Получение меди и ее сплавов

Известны два способа извлечения меди из руд и концентратов: гидрометаллургический и пирометаллургический.

При пирометаллургическом способе медные концентраты (или богатые медные руды, не содержащие заметного количества других тяжелых металлов) подвергают окислительному обжигу и затем продукты обжига плавят в особых отражательных или шахтных печах, в результате чего получают два жидких несмешивающихся продукта: внизу, на поду печи, — штейн, сверху — шлак, в который переходит вся пустая порода и значительная часть железа.Таким образом, в основе пирометаллургического способа лежит разделение жидких фаз.Штейн представляет сложный расплав, содержащий сульфиды меди и железа (80—%), шлак (4—%) и сульфиды других металлов (никеля, свинца, цинка).Переработка штейнов осуществляется в конвертерах, где через жидкий штейн продувают воздух, в результате чего сера выгорает, а железо переходит в шлак. Продуктами бессемерования являются черновая медь и конвертерный шлак. Черновая медь содержит 98,5—,5% меди и до 1,5% различных примесей (никель, сурьма, сера, железо, кобальт, алюминий, кислород и др., а также серебро и золото). Она подвергается огневому и электролитическому рафинированию.

Такова общая схема производства меди.

Медный концентрат (или медная руда) подвергается обжигу с целью окисления железа, уменьшения содержания серы и удаления мышьяка, сурьмы и др. Обжиг обеспечивает при последующей плавке получение штейна с достаточно высоким содержанием меди.В настоящее время обжиг осуществляется почти исключительно в многоподовых печах с механическим перегребанием. Печь имеет форму цилиндра диаметром 6—м и высотой 9—м. Рабочее пространство печи разделено на отделения арочными перекрытиями из огнеупорного (шамотного) кирпича, причем образуется несколько внутренних подов и один наружный. Различные печи имеют 7, 10, 12 а некоторые даже 16 подов.В центральной части печи проходит медленно вращающийся полый стальной вал /, к которому на уровнях каждого отделения прикреплено по два перегревателя 3 с гребками. Воздух, необходимый для процесса, поступает в печь через центральный вал, перегребатели и гребки. Зажигание шихты при пуске печи производится с помощью форсунок 2.Шихта загружается на подсушивающий (наружный) под, где высушивается от влаги, и перегребателями постепенно подводится к загрузочному устройству, через которое поступает на 1-й под, там перегребается и через отверстия попадает на 2-й под и т. д.Температура газа в печи постепенно увеличивается от 320—400° (верхний под) до 650° (5-й под), затем понижается до 600° (нижний под).В процессе обжига протекают следующие основные реакции:2FeS + 3102 = Fe203 + 2S02 + 292 400 ккал; Cu2S -+- 1 J - 02 = Cu20 -+- S02 + 91 800 ккал.Степень десульфурации в зависимости от состава шихты, ее измельченное! и и других причин колеблется от 30 до 75%.Как видно из приведенных уравнений, реакции окислительного обжига протекают с выделением большого количества теплоты, поэтому в большинстве случаев процесс обжига идет без затраты топлива. Отходящие газы содержат 4—% S02, которая используется для получения серной кислоты.Через обжиговую печь пропускают всю шихту отражательной печи: руду (концентрат), флюсы и оборотные материалы. Таким образом, в обжиговой печи протекает полная подготовка всех исходных материалов для плавки, и из нее выдается готовый для отражательной плавки полуфабрикат, называемый самоплавким огарком. С нижнего подаобжиговой печи огарок поступает в бункер, а оттуда — к колошнику отражательной печи. Производительность обжиговых печей составляет в среднем 250—т шихты в сутки.Плавка в отражательной печи является основным способом переработки медных руд и концентратов. Современная отражательная печь имеет длину 32—м и ширину 7—м. Футеруется динасовым кирпичом. Загрузка шихты в печь производится через загрузочные трубы диаметром 15—см, расположенные вдоль боковых стенок. Отверстия для выпуска штейна и шлака устраивают в боковой и в задней стенках, первые — на уровне лещади, вторые — на уровне 0,9—,2 м от лещади.Для нагрева отражательных печей используют мазут, природный газ, угольную пыль. Форсунки или горелки для подачи топлива располагаются в передней стенке. Для утилизации тепла отходящих газов при отражательных печах устанавливают водотрубные котлы.Атмосфера в печи нейтральная или слабоокислительная (не более 1,5% кислорода).Загруженная шихта поступает в зону высоких температур (1 400—500°) и сразу плавится.Главные реакции процесса определяются сульфидами Cu2S, FeS и окислами Fe203, Cu20 и Si02, составляющими основную массу шихты.Температура шлакообразования около 1 100°, температура образования штейна 800°, поэтому тепловой режим печи определяется в первую очередь условиями шлакообразования.Приводим основные реакции процесса:Cu20 + FeS = Cu, S -1- FeO; Cu2S + 6ге,0, = 2Cu + 4Fe304 - S02; 2Cu + FeS^Cu2S + Fe; Fe + Fe304 = 4Fe0; 2?eO - SiOj = 2FeO •Si02.Полусернистая медь (Cu2S) и сернистое железо (FeS) составляют основную массу штейна. 2FeO •Si02 переходит в шлак.Средняя суточная производительность современной отражательной печи колеблется от 700 до 2000 т твердой шихты при плавке обожженных материалов и от 400 до 1000 т при плавке сырых материалов.Помимо плавки в отражательных печах, существует также способ плавки медных руд в шахтных печах Этот способ применим лишь к кусковым материалам и имеет значительно меньшее распространение, чем отражательная плавка.Бессемерование медных штейнов на черновую медь производится в специальных конвертерах, где через расплавленный штейн продувают воздух в присутствии кварцевого флюса, причем сернистое железо интенсивно горит, образуя закись железа и сернистый ангидрид:FeS + l|o2 = FeO + S02.Сернистый ангидрид улетучивается, а закись железа реагирует с кремнеземом флюса и переходит в шлак:2FeO + Si02 = 2FeO •SiO.В результате выгорания сернистого железа и перехода его в шлак в конвертере остается почти чистая полусернистая медь (Cu2S). На этом заканчивается первый период плавки.После окончания первого периода шлак сливают и ведут продувку до получения черновой меди (второй период). При этом идет окисление сульфидов меди:Cu2S - 1 - j Oi = Cu20 + S02.Закись меди реагирует с полусернистой медью, в результате чего получается медь:2Cu20 - Cu2S = 6Cu + S02.Приведенные реакции и их последовательность показывают, что железо и сера имеют большее сродство к кислороду, чем медь, которая поэтому энергично окисляется лишь во втором периоде плавки.Принцип работы конвертеров для бессемерования медных штейнов тот же, что и конвертеров для бессемерования чугуна. Дутье в рабочее пространство конвертера подается с боковой стороны через фурмы, расположенные на высоте 250—мм от уровня лещади. Емкость современных конвертеров колеблется от 15 до 25 т.