6. Конвертирование медных штейнов

Штейн представляет собой сплав сульфидов меди (Cu2S) и железа (FeS). Содержание меди в штейне колеблется от 10 -12 до 70 -75 %. Среднее содержание серы в медных штейнах составляет порядка 25%.

Штейн, в основном, перерабатывают конвертированием. Поскольку большинство реакции в процессе конвертирования протекают с большим выделением тепла, то осуществление процесса конвертирования не требует затрат тепла. Таким образом, процесс конвертирования является типичным автогенным процессом.

Основной целью процесса конвертирования является удаление из штейна железа и серы и других вредных примесей, чтобы получить наиболее чистую медь. Благородные металлы практически полностью остаются в штейне. В него также переходит часть селена и теллура. На конвертирование, кроме штейна, в расплавленном или твёрдом состоянии поступают богатые медью оборотные материалы, а также кварцевый флюс.

Процесс конвертирования разделяется на два периода. Первый период заключается в продувке воздуха через жидкий штейн, заливаемый в конвертор с добавлением значительного количества кремнезёмистого флюса или золотосодержащей кварцевой руды.

В основе его лежит процесс окисления сульфидов железа и перевод образующихся оксидов в шлак. Поскольку сродство железа к кислороду значительно превышает сродство меди к кислороду, то в первом периоде окисление сульфида меди практически не наблюдается. Первый период конвертирования штейнов характеризуется следующими основными реакциями:

2FeS + 3O2 = 2 FeO + 2SO2 (1.63)

FeO + SiO2 = 2FeO·SiO2 (1.64)

Основная суммарная реакция процесса может быть записана в виде:

2FeS + 3O2 + SiO2 = 2FeO·SiO2 +2SO2 (1.65)

Процесс конвертирования ведут при температуре 1200-1250оС. При более низких температурах реакция шлакообразования протекает медленно. Это может привести к насыщению расплава магнетитом, так как при низких температурах получает развитие реакция:

FeO + O2 = 2Fe3O4 (1.66)

При этом выделяется большое количество тепла. Реакционная масса разогревается до температуры порядка 1250оС и реакция ошлаковывания оксида железа с образованием фаялита получает большое развитие.

При высоких температурах накопившийся магнетит также будет реагировать с сульфидом железа по реакции:

3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO·SiO)2 +SO2 (1.67)

В первом периоде происходит также окисление сульфидов меди по реакции:

Cu2S + 3O2 = 2Cu2O +2SO2 (1.68)

Однако образующийся оксид меди сразу же реагирует с сульфидом железа, вновь превращаясь в сульфид:

Cu2O + FeS = Cu2S + FeO (1.69)

Поэтому фактически окисления сульфидов меди в первом периоде конвертирования не наблюдается.

Ведение процесса при более высоких температурах нецелесообразно, так как ведёт к быстрому разрушению футеровки конвертора.

Первый период конвертирования носит циклический характер. Каждый цикл состоит из операций заливки жидкого штейна, загрузки кварцевого флюса и холодных присадок, продувки расплава воздухом и слива конверторного шлака. Длительность одного цикла зависит от состава исходного штейна и составляет 30 - 50 минут.

После каждой продувки в конвертере остаётся обогащённая медью сульфидная масса. Содержание меди в массе постепенно возрастает до предельной величины, отвечающей фактически составу чистой полусернистой меди ( Cu2S).

Продолжительность первого периода определяется содержанием меди в штейне, а также количеством воздуха, подаваемого в конвертер, которое зависит от числа фурм и состояния конвертора. При переработке богатого штейна (35-45 % Cu) первый период длится 6-8 часов, при переработке бедного штейна (менее 20-25 % Cu) - 16-24 часов.

На окисление 1 кг cульфида железа (FeS) в штейне требуется порядка 2 м3 воздуха.

Время, затрачиваемое на дутьё, составляет 70-80% от длительности первого периода. Остальное время тратится на слив шлака и загрузку конвертора.

По окончании первого периода и слива последней порции шлака в конвертере остаётся почти чистая полусернистая медь Cu2S, называемая белым штейном или белым маттом. Содержание меди в белом штейне колеблется в пределах 70 - 80%.

Содержание меди в сливаемых конверторных шлаках составляет порядка 1,5-2,5%. Содержание других компонентов в шлаке колеблется в пределах, %: SiO2-21-23; FeO-57-61; CaO-0,8-1,0; Al2O3- 6,5-9,0; S-1,5-2,1.

Из примесей, попадающих в конвертер, следует упомянуть благородные металлы, цинк и никель.

Благородные металлы практически полностью концентрируются в штейне.

Цинк попадает в конвертер в виде сульфида ZnS вместе со штейном при переработке цинксодержащей шихты. Основная масса цинка в конвертере окисляется до оксида ZnO, который частично переходит в шлак, а частично покидает конвертор с отходящими газами.

Никель, присутствующий в конвертере в незначительных количествах, практически полностью остаётся в белом штейне.

Второй период конвертирования заключается в переработке белого штейна на черновую медь. Белый штейн также продувают воздухом. Процесс является непрерывным и длится порядка 2-3 часов. Во время продувки белого штейна в конвертере протекают две основные реакции. Реакция окисления сульфида меди кислородом воздуха до оксида

Cu2S + 3O2 = 2Cu2O +2SO2 (1.70)

и взаимодействие оксида меди с остальной массой сульфида меди

Cu2O + Cu2S = 6Сu + SO2 (1.71)

Суммарная реакция процесса может быть записана в виде:

Cu2S + O2 = 2Сu + SO2 (1.72)

Для конвертирования медных штейнов используют горизонтальные конвертеры. Принципиальная схема устройства конвертера приведена на рисунке 1.22.

Конвертер представляет собой железный сварной кожух с торцовыми днищами, футерованный изнутри хромомагнезитовым кирпичом. Вблизи торцовых днищ на корпусе закреплены опорные бандажи. Рядом с одним из них установлен зубчатый венец. Вращение конвертера осуществляется с помощью электродвигателя, соединенного через редуктор с зубчатым колесом.

Всё обслуживание конвертора осуществляют через горловину. Воздух в конвертор подают через фурмы. Продолжительность процесса конвертирования при прочих равных условиях определяется объёмом вдуваемого в конвертор воздуха. Расход воздуха зависит от живого сечения фурм. Зарастание фурм приводит к уменьшению живого сечения, а, следовательно, к уменьшению объёма воздуха, поступающего в конвертер за единицу времени. Это приводит к снижению производительности конвертора. Поэтому большое внимание оказывается чистке фурм и поддержанию их в хорошем состоянии.

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

- 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.

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.

- 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.