книги из ГПНТБ / Набойченко, С. С. Гидрометаллургия меди

н о ет бактерий. Подземное выщелачивание используют на ряде руд­ ников в США (Майами, Рэй), Португалии (Сан-Доминго), Мексике (Кананеа). В СССР в 40—50-х гг. этот вид выщелачивания успешно применяли на нескольких уральских рудниках [242—243].

При оценке возможности применения подземного выщелачивания проводят тщательный анализ горно-технической, гидрогеологиче­ ской и технологической характеристик месторождения, участка, за­ боя.

Рис. 35. Схема наклонного (а) и вертикального (б) отстойников для обесшламлипання руд­ ничных вод:

/ — сливной порог; 2 — шлюзы для осветленной воды; 3 — шлюз для выпуска шлама; 4 — задняя стенка отстойника; 5 — насосы; 6 — шламопровод; 7 — узел приготовления и дози­ ровки флокулянта; 5 — вертикальный отстойник; 9 — горизонтальный отстойник

Горнотехнические характеристики (мощность, минералогический состав, глубина залегания, форма рудного тела, тип и характер лежа­ щей сверху породы) во многом определяют затраты на подготовку системы орошения и сбора раствора.

Наиболее удобны рудные залежи с крутым падением и достаточ­ ной мощностью, а при выщелачивании потерянной руды в старых рудниках — системы с обрушением или магазинированием. В этом случае достаточно равномерная крупность руды создает хорошие условия для циркуляции раствора и воздуха.

Гидрогеологические критерии (пористость и проницаемость руд­ ного тела, трещиноватость окружающих пород, наличие естественных водоупоров, количество и характеристика движения грунтовых вод) определяют условия сбора медьсодержащего раствора и сокращения безвозвратных потерь растворителя.

Технологическая характеристика месторождения отражает извлекаемость меди промышленными растворителями, содержание основных и попутных ценных компонентов, тип вмещающей породы.

Подземное выщелачивание и выщелачивание меди из руды в от­ валах и кучах имеют много общего: успех процесса во многом зависит от обеспечения проницаемости рудного массива, условий селектив­ ности извлечения меди, приемлемой скорости выщелачивания.

104

В зависимости от глубины залегания рудного тела раствор для орошения подают с помощью разбрызгивателей, канав, прудков (при поверхности залегания), скважин, пробуренных с поверхности или из горных выработок, пройденных над рудным телом (при глубоком залегании). Для выщелачивания рыхлого, хорошо проницаемого слоя руды при наличии естественной гидроизоляции обрабатываемого участка используют орошение методом «затопления». Раствор подают в глубь слоя, а медьсодержащий раствор выводят с верхних горизон­ тов. При таком режиме орошения достигается равномерное смачива-

XX

о4 4

Рис. 36 Геометрические схемы сеток бурения нагнетательных (/) и разгрузочных

(2)скважин:

а— квадратная; 6 — треугольная; в — кольцевая; г — сотовая

ние кусков породы и существенно снижаются затраты на проходку скважин, число которых практически сводится к двум (для подачи и вывода раствора). Наиболее типичным способом подачи раствора при подземном выщелачивании будет орошение через скважины.

Как уже отмечалось, показатели выщелачивания во многом зави­ сят от равномерности контакта раствора с обрабатываемой рудой, что, в свою очередь определяется числом скважин, приходящихся на единицу орошаемой поверхности.

Типы сеток бурения скважин показаны на рис. 36 [5, с. 179—81 ]. Выбор их обосновывается технико-экономическими расчетами с уче­ том характеристики рудного тела и затрат на бурение скважин. Рас­ стояние между скважинами выбирают с учетом характеристики обра­ батываемой руды, предполагаемого режима орошения, условий про^ никновения растворителя и др.

В каждой схеме имеются нагнетательные скважины, куда подают рабочий раствор, и разгрузочные, через которые собирают медьсодер­ жащий раствор. Рекомендуется периодически менять назначение

105

скважин, так как это способствует более равномерному выщелачива­ нию рудного тела (в нагнетательные скважины раствор подают под давлением, что вызывает большее распространение его в окружающие массивы).

Наиболее эффективна схема с линейным расположением скважин по квадратной сетке, обеспечивающая достаточно равномерное рас­ пределение раствора. При расположении разгрузочных скважин — по углам квадрата, а нагнетательных скважин — в центре квадрата, несмотря на более высокие капитальные затраты, производительность возрастает в 3—4 раза по сравнению с обратным расположением скважин.

При кольцевом расположении разгрузочных скважин в зависи­ мости от их числа степень заполнения рудного пласта растворителем достигает 70—80% площади образуемого круга. При кольцевом рас­ положении нагнетательных скважин время продвижения раствори­ теля по рудному телу мало зависит от числа разгрузочных скважин. Однако увеличением количества последних удается регулировать характер движения раствора. Кольцевую систему рекомендуют для обработки месторождения, представленного скоплением мелких залежей, при этом более предпочтительно кольцевое расположение разгрузочных скважин.

В связи с использованием достаточно агрессивных растворов наиболее предпочтительно изготавливать обсадные трубы из нержа­ веющей стали. Однако в связи с их высокой стоимостью в последние годы все шире применяют трубы из полиэтилена, реже— из вини­ пласта и фаолита, в связи с их меньшей механической прочностью. Нижнюю часть трубы, заводимой в скважину, иногда оборудуют фильтром для снижения выноса шламов с медьсодержащим раст­ вором.

Проницаемость рудного массива зависит от типа пород (например, для порфировых пород она составила 1,67 м3/(м2-ч) [244]), характера трещиноватости. В ряде случаев используют гидравлическое рыхле­ ние пород через специальные скважины.

Режим орошения (длительность периода подачи раствора и пе­ риода выстаивания для развития окислительных процессов) зависит от вещественного состава руды, ее проницаемости и определяется в каждом конкретном случае.

При подземном выщелачивании медьсодержащий раствор соби­ рают в штреке и из сборных емкостей откачивают насосами на уста­ новку для извлечения меди. Для снижения потерь раствора за счет миграции особенно в трещиноватых породах создают специальную гидроизоляцию выработок.

Управляют процессом изменением графика орошения скважин, на­ пора орошаемого раствора, продолжительности паузы между ороше­ нием, остановкой отдельных скважин. Для поддержания требуемой концентрации меди в конечных растворах целесообразно вести обра­ ботку двух или нескольких участков по смещенному графику или попеременным включением отдельных групп скважин в пределах одного участка.

106

Для успешного Применения подземного выщелачивания необхо­ димо: 1) отсутствие вмещающих пород основного характера; 2) плот­ ность и отсутствие декрептирования окружающих пород; 3) пори­ стость рудного массива; 4) присутствие меди в сравнительно легко извлекаемых формах; 5) достаточное количество пиритсодержащих пород; 6) многократная циркуляция раствора без существенного его загрязнения примесями; 7) наличие запасов дешевой воды.

По сравнению со стандартной технологией при подземном выщела­ чивании себестоимость меди гораздо ниже, интенсивность разработки выше-, а условия труда лучше. При дальнейшем повышении извлече­ ния меди этот способ добычи меди представляется весьма перспек­ тивным, особенно для эксплуатации труднодоступных месторождений.

По данным работ [106, 234], затраты на подземное выщелачива­ ние при выпуске в год 8160 т Си в виде цементного осадка распреде­ ляются следующим образом, долл/т меди (%):

ИЗВЛЕЧЕНИЕ МЕДИ ИЗ РАСТВОРОВ

Получаемые при выщелачивании забалансового сырья растворы отличаются невысоким содержанием в них меди, повышенной концен­ трацией железа и шламов. В связи с большими объемами бедных рас­ творов способ осаждения их должен быть эффективным и достаточно простым.

Наибольшее распространение в современной практике работы предприятий получили цементация и экстракция с последующим элек­ тролитическим осаждением меди. Другие способы: химическое осаж­ дение, сорбционное концентрирование раствора, электролиз (электро­ диализ) — не вышли за рамки полупромышленных испытаний. Это объясняется следующими причинами.

При химическом осаждении необходимы дорогие реагенты, в про­ тивном случае качество и фильтруемость получаемых осадков оказываются весьма невысокими, что осложняет их последующую пере­ работку. В ряде случаев оборотный раствор загрязняется дополнительнымй примесями, что требует специальных мер для предотвраще­ ния их накопления в замкнутых схемах.

Несмотря на ряд достоинств, использование сорбционного извле­ чения меди сдерживается отсутствием селективных ионитов с большой емкостью, громоздкостью и дороговизной способа.

Электролитическое осаждение при содержании меди в растворе менее 15—20 г/л оказывается нерентабельным. Получение катодной меди в виде грязной губки или порошка имеет небольшие преимуще­

107

ства по сравнению, например, с цементацией. Однако сложность производства, повышенные капитальные затраты и расход электро­ энергии (учитывая нередко удаленное расположение установок от промышленных центров) затрудняет использование этого способа. В последние годы ведутся интенсивные разработки новых конструк­ ций электролизеров и параметров технологии с целью создания эф­ фективного способа электролитического извлечения меди из бедных растворов.

Более заманчиво для обеднения растворов использовать электро­ диализ. Это способ позволяет сконцентрировать металлы и получить чистый оборотный раствор серной кислоты. Однако невысокая элек­ тропроводность исходного раствора обусловливает повышенный рас­ ход электроэнергии, а сложный состав его затрудняет выбор мембран и электродов. Пока ограниченная номенклатура эффективных и дешевых мембран, конструкций электродиализаторов, рассчитанных на большую пропускную способность, дополнительно осложняет промышленную реализацию способа.

Цементация

Осаждение меди цементацией на железе — наиболее распространен­ ный и простой способ извлечения меди из растворов от выщелачива­ ния забалансового сырья. Показатели процесса во многом зависят от способа подготовки раствора, выбора осадителя и используемого аппаратурного оформления.

Подготовка раствора

Типичный состав раствора, получаемого при выщелачивании за­ балансового сырья, следующий: 0,3—3,0 г/л Си; 2—8 г/л Fe (в том числе до 3—5 г/л Fe3 + ); 0,2— 1,0 г/л шлама; pH раствора 1,4—3,2.

Операция подготовки раствора включает восстановление трехва­ лентного железа, осаждение шламов, а также корректировку кислот­ ности.

Трехвалентное железо можно восстановить следующими спосо­ бами: 1) контактированием раствора с тяжелым скрапом; 2) дренажом раствора через пирротиновые фильтры (кусковую пирротиновую руду): 1 кг руды эквивалентен действию 1,5—2,2 кг железного скрапа; 3) обработкой раствора сернистым газом, особенно в присутствии активированного угля х.

Несмотря на эффективность этих способов, промышленное их ис­ пользование весьма ограничено в связи с необходимостью дополни­ тельных капитальных и эксплуатационных затрат.

Более простой способ удаления железа (в том числе и трехвалент­ ного) — его осаждение при поддержании оптимальной кислотности раствора. При pH = 2,5-ч-3,0 содержание трехвалентного железа в растворе невелико в связи с гидролизом при этих условиях.1

1 Пат. (США), № 2188472, 1940.

108

Окислить двухвалентное железо наиболее просто в процессе дли­ тельного хранения раствора в прудках-накопителях.

Перед цементацией конечные растворы подкисляют в расходных емкостях для обеспечения хороших показателей осаждения меди. Сложнее подготовить растворы с повышенной кислотностью (3—5 г/л кислоты), поскольку в этом случае необходима предварительная ней­ трализация. На практике оптимальную кислотность конечных рас­ творов обеспечивают в процессе выщелачивания руды.

Наиболее действенный способ удаления шламов — использование достаточных по размеру прудков-отстойников, в которых со временем оседает значительная часть шламов. Для интенсификации осаждения шлама"'используют флокулянты (сепаран, полиакриламид и др.).

При цементации хорошо подготовленных растворов остаточное содержание меди не превышает 50—70 мг/л.

Характеристика промышленных осадителей

Для цементации меди наибольшее значение имеют металлизиро­ ванные материалы на основе железа в связи с их достаточной актив­ ностью, доступностью и невысокой стоимостью. Осадитель должен быть активным, представлен равномерно крупными частицами, должен обеспечивать получение качественного осадка меди и по воз­ можности просто восстанавливать осадительную способность. Кроме того, следует учитывать стоимость осадителя, условия его поставки и хранения.

На практике для цементации используют железный лом, обезлуженную консервную жесть, жестяную обрезь, губчатое железо.

В настоящее время тяжелый скрап (рельсы, плиты, трубы, от-. ливки и др.), несмотря на низкую стоимость, практически не приме­ няется в связи с малой реакционной поверхностью, большим удель­ ным расходом, повышенным содержанием в нем углерода и трудно­ стями при его загрузке, ворошении, отделении цементного осадка. При использовании тяжелого скрапа осадитель равномерно не рас­ пределяется в аппарате, что ухудшает гидродинамический режим при цементации. Известны случаи применения тяжелого скрапа в голов­ ных секциях желобов для снижения кислотности и содержания трех­ валентного железа в исходном растворе.

Использование стружки, проволочной обрези упрощает загрузку и выгрузку аппаратов, обеспечивает более равномерное распределе­ ние осадителя по сечению аппарата. Стружку предварительно дробят, а проволочную обрезь измельчают, что повышает их насыпную массу (у): при крупности 1— 10 мм у = 1,5-ч-2,5 т/м3, а при крупности 1 мм у = Зч-4 т/м3. К недостаткам осадителя этого типа относятся непо­ стоянный химический состав, наличие масла, лака, что существенно понижает его реакционную способность и затрудняет управление процессом.

Губчатое железо широко применяют при переработке смешанных руд по схеме выщелачивание—цементация—флотация. Сырьем для получения губчатого железа служат окисленные железосодержащие

109

материалы (руды, пиритные огарки). Технология его производства описана в работах [245—246]. Крупность конечного продукта (80— 90%) составляет —2,5 + 0,5 мм, перед цементацией его дополни­ тельно измельчают. Насыпная масса губчатого железа 2—2,7 т/м3, состав его приведен в табл. 18.

При использовании губчатого железа для цементации необходимы аппараты с интенсивным гидродинамическим режимом для поддер­ жания осадителя во взвешенном состоянии. В конусных аппаратах используют губчатое железо крупностью —2 + 0,074 мм; при мень­ шей крупности вследствие развития побочных реакций возрастает расход осадителя [247].

Активность губчатого железа существенно сказывается на каче­ стве цементного осадка (рис. 37): для достижения содержания в осадке не менее 70% меди степень металлизации осадителя должна быть на уровне 80% [247]. Однако с увеличением сортности губчатого железа значительно возрастает его стоимость.

Можно получать осадитель типа губчатого железа, и из полупро­ дуктов цветной металлургии (клинкера, цинковых кеков, медных шлаков и штейнов) [248—258]. При цементации используетсд не только железо, но и благородные металлы, медь, присутствующие в исходном материале, которые переходят в цементный осадок. За­ траты на получение осадителя даже из пиритных концентратов (284 г/т Ag) окупаются стоимостью извлеченного серебра [82, с. 617— 42; 255].

Из пиритных концентратов был получен осадитель с большой ак­ тивностью (70—75% FeMcT), позволяющий извлекать до 97—99% меди из раствора, содержащего 1—5,7 г/л Си. Удельный расход оса­ дителя 1,9—2,9, а содержание меди в цементном осадке не менее

60—70% [82, с. 617—42; 248—250; 255—256].

При использовании клинкера (17—20% FeMeT; 1,7—2,5% Си; 2—4% S, 30—50 пустой породы) осаждается 80—95% меди, однако цементный осадок получается крайне бедным (10—15% Си). При доизмельчении и обогащении клинкера удаляется до 90% пустой по­ роды, содержание металлической фазы повышается до 60—80%.

ПО

Показатели цементации таким осадителем (измельченным до —0,15 мм) не хуже, чем при использовании губчатого железа

[251—254, 257].

Большой интерес представляет получение активного осадителя из шлаков медеплавильного производства после их восстановительной электроплавки, грануляции (распыления) расплава в защитной атмо­ сфере F Переплавкой шлаков с добавкой пирита и углерода получают металлизированный продукт с ограниченным содержанием серы, на­

Жестяной лом — это отход металлообрабатывающих предприятий или консервная жесть после удаления олова. Для цементации можно использовать жесть, у которой отсутствуют изолирующие покрытия (лак, масло), кроме того, она должна быть гранулометрически одно­ родна, что не только увеличивает скорость осаждения меди, улучшает качество осадка, но и снижает расход осадителя.

В ОША подготовкой консервной жести для нужд цементации за­ нимаются специализированные предприятия [259, с. 48]. Банки обра­ батывают при температуре 400—600° С для удаления органических веществ и оловянного покрытия; последнее можно уделять раствором каустической соды. Обезлуженную жесть дробят, мнут, что обеспе­ чивает однородную крупность материала, сохраняющего активную поверхность достаточно продолжительное время, и повышает его

1 Пат. (США), № 3023454, 1962.

3 Пат. (США), № 3232742, 1963.

in

насыпную массу (с 130—140 кг/м3 до 320—480 кг/м3). При исполь­ зовании качественной жести, например в. желобах, удельный съем меди достигает 200 кг/(м3 сут).

При снижении крупности жести возрастает ее активная поверх­ ность, но ухудшается проницаемость слоя осадителя раствором. В зависимости от аппаратурного оформления цементации крупность жести выбирают с учетом оптимального соотношения активной по­ верхности осадителя и проницаемого его слоя. Невысокая стоимость, достаточная распространенность и хорошая осаждающая способ­ ность определили широкое применение жести на современных це­ ментационных установках.

Выбор способа' загрузки осадителя зависит от его количества, характеристики, условий хранения, аппаратурного оформления и масштаба цементационной установки.

На установках большой мощности загрузку осуществляют с по­ мощью передвижного ленточного транспортера; автокрана с магнит­ ным подъемником, грейфером, вилообразным захватом; напольного крана с питательной тележкой; мостового крана с магнитным, грей­ ферным, ковшовым подъемниками.

Аппаратура

При выборе типа аппаратурного оформления процесса учитывают объем и состав растворов; тип осадителя; продолжительность кон­ тактирования раствора с осадителем; удельную производительность аппарата.

Не менее важны простота обслуживания, возможность организа­ ции непрерывного механизированного процесса и капитальные за­ траты.

Конструкция аппарата во многом определяет гидродинамический режим, от которого существенно зависят показатели извлечения меди.

В современной практике цементации меди наибольшее распро­ странение получили желоба, вращающиеся барабаны, конусные аппараты, ванны и чаны с механическим перемешиванием. /

Цементационные желоба — наиболее старые и распространенные устройства (рис. 38). Их изготавливают из дерева, а в последние годы предпочтение отдают более прочным бетонным желобам, срок службы которых больше. При использовании бетонных желобов можно меха­ низировать отдельные операции, кроме того меньше потери раствора. Желоба располагают с уклоном 1—3°, с учетом рельефа местности.

Ширина желобов 0,5—2,0 м, глубина 0,8—1,5 м. Их размеры, особенно длину, определяют с учетом объемов перерабатываемых раст­ воров и необходимой продолжительности их контакта с осадителем.

В нижней части желоба сооружают чаще всего деревянное ложное днище, на которое помещают железный скрап. Кроме того, деревян­ ная решетка предохраняет футеровку от механических повреждений при загрузке скрапа. Иногда по длине желоба сооружают перегородки со сливными шлюзами, расположенными попеременно вверху и внизу перегородок.

112

Цементный осадок собирается на дне желоба, откуда его перио­ дически удаляют через спускное отверстие.

Применяют два способа расположения желобов: прямолинейное и зигзагообразное. Первый используют на крупных установках, поскольку в этом случае упрощается механизация загрузки и вы­ грузки скрапа при использовании передвижных кранов или специ­ альных загрузочных машин. При прямолинейном расположении желобов упрощается расширение или модернизация цементационной установки.

Рис. 38. Схемы желобов для цементации меди:

а — простой желоб; б — активированный желоб; 1— выход отработанного раствора; 2 — разгрузка пульпы цементной меди; 3 — ввод медьсодержащего раствора

При зигзагообразном расположении упомянутые выше достоин­ ства отсутствуют, однако установка более компактна и обслужива­ ние ее несколько дешевле.

Часто желоба сооружают в виде сдвоенных секций, имеющих общую боковую стенку, отверстия и шлюзы для управления потоком раствора. Это позволяет в процессе работы установки вывести на обслуживание нужный участок желоба.

Желоба просты по устройству и дешевы, цементация в. них не требуют энергетических затрат и характеризуется неплохими пока­ зателями по осаждению меди (90% и более) при переработке чистых и достаточно богатых (не менее 1—2 г/л Си) растворов. Однако по конструктивным соображениям скорость подачи раствора в желоба ограничена (0,5—3 м3/мин). Поэтому для обеспечения достаточного времени его контакта с осадителем увеличивают длину желобов до нескольких десятков метров. В среднем удельная производитель­ ность желоба (на 1 м3 объема) составляет 0,7—1,0 м3/ч [239].

Для эффективного осаждения меди в желобах требуется частое ворошение скрапа и его промывка. Обслуживание желобов связано