Контрольные вопросы

1. Принципиальное отличие требований к сырью и ходу работы шахтной печи

2. Преимущества выплавки штейна в шахтных печах

3. Основные реакции получения медного штейна в шахтной печи

4. Устройство шахтной печи

5. Преимущества и недостатки шахтной плавки

6. Почему ширина шахтной печи выбрана в пределах 1,2 – 1,5 м?

7. Организация работы шахтной печи

Лекция 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% Си, 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, 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 медных штейнов ведут при 1200- 1280 ^оС. При относительно низких температурах очень медленно идет реакция образования фаялита, что приводит к насыщению расплава магнетитом в результате переокисления FeO. Чрезмерно высокие температуры ведения процесса способствуют быстрому разрушению футеровки конвертера.

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, 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 (менее 20- 25 %) -16-24ч. На 1 кг FeS, содержащегося в штейне, требуется около 2 м³ воздуха.

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

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

Второй период - получение черновой меди из белого штейна проводится непрерывно в течение 2 - Зч при подаче в конвертер только дутья. Химизм процесса во втором периоде описывается суммарной реакцией:

Cu₂S + 0₂ = 2Cu + S0₂.

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. Воздух подают в конвертер 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 чистить фурмы 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 ломик - 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. Фурмы чистят 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 см³ сечения фурм можно подать за 1 мин всего 0,9 -1,1 м³ воздуха.

В современной практике медной промышленности используют горизонтальные конвертеры вместимостью по мели 40, 75, 80 и 100 т. Длина конвертеров 6 - 12 м, диаметр З-4м. 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 напильник, установленный над конвертером, и далее -в газоходную систему.

Несмотря на значительную герметизацию напыльников, 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.

Черновая медь 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 медь от ряда примесей очищают методом огневого (окислительного) рафинирования, а затем - электролитическим способом. Возможно одно электролитическое рафинирование. Однако без предварительной, частичной очистки меди электролиз становится чрезмерно дорогим и громоздким.