­модействие между двумя расплавленными фазами - штейном и шлаком, по реакции:

Cu₂O_шлак + FeS_штейн = Cu₂S_штейн + FeO_шлак

Если в штейне остаётся сульфид железа, медь всегда в виде Cu₂S !

Схема шахтной печи

Вследствие большой величины стандартного термодинамического потенциала этой реакции Cu₂O из шлака в значительной мере пере­ходит в штейн, а железо распреде­ляется между штейном и шлаком:

2FеО + SiO₂ = 2FеО^.SiO₂.

В рудных плавках сульфидных руд на штейн получаются медные штейны, содержащие 30—50% Сu. Отваль­ные шлаки не содержат CuO, но содержат 0,2—0,3% Сu в виде тонкодисперсных, не отстоявшихся корольков штейна и раство­ренного в шлаке Cu₂S.

ПРОДУВКА МЕДНОГО ШТЕЙНА В КОНВЕРТЕРЕ

Дальнейшая концентрация сульфида меди в штейне осуще­ствляется продувкой его воздухом. Применяемый в этом случае конвертер представляет собой цилиндрический барабан, футеро­ванный внутри огнеупорным кирпичом. В конвертер заливают расплавленный штейн и добавляют кварц в качестве флюса для связывания закиси железа в шлак. При продувке воздуха штейн частично окисляется:

FeS + 1,5O₂ = FeO + SO₂

Cu₂S + 1,5O₂ = Cu₂O + SO₂,

а затем образовавшаяся закись меди взаимодействует с еще не­окислившимся сульфидом железа:

Cu₂O + FeS = Cu₂S+ FeO.

По этой причине в конвертерных шлаках остается до 2% Сu в составе закиси и в виде капелек сульфида меди.

Далее получаемый штейн конвертируют продувкой кислорода (воздуха). Кислород, имея большое сродство к сере, восстанавливает медь до черновой, подвергаемой далее электролитическому рафинированию.

Cu₂S+ O₂=2Сu +SO₂ .

Медь хороший коллектор благородных металлов. Последние при электролизе меди накапливаются в шламе - основном сырье для производства металлов платиновой группы и золота.

ПЛАВКА ОКИСЛЕННЫХ НИКЕЛЕВЫХ РУД НА ШТЕЙН

Никелевые руды, содержащие 1—1,2% Ni в виде силикатов и алюмосиликатов закиси никеля, перерабатывают на никелевый штейн, содержащий до 20% Ni. В качестве источника серы слу­жат либо пирит FeS₂ либо гипс CaSO₄^.2H₂O.

Плавку ведут в таких же печах, как и для медного сырья, в восстановительной среде. В печи гипс восста­навливается до сульфида кальция по реакции:

СаSO₄ + 4СО = СаS + 4СО₂.

При плавке с пиритом (его вводят в виде массивного колчедана или в виде отходов углеобога­тительных фабрик) идут реакции:

2FeS₂= 2FeS + S₂; 0,5S₂ + O₂ = SO₂ .

Далее протекает практически необратимая реакция:

3FeS_штейн + 3NiO_шлак =Ni₃S_{2 штейн} + 3FeO_шлак + 0,5S₂ .

Так как процесс идет в восстановительной среде, закись никеля, даже если она остаётся в шлаке, восстанавливается углеродом до металла.

Обычно содержание никеля в шлаках 0,1—0,2%, главным образом из-за растворенного в шлаке сульфидного никеля и взвешенных тонкодисперсных корольков штейна.

FeO_шлак + CaS = FeS_штейн + CaO_шлак ,

3NiO_шлак + 3CaS = Ni₃S_{2 штейн} + 2CaO_шлак+ 0,5S₂ .

Константа равновесия первой реакции при 1400° С k= 10^4,5, из чего следует, что вся закись железа FеО может быть переведена в сульфид железа с помощью СаS, или при избытке FеО остаток СаS будет практически отсутствовать. Для второй реакции k еще больше.

Однако закись никеля сульфидируется, главным образом сернистым железом, получаемым по первой реакции. Никелевый штейн содержит обычно 15—20% Ni. Его можно продуть воздухом в конвертере и полу­чить чистый никелевый сульфид — файнштейн.

Конвертирование никелевого штейна, так же как и медного, осуще­ствляется с добавкой в конвертер кварцевого флюса для ошлаковывания железа. При продувке воздуха штейн (сульфиды и содер­жащиеся в нем железо и никель) частично окисляется, но закись никеля тут же вступает в реакцию с сульфидом железа, переводящим никель в сульфидную фазу (файнштейн). Продувку ведут до тех пор, пока не получится суль­фид никеля с примесью металлического никеля. Конвер­терный шлак, содержащий повышенное количество никеля (до 4%), направляют на специальный обеднительный передел в конвер­теры или электропечи.

Файншейн напрявляют на восстановительную плавку с нефтекоксом, не содержащим серу, и получают черновой никель, пригодгый для выплавки ферроникеля и электролитического рафинирования, а шлак, содержащий кобальт, направляют в кобальтовое отделение.

(В конверторах с продувкой кислорода черновой никель в принципе можно получить, но при температурах более 1500^оС. Термодинамика такая!)

Производство важнейших тяжёлых цветных металлов пирометаллургическими способами

К пирометаллургическим относят процессы, идущие при повышенных температурах: сушка, различные виды обжига (хлорирующий, сульфатизирующий, окислительный, восстановительный и др.), спекание и сплавление компонентов шихты, различные виды плавок (рафинировочная, плавки на штейн и шлак и др.), металлотермия. К ним относят также "хлорную металлургию" (производство циркония, титана, тантала и ниобия) и электролиз в расплавах (производство алюминия и магния).

МЕДЬ

В 1997 г. суммарное мировое производство рафинированной меди составило 13,6 млн. т, в том числе ~2 млн. т (14,6%) из вторичного сырья. Четыре крупнейшие страны-продуцента: США, Чили, Япония и Китай – обеспечили 51,8% мирового производства рафинированной меди из первичного и вторичного сырья, а страны, вошедшие в первую десятку продуцентов, – 74,4%.

Основные страны производители меди по данным за 1997 г. (тыс. т)

	Рафинированной меди	Черновой меди	Меди в концентратах
США	2452,4	1720,9	1940
Чили	2116,6	1389,6	3392
Япония	1278,7	1350,4	0,9
Китай	1179,4	969	495,5
Германия	673,6	349,1	-
Россия	610	570	530
Канада	560,3	626,5	658
Польша	440,6	442	414,7
Бельгия и Люксенбург	386	142,5	-
Перу	384,1	326,4	603
Замбия	338,4	315,8	352,9
Казахстан	302,5	327,4	316,2
Мексика	297	339	393,1

В России в 2002 г. произведено более 800 тыс. т рафинированной меди, из которой 450 тыс. т приходится на «Норильский никель» и 320 на УГМК.

Бóльшую часть меди получают из сульфидных медных (медно-никелевых, медно-цинковых) руд.

В России около 70% всей меди производится из медно-никелевых сульфидных руд (Норильск, Кольский полуостров), 22,6% из медно-колчедановых (медных и медно-цинковых руд), остальная – из других типов руд.

Переработка сульфидных медных концентратов с получением катодной меди в самом общем виде состоит из следующих стадий:

1. автогенная плавка (концентрата или огарка) на штейн (сплав сульфидов меди и железа)

во взвешенном состоянии или в расплаве;

1. конвертирование штейна (продувка кислородом) с получением черновой меди;

1. окислительное (анодное) рафинирование черновой меди;

1. электролитическое рафинирование анодной меди.

Основное оборудование для пирометаллургического производства меди

Плавка во взвешенном состоянии отличается от плавки в расплаве тем, что нагрев, окисление и расплавление шихтовых компонентов протекает в газошихтовом факеле.

C + O₂ → CO₂ + Q;

CuFeS₂ + O₂ → Cu₂S + FeS + SO₂;

Cu₂S + FeS + O₂ → Cu₂S + FeO + SO₂;

Cu₂S + FeS + O₂ + SiO₂ → Cu₂S + (FeO)₂SiO₂ + SO₂;

Cu₂S + O₂ → Cu + SO₂

Достоинства автогенных технологий по сравнению с традиционными процессами плавки (отражательной и электроплавкой) :

1. сокращение расходов топлива;

1. стабилизация потоков и сокращение объёмов отходящих газов и повышение концентрации в них SO₂, что дает возможность утилизировать эти газы с минимальными затратами. За счет этого объём выбросов SO₂ резко сокращается;

1. высокая удельная производительность;

1. возможность регулировать состав штейна и получать в процессе плавки концентратов богатые штейны.