Вершинина Е.П. Металлургия тяжелых цветных металлов. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа 4 конвертирование медных штейнов

 Металлургия тяжелых цветных металлов. Лаб. практикум 51

разовавшегося конвертерного шлака производится постепенное удаление же-

леза и обогащение штейна медью и параллельно с ней – золотом и серебром.

Сера, связанная с окисляющимся железом, удаляется с отходящими газами в

виде сернистого ангидрида и частично в виде серного ангидрида.

Образующийся шлак сливают и заливают новые порции штейна. Так

поступают до тех пор, пока в конвертере не накопится нужное количество

S (примерно 0,8 от емкости аппарата). Температура расплава в конвертере

1200–1280 °С. Повышение температуры приводит к повышенному износу

футеровки, поэтому ее регулируют загрузкой в конвертер холодных материа-

лов (твердый штейн, обороты, вторичное сырье, цементная медь, гранулиро-

ванные концентраты). Чем беднее штейн по меди (больше сульфида железа),

тем больше выделяется тепла и требуется больше холодных материалов.

Часть железа переокисляется до магнетита (Fe

), что приводит к по-

вышенному содержанию в шлаках меди. Обычно это 1,5–3,0 %, и конвертер-

ные шлаки с целью доизвлечения меди возвращают в оборот (в плавку на

штейн) либо подвергают самостоятельной переработке.

Второй период – получение черновой меди включает окисление суль-

фида меди:

S + 1/2O

→ Cu

O + SO

и взаимодействие оксида меди с ее сульфидом:

S + 2Cu

O → 6Cu + SO

Второй период протекает непрерывно, он более напряжен в тепловом

отношении, поэтому его проводят без остановок и без добавок каких-либо

холодных материалов.

Второй период отличается от первого более высокой концентрацией

сернистого ангидрида в отходящих газах, полным отсутствием шлакообразо-

вания и, следовательно, отсутствием необходимости флюсования.

Образовавшаяся во втором периоде медь по насыщении ею полусерни-

стой меди (до 82 %) выделяется в отдельную жидкую металлическую фазу в

нижней части ванны благодаря большой разнице между удельными весами

меди и белого матта: 8,22 (жидкая медь) и 5,7 (твердая полусернистая медь).

При первоначальном малом количестве выделяющейся меди она легко цир-

кулирует вместе с бурлящей массой штейна под действием энергично посту-

пающего в конвертер дутья. По мере же накопления значительной массы тя-

желой меди она скапливается на дне конвертера и вследствие бокового рас-

положения фурм выходит из сферы влияния дутья. Продувка заканчивается

после полного окисления белого матта и перевода всей полусернистой меди в

черновую медь.

Золото и серебро, растворенные в медном штейне и сконцентрировавшие-

ся в белом матте, следуют за металлической медью и переходят в первую же

порцию выделившейся на дно ванны черновой меди. Полный переход золота в

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа 4 конвертирование медных штейнов

 Металлургия тяжелых цветных металлов. Лаб. практикум 52

черновую медь происходит быстро, в течение первых десятков минут продувки

белого матта; выделение серебра и переход его в медь несколько отстает, но все

же значительные его количества переходят в металлическую медь, а почти пол-

ный переход серебра в медь завершается еще до выделения всей меди из белого

матта. Прекращение продувки производится в момент практического окисления

до меди последних остатков белого матта. После прекращения подачи дутья

немедленно начинается разливка черновой меди из конвертера.

Никель в медных штейнах присутствует в незначительных количествах

в форме Ni

. Сульфид никеля окисляется до NiO, в основном переходит в

шлак во втором периоде, а черновой меди никеля остается до 0,5–0,7 %.

Цинк присутствует в штейне в виде ZnS. Поведение цинка при конвер-

тировании штейнов, аналогично поведению железа (ZnS окисляется до ZnO),

с той лишь разницей, что обычно 15–20 % от его содержания в штейне уно-

сится вместе с газами в виде пыли.

Свинец присутствует в штейне в виде PbS. Значительная часть серни-

стого свинца окисляется с образованием окиси свинца после окисления ос-

новной массы FeS и ZnS. При наличии SiO

окись свинца легко шлакуется с

образованием легкоплавких шлаков. Частично свинец летит с газами и осаж-

дается вместе с ZnO.

Сурьма и мышьяк присутствуют в штейне в виде арсенидов и антимо-

нидов. При продувке они частично летят с газами в виде летучих оксидов,

частично переходят в шлак в виде пятиокисей, образуя с окислами других

металлов арсенаты и антимонаты. Остаточное содержание этих элементов в

черновой меди обычно не превышает 0,1 %.

Селен и теллур, связанные главным образом с благородными металла-

ми, выгорают не полностью и частично переходят в черновую медь, где их

содержание исчисляется тысячными долями процента.

Золото и серебро при плавке всегда концентрируются в штейне, где со-

держание их определяется количеством в исходном сырье.

В итоге благородные металлы почти полностью оказываются в черно-

вой меди и лишь небольшая часть их теряется с конвертерными шлаками.

Продуктами конвертирования медных штейнов являются конвертер-

ный шлак, черновая медь, газы и пыль.

Состав конвертерного шлака зависит от стадии процесса, температуры

в конвертере, содержания меди в штейне, качества флюса и способа введения

его в конвертер, способа работы на конвертерах. Состав промышленных

шлаков приведен в табл. 4.3

, а теоретическое количество шлака, которое

можно получить на каждую тонну штейна в зависимости от содержания в

нем меди – в табл. 4.4

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа 4 конвертирование медных штейнов

 Металлургия тяжелых цветных металлов. Лаб. практикум 53

Таблица 4.3

Состав конвертерных шлаков, %

SiO

CaO

Шлак первого слива

50,9

0,9

1,6

2,6

Промежуточный шлак

0,9

1,8

0,7

Шлак последнего слива

42,5

2,0

0,21

Практические пределы содержания SiO

в шлаках – 18–27 %, железа – 45–55 %.

Таблица 4.4

Теоретическое количество шлака на 1 т штейна

Содержание меди в штейне,

20 25 30 35 40 45 50 55 60 70 75

Кол-во шлака на 1т штейна,

кг

954 876 796 716 636 558 478 398 240 160 80

Содержание меди в конвертерных шлаках 1,5÷5 %. Медь в шлаке при-

сутствует в основном в форме сульфидов (борнита и халькопирита) и в не-

значительных количествах в форме закиси меди и металлической меди.

Для конвертерных газов как первого, так и второго периодов конверти-

рования характерно низкое содержание кислорода (менее 0,5 %) и высокое

содержание суммы SO

и SO

(13–15 % в первом и 18–20 % во втором). Из-за

больших подсосов воздуха (особенно в напыльнике) конвертерные газы

сильно разубоживаются. Трудности извлечения серы из конвертерных газов

связаны с периодичностью процесса конвертирования. Однако при надлежа-

щей герметизации напыльника и всей газоходной системы, а также организа-

ции работы конвертеров по специальному графику можно стабильно под-

держивать содержание SO

и SO

в газах на уровне 4–5 % и использовать их

для производства серной кислоты.

Грубая конвертерная пыль образуется за счет разбрызгивания расплава

при продувке его воздухом. Газами уносятся также мелкие частицы кварце-

вого флюса и холодных материалов. Образование тонких фракций пыли, на-

ряду с механическим уносом мелких частиц расплава и твердых материалов,

в значительной степени обусловлено летучестью присутствующих в штейнах

элементов и их соединений (ZnO, PbO, PbS, Al

и др.)

Количество конвертерной пыли зависит от содержания меди в штейне.

Чем беднее штейн, тем больше общая продолжительность процесса конвер-

тирования и тем больше выход пыли. Содержание меди в конвертерной пыли

в среднем составляет 20–25 %.

В полиметаллических штейнах присутствует до 9–10 % цинка в форме

ZnS. Поведение сульфида цинка при конвертировании штейнов аналогично по-

ведению FeS с той разницей, что некоторое количество цинка (около 15–20 %

от количества цинка, присутствующего в штейне) возгоняется; большая часть

цинка, как и железа, при конвертировании переходит в шлак. Сульфид цинка

может окисляться при приблизительно одинаковой концентрации с сульфи-

дом железа в расплаве. В процессе конвертирования штейна заметное окис-

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа 4 конвертирование медных штейнов

 Металлургия тяжелых цветных металлов. Лаб. практикум 54

ление ZnS наблюдается вскоре после начала продувки штейна. Возгонка

цинка в процессе конвертирования объясняется отчасти некоторой летуче-

стью ZnS при температуре процесса и протеканием побочных реакций, кото-

рые сопровождаются появлением легкоиспаряющегося металлического цин-

ка.

Реакция

ZnS + 2ZnO = 3Zn + SO

при температуре конвертирования не может играть значительной роли в воз-

гонке цинка.

По данным А. И. Окунева, удаление цинка в газы при конвертировании

медных штейнов по этой реакции при 1150 °С составляет 3 % от исходного

количества цинка в штейне.

Близкие значения равновесного давления пара цинка могут получаться

при взаимодействии ZnO с другими сульфидами штейна, идущем по реакциям

3ZnO + FeS = 3Zn + FeO + SO

2ZnO + Cu

S = 2Zn + 2Cu + SO

В конце первого и начале второго периодов процесса имеет место

взаимодействие металлической меди с ZnS:

2Сu + ZnS = Cu

S + Zn

Интенсивное протекание этой реакции выше 1000 °С было подтвер-

ждено экспериментально.

Процесс конвертирования сульфидных расплавов проводят в горизон-

тальных конвертерах. Схема горизонтального конвертера приведена на

рис. 4.1

Горизонтальный конвертер представляет собой цилиндрическую ем-

кость, опирающуюся с помощью опорных бандажей на ролики. Для заливки

штейна, загрузки флюсов и холодных материалов, слива расплава и удаления

газов в верхней части цилиндрической поверхности корпуса имеется горло-

вина. Поворот конвертера вокруг горизонтальной оси осуществляется от

электродвигателя через редуктор и зубчатую пару, в которую входит зубча-

тый венец, охватывающий корпус, и ведущая шестерня. Помимо рабочего

привода предусмотрен аварийный привод – аварийного поворота, с двигате-

лем, питающимся от аккумуляторной батареи. Аварийный привод включает-

ся при падении давления дутья и служит для предотвращения заливки фурм

для подачи дутья, расплавом.

Воздух поступает в расплав через фурмы, из воздуходувной машины

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа 4 конвертирование медных штейнов

 Металлургия тяжелых цветных металлов. Лаб. практикум 55

по трубопроводу. В зависимости от размера конвертера определяется число

фурм и их диаметр. Для уменьшения гидравлического сопротивления при

подводе дутья к фурмам коллектор конструктивно объединен с фурмами.

Бочка конвертера изготовлена из листовой стали и изнутри футерована

огнеупорным кирпичом. Толщина футеровки 230–380 мм, а в области фур-

менного пояса – 450–800 мм. Подача холодного воздуха в расплав приводит

к зарастанию фурм, в связи с чем их необходимо прочищать, вручную ломи-

ком или пневмофурмовщиками, что более экономически выгодно, их исполь-

зование позволяет снизить трудозатраты при проведении процесса.

Рис. 4.1. Схема горизонтального конвертера:

1 – электродвигатель; 2 – редуктор; 3 – зубчатый венец; 4 – опорные бандажи;

5 – горловина; 6 – сальниковое устройство

Горловина конвертера, работающего под дутьем, закрыта сверху на-

пыльником для отвода отходящих газов. Напыльник имеет испарительное

охлаждение. Газы конвертера проходят грубую и тонкую очистку от пыли,

соответственно, в циклонах и электрофильтрах, затем направляются в серно-

кислотное производство.

В аппаратурном оформлении и в организации производства процесс

конвертирования никелевых штейнов практически не отличается от конвер-

тирования медных штейнов.

Аппаратура, приборы, посуда, необходимые для выполне-

ния работы: лабораторная установка; весы технические; алундовый ти-

гель; платино-родиевая термопара с милливольтметром; воздуходувка; моло-

ток; железные щипцы; штейн; кварцевый песок.

Конвертирование медных штейнов в заводских условиях протекает пол-

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа 4 конвертирование медных штейнов

 Металлургия тяжелых цветных металлов. Лаб. практикум 56

ностью за счет тепла экзотермических реакций окисления. В лабораторных

условиях вследствие небольшого объема штейна осуществить этот процесс

без дополнительного обогрева не представляется возможным. Поэтому в ла-

боратории опыт по конвертированию проводят в электрической печи, которая

служит как для расплавления штейна, так и для поддержания его в жидком со-

стоянии. Навеску штейна помещают в печь в небольшом фарфоровом тигле.

Воздух подводят к поверхности штейна от воздуходувки по резиново-

му шлангу, на конце которого закрепляют фарфоровую трубочку с внутрен-

ним диаметром 2–5 мм и длиной не менее 50 см.

Замер температуры осуществляется платино-родиевой термопарой с

милливольтметром. Схема установки представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Схема установки для конвертирования медных штейнов:

1 – электрическая печь; 2 – алундовый тигель; 3 – термопара; 4 – алундовая трубка;

5 – милливольтметр; 6 – воздуходувка

Работы по конвертированию необходимо проводить обязательно в ру-

кавица, и в защитных очках.

1. Взять 25 г богатого по содержанию меди штейна и загрузить его в

алундовый тигель. Состав штейна записать в тетрадь.

2. Тигель поставить в предварительно разогретую до 1150–1200 °С печь.

3. После расплавления штейна на его поверхность засыпать расчетное

количество кварцевого флюса.

4. Включить воздуходувку. Через резиновую и алундовую трубки по-

дайте на поверхность штейна воздух. Конец алундовой трубки, из которой

выходит воздух, должен находиться над поверхностью штейна на расстоянии

10-15 мм. Необходимо так подавать воздух на поверхность штейна, чтобы

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа 4 конвертирование медных штейнов

 Металлургия тяжелых цветных металлов. Лаб. практикум 57

его струя отдувала в сторону шлак, обнажая свободную поверхность штейна.

5. Конец конвертирования определяется по характерному изменению

цвета поверхности расплава (появление голубого цвета поверхности рас-

плавленной меди), а также прекращению выделения сернистого газа.

6. После окончания продувки выключить печь, извлечь тигель из печи

и охладить его.

7. После охлаждения тигля выбить из него молотком черновую медь,

отделить ее от шлака и взвесьте.

8. Результаты взвешивания записать в рабочую тетрадь.

Отчет по лабораторной работе необходимо оформлять в соответствии

с требованиями СТО СФУ. Отчет включает в себя формулировку цели лабора-

торной работы, краткие теоретические сведения, описание методики выполне-

ния обработки полученных результатов, а также выводы по работе – всего 5–6

с.

Отчет должен содержать расчет процесса конвертирования.

Расчетные формулы приведены ниже

Кварцевый флюс содержит 96 % SiО

. В конвертерном шлаке жела-

тельно иметь 52 % FeO и 26 % SiО

. Содержание меди в черновой меди со-

ставляет 98,5 %.

При продувке практически все железо штейна переходит в конвертер-

ный шлак, тогда количество шлака

шл

m =

где N

– cодержание железа в штейне.

Количество SiO

в конвертерном шлаке

шт

SiO

100

m =

Количество кварцевого флюса

SiO

фл

0,96

m =

Извлечение меди в черновую медь рассчитывают по формуле

Cu Cu

шт Cu

⋅

η=

⋅

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа 4 конвертирование медных штейнов

 Металлургия тяжелых цветных металлов. Лаб. практикум 58

где η

Сu

– извлечение меди в черновую медь, %; m

Сu

– масса черновой меди, г;

Сu

– содержание меди в черновой меди; M

шт

– масса штейна, г; N

Сu

– содер-

жание меди в штейне, %.

Теоретически необходимое количество воздуха для конвертирования

рассчитывается следующим образом: при расчете принимается, что вся сера

штейна окисляется до SiO

, а железо до FeO, тогда для окисления серы по-

требуется кислорода, г:

шт S O

100

MNM

⋅⋅

′

здесь m

– атомный вес кислорода; M

– атомный вес серы.

Для образования FeO потребуется кислорода, г:

шт Fe O

100

M NM

⋅⋅

′′

где M

– атомный вес железа.

Всего потребуется кислорода:

2 22

OOO

mmm

′ ′′

= +

В пересчете на воздух, г,

возд O

:0,23mm=

или в литрах

возд

V =

возд

= 1,293 г/см

Отчет по лабораторной работе необходимо защитить на следующем за-

нятии в соответствии с графиком лабораторных работ.

1. Охарактеризуйте физико-химические основы процесса конвертиро-

вания:

а) основные химические реакции первого и второго периодов;

б) термодинамика реакций конвертирования медных штейнов.

2. Какой состав имеют продукты конвертирования?

3. Опишите тепловой и температурный режимы конвертирования мед-

ных штейнов.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

 Металлургия тяжелых цветных металлов. Лаб. практикум 59

Цель. Установить влияние катодной плотности тока на выход меди по

току и рассчитать удельный расход электроэнергии на 1 кг катодной меди.

Задачи. Изучить теоретические положения электролитического рафи-

нирования меди; научиться аппроксимировать металлургические процессы

прописями химических реакций и проводить их физико-химический анализ;

анализировать технико-экономические показатели процессов, принимать

технологически обоснованные решения.

Основная цель этого передела – получение меди, удовлетворяющей по

электропроводности требованиям международного стандарта (1,724 · 10

–6

Ом·см). Такая медь содержит обычно более 99,96 % меди, около 0,02 % ки-

слорода и 0,02 % нормируемых в сумме девяти примесей. Дополнительная зада-

ча – концентрирование селена, теллура, золота и серебра в богатый полупродукт

– шлам.

Следует отметить, что чем выше в исходной меди содержание благо-

родных металлов, тем ниже будет себестоимость электролитной меди. Имен-

но поэтому при конвертировании медных штейнов стремятся использовать в

качестве флюса золотосодержащие кварциты.

Литые аноды и тонкие катодные основы из электролитной меди, титана

или нержавеющей стали попеременно завешивают в электролитную ванну.

Аноды и катоды помещают, располагая электроды в ваннах вертикально, па-

раллельно друг другу. Все аноды соединяются с положительным, а катоды с

отрицательным полюсами источника постоянного тока. В ванны подают

электролит в виде раствора сернокислой меди, содержащего свободную сер-

ную кислоту. Через эту систему пропускают постоянный ток (рис. 5.1).

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа 5 Электролитическое рафинирование меди

 Металлургия тяжелых цветных металлов. Лаб. практикум 60

+ – +

Анод Катод Анод

ЭлЭ

Электролит

Рис. 5.1. Схема электролитического рафинирования меди

При включении ванн в сеть постоянного тока происходит электрохи-

мическое растворение меди на аноде, перенос катионов через электролит и

осаждение ее на катоде. Примеси меди при этом в основном распределяются

между шламом (твердым осадком на дне ванн) и электролитом.

Электролит содержит сульфат меди (160–200 г/дм

), серную кислоту

(135–200 г/дм

), поверхностно-активные добавки (столярный клей и тиомоче-

вину) для улучшения структуры катодных осадков; расход последних 50–60 г/т

меди.

Электролит непрерывно циркулирует по замкнутой схеме со скоростью

15–20 дм

/мин. Перед подачей в ванну электролит подогревают в теплооб-

менниках паром до температуры 55–60 °С. Это способствует снижению его

электрического сопротивления.

На медном аноде возможны следующие электрохимические реакции:

Сu–2е = Cu

Е = +0,34 В;

Cu = Cu

+ e E = +0,51 B;

= Cu

+ e E = +0,17 B.