1236

Т а б л и ц а 8. Эксплуатационные затраты на производство меди

обогащение, на плавку концентратов и рафинирование. В табл. 8 приведены данные об эксплуатационных затратах предприятий США на производство меди, приведенные Л. М. Газаряном.

Затраты на добычу и обогащение руды составляют в себестои­ мости меди более половины всех затрат, и примерно 40 % прихо­ дится на затраты, связанные с плавкой шихты и рафинированием меди. Поэтому должно уделяться особое внимание снижению за­ трат на эти пределы. Необходимо также стремиться к комплекс­ ному использованию сырья с высоким извлечением всех металловспутников (золота, серебра и редких металлов).

Выбор способа переработки медьсодержащего сырья. В настоя­ щее время часто применяются следующие процессы плавки медь­ содержащего сырья на штейн:

1)отражательная плавка (см. рис. 15). Этим способом полу­ чают более половины меди;

2)плавка во взвешенном состоянии (рис. 36) на подогретом,

воздушном (ПВС) или воздушно-кислородном дутье (финская плавка);

3) плавка во взвешенном состоянии (см. рис. 18) на техноло­ гическом кислороде (КФП). Этот вид плавки успешно освоен,

в Советском Союзе и в Канаде; 4) плавка в руднотермических электропечах (см. рис. 25)..

ВСоветском Союзе этот способ нашел широкое применение;

5)плавка в струе кислорода в циклонно-электротермическом

агрегате (КИВЦЭТ-процесс) (см. рис. 19); 6) плавка в шахтных печах сортированной кусковой богатой

РУДы или концентрата после предварительного укрупнения путем, брикетирования или агломерации (см. рис. 8).

Представляют интерес плавка в длинном конвертере (разра­ ботана в Канаде фирмой «Норанда») и плавка в трех располо­ женных каскадно печах^ (разработана в Японии фирмой «Мицу­ биси»). Оба процесса дают черновую медь. Как уже отмечалось, в результате всех видов плавки получают штейн, шлак и запылен­ ные газы. Какой же процесс выбрать?

Основные требования к современному металлургическому про­ цессу. Цветные металлы обычно стоят дорого. Даже часто встре­ чающиеся в технике и быту цинк, алюминий, медь, олово, свинец, никель стоят от 84 коп. до 4 р. 30 коп. за 1 ч<г. Благородные цвет­ ные металлы — золото, платина — стоят очень дорого: несколько

Рис. 36. Принципиальная схема печи для плавки во взвешенном состоянии:

а — разрез печи; б — разрез аптейка; в — разрез отстойника; г — план печи; / — шихтовые горелки; 2 — шахта; 3 — отстойник; 4 — аптейк; 5 — форсунка; 6 — шлаковое окно

рублей 1 г. Дорогими являются и типичные спутники меди — серебро и селен. Поэтому первым требованием к металлургиче­ скому процессу является высокое извлечение цветных металлов. Современные процессы обеспечивают извлечение 94—98 % меди. По этому показателю заметно отстает шахтная плавка руд. Здесь извлечение меди на 8—15 % ниже среднего. Лучшее, чем среднее, извлечение удается получить электроплавкой или КИВЦЭТ-про- цессом.

Чтобы удешевить цветные металлы, надо расходовать как можно меньше топлива и электроэнергии и стремиться использо­ вать более дешевые материалы. При шахтной плавке используют дорогое топливо — кокс. Для отопления отражательных печей применяют природный газ, который дешевле кокса (примерно в три раза). Процессы КФП, КИВЦЭТ и финскую плавку можно вести, совсем не расходуя топлива на главные операции, так как здесь используют тепло химических реакций. Тепло химических реакций во время электроплавки и отражательной плавки не ис­ пользуется. Это — их серьезный недостаток.

Важным моментом при сравнении преимуществ печей и про­ цессов является температура, которую можно получить в печи. В этом отношении выделяется электроплавка. Она дает возмож­ ность вести процесс при 1500—1600°С. Другие виды плавки обес­ печивают температуру 1350—1400°С, но предпочтительно вести ее при 1250 °С. Если сырье тугоплавкое, то приходится выбирать электроплавку.

Не менее важно знать количество газов, образующихся при проплаве 1 т сырья. Чем их меньше, тем проще их очистка и использование, выше извлечение спутников меди (свинца, кадмия, цинка, германия, рения, осмия, олова). В этом отношении самый неудобный процесс — отражательная плавка. Много газов обра­ зуется и во время шахтной плавки. Остальные процессы дают газов в 10—40 раз меньше, чем отражательная плавка. Особенно мало газов образуется в плавках КФП и КИВЦЭТ. Последнее обстоятельство очень важно с позиций охраны природы и ком­ плексного использования сырья. При больших объемах отходящих газов, например в случае отражательной плавки, с ними теряется сера и наносится огромный вред окружающей среде.

Современные процессы должны быть высокопроизводитель­ ными. В этом случае затраты окупятся. Самыми производитель­ ными являются процессы КВП и КФП. Их удельная производи­ тельность составляет 10—12 т/(м3*сут), т. е. почти втрое выше, чем у отражательных печей, и несколько выше, чем у электро­ печей. Низкая удельная производительность — второй существен­ ный недостаток отражательных печей.

На новых заводах отражательные и шахтные печи применять не предполагается.

Для всех металлургических процессов необходимое условие их применения — хорошие условия труда, механизация всех операций и комплексная автоматизация управления ходом плавки. Таким образом, для применения на новых заводах остаются четыре вида плавки: ПВС, КФП, КИВЦЭТ, руднотермическая.

Какой же из четырех новых процессов можно выбрать при •строительстве нового или реконструкции старого завода? Процесс КВП наиболее удобен для переработки бедных медью высокосер­ нистых концентратов с низким содержанием цинка. Процесс КФП наиболее применим для концентратов с 25—35 % Си и тоже с низ­ ким содержанием цинка. КИВЦЭТ-процесс рассчитан на перера­ ботку сернистых медно-цинковых концентратов. Для богатых медью и бедных серой тугоплавких концентратов наиболее под­ ходит электроплавка. Богатые серой концентраты перед электро­ плавкой следует обжигать.§

§ 4. Штейны медеплавильных заводов

На первом переделе, на операции плавки получают штейн, шлак и газы. Получение штейна является основной целью плавки. Ранее говорилось, штейн, как правило, поступает на конвертирование.

На этих двух первых операциях содержание меди повышается от

и шлака. Поэтому необходимо подробно изучить эти свойства. Химический состав штейна. В основном медный штейн состоит

из четырех элементов: меди, серы, железа и кислорода. Эти эле­ менты присутствуют в штейне в форме простого сульфида меди (СигБ), простого сульфида железа (FeS) и магнетита (Fe30 4). Последний придает штейнам магнитность. Остальные элементы считаются примесями; их общее содержание составляет до 5—7 %•

ских расчетов 25 %). В отечественной литературе факт постоян­ ного содержания в штейнах серы известен род названием «правило проф. В. Я- Мостовича».

Температура штейна зависит от состава. Чистые сульфиды меди и железа плавятся при ИЗО и 1190°С соответственно, а их сплав (43 % CU2S, 57 % FeS) при 900°С, что отвечает температуре плавления штейна. Плотность жидких штейнов колеблется от 4,2 до 5,2 при 1200—1300°С.

Следует указать на одно «опасное» свойство штейна: при соприкосновении жидкого штейна с водой получаются очень силь­ ные взрывы. Поэтому следует тщательно предупреждать возмож­ ность контактов штейна с водой. Пол около печи должен быть сухим. Сухими должны быть ковши для приема штейна. Охлаж­ дающие печь устройства не должны пропускать воду.

Энтальпия штейнов. Для расчета распределения тепла, затра­ ченного на плавку, необходимо знать энтальпию штейнов. Авторы рекомендуют среднюю величину энтальпии жидких штейнов (1000—1400°С) 1 кДж/(кг-К) при содержании в них 25—50 % меди.

Штейны хорошо растворяют золото, серебро и платиновые металлы. Они способны весьма полно извлекать золото и серебро, находившееся в сырье или в специально добавленном золотосодер­ жащем кварце.

Переход золота в штейн достигает 97—99%. Этим замечатель­ ным свойством штейна на практике пользуются для попутного извлечения золота, добавляя к основному сырью золотосодержа­ щие флюсы и богатые золотом промпродукты.§

§ 5. Свойства шлаков

Полученный расплавленный шлак должен быть легкоплавким, жидким (текучим), легким, не растворяющим штейн, достаточно электропроводным в случае электроплавки, не чрезмерно агрес­ сивным в отношении огнеупоров. Выход шлака должен быть по

кие. ZnO влияет на вязкость шлаков аналогично FeO. Заметно повышается вязкость шлаков с 40—42 %. Уже при этом необхо­ дима температура 1300—1350°С при вязкости 1—2 Па-с. При содержании 55—60 % Si02 нужно нагревать шлак до 1400—1450 °С (вязкость 5—7 Па-с). Кремнеземистые шлаки наиболее легкие, растворяют мало сульфидов. СаО в пределах 1250—1300 °С плавно снижает вязкость шлаков до 0,5—1,0 Па-е (при доведении содер­ жания ее до 22 %).

В шлаках медеплавильных заводов содержание MgO и А120 3 редко превышает 5—8%, и поэтому оно мало сказывается на вязкости и плотности шлака. Повышение содержания А120 3 сверх 8—10 % повышает вязкость.

Температура плавления шлака. Важнейшие составляющие шлака имеют следующую температуру плавления, °С: 1370 — FeO; 1710 — Si02; 2570 — СаО; 2050 — А120 3; 1600 — Fe30 4; 2640 — MgO.

Основные составляющие шлака образуют между собой соеди­ нения тоже тугоплавкие, °С: 1205 — Fe2Si04; 2130 — Ca2Si04; 1550 — CaAl(Si04)2. Тем не менее из них можно составить смеси, плавящиеся уже при 1000—1050°С. Таковы, например, смеси, со­ держащие по 40—42 % FeO и Si02 и около 16 % СаО. При 1250— 1300°С эти смеси разжижаются, имея вязкость 0,5—0,1 Па-с.

Хсм-1. На практике шлаки медеплавильных заводов при 1350°С имеют электропроводность 0,45—0,8 Ом-1-см-1.

Энтальпия шлаков. Теплота плавления реальных шлаков по В. И. Бершаку, составляет в среднем 273 кДж/кг. Можно прибли­ женно определять энтальпию жидкого шлака, как смеси оксидов и соединения Ca2Si04, и добавлять к полученной величине теплоту

+ 273^1600 кДж/кг.

Потери меди в шлаках зависят от состава шлаков и штейна. Из практики известно, что отношение содержания меди в штейне к содержанию меди в шлаке чаще всего составляет примерно 70. Потери меди растут в окислительной атмосфере, когда в шлаке образуется много магнетита (железистого шлака).

Основной вид потерь — механические, в виде взвеси. На их долю приходится 60—80 % от содержания меди в шлаке.

Необходимо отметить, что шлаки могут быть использованы для изготовления шлаковаты, теплоизоляционных плит, литых блоков для дорожного строительства. Из шлаков можно доизвлекать цинк, свинец и редкие металлы. В будущем из шлака предпола­ гается извлекать железо, а богатые кварцем остатки — ситаллы — использовать для литья изделий. Это повысит комплексность ис­ пользования сырья.

Печи КС работают хорошо при содержании серы в шихте 15—35%.

Основные химические реакции обжигового передела. При на­ гревании шихты прежде всего испаряется влага. В печах КС это происходит за доли секунды. Следует заметить, что и остальные процессы в печи КС происходят быстро, в течение, по-видимому, 1 ч. При этом небольшая часть частиц вылетает из слоя мгновенно и дообжигается над слоем, большая часть «кипит» в слое 30— 40 мин и часть находится в слое несколько часов. В слое обжигае­

Эти реакции происходят с затратой тепла примерно по 82 кДж на 1 моль серы. В нагретом до 900 °С материале в значительной мере диссоциирует известняк: СаС03-^СаО + С02. На разложе­ ние 1 моля известняка затрачивается 176 кДж.

необходимость тщательного контроля за температурой и отвода избыточного тепла.

3. Окисление сульфидов: 2FeS + 3!/20 2 = Fe20 3 + 2S02.

При осуществлении этой реакции выделяется почти 1260 кДж

Считают, что оксид меди реагирует с сульфидом железа с об­

впроцентах, принято называть выходом огарка.

Внашем примере выход огарка при обжиге пирита равен 66,7%, чистого известняка 56%. Полезно знать, что масса газов, получаемых во время обжига, больше массы огарка. Проследим

Таким образом, отводу газа, их охлаждению, очистке и исполь­ зованию надо уделять очень большое внимание.

Температурный режим. Практика отечественных заводов по­ казала, что в печах КС целесообразно поддерживать температуру

туру слоя поддерживают на этом уровне, охлаждая слой с по­ мощью кессонов или элементов испарительного охлаждения. Снижают температуру и увеличением влажности шихты.

Необходимую степень десульфуризации (50 ± 5 % ) обеспечи­ вают подачей определенного расчетом количества воздуха на 1 кг концентрата. Обычно подают 0,7—0,9 м3/кг.

Состав обжиговых газов. Определим теперь на основании глав­ ных реакций обжига содержание SO2 в газах.

1. Горение пара серы: S2 + 202 = 2S02. Из реакции видно, что получится газ с 21 % S 02. Практически газ будет беднее (15— 16% S02), потому что он разбавляется парами воды, углекислым газом (от диссоциации известняка), а также избытком воздуха (около 10%) по сравнению с теоретически необходимым.

2. Горение FeS : 2FeS + 3V20 2 = Fe20 3 + 2S02. Согласно этой реакции теоретическое содержание S02 составит 13,1 %. S02 тоже разбавится до 9—11 %. В смеси газов от первой и второй реакций будет 12—14 % S02. Обогащая дутье кислородом, можно получить газ с 18—20 % S02. В многоподовых печах удается получить газ только с 8—7 % S02.

Вынос материала из печи при обжиге составляет 40—90 %, поэтому необходима хорошая очистка газов от пыли. Улавливае­

§ 8. Плавка в шахтных печах

В отечественной металлургии известны следующие виды шахтной плавки: пиритная, полупиритная, медно-серная, восстановительная.

Пиритную плавку применяли на старых уральских заводах. Сырьем для этой плавки служила медная руда (2—4 % Си) с вы­ соким содержанием серы (40—44 %), состоявшая на 80—90 % из пирита и халькопирита. Флюсами служили кварц и известняк. В качестве оборота подавали конвертерный шлак. Плавку вели

в больших количествах, но без избытка (до 1500—1600 м3 на 1 т шихты. Сравните с расходом при обжиге). Поэтому в печи разви­ валась температура до 1450 °С и шихта расплавлялась. Иногда плавку ^ели совсем без топлива. Несмотря на высокую произво­ дительность по переработке руды, пиритная плавка давала мало

меди. Так, печь, проплавлявшая 800 т шихты в сутки (руды в шихте 70 %), могла выплавить за сутки всего при руде с 3 % Си около 14 т меди.

Пиритная плавка была первым автогенным заводским процес­ сом. На ее основе развилась современная автогенная плавка мед­ ных концентратов во взвешенном состоянии. Плавка с минималь­ ным расходом кокса показала, что пирит и другие сульфиды сами являются топливом. В. Я. Мостович рассчитал, что 1 кг пирита энергетически эквивалентен 0,2 кг кокса.

Научное значение пиритной плавки состоит еще и в том, что на ее основе были разработаны полупйритная и медно-серная плавки.

Полупиритную плавку применяют для плавки медных и медно­ никелевых руд. На медеплавильных заводах этот процесс сохра­ нит некоторое значение в ближайшие годы. Переход от пиритной плавки и полупиритной происходил постепенно по мере снижения добычи сплошных колчеданных руд.

По В. Я. Мостовому, между содержанием серы в шихте и рас­ ходом кокса имеется следующая зависимость:

Эти данные примерно соответствуют данным современной плавки с расходом кокса 7—9 %.

В полупиритную плавку поступает много медьсодержащих оборотов. Доля руды в шихте снижается до 30—40 %. Но кисло­ род вдуваемого воздуха расходуется преимущественно на горение топлива, поэтому десульфуризация меньше и составляет 60—80 %.

до 2000 м3. Поэтому в печи держится высокая температура (горя­ чий ход), а газы по всей высоте шихты содержат кислород. Содер­ жание S02 в газах составляет 4—5 %.

Печи, работающие по режиму полупиритной плавки, вследст­ вие горячего хода могут проплавлять до 100—120 т/(м2-сут). Но при этом проплав руды невелик и составляет 30—40 т/(м2*сут). Производительность печи по выплавке меди в штейне остается низкой, а расход кокса в расчете на 1 т меди достигает 10 т, что очень удорожает медь. Особенность полупиритной плавки, отличие ее от пиритной — значительно меньшее содержание в шлаке FeO (38—42 %) и более высокое содержание Si02 (до 40—42 %) при 0,3—0,4% меди. Извлечение меди при этом достигает 80—84 %.

Медно-серная плавка была разработана тоже на основе пирит­ ной плавки. В своих работах проф. В. И. Смирнов называл эту плавку усовершенствованной пиритной. Сущность улучшения можно уяснить на примере основных реакций: 2FeS2 = 2FeS + S2; 2FeS + 302 + Si02 = Fe2Si04 + 2S02. В нейтральной среде и при температуре выше 400 °С газы, полученные в результате двух ука­ занных реакций, состоят из моля S2 (при 400°С — это газ),