книги / Металлургия черных и цветных металлов

ция солей. Современными и прогрессивными являются способы экстракции органическими растворами (экстрагентами) и сорб­ ции твердыми ионитами (сорбентами).

Первый из них предусматривает извлечение металлов из растворов, второй — из пульп. Оба метода характеризуются вы­ сокой избирательностью и в настоящее время применяются при получении урана, ванадия, ниобия, тантала, вольфрама, цирко­ ния, золота и др.

Глава 2. МЕТАЛЛУРГИЯ МЕДИ § 1. Общие сведения

Медь широко используют в чистом виде, в виде сплавов и соединений в элек­ трохимической и радиотехнической промышленности, где расходуется ~ 50 % получаемой меди, в машиностроении и» приборостроении, а также в строитель­ стве и военной технике. В небольших количествах медь присутствует в некото­ рых сталях. Чистая медь — металл розового цвета с плотностью 8,93, темпера­ турой плавления 1084°С и температурой 2582°С. Медь имеет высокие электрическую проводимость и теплопроводность, обладает хорошей ковко­ стью и тягучестью, легко прокатывается в тонкий лист и вытягивается в про­ волоку.

О давних пор известны и нашли широкое применение сплавы меди с оло­ вом-—бронзы и сплавы меди с цинком — латуни. Латунь содержит от 10 до 30 % Zn и в ряде случаев небольшое количество олово и свинца. Латуни хо­ рошо обрабатываются, имеют более высокую по сравнению с медью механиче­ скую прочность и, кроме того, дешевле чистой меди. Бронза содержит до 20 % Sn. Несмотря на относительно высокую твердость, бронзы легко обраба­ тываются и хорошо заполняют форму при литье. Бронзы обладают высокой устойчивостью к износу, небольшим коэффициентом трения и поэтому исполь­ зуются для изготовления вкладышей подшипников, шестерен и других деталей.§

§2. Медные руды, подготовка сырья

Вприроде медь встречается в виде минералов, в которых она находится в соединениях с кислородом, серой, мышьяком, угле­ кислотой и др., в небольших количествах — в виде самородной. Важнейшие минералы, входящие в состав медных руд, приве­ дены в табл. XI. 1.

Медные руды классифицируются по основному медьсодержа­ щему минералу, в зависимости от характера соединений мине­ ралов с пустой породой и состава пустой породы. В табл. XI.2 приведен состав медных руд главных типов.

Содержание меди в рудах невелико. В настоящее время промышленными считаются руды,' содержащие уже 0,6—0,8 % Си, а в ряде случаев вовлекают в эксплуатацию руды с содержанием 0,3 % Си. Около 85 % Си получают из сульфидных руд, остальное количество — из окисленных. Медные руды, как правило, содержат и другие ценные элементы: цинк, свинец, никель, кадмий, молибден, кобальт, серу, селен, теллур, серебро, золото и др. В связи с этим схема переработки медных руд обычно связана с извлечением ценных эле-

обогащению, в результате получают медный концентрат и «хвосты», или се­ лективному, когда, помимо медного, получают и другие концентраты, на­ пример цинковый, пиритный, свинцовый и т. п.

Медные концентраты в зависимости от типа обогащаемой руды и техно­ логии обогащения содержат 10—30 % Си (в ряде случаев до 40 % и выше), 20—40 % S. Содержание других примесей (оксиды железа, Si02, АЬОз и др.) определяется составом руд.

Концентрат и руда не имеют физико-химических различий и различаются только по содержанию составляющих компонентов, поэтому переработка руд и концентратов протекает по аналогичным схемам. Существуют два способа переработки медных руд и концентратов: пирометаллургический и гидрометаллургнческий. Окисленные медные руды перерабатывают гидрометаллурги­ ческими способами или добавляют в шихту при плавке сульфидных медных руд и концентратов. Наиболее распространенная пирометаллургическая схема

переработки медных руд приведена на рис. XIЛ.*§

кварцевых флюсов, 2—3 % известняка и 2—3 % оборотных ма­ териалов. Потери на следующей стадии переработки — плавке — зависят от потерь меди со шлаком и с пылью. В том случае, когда плавится обожженная шихта, шлаки получаются с более высоким содержанием меди, при этом возрастает также унос меди с пылью. В связи с этим богатые медные концен­ траты (25—30 % Си) подвергать обжигу нецелесообразно. Об­ жиг медных концентратов производят в печах с кипящим слоем, во взвешенном состоянии и в многоподовых печах с ме­ ханическим перегребанием материала.

Схематическое изображение печи для обжига в кипящем слое показано на рис. 1.13. В ней материал с помощью загру­ зочного устройства подают с рабочую камеру. Под печи устроен таким образом, что материал не проваливается вниз и в то же время обеспечивает равномерное распределение воздуха, пода­ ваемого снизу из воздушной коробки. Скорость подачи воздуха подбирают такой, чтобы обеспечить непрерывное движение всех частиц в пределах слоя. В результате происходит интен­ сивное окисление сульфидов. Процесс является высокопроизво­

вводится в верхнюю часть камеры сжигания с помощью венти­ лятора или инжектора. В камере происходят распыление кон­ центрата и его воспламенение. Снизу в камеру сжигания по­ дают сжатый воздух. В результате концентрат поддерживается во взвешенном состоянии. Обжиг идет при 850—1000 °С. Со­ держание S02 в отходящих газах составляет 6—12%.

В процессе обжига протекают реакции разложения и окисления сульфи­

дов:

FeS2 = FeS + V2S2 ; А// — 142,7 кДж/моль.

Окисление сульфида железа с образованием высшего оксида железа или магнетита:

Эти реакции являются основными источниками тепла. При обжиге идет также окисление сульфидов меди и цинка по реакциям:

Возможно также удаление мышьяка. В результате окисления арсенопи­ рита FeAsS или его диссоциации образуется мышьяк, который окисляется до AS2O3 или при большом избытке воздуха до AS2O5. Триоксид мышьяка летуч (давление пара равно 1 0 5 Па уже при ~460°С) и поэтому удаляется из печи с отходящими газами. В случае избытка воздуха образуется пентаоксид мышьяка и, взаимодействуя с оксидами шихты, дает арсенаты типа хМеО-

случае при сгорании пирита выделяется количество тепла, достаточное для об­ жига, и не требуется топлива. Верхний предел содержания серы в шихте огра­ ничивается максимально допустимой температурой обжига. Обычно темпера­ тура не превышает 850 °С, так как; повышение температуры приводит к спека­ нию и даже оплавлению материала и затруднению обжига. Извлечение меди в огарок при обжиге 99,6—99,8 %.

§4. Пирометаллургическое получение меди из руд и концентратов

Пирометаллургическое извлечение меди включает плавку мед­ ных руд и концентратов. Плавка ведется в отражательных, шахтных и электрических печах. При расплавлении сульфидной шихты жидкость расслаивается на два слоя. Внизу располага­ ется сплав сульфидов — штейн с плотностью —5 .г/см3. Штейн состоит главным образом из сульфидов железа FeS и меди C112S, в сумме составляющих 80—90 %. Кроме того, в штейне содержатся сульфиды цинка, свинца, никеля, оксиды железа, кремнезем и другие составляющие. Благородные металлы плохо растворимы в шлаке и хорошо растворимы в штейне. Макси­ мально возможное содержание меди в штейне, соответствующее расплаву C112S, равно 79,9%. Обычно содержание меди в штейне находится в пределах 15—40 %. С повышением содер­ жания меди в штейне увеличиваются температура его плавле­ ния и плотность. Температура плавления заводских штёйнор со­ ставляет 900—1150 °С, а плотность — 4,6—5,2 г/см3. Шлаки со­ держат оксиды кремния, железа, кальция, алюминия и имеют температуру плавления 1100—1200 °С.

§ 5. Плавка в отражательных печах

При плавке медных концентратов атмосфера в рабочем про­ странстве отражательных печей слабоокислительная. Схема отражательной печи показана на рис. XI.2.

Рабочее пространство печи имеет длину 30—40 м, ширину 7— 8 м, высоту 3,5—4,5 м. Площадь пода 200—300 м2. Печь изнутри футеруется в зависимо­ сти от состава шихты либо кислыми, либо основными огнеупорами. Отаплива­ ются печи природным газом, мазутом или угольной пылью. Горелки или фор­ сунки располагаются в Ьередней торцовой стенке. Газообразные продукты сго­ рания проходят от задней стенки и через газоход уходят в боров. Состав

Рис. XI.2. Отражательная печь для выплавки медных штейнов:

пользования и повышения теплового коэффициента печи.

Штейн, получаемый в процессе плавки, периодически выпускают из печи через сифоны — чугунные водоохлаждаемые летки в боковой стенке печи на уровне лещади. Для выпуска шлака используют шлаковое окно, расположен­ ное в задней части боковой стенки печи, на высоте ~ 1 м от уровня лещади.

Удаление серы в процессе плавки происходит в результате диссоциации сульфидов и взаимодействия сульфидов с окси­

Степень удаления серы из концентрата зависит от состава шихты и вида топлива. При плавке необожженного концен­ трата степень десульфурации составляет 30—50 %, при плавке огарка — 20—25 %• В процессе плавки идут также реакции взаимодействия оксидов, сульфидов и кремнезема шихты с об­ разованием шлака:

Оксид меди взаимодействует с FeS, образуя сульфид меди:

Вюстйт, взаимодействуя с кварцем, дает силикаты и пере­ ходит в шлак. Сульфиды образуют штейн, на 80—90 % состоя­ щий из сульфидов меди и железа. В нем содержатся оксиды железа в виде FeO и небольшое количество (3—6%) других оксидов.

Шлак в основном состоит из Si02, FeO, СаО и А120з. Сум­ марное содержание этих оксидов в шлаке составляет 85—95 %• В шлаке содержится также 0,1—0,5 % Си. Потери меди со шлаком, в котором остаются капельки штейна,-зависят от со­ става штейна и шлака и от технологии плавки. При повышении содержания меди в штейне увеличиваются потери меди со шла­ ком. В присутствии магнетита в шлаке растворимость меди воз­ растает, а потери меди со шлаком увеличиваются. Если магне­ тит не успел восстановиться на откосах, то восстановление про­ должается в ванне на границе штейн — шлак. С газовыми

колош никовы й газ содерж ит в большом количестве пары серы. П рим ерны й состав ко лош никовы х газов следую щ ий:

Температура в верхней части шахты поддерживается на уровне 400—500 °С с тем, чтобы предотвратить конденсацию паров серы. После очистки от пыли газ охлаждают до 130 °С для конденсации паров серы, затем газ подогревают до 450 °С и направляют в аппарат для катализа, где в результате взаим­ ных реакций из серосодержащих газов выделяются пары серы:

В дальнейшем газы охлаждаются, пары серы конденсиру­ ются, а газы далее необходимо очищать от вредных примесей.

Штейн содержит 5—10% Си. Чтобы увеличить содержание в нем меди, штейн направляют в шахтную печь на сократитель­ ную плавку. В результате такой плавки содержание меди в штейне возрастает до 25—40 %. Производительность печи усовершенствованной пиритной плавки меньше, чем пиритной илинолупиритной, а расход кокса выше. Увеличению произво­ дительности шахтных печей способствует обогащение дутья кислородом.

§ 7. Плавка медных руд и концентратов в электрических и других печах

Плавка медных руд и концентратов в электропечах в настоящее время имеет ограниченное распространение, несмотря на ряд преимуществ. В электропечи можно получать высокие температуры и тем самым повышать производитель­ ность. Количество образующихся в процессе электроплавки газов примерно в пять раз меньше, чем в отражательной плавке. В результате уменьшается вынос пыли, облегчается очистка газов и имеется возможность использовать отходящий газ для производства серной кислоты. Удельный проплав шихты в электропечах находится в пределах 2,7—4,7 т/(м2 -сут). Расход электро­ энергии на проплав 1 т шихты 400—600 кВт ч. Тем не менее для ряда райо­ нов шюцесс электроплавки имеет большие перспективы.

Плавка медных концентратов во взвешенном состоянии. Процесс плавки медных концентратов во взвешенном состоянии впервые разработан в СССР.

Плавку можно вести на воздушном дутье и дутье, обогащенном кислородом. В зависимости от характера плавки содержание меди, в штейне может быть от 40’ до 70 %, а содержание S02 в газах до 80 %. Расход топлива определя­ ется содержанием серы в шихте и кислорода в дутье. При использовании дутья, обогащенного кислородом, на сернистой шихте не требуется добавлять топлива — процесс обеспечивается теплом за счет экзотермических реакций. Для плавки низкосернистых концентратов требуется добавлять топливо в ко­ личестве 4—7 % от массы шихты. В настоящее время в ряде стран на меде­ плавильных заводах используется этот вид плавки.