Проект отделения конвертирования медных штейнов производительностью 300 тыс. тонн черновой меди в год

     Основу  этого процесса составляет плавка, при которой расплавленная масса  разделяется на два жидких слоя: штейн-сплав сульфидов и шлак-сплав  окислов. В плавку поступают либо медная руда, либо обожженные концентраты  медных руд. Обжиг концентратов осуществляется  с целью снижения содержания серы до оптимальных значений.

           Жидкий штейн продувают  в конвертерах воздухом для окисления  сернистого железа, перевода железа в  шлак и выделения черновой меди.

           Черновую медь далее  подвергают рафинированию – очистке  от примесей.

3. Подготовка руды

     Большинство медных руд обогащают способом флотации. В результате получают медный концентрат, содержащий 8-35% Cu, 40-50% S, 30-35% Fe  и пустую породу, главным образом составляющими которой являются  SiO₂, Al₂O₃ и CaO.

           Концентраты  обычно обжигают в окислительной среде  с тем, чтобы удалить около 50% серы и получить обожженный концентрат с  содержанием серы, необходимым для  получения при плавке достаточно богатого  штейна.

           Обжиг обеспечивает хорошее смешение всех компонентов  шихты и нагрев ее до 550-600 ⁰С и, в конечном итоге, снижение расхода топлива в отражательной печи в два раза. Однако при переплавке обожженной шихты несколько возрастают потери меди в шлаке и унос пыли.  Поэтому  обычно богатые медные концентраты (25-35% Cu) плавят без обжига, а бедные  (8-25% Cu) подвергают обжигу.

           Температура  обжига концентратов применяют многоподовые печи с механическим перегреванием.  Такие печи работают непрерывно.

               1.4 Выплавка медного штейна

           Медный штейн, состоящий  в основном из сульфидов меди и  железа (Cu₂S+FeS=80-90%) и других сульфидов, а также окислов железа, кремния, алюминия и кальция, выплавляют в печах различного типа.

           Комплексные руды, содержащие золото, серебро, селен и теллур, целесообразно обогащать так, чтобы  в концентрат была переведена не только медь, но и эти металлы. Концентрат переплавляют в штейн в отражательных  или электрических печах.

           Сернистые, чисто  медные руды целесообразно перерабатывать в шахтных печах.

           При высоком содержании серы в рудах целесообразно применять  так называемый процесс медно-серной плавки в шахтной печи с улавливанием газов и извлечением  из них  элементарной серы.

           В печь загружают  медную руду, известняк,  кокс и оборотные  продукты. Загрузку ведут отдельными порциями сырых материалов и кокса.

           В верхних горизонтах шахты создается восстановительная  среда, а в нижней части печи –  окислительная. Нижние слои шихты плавятся, и она постепенно опускается вниз навстречу потоку горячих газов. Температура у фурм достигается 1500 ⁰С  на верху печи она равна примерно 450 ⁰С.

           Столь высокая температура  отходящих газов необходима для  того, чтобы обеспечить возможность  из очистки от пыли до начала конденсации  паров серы.

           В нижней части печи, главным образом у фурм, протекают  следующие основные процессы:

     а) Сжигание углерода кокса

     C + O₂ = CO₂

     б) Сжигание серы сернистого железа

     2FeS + 3O₂ = 2 FeO + 2SO₂

     в)  Образование силиката железа

     2 FeO + SiO₂ = (FeO)₂ × SiO₂

           Газы, содержащие CO₂, SO₂, избыток кислорода и азот, проходят вверх через столб шихты. На этом пути газов происходит теплообмен между шихтой и ними, а также взаимодействие  CO₂ с углеродом шихты. При высоких температурах CO₂  и SO₂ восстанавливаются углеродом кокса и при этом образуется окись углерода, сероуглерод и сероокись углерода:

     CO₂ + C = 2CO

     2SO₂ + 5C = 4CO + CS₂

     SO₂ + 2C = COS + CO

        В верхних горизонтах печи пирит разлагается по реакции:

     FeS₂ = Fe + S₂

           При температуре  около 1000 ⁰С плавятся наиболее легкоплавкие эвтектики из FeS  и Cu₂S, в результате чего образуется пористая масса.

           В порах этой массы  расплавленный поток сульфидов  встречается  с восходящим потоком  горячих газов и при этом протекают  химические реакции, важнейшие из которых  указаны ниже:

     а) образование сульфида меди из закиси меди

     2Cu₂O + 2FeS + SiO₂ = (FeO)₂ × SiO₂ + 2Cu₂S;

     б) образование силикатов из окислов  железа

     3Fe₂O₃ + FeS + 3,5SiO₂ = 3,5(2FeO × SiO₂) + SO₂;

     3Fe₃O₄ + FeS + 5SiO₂ = 5(2FeO × SiO₂) + SO₂;

     в) разложение CaCO₃ и образование силиката извести

     CaCO₃ + SiO₂ = CaO × SiO₂ + CO₂;

     г) восстановление сернистого газа до элементарной серы

     SO₂ + C = CO₂ + ½ S₂

           В результате плавки получаются штейн, содержащий 8-15% Cu, шлак состоящий в основном из силикатов железа и извести, колошниковый газ, содержащий S₂, COS, H₂S, и CO₂. Из газа сначала осажают пыль, затем из него извлекают серу (до 80% S)

           Чтобы повысить содержание меди в штейне, его подвергают сократительной плавке. Плавку осуществляют в таких  же шахтных печах. Штейн загружают  кусками размером 30-100 мм вместе с  кварцевым  флюсом, известняком и  коксом. Расход кокса составляет 7-8% от массы шихты. В результате получают обогащенный медью штейн (25-40% Cu) и шлак (0,4-0,8% Cu).

           Температура плавления  переплавки концентратов, как уже  упоминалось, применяют отражательные  и электрические печи. Иногда обжиговые  печи располагают непосредственно  над площадкой отражательных  печей с тем, чтобы не охлаждать  обожженные концентраты и использовать их тепло.

           По мере нагревания шихты в печи протекают следующие  реакции восстановления окиси меди и высших оксидов железа:

     6CuO + FeS = 3Cu₂O + SO₂ + FeO;

     FeS + 3Fe₃O₄ + 5SiO₂ = 5(2FeO × SiO₂) + SO₂

           В результате реакции  образующейся закиси меди  Cu₂O с FeS получается Cu₂S:

     Cu₂O + FeS = Cu₂S + FeO

           Сульфиды меди и  железа, сплавляясь между собой, образуют первичный штейн, а расплавленные  силикаты железа, стекая по поверхности  откосов, растворяют другие оксиды и  образуют шлак.

           Благородные металлы (золото и серебро) плохо растворяются в шлаке и практически почти  полностью переходят в штейн.

           Штейн отражательной  плавки на 80-90% (по массе) состоит из сульфидов меди и железа. Штейн  содержит, %: 15-55 меди; 15-50 железа; 20-30 серы; 0,5-1,5 SiO₂; 0,5-3,0 Al₂O₃; 0.5-2.0 (CaO + MgO);  около 2% Zn и небольшое количество золота и серебра. Шлак  состоит в основном   из SiO₂, FeO, CaO, Al₂O₃ и содержит 0,1-0,5 % меди. Извлечение меди и благородных металлов в штейн достигает 96-99 %.

               2 Теоретические основы процессы конвертирования

           В 1866 г. русский инженер  Г. С. Семенников предложил применить  конвертер типа бессемеровского  для продувки штейна. Продувка штейна снизу воздухом обеспечила получение  лишь полусернистой меди (около 79% меди) – так называемого белого штейна. Дальнейшая продувка приводила к  затвердеванию меди. В 1880 г. русский  инженер предложил конвертер  для продувки штейна с боковым  дутьем, что и позволило получить черновую медь в конвертерах.

           Конвертер делают длиной 6-10, с наружным диаметром 3-4 м. Производительность за одну операцию составляет 80-100 т.  Футеруют конвертер магнезитовым кирпичом. Заливку расплавленного штейна и  слив продуктов осуществляют через  горловину конвертера, расположенной  в средней части его корпуса. Через ту же горловину удаляют  газы. Фурмы для вдувания воздуха  расположены по образующей поверхности  конвертера. Число фурм обычно составляет 46-52, а диаметр фурмы – 50мм. Расход воздуха достигает 800 м²/мин. В конвертер заливают штейн и подают кварцевый флюс, содержащий 70-80% SiO₂, и обычно некоторое количество золота. Его подают во время плавки, пользуясь пневматической загрузкой через круглое отверстие в торцевой стенке конвертеров, или же загружают через горловину конвертера.

     В результате плавки медного рудного  сырья получают две жидкие фазы –  штейновую и  шлаковую, при этом происходит концентрирование меди, некоторых  сопутствующих цветных и благородных  металлов в штейне. Так же штейны получают при восстановительной  плавке медьсодержащего свинцового сырья.

     Основными компонентами штейнов являются сульфиды железа (FeS) и цветных металлов. В зависимости от состава перерабатываемого сырья получают  медные, медно-никелевые, медно-свинцовые и полиметаллические штейны.

     Концентрация  цветных металлов  в штейне связана  с их содержанием в сырье и  определяется степенью дисульфиризации  при плавке, которая в свою очередь  зависит от количества высших сульфидов, диссоциирующих при высокой температуре, так и от  условий  окисления  сульфида железа в печи с ошлакованием оксида железа и переводом образующегося  диоксида серы в газовую фазу.

     В медных штейнах часто присутствует никель, цинк и свинец. В штейнах также концентрируются благородные металлы.

     Из-за неограниченной взаимной растворимости  сульфидов меди, никеля, железа в  расплавленном состоянии друг в  друге при переработке сульфидного  медно-никелевого сырья получают штейны с различным соотношением меди и  никеля. Медно-никелевые штейны по свойствам близки к медным штейнам. Так же, как содержание в них серы составляет около 25%.

     Отрицательное влияние на свойства медных штейнов  оказывает цинк, содержание которого иногда достигает 6-8 %. Сульфид цинка  тугоплавок и ограничено растворим  в медных штейнах, поэтому при  понижении температуры может  выделяться из расплава в твердом  состоянии. Обладая меньшей плотностью по сравнению с медным штейном, выделивщийся из расплава ZnS образует вязкий тугоплавкий промежуточный слой на границе раздела шлак-штейн, нарушающий процесс отстаивания жидких продуктов плавки.

     Содержание  сульфида свинца в медных штейнах  обычно не превышает 2-3 % . Присутствие PbS снижает температуру плавления как медных, так и полиметаллических штейнов, содержащих еще и цинк.

     Термодинамика реакций конвертирования.

     Переработка штейнов методом конвертирования  состоит в продувке через слой расплава кислородосодержащего дутья, осуществляемой в присутствии кварцевого флюса. В результате продувки происходит окисление присутствующих в штейне сульфидов металлов и переводсеры  в газы в виде SO₂. В образующемся дутьевом факеле в условиях местного избытка кислорода (при одновременном дефиците кислорода по отношению ко всем содержащимся в ванне сульфидам) может происходить глубокое окисление штейна.

     Реакция окисления сульфидов штейна кислородом дутья может быть представлена уравнением:

     MeS+1,5 O₂₌MeO+ SO2

     Образующиеся  оксиды железа и цветных металлов взаимодействуют с SiO₂ флюса и сульфидами и распределяются между шлаком и штейном (или металлом).

     Последовательность  окисления сульфидов в расплаве зависит от их концентрации и физико-химических свойств сульфидов и образующихся оксидов. При одинаковой концентрации сульфида в расплаве наиболее вероятно окисление того сульфида, который  при данной температуре обладает наибольшим давлением диссоциации  и при окислении которого образуется наиболее прочный оксид.