Введение

Лекции (тезисы) по дисциплине «Металлургия меди и никеля» предусматривают теоретическое основание необходимых технологий и изучение металлургических процессов протекающих в агрегатах цветной металлургии; освоение методов расчета шихты, интенсификации технологических процессов и управления плавкой.

Не менее важной задачей является приобретение навыков работы студентов с имеющейся технической литературой, широко распространенных в Интернете, а также умения оценивать технологические показатели процесса.

Во время изучения дисциплины студенты должны самостоятельно выполнить лабораторные работы с использованием различных металлургических процессов. Это позволит студентам получить навыки самостоятельного подхода к решению конкретных задач, касающихся инженеров металлургов-технологов, а также к проведению научно-исследовательской работы. Описанные условия проведения лабораторных работ максимально приближены к производственным режимам.

Наряду с лабораторными работами студенты должны научиться составлять технологический баланс каждого передела, производить расчет шихты для реальных технологических процессов и управления этими плавками, что достигается на практических занятиях.

Углубления изучение дисциплины предусматривает предоставление студентам дополнительных тем по СРС с докладом и защитой на семинарах, что предоставляет слушателям закрепление полученных знаний.

Тезисы лекций охватывают содержание всего курса «Металлургия меди и никеля» и содержат 15 лекций, охватывающих все переделы производства меди и никеля как из первичного (медного и медно-никелевого концентратов горно-обогатительного производства), так и из вторичного сырья, а также процессы по извлечению меди и никеля из отвалов и забалансовых руд. Особое внимание отведено изучению автогенных процессов, являющихся стержнем всей медной и никелевой отрасли и без которых невозможна современная медная промышленность. После каждой лекции предусмотрены контрольные вопросы для самостоятельной подготовки к экзамену по дисциплине.

Тезисы лекций составлены на основании требований, предъявляемых к выпускникам высших учебных заведений по специальности 5В070900 - Металлургия.

Лекция 1. Развитие производства меди. Свойства меди и ее применение. Сырье для получения меди. Современное состояние медной промышленности.

Медь является одним из семи металлов, известных с глубокой древности: по данным археологов медь начали добывать еще 6-7 тысяч лет назад. Знакомство человечества с медью объясняется нахождением ее в свободном состоянии на поверхности земли и легкостью ее получения из соединений.

Сплав меди бронза дало даже название одной из эпох развития человечества – бронзовый век.

Медь в периодической системе Менделеева представлен как химический элемент I группы. Порядковый номер меди 29, атомная масса 63,546. Температура плавления – 1083^оС; температура кипения - 2595^оС; плотность - 8,98 г/см³. Чистая медь – тягучий, вязкий металл красного цвета.

Медь состоит из двух изотопов ⁶³Cu и ⁶⁵Cu. На долю ⁶³Cu приходится 69,09%, на ⁶⁵Cu – 30,91%. В соединениях медь проявляет степень окисленности Cu⁺ и Cu²⁺, известны немногочисленные соединения трехвалентной меди. Медь является одним из основных тяжелых цветных металлов.

Несмотря на то, что медь входит в состав более 250 минералов, для промышленности интерес представляют всего лишь 17 минералов. Главными рудными минералами сульфиды (халькопирит CuFeS₂, ковеллин CuS, халькозин Cu₂S и борнит Cu₅FеS₄), карбонаты (малахит CuCO₃∙Cu(OH)₂ и азypит CuCO₃∙2Cu(OH)₂), оксид куприт CuO, силикат хризоколла CuSiO₃ ∙2H₂0.

Медь обладает высокой электро- и теплопроводностью, уступая лишь серебру. Медь также обладает сравнительно хорошей коррозионной стойкостью и высокой пластичностью. Вышеуказанные достоинства меди позволяют успешно применять ее в строительстве, электротехнической и электронной промышленности, производстве машин и оборудования, различных теплообменниках. Наряду с этим на основе меди создано значительное количество различных сплавов с другими металлами, в первую очередь необходимо отметить бронзы и латуни.

Медная промышленность является одной из ведущих подотраслей цветной металлургии. Выпуск меди постоянно растет, а технология ее получения непрерывно совершенствуется. Дальнейшее увеличение производства меди возможно за счет вовлечения в металлургическую переработку новых видов сырья, повышения комплексности его использования и интенсивного освоения новых прогрессивных технологических процессов и аппаратов.

На базе многочисленных крупных месторождений медьсодержащих руд в СНГ работают Норильский. Джезказганский. Балхашский и Алмалыкский горно-металлургические комбинаты. По-прежнему важное место в производстве меди занимает Урал, где расположено несколько медеплавильных и медерафинировочных предприятий. Весьма перспективным для развития медной промышленности считается район Удокана в Восточном Забайкалье.

Для переработки всех видов медьсодержащего сырья с целью получения металлической меди применяют как пиро-, так и гидрометаллургические процессы. В общем объеме произведенной меди на долю пирометаллургических способов приходится около 85% мирового выпуска этого металла. Наибольшее распространение гидрометаллургия меди имеет в странах с жарким климатом, где имеется возможность использовать открытые установки без сооружения больших производственных зданий. В странах СНГ на долю гидрометаллургической меди приходится менее 1 % ее общего выпуска.

Пирометаллургическая технология предусматривает переработку сырьевых материалов - руд и концентратов на черновую медь с последующим ее обязательным рафинированием. Если принять во внимание, что основная масса медной руды или концентрата состоит из сульфидов меди и железа и минералов пустой породы, то конечная цель пирометаллургии меди - получение черновой меди - достигается за счет практически полного удаления железа, серы и пустой породы в соответствующие продукты технологии. При этом с учетом комплексного характера медного сырья одновременно решается задача максимального попутного извлечения всех ценных элементов-спутников меди.

Переработка медных руд и концентратов на черновую медь в промышленных условиях может быть осуществлена несколькими путями. Основная задача технологии - удаление железа и серы - может решаться путем их окисления в три стадии (обжиг, плавка, конвертирование), в две стадии (плавка, конвертирование), и даже в одну - прямой плавкой на черновую медь.

За исключением последнего варианта, предусматривающего непосредственную плавку концентратов на черновую медь, технология ее получения характеризуется многостадийностью. При этом в каждой из последовательно проводимых технологических операций постепенно повышают концентрацию (содержание) меди в основном металлсодержащем продукте за счет отделения пустой породы и постепенного удаления железа и некоторых других сопутствующих элементов.

Наиболее распространенная до последнего времени технология получения товарной меди предусматривает обязательное использование следующих металлургических процессов: плавку на штейн, конвертирование медного штейна, огневое и электролитическое рафинирование меди. В отдельных случаях перед плавкой на штейн проводят предварительный окислительный обжиг сульфидного сырья.

Плавку на штейн - 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 ней кислорода (или весьма незначительного его содержания) регулировать степень десульфуризации невозможно, и содержание меди в штейнах будет незначительно отличаться от содержания ее в исходной шихте. При получении очень бедных штейнов (18-20% Си) технологически и экономически невыгодным становится процесс их последующего конвертирования.

В условиях окислительной плавки можно получать штейны любого заданного состава вплоть до черновой меди . В последнем 118 случае исключается необходимость проведения процесса конвертирования. Заданная степень десульфуризации при окислительных плавках сульфидного сырья достигается путем регулирования количества окислившихся сульфидов железа и перевода его оксидов в шпак. Частичное окисление сульфидов с целью получения при плавке более богатых штейнов можно осуществить также предварительным окислительным обжигом шихты.

Существует много разновидностей плавки медных руд и кон­центратов на штейн, отличающихся как технологическими осо­бенностями, так и аппаратурным оформлением.

Широкое распространение до настоящего времени в медном производстве методом плавки на штейн имеет плавка в отража­тельных печах, пригодная для переработки только мелких мате риалов. Близким аналогом отражательной плавки является плавка в электрических (руднотермических) печах. По настоящего вре­мени сохранил свое практическое значение самый старый способ переработки медных руд - плавка в шахтных печах.

Описанные способы плавки на штейн далеко не удовлетворяют требованиям к современному металлургическому процессу. Основным направлением развития технологии переработки сульфидного сырья является освоение промышленностью новых, более технологичных и экономичных схем, построенных на базе автогенных процессов.

Внедрение автогенных процессов, основанных на использо­вании теплоты сгорания сульфидов для технологических нужд, в металлургию мели и других тяжелых цветных металлов дает большой экономический эффект. В металлургии меди, а част­ности, значительно упрощается технология за счет совмещения процессов обжига, плавки на штейн и частично или полностью (при плавке сразу на черновую медь) процесса конвертирования в одном технологическом цикле или аппарате. Использование автогенных процессов, кроме того, позволяет резко повысить комплексность использования перерабатываемого сырья, исклю­чить расход постороннего топлива, улучшить многие другие технико-экономические показатели и предотвратить загрязнение окружающей природы вредными выбросами.