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

     Оценка  вероятности  преимущественного  окисления тех или иных сульфидов  может быть сделана на основе термодинамического анализа при сравнении величины убыли энергии Гиббса реакции  окисления этих сульфидов.

     При температуре выше 1000⁰ С в соответствии с уменьшением энергии Гиббса реакций окисления сульфиды могут быть расположены в следующий ряд: FeS, ZnS, PbS, CoS, NiS, Cu₂S. Указанная последовательность окисления сульфидов в расплавах справедлива для чистых веществ. В реальных условиях конвертирования порядок окисления может изменяться в зависимости от скорости реакции окисления сульфидов и от их концентрации в расплаве. Необходимо также учитывать, что образующиеся оксиды металлов могут вступать в реакции обменного взаимодействия с сульфидами других металлов, что также влияет на порядок окисления сульфидов.

     2.1 Описание процесса конвертирования

     Конвертирование состоит в продувке воздуха через  расплавленный штейн. В процессе продувки прежде всего окисляется железо, а образующиеся оксиды ошлаковываются кремнистым флюсом:

     2Fe + О₂ = 2FeO (1)

     3Fe + 2О₂ = Fe₃О₄ (2)

     FeS +l,5О₂ = FeO + SО₂ (3)

     3FeS + 5О₂ = Fe₃О₄ + 3SО₂ (4)

     2FeO + SiО₂ = 2FeOSiО₂ (5)

     При продувке никелевых и медно-никелевых  штейнов вначале окисляется металлическое железо, а реакции (3), (4) получают развитие тогда, когда содержание железа ферроникеля значительно снизится.

     Соотношение между образующимися оксидами железа зависит от ряда факторов: от их содержания в исходном штейне, текущего состава  сульфидного расплава в конвертере, содержания кремнекислоты в шлаке, температуры и др.

     Процесс конвертирования медных и полиметаллических  штейнов ведется в два периода. После окисления и ошлакования  железа в первом периоде в конвертере остается сульфид меди Cu₂S, иногда содержащий сульфиды других цветных металлов, чаще всего никеля, свинца, цинка.

     Техническое название сульфидного продукта первого  периода конвертирования - белый  матт.

     Продувка  белого матта воздухом приводит к  окислению сульфида меди:

     Cu₂S + 1,50₂ = Cu₂0 + S0₂ (6)

     Оксид меди взаимодействует с сульфидом  меди, образуя металлическую медь, которая является конечным продуктом конвертирования:

     2Cu₂0 + Cu₂S = 6Cu + S0₂ (7)

     Полученная  в результате конвертирования медь содержит примеси и называется черновой.

     При конвертировании медных штейнов  с небольшим содержанием примесей во втором периоде шлак не образуется.

     При продувке полиметаллических штейнов  чистый белый матт получить невозможно. Поэтому первый период проводят с  недодувом, получая белый матт с  заметным содержанием цинка, свинца и железа. Во втором периоде конвертирования  эти примеси окисляются, при этом образуется некоторое количество шлака.

              Медные штейны, содержащие в зависимости от состава исходного рудного сырья и вида применяемого процесса плавки от 10—12-до 70—75 % Сu, повсеместно перерабатывают методом конвертирования. На конвертирование, кроме штейна, в расплавленном или твердом состоянии поступают богатые медью обороты, кварцевый флюс (часто золотосодержащий) и другие материалы.

     Как уже отмечалось выше, медные штейны состоят в основном из сульфидов  меди (Cu₂S) и железа (FeS). Основная цель процесса конвертирования — получение черновой меди за счет окисления железа и серы и некоторых сопутствующих компонентов. Благородные металлы практически полностью, а также часть селена и теллура остаются в черновом металле. Вследствие экзотермичности большинства реакций конвертирование не требует затрат постороннего топлива, т. е. является типичным автогенным процессом.

     Организационно  процесс конвертирования медных штейнов делится на два периода. Первый период — набор сульфидной массы. В основе его лежит процесс окисления сульфидов железа и перевод образующихся при этом его оксидов в шлак. Преимущественное окисление сульфидов железа в первом периоде обусловлено повышенным сродством железа к кислороду по сравнению с медью.

     Обычно конвертирование ведут при 1200—1280°С. Повышение температуры ускоряет износ футеровки конвертера. При повышении температуры в конвертер загружают холодные присадки — твердый штейн, оборотные материалы, вторичное сырье, цементную медь и гранулированные концентраты. Продуктами первого периода являются обогащенная медью сульфидная масса (белый штейн), конвертерный шлак и серосодержащие газы.

     Холодный  ход конвертера и недостаток кварцевого флюса приводят к переокислению железа в шлаке и образованию больших количеств магнетита. Разогрев конвертера достигается заливкой свежей порции штейна или добавкой кварца.

     В первом периоде происходит также  окисление сульфидов меди, но вследствие повышенного сродства к сере она вновь сульфидируется сернистым железом. Содержание меди в конвертерных шлаках обычно составляет 1,5—2%. Вследствие высокого содержания меди конвертерные шлаки с.целью обеднения либо возвращаются в оборот (в плавку на штейн), либо подвергаются самостоятельной переработке.

     Первый  период процесса конвертирования носит  циклический характер: Каждый цикл состоит из операций заливки  жидкого штейна, загрузки кварцевого флюса и холодных присадок, продувки расплава воздухом, слива конвертерного шлака. Длительность каждого цикла в зависимости от состава исходного штейна составляет 30—50 мин. После каждой продувки в конвертере остается обогащенная медью сульфидная масса. Содержание меди в массе постепенно возрастает до предельной величины, отвечающей почти чистой полусернистой меди (Cu₂S).

     Продолжительность первого периода определяется, кроме содержания меди в штейне, и количеством подаваемого воздуха, которое зависит в основном от размеров (числа фурм) и состояния конвертера и организации работы. При богатом штейне (35—45 % Си) первый период продолжается 6—9 ч, при бедном (20—25 % и менее) — 16 — 24 ч. На 1 кг FeS, содержащегося в штейне, требуется около 2 м² воздуха.

     Коэффициент использования конвертера под дутьем в первом периоде составляет 70—80 %. Остальное время тратится на слив шлака и на загрузку конвертера.

     По  окончании первого периода и  слива последней порции шлака в конвертере остается почти чистая полусернистая медь - белый штейн (78—80 % Сu).

     Второй  период — получение черновой меди за счет окисления ее сульфида по суммарной реакции Cu₂S+ 0₂=2Cu+ SO₂+ 21500 кДж — проводится непрерывно в течение 2—3 ч без загрузки каких-либо твердых и оборотных материалов и при подаче только воздуха. Готовую черновую медь в зависимости от места проведения рафинирования либо заливают в жидком виде в миксер и далее по мере надобности в рафинировочную печь, либо разливают в слитки массой до 2 т и отправляют на рафинировочные заводы.

     Для конвертирования штейнов используют горизонтальные конвертеры. Конвертер представляет собой железный сварной кожух с торцовыми днищами, футерованный хромомагнезитовым кирпичом. Вблизи торцовых днищ на корпусе закреплены два опорных бандажа. Рядом с одним из них установлен зубчатый венец, соединенный через редуктор с электроприводом. С помощью этого устройства конвертер поворачивается вокруг горизонтальной оси.

     Все обслуживание конвертера (загрузка, слив расплавов, удаление газов) осуществляют через горловину, находящуюся в средней части корпуса. Подачу воздуха в конвертер производят через фурмы, расположенные на одной стороне корпуса по его образующей. В последние годы на   конвертерах стали применять фурму-коллектор. В этом устройстве воздушный коллектор устанавливают на уровне фурменных трубок, закрепленных в его корпусе. На противоположной стороне коллектора точно по оси фурменных трубок приварены шариковые запорные клапаны , позволяющие производить чистку фурм без прекращения подачи дутья в работающий конвертер.           

     Выходные  отверстия фурменных трубок постепенно зарастают, что приводит к уменьшению их сечения, снижению расхода воздуха и в конечном итоге производительности конвертера. В связи с этим фурмы периодически чистят с помощью стального ломика-фурмовки. При введении фурмовки шарик клапана поднимается в верхнее гнездо и пропускает ее в фурменную трубку. После вывода фурмовки из фурмы шарик скатывается в исходное положение и под воздействием сжатого воздуха, находящегося в коллекторе, плотно перекрывает входное отверстие, что предотвращает утечку воздуха.

     Прочистку фурм производят вручную или механически с помощью пневматических фурмовок.

     Продолжительность процесса конвертирования (производительность конвертера) при прочих равных условиях определяется объемом вдуваемого в конвертер воздуха, расход которого зависит от живого сечения всех фурм, т. е. от

     количества  фурм и их диаметра. Практикой установлено, что через 1 см² сечения фурм можно подать в минуту не более 0,9—1,1 м³ воздуха.

     В современной практике медной промышленности используют горизонтальные конвертеры вместимостью по меди 40, 75, 80 и 100 т. Длина конвертеров 6—12 м, диаметр 3—4 м. Число фурм 32—62, диаметр 40—50 мм.

     Горизонтальные  конвертеры — аппараты периодического действия. Основными рабочими положениями  конвертера в зависимости от угла его поворота вокруг горизонтальной оси являются: заливка штейна, продувка штейна (фурмы погружены в расплав), слив шлака, слив черновой меди. Газы, образующиеся при продувке штейна, поступают через горловину в герметизированный напыльник, установленный над конвертером, и далее — в газоходную систему.

     Несмотря  на значительную герметизацию напильников, подсосы воздуха к отходящим газам очень велики и составляют до 300—400 % от объема первичных конвертерных газов, что приводит к их существенному разбавлению по содержанию S0₂. Газы процесса конвертирования, содержащие до 4—4,5 % S0₂, используют для получения серной кислоты.

     Определенный  интерес для промышленности представляют конвертеры с боковым отводом газов и полностью закрываемой горловиной (рис. 83). При его использовании полностью устраняются подсосы воздуха и предотвращается выброс газов в окружающую атмосферу. Отходящие газы таких конвертеров могут содержать до 12—14 % S0₂. Конвертеры с боковым отводом газов непригодны для переработки штейнов, содержащих летучие компоненты, как, например цинк, вследствие быстрого забивания П-образ-ного газохода возгонами.

     Черновая  медь согласно ОСТ 47-33-72 выпускается  шести марок с суммарным содержанием  меди, золота и серебра не менее 99,4% (МЧ1) и 96 % (МЧ6). Наиболее строгие требования при этом предъявляются к содержанию в черновой меди висмута, мышьяка и сурьмы.

     Прямое  использование черновой меди потребителями  не допускается вследствие присутствия  примесей, ухудшающих электрические, механические и другие важнейшие свойства меди, и Ценных элементов-спутников. Вся черновая медь подлежит обязательному рафинированию.

     Рафинирование черновой меди по экономическим соображениям проводят в две стадии. Сначала очистку меди от ряда примесей проводят методом огневого (окислительного) рафинирования, а затем — электролитическим способом. Возможно одно электролитическое рафинирование. Однако без предварительной, частичной очистки меди электролиз становится чрезмерно дорогим и громоздким.

     Вторым  основным продуктом конвертирования  является конвертерный шлак. В конвертерном шлаке преобладают три компонента: FeO, FезО4 и SiO2. При этом FeO входит в состав фаялита 2FeO Si0₂. В среднем в шлаках содержится 23-26 % Si02- Содержание магнетита в шлаках может достигать 20-25 % и снижается при повышенной температуре процеса и увеличении содержания Si0₂ в шлаке. Шлаки с высоким содержанием Si02 (26-28 %) более тугоплавки, их получают при конвертировании высокоэкзотермичных никелевых штейнов.

     Содержание  железа в шлаках составляет 40-50 % и  зависит от содержания Si02 и качества флюса, общее содержание серы находится в пределах 1-3 %.

     В шлаках всегда содержатся растворенные сульфиды, в основном FeS (2,5-7 %), растворимость которого возрастает со снижением содержания Si02 в шлаке. Цветные металлы в конвертерных шлаках представлены механической взвесью сульфидов и растворенными сульфидами и оксидами. Потери металлов со шлаками зависят в той или иной форме от состава шлака.