Медь и ее сплавы. Способы получения меди

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 отличии от пирометаллургического не позволяет извлечь попутно с медью драгоценные металлы.

Второй способ пригоден для переработки всех руд и особенно эффективен в том случае, когда руды подвергаются обогащению.

Основу этого процесса составляет плавка, при которой расплавленная масса разделяется на два жидких слоя: штейн-сплав сульфидов и шлак-сплав окислов. В плавку поступают либо медная руда, либо обожженные концентраты медных руд. Обжиг концентратов осуществляется с целью снижения содержания серы до оптимальных значений.

Жидкий штейн продувают в конвертерах воздухом для окисления сернистого железа, перевода железа в шлак и выделения черновой меди.

Подготовка руд к плавке.

Большинство медных руд обогащают способом флотации. В результате получают медный концентрат, содержащий 8-35% Cu, 40-50% S, 30-35% Fe и пустую породу, главным образом составляющими которой являются SiO2, Al2O3 и CaO.

Концентраты обычно обжигают в окислительной среде с тем, чтобы удалить около 50% серы и получить обожженный концентрат с содержанием серы, необходимым для получения при плавке достаточно богатого штейна.

Обжиг обеспечивает хорошее смешение всех компонентов шихты и нагрев ее до 550-600 0С и, в конечном итоге, снижение расхода топлива в отражательной печи в два раза. Однако при переплавке обожженной шихты несколько возрастают потери меди в шлаке и унос пыли. Поэтому обычно богатые медные концентраты (25-35% Cu) плавят без обжига, а бедные (8-25%
Cu) подвергают обжигу.

Температура обжига концентратов применяют многоподовые печи с механическим перегреванием. Такие печи работают непрерывно.

Выплавка медного штейна

Медный штейн, состоящий в основном из сульфидов меди и железа
(Cu2S+FeS=80-90%) и других сульфидов, а также окислов железа, кремния, алюминия и кальция, выплавляют в печах различного типа.

Комплексные руды, содержащие золото, серебро, селен и теллур, целесообразно обогащать так, чтобы в концентрат была переведена не только медь, но и эти металлы. Концентрат переплавляют в штейн в отражательных или электрических печах.

Сернистые, чисто медные руды целесообразно перерабатывать в шахтных печах.

При высоком содержании серы в рудах целесообразно применять так называемый процесс медно-серной плавки в шахтной печи с улавливанием газов и извлечением из них элементарной серы.

В печь загружают медную руду, известняк, кокс и оборотные продукты.
Загрузку ведут отдельными порциями сырых материалов и кокса.

В верхних горизонтах шахты создается восстановительная среда, а в нижней части печи - окислительная. Нижние слои шихты плавятся, и она постепенно опускается вниз навстречу потоку горячих газов. Температура у фурм достигается 1500 0С на верху печи она равна примерно 450 0С.

Столь высокая температура отходящих газов необходима для того, чтобы обеспечить возможность из очистки от пыли до начала конденсации паров серы.

В нижней части печи, главным образом у фурм, протекают следующие основные процессы: а) Сжигание углерода кокса
C + O2 = CO2

б) Сжигание серы сернистого железа

2FeS + 3O2 = 2 FeO + 2SO2 в) Образование силиката железа
2 FeO + SiO2 = (FeO)2 (SiO2

Газы, содержащие CO2, SO2, избыток кислорода и азот, проходят вверх через столб шихты. На этом пути газов происходит теплообмен между шихтой и ними, а также взаимодействие CO2 с углеродом шихты. При высоких температурах CO2 и SO2 восстанавливаются углеродом кокса и при этом образуется окись углерода, сероуглерод и сероокись углерода:
CO2 + C = 2CO
2SO2 + 5C = 4CO + CS2
SO2 + 2C = COS + CO

В верхних горизонтах печи пирит разлагается по реакции:
FeS2 = Fe + S2

При температуре около 1000 0С плавятся наиболее легкоплавкие эвтектики из FeS и Cu2S, в результате чего образуется пористая масса.

В порах этой массы расплавленный поток сульфидов встречается с восходящим потоком горячих газов и при этом протекают химические реакции, важнейшие из которых указаны ниже: а) образование сульфида меди из закиси меди
2Cu2O + 2FeS + SiO2 = (FeO)2 (SiO2 + 2Cu2S; б) образование силикатов из окислов железа
3Fe2O3 + FeS + 3,5SiO2 = 3,5(2FeO (SiO2) + SO2;
3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO (SiO2) + SO2; в) разложение CaCO3 и образование силиката извести
CaCO3 + SiO2 = CaO (SiO2 + CO2; г) восстановление сернистого газа до элементарной серы
SO2 + C = CO2 + Ѕ S2

В результате плавки получаются штейн, содержащий 8-15% Cu, шлак состоящий в основном из силикатов железа и извести, колошниковый газ, содержащий S2, COS, H2S, и CO2. Из газа сначала осажают пыль, затем из него извлекают серу (до 80% S)

Чтобы повысить содержание меди в штейне, его подвергают сократительной плавке. Плавку осуществляют в таких же шахтных печах. Штейн загружают кусками размером 30-100 мм вместе с кварцевым флюсом, известняком и коксом. Расход кокса составляет 7-8% от массы шихты. В результате получают обогащенный медью штейн (25-40% Cu) и шлак (0,4-0,8%
Cu).

Температура плавления переплавки концентратов, как уже упоминалось, применяют отражательные и электрические печи. Иногда обжиговые печи располагают непосредственно над площадкой отражательных печей с тем, чтобы не охлаждать обожженные концентраты и использовать их тепло.

По мере нагревания шихты в печи протекают следующие реакции восстановления окиси меди и высших оксидов железа:
6CuO + FeS = 3Cu2O + SO2 + FeO;
FeS + 3Fe3O4 + 5SiO2 = 5(2FeO (SiO2) + SO2

В результате реакции образующейся закиси меди Cu2O с FeS получается
Cu2S:
Cu2O + FeS = Cu2S + FeO

Сульфиды меди и железа, сплавляясь между собой, образуют первичный штейн, а расплавленные силикаты железа, стекая по поверхности откосов, растворяют другие оксиды и образуют шлак.

Благородные металлы (золото и серебро) плохо растворяются в шлаке и практически почти полностью переходят в штейн.

Штейн отражательной плавки на 80-90% (по массе) состоит из сульфидов меди и железа. Штейн содержит, %: 15-55 меди; 15-50 железа; 20-30 серы; 0,5-
1,5 SiO2; 0,5-3,0 Al2O3; 0.5-2.0 (CaO + MgO); около 2% Zn и небольшое количество золота и серебра. Шлак состоит в основном из SiO2, FeO, CaO,
Al2O3 и содержит 0,1-0,5 % меди. Извлечение меди и благородных металлов в штейн достигает 96-99 %.

Конвертирование медного штейна

В 1866 г. русский инженер Г. С. Семенников предложил применить конвертер типа бессемеровского для продувки штейна. Продувка штейна снизу воздухом обеспечила получение лишь полусернистой меди (около 79% меди) - так называемого белого штейна. Дальнейшая продувка приводила к затвердеванию меди. В 1880 г. русский инженер предложил конвертер для продувки штейна с боковым дутьем, что и позволило получить черновую медь в конвертерах.

Конвертер делают длиной 6-10, с наружным диаметром 3-4 м.
Производительность за одну операцию составляет 80-100 т. Футеруют конвертер магнезитовым кирпичом. Заливку расплавленного штейна и слив продуктов осуществляют через горловину конвертера, расположенной в средней части его корпуса. Через ту же горловину удаляют газы. Фурмы для вдувания воздуха расположены по образующей поверхности конвертера. Число фурм обычно составляет 46-52, а диаметр фурмы - 50мм. Расход воздуха достигает 800 м2/мин. В конвертер заливают штейн и подают кварцевый флюс, содержащий 70-
80% SiO2, и обычно некоторое количество золота. Его подают во время плавки, пользуясь пневматической загрузкой через круглое отверстие в торцевой стенке конвертеров, или же загружают через горловину конвертера.

Процесс можно разделить на два периода. Первый период (окисление сульфида железа с получением белого штейна) длится около 6-024 часов в зависимости от содержания меди в штейне. Загрузку кварцевого флюса начинают с начала продувки. По мере накопления шлака его частично удаляют и заливают в конвертер новую порцию исходного штейна, поддерживая определенный уровень штейна в конвертере.

В первом периоде протекают следующие реакции окисления сульфидов:
2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 + 930360 Дж
2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2 + 765600 Дж

Пока существует FeS, закись меди не устойчива и превращается в сульфид:
Cu2O + FeS = Cu2S + FeO

Закись железа шлакуется добавляемым в конвертер кварцевым флюсом:
2FeO + SiO2 = (FeO) (SiO2

При недостатке SiO2 закись железа окисляется до магнетита:
6FeO + O2 = 2Fe3O4, который переходит в шлак.

Температура заливаемого штейна в результате протекания этих экзотермических реакций повышается с 1100-1200 до 1250-1350 0С. Более высокая температура нежелательна, и поэтому при продувке бедных штейнов, содержащих много FeS, добавляют охладители - твердый штейн, сплески меди.

Из предыдущего следует, что в конвертере остается главным образом так называемый белый штейн, состоящий из сульфидов меди, а шлак сливается в процессе плавки. Он состоит в основном из различных оксидов железа
(магнетита, закиси железа) и кремнезема, а также небольших количеств глинозема, окиси кальция и окиси магния. При этом, как следует из вышесказанного, содержание магнетита в шлаке определяется содержанием магнетита в шлаке определяется содержанием кремнезема. В шлаке остается 1,8-
3,0% меди. Для ее извлечения шлак в жидком виде направляют в отражательную печь или в горн шахтной печи.

Во втором периоде, называемом реакционным, продолжительность которого составляет 2-3 часа, из белого штейна образуется черновая медь. В этот период окисляется сульфид меди и по обменной реакции выделяется медь:
2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2
Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + O2

Таким образом, в результате продувки получают черновую 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, содержащий 22-30% SiO2, 47-70% FeO, около 3% Al2O3 и 1.5-2.5% меди.

История получения меди:

Интересна история получения меди. Уже 5-6 тысяч лет до н.э. медная руда добывалась египетскими рабами в Нубии, на Синайском полуострове. Древнейшая медеплавильная печь найдена на Синайском полуострове. По составу шлака установили, что в этой печи выплавлялась медь. Для улучшения литейных свойств меди греки добавляли в руду оловянный камень (двуокись олова) и получали оловянную бронзу.Искусство получения меди и ее сплавов затем перешло к римлянам. Оловянную руду римляне доставали из Англии, которая в то время называлась Касситеридскими островами. Интересно отметить, что минерал - двуокись олова и по настоящее время называется касситеритом.

О методах получения меди в России дает представление небольшой, но обстоятельный труд М.В.Ломоносова “Основание металлургии” (1763 год), который сыграл исключительную роль в развитии металлургического производства. В этой же книги дано описание “сульфатизирующего обжига”. Он заключался в медленном окислении медной сульфидной руды до сульфата меди кислородом воздуха: CuS+2O 2 >CuSO 4 с последующим выщелачиванием соли водой с целью получения медного купороса.

· Получение меди методом электролиза .

Электролиз широко применяют для очистки (рафинирования) меди. Для очистки меди из черновой меди отливают аноды - толстые пластины. Их подвешивают в ванну, содержащую раствор медного купороса. В качестве катодов используют тонкие листы чистой меди, на которые во время электролиза осаждается чистая медь. На аноде происходит растворение меди. Ионы меди передвигаются к катоду, принимают от катода электроны и переходят в атомы: Cu +2 +2e?>Cu. Чистая медь оседает на катоде.

Примеси, входящие в состав черновой меди ведут себя по-разному. Более электроотрицательные элементы - цинк, железо, кадмий и другие растворяются на аноде. Но на катоде эти металлы не выделяются, так как электрохимическом ряду напряжений они находятся левее меди и имеют более отрицательные потенциалы.

• · Металлотермический метод получения .
• 3CuO+2Al>Al 2 O 3 +3Cu
• 3Cu+2Fe>Fe 2 O 3 +3Cu+Q
• · Пирометаллургический способ получения меди .

Поскольку содержание меди не превышает 1.5-2%, их подвергают обогащению, т.е. отделяют соединения меди от пустой породы, применяя флотационный метод. Для этого руду размалывают до тончайшего порошка и смешивают его с водой, добавив в неё предварительно флоторагенты - сложные органические вещества. Они покрывают мельчайшие крупинки соединений меди и сообщают им несмачиваемость. В воду добавляют ещё вещества, создающие пену. Затем через взвесь пропускают сильный поток воздуха. Поскольку частички (крупинки соединений меди) водой не смачиваются, они прилипают к пузырькам воздуха и всплывают наверх. Всё это происходит во флотационных аппаратах. Пену, которая содержит крупинки соединений меди, собирают, отфильтровывают, отжимают от воды и высушивают. Так получают концентрат, из которого выделяется медь. В зависимости от состава руды существует несколько методов её переработки.

Сульфидную руду сначала обжигают при свободном токе воздуха для удаления части серы: 2CuS+3O 2 . Этот обжиг проводят в механических печах, похожих на устройства для обжига серного колчедана. В последнее время начали применять обжиг в кипящем слое. Продукты обжига затем переплавляют совместно с флюсами в отражательной печи. При этом протекает множество химических процессов, например

2CuO+4CuS>3Cu 2 S+SO 2 .

Пустая порода, часть сульфидов и окислов железа переходит в шлак, а на дне печи скапливается штейн - расплав сульфида меди Cu 2 S и сульфида железа FeS. Штейн сливают из печи и перерабатывают в конвекторе, который по устройству похож на конвектор для переработки стали. Частичное удаление серы происходит за счет продувки воздуха через расплавленный штейн:

2Cu 2 S+3O 2 >2Cu 2 O+2SO 2 .

Сульфид меди и закись меди дают металлическую черновую медь:

Cu 2 S+2Cu 2 O>SO 2 +6Cu

Она содержит около 95-98% меди. При последующей переплавке на поду отражательной печи содержание меди может быть повышено до 99,7%. Дальнейшая очистка меди проводится электролизом.

Более просто перерабатывают окисные руды меди, состоящие из закиси меди, окиси меди и карбонатов меди (Cu 2 O, CuO, CuCO 3 Cu(OH) 2). Эти руды обогащения прокаливают с коксом при высокой температуре:

2CuO+C>CO 2 +2Cu.

Добыча и получение солей меди из природных месторождений.

Около 15% всех руд меди перерабатывается гидрометаллургическим методом - на измельченную руду действуют растворителем, который переводит медь в раствор. На руды, содержащие оксид меди, действуют разбавленной серной кислотой:

CuO+H 2 SO 4 >CuSO 4 +H 2 O

По сравнению со многими другими оксидами, встречающимися в руде, оксид меди растворяется сравнительно хорошо. Выделение металлической меди из раствора проводят электролизом.

Если медь находится в руде в виде сульфида, то ее в раствор можно перевести, обрабатывая ее руду раствором сульфата железа:

CuSO 4 +2Fe 2 SO 4 >4FeSO 4 +2CuSO+S

· Гидрометаллургическом способе получения

Этот способ используют бедные медные руды, которые подвергают выщелачиванию. Для выщелачивания руду желательно мелко раздробить. Процесс ведется в кучах, а также в деревянных и бетонных чанах. Выщелачивания ведется при помощи растворителей H 2 S0 4 , Fe (SO 4) 3 , NH4OH и др.

Легче всего растворяются окисленные медные руды :

CuO + H 2 SO 4 >CuSO 4 + H 2 O

СuСО 3 * Сu(ОН) 2 + 2 Н 2 SO 4 >2СuSO 4 + 3 Н 2 О +СO 2 .

Сернистые соединения меди выщелачиваются сернокислым железом:

Cu 2 S + 2 Fe 2 (SО 4) 3 >2 СuSO 4 + 4 FeSO 4 + S.

При выщелачивании медных руд достигается почти полное извлечение меди, что дает возможность перерабатывать даже к бедные окисленные руды. Полученные растворы солей меди при выщелачивании подвергают дальнейшей обработке с целью извлечения меди. Из бедных цттиоров медь добывают методом цементации. В раствор опускают обрезки железа (листы, проволоку). Железо замещает медь в сернокислых солях и медь выделяется в виде металлического мелкого порошка:

CuSО 4 + Fe>FeSО 4 + Cu.

Цементационная медь содержит до 70% Сu. Растворы, содержащие большое количество сернокислых солей меди, подвергают электролизу с нерастворимыми постоянными анодами. Катодприменяют обычно из чистой электролитной меди. Электролит содержит 40--60 г/л меди, 10--20 г/л H 2 SО 4 .

Для получения меди применяют медные руды (содержание меди – 1…6 %), а также отходы меди и ее сплавов.

Медь в природе находится в виде сернистых соединений (CuS , Cu 2 S ), оксидов (CuO , Cu 2 O ), гидрокарбонатов (Cu (OH ) 2 ), углекислых соединений (CuCO 3 ) в составе сульфидных руд и самородной металлической меди.

Наиболее распространенные руды – медный колчедан и медный блеск, содержащие 1…2 % меди.

90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10% — гидрометаллургическим.

Гидрометаллургический способ – получение меди путём её выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора. Метод используют при переработке бедных руд, он не позволяет извлекать попутно с медью драгоценные металлы.

Получение меди пирометаллургическимспособом состоит из обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования.

Обогащение медных руд производится методом флотации и окислительного обжига.

Метод флотации основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы. Сущность флотации состоит в избирательном прилипании некоторых минеральных частиц, взвешенных в водной среде, к поверхности пузырьков воздуха, с помощью которых эти минеральные частицы поднимаются на поверхность. Метод позволяет получать медный порошкообразный концентрат, содержащий 10…35 % меди.

Медные руды и концентраты, содержащие большие количества серы, подвергаются окислительному обжигу . В процессе нагрева концентрата или руды до 700…800 0 C в присутствии кислорода воздуха сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое против исходного. Обжигают только бедные (с содержанием меди 8…25 %) концентраты, а богатые (25…35 % меди) плавят без обжига.

После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн , представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа (Cu 2 S , FeS ). Штейн содержит 20…50 % меди, 20…40 % железа, 22…25 % серы, около 8 % кислорода и примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. В зависимости от химического состава руды и ее физического состояния штейн получают либо в шахтных печах, если сырьем служит кусковая медная руда, содержащая много серы, либо в отражательных печах, если исходным продуктом является порошкообразный флотационный концентрат. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки — 1450 0 C.

Полученный медный штейн, в целях окисления сульфидов и железа подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак, а серу – в SO 2 . Тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций без подачи топлива. Температура в конвертере составляет 1200…1300 ºC. Таким образом, в конвертере получают черновую медь , содержащую 98,4…99,4 % меди, 0,01…0,04 % железа, 0,02…0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.

Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей, проводят огневое , а затем электролитическое рафинирование .

Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, имеющих большее сродство к кислороду, чем медь, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99…99,5 %. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (99,95 % Cu ).

Электролиз осуществляют в ваннах, где анод изготавливают из меди огневого рафинирования, а катод – из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор CuSO 4 (10…16 %) и H 2 SO 4 (10…16 %).

При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди, осаждаясь на них слоем чистой меди.

Примеси осаждаются на дно ванны в виде шлама, который идёт на переработку в целях извлечения металлов: серебра, сурьмы, селена, теллура, золота и др...

Катоды выгружают через 5…12 дней, когда их масса достигнет 60…90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах.

Медь по чистоте подразделяется на марки: М0 (99,95 % Cu ), М1 (99,9 %), М2 (99,7 %), М3 (99,5 %), М4 (99 %).

В металлургии известны два основных способа получения меди: пирометаллургический (плавка) и гидрометаллургический (выщелачивание). Сульфидные руды обогащают методом флотации и полученный концентрат подвергают пирометаллургической переработке, а окисленные руды перерабатывают гидрометаллургическим способом (кучное и подземное выщелачивание).

выплавка штейна (химическое обогащение).

Наиболее целесообразным способом освободится от основного количества пустой породы оказалась плавка медных концентратов с получением 2-х расплавов – штейна , содержащего сульфиды меди и железа (Cu 2 S, FeS) и шлака, состоящего из оксидов SiO 2 , Al 2 O 3 , CaO. Благодаря существенному различию по плотности (у штейна 4,8-5,3, а у шлака – около 2,8-3,2 г/см 3), происходит практически полное разделение штейна и шлака. Возможность концентрации меди в штейне обусловливается следующими обстоятельствами:

1. Медь из всех тяжелых металлов, за исключением марганца, обладает наибольшим сродством к сере. В следствие этого, она в первую очередь связывает серу, независимо от того, в каких соединениях медь находится в руде, при этом образуется химическое соединение Cu 2 S, устойчивое при высоких температурах.

2. Железо, обладая большим сродством к кислороду, чем медь, легко окисляется и шлакуется кремнекислотой.

3. Оставшаяся после связывания всей меди сера соединяется с железом, с которым образует FeS – соединение, устойчивое при высоких температурах.

4. Cu 2 S и FeS легко растворяются одно в другом в любых пропорциях, образуя штейн.

5. Штейн почти не растворяется в силикатных шлаках, что дает возможность разделить отстаиванием расплавленный штейн и шлак.

Для получения хороших результатов плавки “на штейн” требуется определенное содержание в рудном материале серы, соответствующее примерно стехиометрическому соотношению в молекулах Cu 2 S и FeS. Медные концентраты, в которых концентрация серы превышает оптимальную, перед плавкой подвергаются окислительному обжигу для удаления избытка серы.

Обжиг - этопирометаллургический процесс, проводимый в интервале температур 600-1200 о С с целью изменения химического и фазового состава перерабатываемого сырья. В металлургии меди наибольшее распространение получили окислительный и сульфатизирующий виды обжига.

Цель окислительного обжига – частичное удаление из обжигаемых материалов серы и перевод сульфидов железа в легкошлакуемые при последующей плавке оксиды. Предварительный обжиг высокосернистых руд и концентратов позволяет получать при последующей плавке относительно более богатый по содержанию меди штейн.

Сульфатизирующий обжиг применяют в гидрометаллургии меди для перевода извлекаемых металлов в водорастворимые сульфаты, а железа – в нерастворимые в воде оксиды. В общем виде окисление сульфидов при обжиге может быть выражено следующими основными реакциями:

2MeS+3O 2 ->2MeO+2SO 2

MeS+2O 2 ->MeSO 4

MeS+O 2 ->Me+SO 2

Обжиг медных руд и концентратов осуществляется в кипящем слое. Преимущество обжига в кипящем слое заключается в простоте конструкции печей, высокой производительности, возможности эффективного использования отходящих газов для производства серной кислоты, возможности полной автоматизации и механизации процесса.

Принцип обжига в кипящем слое состоит в следующем: если через слой сыпучего материала продувать снизу какой-либо газ, этот слой при определенных параметрах дутья будет разрыхляться до такого состояния, что приобретает основные свойства жидкости – подвижность, способность перемешиваться, принимать форму сосуда в который она помещена.

Для получения меди применяют медные руды, а также отходы меди и её сплавы. В рудах содержится 1 – 6% меди. Руду, содержащую меньше 0,5% меди, не перерабатывают, так как при современном уровне техники извлечение из неё меди нерентабельно.

В рудах медь находится в виде сернистых соединений (CuFeS 2 – халько-пирит, Cu 2 S – халькозин, CuS – ковелин), оксидов (CuO, CuO) и гидрокарбонатов

Пустая порода руд состоит из пирита (FeS 2), кварца (SiO 2), различных соединений содержащих Al 2 O 3 , MgO, CaO, и оксидов железа.

В рудах иногда содержится значительные количества других металлов (цинк, золото, серебро и другие).

Известны два способа получения меди из руд:

• гидрометаллургический;
• пирометаллургический.

Гидрометаллургический не нашел своего широкого применения из-за невозможности извлекать попутно с медью драгоценные металлы.

Пирометаллургический способ пригоден для переработки всех руд и включает следующие операции:

• подготовка руд к плавке;
• плавка на штейн;
• конвертирование штейна;
• рафинирование меди.

Подготовка руд к плавке

Подготовка руд заключается в проведении обогащения и обжига. Обогащение медных руд проводят методом флотации. В результате получают медный концентрат, содержащий до 35% меди и до 50% серы. Концентраты обжигают обычно в печах кипящего слоя с целью снижения содержания серы до оптимальных значений. При обжиге происходит окисление серы при температуре 750 – 800 °С, часть серы удаляется с газами. В результате получают продукт, называемый огарком.

Плавку на штейн

Плавку на штейн ведут в отражательных или электрических печах при температуре 1250 – 1300 °С. В плавку поступают обожженные концентраты медных руд, в ходе нагревания которых протекают реакции восстановления оксида меди и высших оксидов железа

6CuO + FeS = 3Cu 2 O + FeO + SO 2

FeS + 3Fe 3 O 4 + 5SiO 2 = 5(2FeO·SiO 2) + SO 2

В результате взаимодействия Cu 2 O с FeS образуется Cu 2 S по реакции:

Cu 2 O + FeS = Cu 2 S + FeO

Сульфиды меди и железа, сплавляясь между собой, образуют штейн, а расплавленные силикаты железа, растворяя другие оксиды, образуют шлак. Штейн содержит 15 – 55% Cu; 15 – 50% Fe; 20 – 30% S. Шлак состоит в основном из SiO 2 , FeO, CaO, Al 2 O 3 .

Штейн и шлак выпускают по мере их накопления через специальные отверстия.

Конвертирование штейна

Конвертирование штейна осуществляется в медеплавильных конвертерах (рисунок 44) путем продувки его воздухом для окисления сернистого железа, перевода железа в шлак и выделения черновой меди.

Конвертеры имеют длину 6 – 10 м и наружный диаметр 3 – 4 м. Заливку расплавленного штейна, слив продуктов плавки и удаление газов осуществляют через горловину, расположенную в средней части корпуса конвертера. Для продувки штейна подается сжатый воздух через фурмы, расположенные по образующей конвертера. В одной из торцевых стенок конвертера расположено отверстие, через которое проводится пневматическая загрузка кварцевого флюса, необходимого для удаления железа в шлак.
Процесс продувки ведут в два периода. В первый период в конвертер заливают штейн и подают кварцевый флюс. В этом периоде протекают реакции окисления сульфидов

2FeS + 3O 2 = 2Fe + 2SO2,

2Cu 2 S + 3O 2 = 2Cu 2 O + 2SO 2

Образующаяся закись железа взаимодействует с кварцевым флюсом и удаляется в шлак

2FeO + SiO 2 = (FeO) 2 ·SiO 2

По мере накопления шлака его частично сливают и заливают в конвертер новую порцию исходного штейна, поддерживая определенный уровень штейна в конвертере. Во втором периоде закись меди взаимодействует с сульфидом меди, образуя металлическую медь

2Cu 2 O + Cu 2 S = 6Cu + SO 2

Таким образом, в результате продувки получают черновую медь, содержащую 98,4 – 99,4% Cu. Полученную черновую медь разливают в плоские изложницы на ленточной разливочной машине.

Рафинирование меди.

Для получения меди необходимой чистоты черновую медь подвергают огневому и электролитическому рафинированию. При этом, помимо удаления примесей можно извлекать также благородные металлы.

При огневом рафинировании черновую медь загружают в пламенную печь и расплавляют в окислительной атмосфере. В этих условиях из меди удаляются в шлак те примеси, которые обладают большим сродством к кислороду, чем медь.

Для ускорения процесса рафинирования в ванну с расплавленной медью подают сжатый воздух. Большинство примесей в виде оксидов переходят в шлак (Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , SiO 2), а некоторые примеси при рафинировании удаляются с газами. Благородные металлы при огневом рафинировании полностью остаются в меди. Кроме благородных металлов в меди в небольших количествах присутствуют примеси сурьмы, селена, теллура, мышьяка. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99 – 99,5%.
Для удаления этих примесей, а также для извлечения золота и серебра медь подвергают электролитическому рафинированию.

Электролиз ведут в специальных ваннах, футерованных внутри свинцом или другим защитным материалом. Аноды изготовляют из меди огневого рафинирования, а катоды – из тонких листов чистой меди. Электролитом служит раствор сернокислой меди. При пропускании постоянного тока анод растворяется и медь переходит в раствор. На катодах разряжаются ионы меди, осаждаясь на них прочным слоем чистой меди.

Находящиеся в меди примеси благородных металлов выпадают на дно ванны в виде остатка (шлама). После электролитического рафинирования получают медь чистотой 99,95 – 99,99%.