СВОЙСТВА МЕДИ И БЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Медь очень хорошо проводит электричество и тепло. Удель­ное сопротивление меди равно 0,018 Ом • мм²/м, а тепло­проводность при 20 °С составляет 385 Вт/(м • К). По электропроводности медь лишь немного уступает серебру. Ее электропроводность в 1,7 раза выше, чем у алюминия, и примерно в 6 раз выше, чем у платины и железа. Медь обла­дает ценными механическими свойствами— ковкостью и тягу­честью.

В присутствии воздуха, влаги и сернистого газа медь постепенно покрывается плотной зеленовато-серой пленкой основной серно-кислой соли, предохраняющей металл от дальнейшего окисления. Поэтому медь и ее сплавы находят широкое применение при строительстве линий электропередач и устройстве различного вида связи, в электромашинострое­нии и приборостроении, в холодильной технике (производст­во теплообменников охлаждающих устройств) и химическом машиностроении (изготовление вакуум-аппаратов, змееви­ков). Около 50% всей меди расходует электропромышлен­ность. На основе меди создано большое число сплавов с такими металлами, как Zn, Sn, Al, Be, Ni, Mn, Pb, Ti, Ag, Au и др., и реже с неметаллами Р, S, О и др. Область при­менения этих сплавов очень обширна. Многие из них обла­дают высокими антифрикционными свойствами. Сплавы приме­няют в литом и кованом состоянии, а также в виде изделий из порошка.

Например, широко применяют сплавы типа оловянных (4— 33 % Sn), свинцовых (~ 30 % Pb), алюминиевых (5-11 % Al), кремниевых (4-5 % Si) и сурьмяных бронз. Бронзы применяют для изготовления подшипников, теплообменников и других изделий в виде листа, прутков и труб в химической, бумаж­ной и пищевой промышленности.

Сплавы меди с хромом и порошковый сплав с вольфрамом идут на изготовление электродов и электроконтактов.

В химической промышленности и машиностроении также ши­роко применяют латунь — сплав меди с цинком (до 50 % Zn), обычно с добавками небольших количеств других элементов (Al, Si, Ni, Mn). Сплавы меди с фосфором (6-8 %) исполь­зуют в качестве припоев.

§2. СЫРЬЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДИ

Для получения меди применяют медные руды, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах содержится 1—6% меди. Горную породу, содержащую меньше 0,5% Си, не перерабатывают, так как при современном уровне техники извлечение из нее

меди нерентабельно.

В рудах медь обычно находится в виде сернистых соеди­нений (медный колчедан или халькопирит CuFeS₂, халькозин Cu₂S, ковелин CuS), окислов (куприт Cu₂0, тенорит CuO) или гидрокарбонатов [малахит СиСО_э • Си(ОН)₂, азурит 2СиС0₃ • Cu(OH)₂].

Пустая порода руд состоит из пирита FeS₂, кварца Si0₂, карбонатов магния и кальция (MgC0₃ и СаСО_э), а также из различных силикатов, содержащих Al₂0₃, CaO, MgO и оксиды железа наряду с Si0₂.

Руды разделяют на сульфидные, окисленные и смешанные. Сульфидные руды обычно бывают первичного происхождения, а окисленные руды образовались в результате окисления мине­ралов сульфидных руд. В сульфидных рудах медь находится в виде сернистых соединений, в этих рудах всегда много пи­рита FeS₂. Окисленные руды состоят главным образом из ок­сидов.

Сульфидные руды содержат обычно 1—6% Си, 8—40% Fe, 9-46% S, 1-6% Zn, 5-55% Si0₂, 2-12% А1₂О_э, 0,3-4% CaO, 0,3—1,5 % MgO, а в окислительных рудах обычно нахо­дится около 2% Си, около 1% Fe, 0,1-0,2% S, 60-68% Si0₂, 10-16% A1₂0₃, 0,3-0,7% CaO и 0,3-0,7% MgO. В не­больших количествах встречаются так называемые самородные руды, в которых медь находится в свободном виде.

Нередко руды являются комплексными, т.е. они содержат заметные количества других металлов: цинка, свинца, нике­ля, золота, серебра, селена, таллия и др.

§ 3. ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА МЕДИ

Известны два способа извлечения меди из руд и концентра­тов: гидрометаллургический и пирометаллургический.

Первый из них не нашел широкого применения. Его ис­пользуют при переработке бедных окисленных и самородных

руд. Этот способ в отличие от пирометаллургического не позвляет извлекать попутно с медью драгоценные металлы.

Большую часть меди (85—90%) производят пирометаллур­гический способом из сульфидных руд. Одновременно решает­ся задача извлечения из руд помимо меди других ценных сопутствующих металлов. Пирометаллургический способ про­изводства меди является многостадийным. Основные стадии этого производства: подготовка руд (обогащение и иногда дополнительно обжиг), плавка на штейн (выплавка медного штейна), конвертирование штейна с получением черновой ме­ди, рафинирование черновой меди (сначала огневое, а затем электролитическое).

. 1. Подготовка медных руд к плавке

Сульфидные медные руды обогащают преимущественно методом пенной флотации (см. часть 1, § 5, гл. 1). Предварительно руду измельчают до частиц крупностью 0,1—0,5 мм. После флотации получают медный концентрат, содержащий 8—35 % Си, 40—50 % S, 30—35 % Fe и пустую породу, главными сос­тавляющими которой являются Si0₂, Al₂0₃ и СаО. Медь в концентрате находится в виде сернистых соединений, желе­зо — в основном в виде пирита FeS₂. Концентрат содержит 8-10% влаги.

Обжиг медных концентратов. Большую часть концентратов (богатые концентраты, содержащие 25—35 % Си) переплавляют на штейн без обжига, а незначительную часть (бедные кон­центраты, содержащие 10—25 % Си) предварительно подвер­гают обжигу. Основная цель обжига — частичное окисление содержащихся в концентрате серы и железа с тем, чтобы в последующем обеспечивалось получение штейна с достаточно высоким (~ 25—30 %) содержанием меди.

Обжиг осуществляют преимущественно в печах кипящего слоя (см. далее рис. 243). Печь представляет собой футе­рованную шамотным кирпичом вертикальную шахту высотой до 9 м со сводом и подом, в котором расположены сопла (30—50 сопел на 1 м² площади пода), через которые в печь снизу вдувают воздух, иногда обогащенный кислородом. Над подом печи имеется окно, через которое непрерывно загружают шихту, а с противоположной стороны печи — отверстие для непрерывной выгрузки продукта плавки (огарка). Загружае-

мая в печь шихта 'состоит из медного концентрата, флюсов (измельченных известняка и кварцита) и оборотной пыли. Расход воздуха поддерживают таким, чтобы зерна загружае­мой шихты находились во взвешенном состоянии, совершая в потоке воздуха непрерывное возвратно-поступательное дви­жение (движение, похожее на кипение жидкости).

В процессе обжига происходят: нагрев шихты; термичес­кая диссоциация высших сульфидов (FeS₂ —*■ FeS + l/2S₂ и 2CuS —*- CujS + l/2S₂); окисление образующихся паров серы до S0₂ с выделением тепла; горение сульфида железа 2FeS + + 3,50₂ = Fe₂0₃ + 2S0₂ с выделением тепла. Этого тепла с избытком хватает для требуемого нагрева шихты (700— 850 °С). Температура в печи не должна превышать 850 °С во избежание спекания шихты; чтобы избежать перегрева, в шихту вводят флюсы, иногда в печь вдувают воду или в ки­пящий слой вводят трубчатые холодильники.

Продукт обжига -- огарок состоит из низших сульфидов Cu₂S и FeS и различных оксидов. Отходящие из печи газы, содержащие 7—13% S0₂, используют для производства серной кислоты. Чтобы уменьшить вынос мелкой шихты отходящими газами, иногда перед обжигом медный концентрат подвергают окомкованию. Широко распространенный в прошлом обжиг мед­ных концентратов в многоподовых печах с механическим пе-регребанием материалов применяется в настоящее время редко.

2. Плавка на штейн

Медный штейн состоит в основном из сульфидов меди и желе­за (Cu₂S + FeS = 80—90 %) и других сульфидов, а также оксидов железа, кремния, алюминия и кальция. Плавку на штейн или выплавку штейна осуществляют для того, чтобы путем расплавления шихты получить два жидких продукта -штейн и шлак и тем самым отделить медь, переходящую в штейн от оксидов шихты, которые образуют шлак. Выплавку штейна производят несколькими способами: в отражательных, шахтных и электродуговых печах и автогенными процессами.

Плавка в отражательных печах

Плавка в отражательных печах— наиболее распространенный процесс получения медного штейна.

Отражательные или пламенные печи делают длиной 30-40, шириной 8—10, высотой от пода до свода 3,5-4,5 м (рис. 237). Под печи, опирающийся на фундамент, выполняют из динасового кирпича либо путем наварки из кварцевого песка, толщина пода составляет 0,6—1,5 м. Стены выклады­вают из магнезитохромитового или магнезитового кирпича. Свод печи делают арочным из динасового кирпича, распорно-подвесным в форме арки или подвесным, который может быть плоским или трапециевидной формы (два последних свода — из магнезитохромитового кирпича). На рис. 237 показана печь с подвесным сводом трапециевидной формы. Для выпуска штейна служат шпуры периодического действия, которые после окончания выпуска закрывают глиняной пробкой; иног­да для выпуска штейна предусматривают сифонные устрой­ства.

Для выпуска шлака служат шлаковые окна в конце печи. Высота расположения порога шлакового окна определяет вы­соту слоя расплава в печи; она равна 0,8—1,2 м, в том числе высота слоя штейна 0,4—0,6 м.

Отапливают печь природным газом, мазутом или угольной пылью. Горелки или форсунки обычно располагают в один ряд в передней торцовой стенке. Воздух, подаваемый для горе­ния, нагревают до 200—400 °С и обогащают кислородом до 28-30%. Газообразные продукты сгорания проходят до зад­ней стенки и через газоход уходят в боров. Температура газов на небольшом расстоянии от передней стенки достига­ет 1550-1600 °С, а в хвостовой части снижается до 1250—1300 °С. Шихту загружают через несколько отверстий в своде печи, расположенных близ боковых стен по длине печи.

Плавка. Как отмечалось, основную часть штейна выплав­ляют из сырых (необожженных) концентратов. В шихту при этом вводят немного флюсов—известняка и кварца. Загружае­мая шихта ложится (рис.238) откосами вдоль стен (при плавке огарка она растекается по поверхности шлака). Ших­та и поверхность жидкой ванны нагреваются факелом, обра­зующимся при сгорании топлива.

По мере нагрева шихта плавится и стекает с откосов в слой шлакового расплава, где протекает разделение штейно-вой и шлаковой фаз — капли штейна опускаются через слой шлака. Происходит это поскольку штейн и шлак нерастворимы

45-3810

-J

о о*

Рис. 237. Отражательная печь с подвесным сводом: 1 — фундамент, 2 — под; 3 — запасный шпур; 4 — загрузочные отверстия; 5 — шлаковое окно; 6 — шпуры; 7 - свод; 8 - стена; 9 -окна для горелок

о

Х N

I ^я

Я

Ы s со

а 8*

о i

- Е

*Ч се СИ

| ?! О

°5

OS

CO

> > О

s >

оа

п> чз

S н

о

о

О Н

V я

"(Л *

«!

с »

"в С ft а О

X со

Ю о

Еоа

? я S Е

я

б

я

S

£ -™-

СО (j

О

5 ^а

S о

н

я о о

Я

S о

° 7

«а CD

о о н X б-¹

о яд

Л Н

S⁴ О Я СО «. |м

ни >8"

х S £ З⁴ со

И д я о (»

Е о ж 2 о Я

И 2 Й ,2 Я

* 8 Q "S Е Р

Pa n s о я " a «

Я я« a

>>» х S

f + я^ ^ю

«о Э 9 Е й " » "ил- 5 2

If-StS 8

II СЛ i ■ I

о ез а

я я g

ssii.

G со О

Э - я о

со я s я

*Ч в О

Я Я ю

со X ^ ж

Со н ег

о Й 4S 5

х, со чз ь

-3*8 5 "

м

В!

X •^- В) ft X

а ч со

"f ^я X й

S о нЭ* ^ю

Й е я a

w 2 о S

я и н

О й ft

» 7 -sS

•SSfl ² о 27

55 я OS

Е 1

Со Я Я

a

Ft 2

Я "

Е •» a

с я Я a

В1 О

н О я

'f 3

I on ы

"^Е

^> й G я<

Х

3 в

I

о

S

U

В)

S со н

1 — шихта; 2 — дутье; 3 — штейн; 4 — шлак; 5 — газы; 6 — огнеупорная клад­ка; 7 — медные литые кессоны; 8 — фурмы; 9 — загрузочная воронка; 10 — шла­ковый сифон; И — штейновый сифон

дов за счет реагирования с кислородом дутья. Расплав в печи условно делится на две зоны: зону выше фурм, где идет интенсивный барботаж (перемешивание поднимающимися пузырями газа) и подфурменную, где расплав находится в относительно ^спокойном состоянии. В верхней (надфурмен-ной) зоне протекают процессы окисления сульфидов с выде­лением тепла, нагрева и плавления шихты за счет этого тепла, укрупнения мелкой сульфидной взвеси в шлаковом расплаве. Крупные капли сульфидов, как более тяжелые, движутся через слой шлака вниз, образуя на поду печи слой штейна.

В получаемом штейне содержание меди достигает 45—55%. Достоинством процесса является то, что его удельная производительность (удельный проплав шихты, 60—80т/(м²х хсут)) значительно выше, чем у других процессов выплавки штейна; так этот удельный проплав более чем в 12 раз пре­вышает проплав отражательной плавки. Процесс пригоден для плавки на штейн медно-никелевых, никелевых и других суль­фидных руд.

Плавка во взвешенном состоянии или процесс взвешенной плавки. При этом способе сульфиды шихты сгорают, двигаясь в потоке кислородосодержашего дутья, т.е. сгорают в факе­ле во взвешенном состоянии. В качестве дутья используют обогащенный кислородом воздух и иногда кислород. Шихту предварительно необходимо измельчать и просушивать. Нахо­дит применение ряд разновидностей этого процесса.

Способ фирмы "Оутокумпу" (Финляндия), применяемый в ряде стран, предусматривает использование обогащенного кислородом (до 31%) и подогретого до ~200°С воздуха. Печь имеет вертикальную плавильную шахту и расположенную под ней горизонтальную удлиненную отстойную камеру. Через специальную горелку в своде шахты в нее подают дутье и измельченную шихту. При движении вниз в факеле сгорают сульфиды шихты, обеспечивая температуру в шахте ~1400°С. Образующиеся в факеле сульфидно-оксидные капли падают на поверхность шлака в отстойной камере, и здесь происходит разделение расплава на шлак и штейн. Горячие газы из шах­ты движутся через отстойную камеру вдоль поверхности рас­плава, подогревая его. Далее газы проходят котел-утилизатор, и из них извлекают элементарную серу. Штейн содержит до 60 % меди.

Плавку во взвешенном состоянии на кислородном дутье или кислородно-факельную плавку применяют на заводах в Казахстане, Канаде и США. Печь горизонтальная, вытянутая вдоль движения факела, выполнена из огнеупоров. Стены, свод и газоотвод оборудованы водоохлаждаемыми устройства­ми. В торцевой стене печи установлены две горизонтально расположенные горелки, подающие кислород и просушенную шихту. Температура факела при сгорании сульфидов в кисло­роде достигает 1500—1600 °С, образующиеся в факеле капли сульфидно-оксидного расплава оседают в шлаковую ванну, в которой происходит отставание штейна от шлака. Штейн содержит до 50% Си, отходящие газы до ~80% S0₂, серу из газов улавливают.

Процесс "Норанда", разработанный в Канаде, является непрерывным барботажным процессом, схожим с отечественным процессом ПЖВ. Его осуществляют в горизонтальной цилинд­рической печи, вдувая через 50—60 расположенных в ряд фурм обогащенный кислородом (до 37 %) воздух в объем расплава, где происходит окисление сульфидов и разделение

штейна и шлака. Шихту загружают через торцевую стенку печи, штейн выпускают периодически через шпуры.

3. Конвертирование медного штейна

Цель конвертирования — получение черновой меди путем окисления содержащихся в штейне серы и железа. Конверти­рование осуществляют продувкой штейна воздухом в горизон­тальном конвертере. Перерабатываемые штейны, как отмеча­лось, состоят в основном из сульфидов меди (Cu₂S) и желе­за (FeS). Вследствие экзотермичности основных реакций конвертирование не требует затрат топлива.

Современный медеплавильный конвертер показан на рис. 241. Конвертеры делают длиной 6—12, с наружным диа­метром 3—4 м. Производительность конвертера за одну опе­рацию составляет 40—100 т. Футеруют конвертер хромомагне-зитовым кирпичом. Заливку расплавленного штейна и слив продуктов плавки осуществляют через горловину конвертера, расположенную в средней части его корпуса. Через ту же горловину удаляются газы. Фурмы для вдувания воздуха рас­положены в ряд по длине конвертера. Число фурм обычно составляет 32—62, а диаметр фурмы 40—50 мм. Расход возду­ха достигает 800 м³/мин (при нормальных условиях).

Процесс в конвертере циклический и делится на два пе-

Рис. 241. Горизонтальный конвертер:

1 — горловина; 2 — окно для загрузки флюсов; 3 — воздушный коллектор; 4 — фурмы

риояа. Первый период (период окисления сульфида железа), называемый набором сульфидной массы, начинается с заливки штейна, после чего подают дутье и через горловину или от­верстие в торцевой стенке конвертера загружают порцию кварцевого флюса, содержащего 70—80% SiO_z. Период длится 6—24 ч в зависимости от содержания меди в штейне. Основ­ными реакциями периода являются окисление сульфида железа

2FeS + 30₂ = 2FeO + 2S0₂

и ошлакование образующегося оксида FeO кремнеземом флюса

2FeO + Si0₂ = (FeO)₂Si0₂.

По мере накопления шлака, состоящего из FeO и Si0₂, его сливают, в конвертер заливают новую порцию штейна и, добавляя флюс, продолжают продувку. Длительность таких циклов набора массы составляет 30—50 мин.

Температура заливаемого штейна в результате протекания этих экзотермических реакций повышается с 1100—1200 до 1250—1350 °С. Более высокая температура нежелательна, и поэтому при продувке бедных Штейнов, содержащих много FeS, добавляют охладители— твердый штейн, сплески Мели, корки из ковшей, медные концентраты.

Сульфид меди в течение первого периода не окисляется, поскольку у железа больше химическое сродство к кислоро­ду, чем у меди. По окончании первого периода и слива по­следней порции шлака в конвертере остается белый штейн — почти чистая полусернистая медь Cu₂S.

Второй период — получение черновой меди из белого штейна — длится 2—3 ч и заключается в продувке без добав­ки в конвертер флюса. Основная реакция периода:

Cu₂S + 0₂ = 2Си + S0₂.

После полного окисления серы продувку заканчивают, получая черновую медь. Ее сливают из конвертера и либо направляют в рафинировочную печь, либо разливают в слит­ки, которые затем направляют на специальные рафинировоч­ные заводы. Таким образом, в результате продувки получа­ются черновая медь, содержащая 96,0-99,4% Си, 0,01-0,04 % Fe, 0,02—0,1 % S и небольшое количество Ni, Sn, As, Sb, Ag, Au, и конвертерный шлак, содержащий 22-30 % SiQ₂, 45-^0% FeO, около 3% А1₂0₃ и 1,5-2,5% Си.

4. Рафинирование меди

Рафинирование черновой меди от примесей по экономическим соображениям проводят в две стадии — вначале методом ог­невого рафинирования, а затем электролитическим методом.'

Огневое рафинирование

Цель огневого рафинирования -г- подготовить медь к электро­литическому рафинированию путем удаления из нее основного количества примесей. Огневое рафинирование жидкой меди (на медеплавильных заводах) проводят в цилиндрических на­клоняющихся печах, а на медьэлектролитных заводах, полу­чающих черновую медь в слитках, — в стационарных отража­тельных печах. Печи для огневого рафинирования часто на­зывают анодными, так как после рафинирования жидкую медь разливают в аноды — слитки, имеющие форму пластин.

Наклоняющиеся (поворотные) цилиндрические печи схожи с горизонтальным конвертером, применяемым для выплавки штейна (рис. 241). Для выпуска меди предусмотрена летка, наиболее распространены печи вместимостью 160—220 т. Ста­ционарные печи вместимостью до 500 т по устройству схожи с отражательной печью для выплавки штейна (рис. 237).

Огневое рафинирование в отражательной печи длится ~ 24 ч и включает следующие периоды: загрузка (длится до 2 ч), расплавление (~ 10 ч) окислительная обработка расп­лава, удаление шлака, восстановительная обработка, раз* ливка готовой меди. Рафинирование в цилиндрических печах, где не требуется плавления меди, длится примерно в два раза меньше и состоит из четырех последних периодов про­цесса в отражательной печи.

Окислительная обработка длительностью 1,5—4 ч заклю­чается во вдувании в ванну воздуха через погруженные на глубину 600—800 мм стальные трубки, покрытые огнеупорной обмазкой. При этом окисляются примеси с ббльшим, чем у меди химическим сродством к кислороду — такие как Al, Fe, Zn, Sn, Sb, Bi, As, Ni и немного меди до Cu₂0. Полностью остаются в меди золото и серебро и большая часть селена и теллура. Оксиды примесей, Cu₂0 и загружаемый в печь в не­больших количествах кремнезем образуют на поверхности ванны шлак, который в конце окислительной продувки удаля­ют из печи деревянными гребками.

Восстановительную обработку ванны (дразнение) длитель­ностью 2,5—Зч проводят для раскисления меди (удаления кислорода, содержащегося после окислительной продувки в количестве до 0,9% в виде Cu₂0) и удаления растворенных газов. Ранее дразнение проводили погружением в расплав сырой древесины (жердей, бревен), в настоящее время — путем вдувания паромазутной смеси или природного газа. Вдуваемые вещества разлагаются с образованием Н₂, СО и СН₄, которые, выделяясь, вызывают перемешивание ванны и удаление растворенных газов (S0₂, СО, и др.), а также раскисляют ванну, восстанавливая Cu₂0 (например по реак­ции Cu₂0 + Н₂ = 2Cu + Н₂0). После дразнения медь, содер­жащую < 0,01 % S и < 0,2 % [О], разливают в аноды — слит­ки толщиной 35—40, длиной 800—900 и шириной 800-900 мм, предназначенные для электролитического рафинирования. Анодная Медь содержит 99,4-99,6% меди.

Электролитическое рафинирование

При электролитическом рафинировании решаются две задачи — глубокое рафинирование меди от примесей, что обеспечивает ее высокую электропроводность, и попутно извлечение цен­ных золота, серебра и селена.

Электролиз ведут в ваннах ящичного типа длиной 3-5,5, шириной 1 и глубиной 1,2-1,3 м, футерованных внутри кис­лотостойкими материалами (винипласт, стеклопластик и др.). В ванне подвешивают аноды и между ними катоды — пластины из чистой меди.

Электролитом служит раствор CuSO„ и H₂SQ,, напряжение между анодами и катодами 0,3—0,4В. Происходит электролити­ческое растворение анодов, т.е. в раствор переходят ионы Си²*, а на катодах эти ионы разряжаются, осаждаясь на них слоем чистой меди. Электролит периодически обновляют. Часть примесей остается в электролите, а такие как Au, Ag, Se, Те, Pb, Sn, Pt выпадают в осадок — шлам, который выгру­жают из ванны и перерабатывают, извлекая ценные металлы.

Растворение анода длится 20—ЗОсут, катоды выгружают через 6—12 сут. Удельный расход электроэнергии равен 230-350 кВт • ч на 1т меди.

Часть катодов направляют потребителям, а основное количество переплавляют для получения слитков и литых заготовок. Катоды расплавляют в отражательных и шахтных 718

печах с отоплением природным газом, в электродуговых и индукционных печах. Жидкую медь разливают на карусельных разливочных машинах в вайербасы (заготовки для прокатки проволоки) или в слитки различной формы. Разливку произ­водят также на установках непрерывной и полунепрерывной разливки, получая литые заготовки требуемого сечения. Применяют литейно-прокатные агрегаты (например, схожие с показанным на рис. 179), где отливаемую на УНРС заготовку обжимают в прокатных валках агрегата до получения прутка (катанки) или полосы.

Поиск по сайту: