6. Пример расчета

Предположим, что конвертированию подвергается штейн следующего состава: 60% Cu, 16% Fe и 23% S. Навеска штейна 30г. Кварцевый флюс содержит 96% SiO₂. В конвертерном шлаке желательно иметь 52% Fe и 26% SiO₂.

а) Потребное количество кварцевого флюса

можно принять, что при конвертировании практически все железо штейна переходит в конвертерный шлак. Тогда вес шлака будет:

г

SiO₂ в конвертерном шлаке:

9,2 ∙ 0,26 = 2,4г

Это количество SiO₂ должно быть введено с кварцевым флюсом. Количество кварцевого флюса:

2,4 : 0,96 = 2,5г.

б) Извлечение меди в черновую медь

Предположим, что в результате конвертирования получили 17г черновой меди. Содержание меди в черновой меди можно принять равным 99%. Извлечение меди в черновую медь будет:

%.

в) Определение теоретически необходимого количества воздуха для конвертирования

В результате конвертирования вся сера штейна переходит в конвертерные газы в виде SO₂, а все железо штейна – в конвертерный шлак в виде FeО. Образование этих соединений происходит за счет кислорода воздуха, вдуваемого в конвертер.

Потребуется кислорода для окисления серы до SO₂:

г

Потребуется кислорода для окисления железа до FeО:

г

Всего потребуется кислорода:

6,9, + 1,4 = 8,3г

или воздуха по весу 8,3 : 0,23 = 36,1г

или воздуха по объему 36,1,: 1,293 = 28л.

С учетом потерь воздуха при продувке берем избыток 40%:

28 ∙ 1,4 = 39,2л

Такое количество воздуха должно быть продуто через расплав в течение 45-60минут. За это время будет закончен процесс получения черновой меди.

7. Контрольные вопросы

1. Цель процесса конвертирования.

2. Продукты конвертирования, их состав.

3. Химизм процесса конвертирования.

4. Флюсы (состав, качество).

5. Чем объясняется двухстадийность процесса?

6. Температурный режим конвертирования.

7. Конструкция горизонтального конвертера.

8. Оценка конвертерного передела.

8. ЗАДАНИЕ: Рассчитать количество кварцевого флюса для образования шлака. Провести в лабораторных условиях двухстадийный процесс конвертирования с получением черновой меди. Определить извлечение меди в черновую медь. Обработать результаты.

Лабораторная работа №4 электролитическое рафинирование меди

1. Цель и задачи:

Воспроизвести в лабораторных условиях процесс электролитического рафинирования меди с получением катодной меди, определив основной технико-экономический показатель – выход по току.

2. Краткие теоретические сведения

Электролитическое рафинирование меди является заключительной стадией переработки медных руд и концентратов на катодную медь.

Анодная медь содержит 99,4 . .. 99,6 % Си; остальное приходится на долю оставшихся после огневого рафинирования примесей, включая золото, серебро, селен и теллур. В среднем в 1 т анодной меди содержится 30... 100 г золота и до 1000 г серебра. Такую медь обязательно подвергают рафинированию методом электролиза.

В процессе электролитического рафинирования меди решаются две основные задачи: глубокая очистка от вредных примесей и попутное извлечение сопутствующих меди ценных компонентов. Согласно ГОСТ 859-66 высшая марка товарной электролитной меди МОО должна содержать не менее 99,99% Си, т.е. суммарное содержание примесей, включая девять элементов с регламентированными предельными концентрациями, не должно превышать 0,01 %.

Сущность электролитического рафинирования мели заключается в том, что литые аноды и тонкие матрицы из электролитной меди - катоды попеременно завешивают в электролитную ванну, заполненную электролитом, и через эту систему пропускают постоянный ток.

Электролит - водный раствор сульфата меди (160... 200 г/л) и серной кислоты (135. .. 200 г/л) с примесями и коллоидными добавками, расход которых составляет 50... 60 г/т Си. Чаще всего в качестве коллоидных добавок используют столярный клей и тиомочевину. Они вводятся для улучшения качества (структуры) катодных осадков.

Механизм электролитического рафинирования меди включает следующие элементарные стадии:

1)электрохимическое растворение меди на аноде с отрывом электронов и образованием катиона: Си - 2е → Си²⁺;

2)перенос катиона через слон электролита к поверхности катода;

3)электрохимическое восстановление катиона меди на катоде: Си2+ + 2e → Cu;

4)внедрение образовавшегося атома меди в кристаллическую решетку катода (рост катодного осадка).

Для осаждения одной молярной массы эквивалента металла (для меди 63,56:2 = 31,78 г/моль) расходуется 96500 Кл электричества или 96500 : 3600 = 26,8 А * ч.

При пропускании через раствор тока силой 1 А в течение 1 ч выделится 31,78:26,8 = 1,186 г меди. Эта величина называется электрохимическим эквивалентом меди. Следовательно, для того чтобы осадить на катоде больше меди, нужно пропустить через электролитную ванну больше электричества. Для количественной оценки интенсивности процесса электролиза на практике пользуются величиной плотности тока (D), которая выражается отношением силы тока (I) к единице поверхности электрода(F): D = I / F А/м².

При электролитическом рафинировании меди чаше всего работают при катодной плотности тока 240 .. . 300 А/м². Следует отметить, что использование особых режимов электролиза (реверсивный ток, системы прямоточной циркуляции электролита и др.) уже сейчас позволяет довести плотность тока до 400 ... 500 А/м² и более.

На практике выход основного металла на катоде всегда ниже теоретического. Отношение массы фактически выделившегося металла к его теоретическому количеству, которое должно было бы выделиться по закону Фарадея, называют выходом по току. Этот показатель выражают обычно в процентах. Физический смысл этого показателя можно определить как степень использования протекающего через электролизер тока на совершение основной электрохимической реакции. Так, при выходе по току, равном 95 %, 5 % затраченной электроэнергии расходуется на побочные электрохимические процессы. С повышением выхода по току увеличивается производительность процесса электролиза и снижается удельный расход электроэнергии.

Расход электроэнергии при электролизе зависит также от падения напряжения на ванне, которое при электролитическом рафинировании меди возникает главным образом в результате преодоления сопротивления электролита (60... 65 % от общего) и токоподводящих шин, контактов (~ 20 %). Напряжение на ванне можно рассчитать по формуле: U = IR₁+ IR₂ + IR₃, где I - сила тока, подводимого к ванне, A; R₁, R₂, R₃ - электрическое сопротивление соответственно электролита, шин, контактов.

Из формулы видно, что напряжение на ванне будет возрастать с увеличением силы тока, т.е. плотности тока. При плотностях тока 250... 300 А/м², выходе по току около 95% и напряжении на ваннах 0,25... 0,3 В практический удельный расход электроэнергии на современных медеэлектролитных заводах составляет 230... 350 кВт ч на 1т меди.

Как уже отмечалось, электролитическое рафинирование меди направлено на глубокую очистку ее от примесей. Имеющиеся в анодной меди примеси в процессе электролиза ведут себя по-разному. Их поведение определяется положением в ряду напряжений.

Медь, имеющая нормальный потенциал, равный +0,34 В, по отношению к водороду электроположительна. Правее ее в ряду напряжений находятся лишь благородные металлы. Разряд ионов водорода на катоде, приводящий к снижению выхода по току при электролизе меди, возможен только при недостаточной концентрации ионов меди.

Все присутствующие в анодной меди примеси по их электрохимическому поведению можно разбить на четыре группы.

К первой группе относятся наиболее электроотрицательные по сравнению с медью примеси, которые практически полностью растворяются на аноде и могут попасть в катодную медь в виде межкристаллических включений (захватов) раствора особенно при чрезмерном повышении их концентрации в электролите (вблизи катода). К ним относятся железо, никель, кобальт, цинк, олово, свинец. Для предотвращения загрязнения катодов этими примесями часть электролита нужно выводить на очистку (регенерацию). Исключение из числа примесей этой группы составляют олово и свинец, которые выпадают в шлам вследствие образования нерастворимых в сернокислом электролите соединений- Sn(OH)₂ и PbSO₄.

Вторую группу примесей образуют мышьяк, сурьма и висмут. Их электродные потенциалы близки к потенциалу выделения меди, и поэтому их переход в катодные осадки наиболее вероятен. Для предотвращения попадания этих наиболее опасных примесей а катодные осадки необходимо не допускать повышения их концентраций выше предельно допустимых. На практике это достигают выводом мышьяка, сурьмы и висмута из раствора при регенерации электролита.

К третьей группе относятся благородные металлы, которые в условиях электролиза меди, как более электроположительные, анодно не растворяются. По мере растворения анода они теряют с ним механическую связь и на 98 ... 99 % осыпаются в шлам.

Примеси четвертой группы, представленные растворенными в анодной меди химическими соединениями типа Cu₂S, Cu₂Se, Cu₂Te вследствие электрохимической нейтральности и малой растворимости в электролите также практически полностью переходят в шлам подобно благородным металлам.

Для электролитического рафинирования применяют железобетонные ванны ящичного типа, имеющие в плане удлиненное прямоугольное сечение. Для повышения коррозионной стойкости ванн против воздействия сернокислого электролита внутреннюю часть ванн облицовывают винипластом, стеклопластиком, полипропиленом, кислотоупорным бетоном и другими кислотостойкими материалами.

В настоящее время чаще всего электролитные ванны группируют в блоки по 10... 20 ванн, а затем - в серии, состоящие, как правило, из двух блоков. Все электроды в отдельных ваннах - катоды и аноды - включены параллельно, а ток через блоки и серии проходит последовательно.

Аноды и катоды подвешивают поочередно. При этом число катодов в ванне всегда на один больше, чем анодов, и они имеют увеличенные на 20... 30 мм ширину и высоту по сравнению с анодными пластинами.

При установке в ванну анодов их укладывают одним из ушек на токоподводящую шину или же соединяют с катодной штангой катодов соседней ванны (иногда через промежуточную шинку). Подвод тока от источника питания осуществляют только к крайним шинам блока или к серии ванн. Преобразователями переменного тока в постоянный в последние годы почти повсеместно служат малогабаритные, наиболее экономичные кремниевые выпрямители.

Первичными катодами служат тонкие (0,4... 0,6 мм) листы из электролитной меди - катодные основы. Их заготавливают электролитическим путем на матрицах из холоднокатаных меди или гитана. К содранным с матрицы листам после обрезки кромок приклепывают ушки, обеспечивающие в дальнейшем контакт катода с токоподводящей штангой.

Время наращивания полновесного катода в товарных ваннах на различных заводах колеблется от 6 до 15сут. Ко времени выгрузки масса катода достигает 60 . .. 140 кг. После тщательной промывки готовые катоды направляют потребителю или переплавляют в слитки.

Растворение анода обычно длится 20..30 сут и зависит от его толщины и режима электролиза. Анодные остатки, составляющие 12... 18% от первоначальной массы, переплавляют в анодных печах в новые аноды. За время работы анодов производят 2 ... 3 съема катодов.

В процессе электролиза электролит загрязняется примесями и обогащается медью. Накопление меди происходит главным образом за счет того, что анодный выход по току меди больше катодного выхода вследствие образования на аноде некоторого количества ионов Си⁺. Обогащению электролита медью способствует также химическое растворение в нем катодной и анодной меди и содержащихся в анодах ее оксидов.

Для предупреждения накопления примесей и удаления избытка меди электролит подвергают обновлению (регенерации). Для регенерации часть электролита выводят из ванн. Количество выводимого электролита рассчитывают по предельно допустимой концентрации ведущей примеси, накопление которой идет наиболее быстро. Обычно такой примесью является никель, реже мышьяк.

Вывод электролита на регенерацию практически осуществляется во время организации его обязательной непрерывной циркуляции в электролитных ваннах. Помимо частичного обновления электролита, циркуляция должна обеспечивать выравнивание его состава в межэлектродном пространстве. Это обеспечивает получение качественных катодных осадков и снижение расхода электроэнергии. Циркуляция должна обеспечивать смену всего электролита за 3 ... 4 ч.

Циркуляцию электролита можно проводить путем его подачи с одного торца ванны и вывода с противоположного торца (перпендикулярно электродам) или прямоточно через все ванны блока параллельно электродам. В последнем случае становится возможным значительно повысить плотность тока без нарушения качества катодной меди.

Во время циркуляции электролит по пути из напорного бака к ваннам подогревают паром до 50...55 ^оС, что способствует снижению его электрического сопротивления.

Катодную медь отправляют потребителю или на переплав.