5.3.4. III стадия - получение черновой меди
Получающийся в результате плавки сульфидных медных руд штейн состоит в основном из сульфидов меди Cu2S и железа FeS. Наиболее эффективным методом освобождения меди от железа и серы оказалась предложенная еще в 1866 г. продувка расплавленного штейна воздухом - конвертирование штейна.
Термодинамический анализ показывает, что при 1200-1300°С каждый из сульфидов в состоянии равновесия должен практически полностью окислиться кислородом воздуха по реакциям
2[FeS]
+ 3О2 - 2(FeO)
+ 2SО2;
= - 354 кДж/моль; (а)
2[Cu2S]
+ 3О2 = 2(Cu2О)
+ 2S02;
= - 243 кДж/моль. (б)
Однако скорости протекания этих процессов сильно различаются. Как уже отмечали при рассмотрении процесса конвертирования чугуна скорости окисления элементов определяются совместным влиянием двух факторов: сродством элемента к кислороду и его концентрацией в расплаве вблизи реакционной поверхности. Для данной системы из двух конкурирующих реакций более благоприятные условия имеются для реакции а. Введение в конвертор кварцита в еще большей степени смещает положение равновесия реакции окисления [Fe] вправо вследствие снижения активности образующегося оксида железа в шлаке (в результате образования силиката 2FeO SiО2). Некоторое количество оксида меди, получающееся по реакции б, немедленно вновь сульфидируется по реакции:
(Cu2О) + [FeS] = (FeO) + [Cu2S]
Таким образом, процесс конвертования медного штейна автоматически разделяется на два этапа, на первом из которых из штейна удаляется FeS - железо в виде оксида переходит в шлак, а оксид серы SO2 - в газ. До тех пор пока в штейне имеется FeS (не менее 1%), сульфид меди окисляться не может.
В результате протекания экзотермических реакций окисления железа и серы на первом этапе конвертирования выделяется тепло, количества которого хватает для нагрева расплавов до 1300-1350°С. Вместе с железом из штейна удаляется Zn и РЬ - частично в возгоны, частично в шлак.
По окончании первого периода (продолжительностью 8-20 ч) сливают железосиликатный шлак и начинают продувать оставшийся расплав - белый штейн, содержащий десятые доли процента FeS. Во второй период (2-3 ч) удаляется в газ практически вся сера, и получается металлическая медь:
Cu2S+ 1,5О2 = Cu20 + SО 2Cu2О + Cu2S = 6Cu + SО2, (5.15)
(при наличии в штейне серы оксид меди не образуется).
В эту так называемую черновую медь (97-99%Си) переходят и все благородные металлы.
Поскольку конвертерные шлаки содержат меди почти столько же, что и медные руды (1,5-3,0%), их подвергают переработке: либо заливают в расплавленном виде в печь, проплавляющую концентраты, либо после охлаждения, дробления направляют на обогащение.
При продувке металлической ванны кислород дутья используется практически полностью. В связи с этим для повышения производительности конвертера и увеличения концентрации SО2 в газе целесообразно использовать воздух, обогащенный кислородом.
В качестве агрегата для конвертирования медного штейна обычно применяют горизонтальный цилиндрический конвертер диаметром 3-4 и длиной 4-9 м, емкостью до 80-100 т с боковой подачей дутья через фурмы (рис. 5.60). Число фурм определяется длиной конвертера (около 50).