1.4 Конвертирование медных штейнов.

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 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 переходят в чер­новой металл. 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 FeS→FeO→Fe₃O₄.

Химизм первого периода конвертирования характеризуется протеканием реакций:

1)2FeS+3O₂+SiO₂= 2FeO * SiO₂+2SO₂+1030290 кДж (12)

2) 2FeS+3O₂= 3FeO+SO₂+937340 кДж. (13)

3) 2FeO+SiO₂= 2FeO * SiO₂ + 92950 кДж (14)

4) 6FeO+O₂= 2Fe₃O₄ + 635560 кДж (15)

5) 3Fe₃O₄ + FeS + 5SiO₂ = 5 (2FeO * SiO₂) +SiO₂ – 19930 кДж.(16)

Реакции 1 и 5 являются основными в первом периоде. Они дают почти всё тепло для процесса и обеспечивают его автогенность. 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 пере окислению 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 [FeS]_шт ↔ (FeS)_шл. Содержание ме­ди в конвертерных шлаках обычно составляет 1,5—2%. Вследствие высокого содержания меди конвертерные шла­ки после 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 полу сернистой 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. В конвертере остается почти чистая полу сернистая медь —белый штейн следующего состава : 78-80% Cu и 20—21 % S, сульфидов меди, а шлак сливается в процессе плавки. Он состоит в основном из различных оксидов железа (магнетита, закиси железа) и кремнезема, а также небольших количество глинозема, окиси кальция и окиси магния. В шлаке остается 1,8-3,0% меди. Для ее извлечения шлак в жидком виде направляют в отражательную печь или в горн шахтной печи.

Второй период — получение черновой меди за счет окис­ления ее сульфида по суммарной реакции

Cu₂S+0₂=2Cu+SO₂+215000 кДж (17)

Этот период проводится непрерывно в течение 2—3 ч без загрузки каких-либо твердых и оборотных мате­риалов и при подаче только воздуха, обогащенного кислородом. 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 2т и отправляют на рафинировочные заводы. Продуктами второго периода является: черновая медь, содержащая 98,4-99,4% - меди, 0,01-0,04% железа, 0,02-0,1% серы, и небольшое количество никеля, олова, мышьяка, серебра, золота и конвертерный шлак.

Конвертерные шлаки медного производства содержат, %: 1,2— 3 Сu; 20—28 SiO₂; 50—55 Fe; небольшое количество CaO, MgO, O2O3, А1₂О₃- Железо в этих шлаках присутствует в форме двух оксидов: FeO и Fe₃O₄. Содержание магнетита может изменяться в очень широких пределах — от 10 до 28—30%.

Выход конвертерного шлака от массы штейна, % ……... 30—80

Извлечение меди, %:

в черновую медь ……………………………….87—92

в конвертерный шлак ……………………………….3—6

в обороты ……………………………….4—6

потери ………………………………0,5—0,8

Извлечение меди в черновую медь при конвертировании в основ­ном зависит от выхода конвертерного шлака и концентрации в нем меди. Выход конвертерного шлака снижается с обогащением штей­на медью, и, несмотря на некоторое увеличение содержания меди в меньшем объеме шлака, ее извлечение при конвертировании богатых штейнов возрастает.

Конвертерные шлаки не являются отвальными и поэтому их направляют в оборот или подвергают специальной переработке. Казалось бы, поскольку конвертерные шлаки все равно направляют на обезмеживание, повышенное содержание в них меди не имеет существенного значения и принимать какие-либо меры для получе­ния более бедных шлаков нет острой необходимости. Однако вслед­ствие того, что увеличение количества оборотных материалов и обогащение их извлекаемым металлом ведут к увеличению его конечных потерь, следует стремиться к получению конвертерных шлаков с минимально возможной концентрацией меди.

Для уменьшения перехода меди в конвертерные шлаки необ­ходимо:

1. вести процесс достаточно горячо (1280—1320 °С) для обес­печения более полного восстановления магнетита и одновременного снижения содержания в шлаках растворенных металлов и мелких частиц штейна;

2. проводить очередной слив конвертерного шлака после прие­ма свежей порции штейна с целью промывки шлака бедным штей­ном и снижения содержания меди в общей массе расплава;

3. поддерживать оптимальную кислотность шлака.

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.

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 на пыльник, установ­ленный над конвертером, и далее—в газоходную систему.

Несмотря на значительную герметизацию на пыльников, 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.[5]

Рисунок 3. Горизонтальный конвертер.

1–горловина; 2-окно для загрузки флюсов; 3 – воздушный коллектор; 4–фурмы.