">
Прикладные науки Технология
Информация о работе

Тема: Металлургия цветных металлов

Описание: Металлы и их классификация. Цветные, тяжелые, легкие. Благородные. Редкие. Классификация металлургических процессов. Виды рафинированных плавок. Сырье для производства меди. Технико-экономические показатели. Задачи электролиза. Величина силы тока или катодная плотность.
Предмет: Прикладные науки.
Дисциплина: Технология.
Тип: Курсовая работа
Дата: 25.08.2012 г.
Язык: Русский
Скачиваний: 65
Поднять уникальность

Похожие работы:

МЕТАЛЛУРГИЯ

ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ.

Литература:

“Теория технологии и оборудования пиротехнических процессов” – Колосова, Сорокин, № 610

“Комплексная переработка медного и никелевого сырья” – Ванников А. В., Уткин Н. И.

“Металлургия цветных металлов” – Уткин Н. И.

“Общая металлургия” – Уткин Н. И., Тарасов.

“Общая металлургия” – Севрюков, Кузьмин, Челещев.

Общие вопросы металлургии.

Геология – разведка

Горное дело – добыча руд

Обогащение

Металлургическое производство – получение из исходного сырья металл в чистом виде.

Металлообработка – изготовление из металла изделия.

Металлы и их классификация.

Общие физические свойства:

непрозрачность;

металлический блеск;

пластичность;

хорошо проводят ток и тепло;

имеют кристаллическую структуру;

имеют серый цвет в широком диапазоне (кроме золота и меди);

С электрохимической точки зрения Me стремятся к отдаче электронов при химическом взаимодействии.

Кристаллы Me имеют общие электроны, которые могут перемещаться без больших энергетических затрат. Пластичность, теплопроводность предопределяют широкое распространение Me в человеческой жизни.

Сравнительная химическая активность может быть оценена по их положению в электрохимическом ряду напряжения Me:

Наиболее химически активные и наиболее электроотрицательные Me находятся левее H.

Большинство металлов хорошо сплавляются друг с другом и образуют сплавы. При сплавлении образуются Me, которые часто обладают уникальными свойствами, которыми чистые Me или не обладают или если и обладают, то бывают очень дорогими.

Промышленная классификация

Все Me подразделяются на 2 больших класса:

Черные (Fe и его сплавы);

Цветные.

Цветные металлы

 Тяжелые

Медь Cu

Никель Ni

Свинец Pb

Цинк Zn

Олово Sn

Кадмий Cd

Кобальт Co

Мышьяк As

Сурьма Sb

Ртуть Hg

Рений Re

Селен Se

Теллур Te

Всего – 19 Легкие

Алюминий Al

Магний Mg

Титан Ti

Кремний Si

Галлий Ga

Щелочно-земель-ные

Отличительные черты:

малый удельный вес, очень высокая химическая активность.

Благородные

Золото Au

Серебро Ag

Платина Pt

Платиноиды

Палладий Pd

Литий Li

Осмий Os

Иридий Ir

Отличительные черты:

низкая химическая активность.

Редкие

Тугоплавкие – высокая температура плавления:

молибден Мо

тантал Та

ниобий Nb

цирконий Zr

Редкоземельные – очень низкая распространенность в природе, рассеянность:

латан La и лантаноиды

Радиоактивные:

уран U

радий Ra

актиний Ac и актиноиды

торий Th

 

Основное сырье для производства Me – первичное (рудное) сырье.

Руда – горная порода содержание в которой ценного Me таково, при современном уровне развития технологии их ценные компоненты экономически выгодно извлекать.

Руды состоят из природных соединений (минералов).

Рентабельный минимум – предельно низкое содержание ценного компонента в руде, при котором ее выгодно извлекать.

Состав руды определяется химическим анализом, а характеризуется химическим составом.

Минералогический (фазовый) состав показывает из каких соединений состоит руда, в каких соединениях содержатся ценные элементы.

Руды бывают:

Сульфидные – ценные компоненты содержатся в форме сульфидов (медные, никелевые, свинцовые, цинковые)

Окисленные – ценные компоненты содержатся в форме окисленных соединений (оксиды, силикаты, карбонаты, алюминиевые, оловянные, окисленные никелевые руды)

Смешанные – ценные компоненты содержатся в сульфида и в форме оксида (медные смешанные руды)

Самородные – ценные компоненты содержатся в свободном металлическом состоянии (золото, серебро, платина, самородная медь).

По форме присутствия сульфидов в пустой породе сульфидные руды бывают: сплошные и вкрапленные.

По количеству ценного компонента в руде руды бывают: монометаллические и полиметаллические.

Самый распространенный металл в природе – кремний Si.

Вторичное сырье – металл, который отслужил свой срок службы. на данный момент, многие металлы получают из вторичного сырья.

Основная проблема переработки вторичного сырья – собрать это сырье, т.к. оно рассеянно и его необходимо сортировать.

Классификация металлургических процессов.

Технологическая схема цеха – изображение металлургических процессов и их связь по потокам.

Металлургические процессы:

Пирометаллургические – процессы, протекающие при высоких температурах с полным или частичным расплавлением вещества.

Гидрометаллургические – процессы, протекающие в водных растворах щелочей, кислот при невысокой температуре (не более 100( С) и давлении до 30-40 атм.

Пирометаллургические процессы.

Пирометаллургические процессы:

Обжиг;

Плавка;

Дистилляция.

Обжиг.

Обжиг – предварительный процесс, цель которого изменить состав сырья, улучшающий показатели дальнейшей его переработки. Протекает при t 500-1200( С. Это твердофазный процесс. С частичным расплавлением протекает только один обжиг – обжиг со спеканием.

Виды обжига:

Кальцинирующий.

Задача – разложить неустойчивые соединения при нагревании.



Окислительный.

Самый распространенный. Проводится для сульфидных концентратов, материалов.

Задача – окислить сульфиды исходного сырья и частично перевести серу в газовую фазу, о сульфиды – в оксиды. Проводят частичным окислением сульфидов.



Сульфанизирующий – окисление проводят до сульфатов. Проводят в том случае, если в дальнейшем сырьё будет перерабатываться гидрометаллургическим методом.



Обжиг со спеканием или агломерирующий – проводят при повышенных температурах (до 1200-1300( С) что бы часть сырья расплавилась. Этот жидкий состав скрепляет не расплавившиеся частицы и образуется спёк. Проводят перед ... плавками.

Восстановительный.

Задача – восстановить высшие оксиды до низших, либо оксиды до металлов.



Не преследует полного восстановления.

Хлорирующий или фторирующий.

Задача – перевести соединения исходного сырья в хлориды и фториды.

Используется перед гидрометаллической плавкой.

Плавка.

Плавка – высокотемпературный процесс с полным расплавлением исходного сырья, задача которого отделить компоненты пустой породы – перевести их в шлак, а ценные - сконцентрировать в металлической или сульфидной фазе.

Плавки бывают:

Рудные – которые перерабатывают рудное сырье.

Рафинировочные – проводят очистку чернового металла от примесей.

Виды рудных плавок:

Восстановительные.

Задача – восстановить оксид до металла (получение никеля, олова)

Окислительные – распространены в переработке сульфидного сырья (конвертирование штейнов).

Электролиз расплавленных солей.

Этот вид плавки производит расплавление исходного материала с использованием постоянного тока с получением металла (магний, алюминий).



На катоде: 

На аноде: 

Характерный пример: электролитическое получение алюминия из криолитных глиноземных расплавов.

Металлотермические.

Суть: если металл находится в сульфидной, оксидной форме не удается получить другими способами (углеводородными материалами – уголь, кокс, H2), т. к. при этом образуются карбиды, но металл производят металлотермическим способом.

Виды рафинированных плавок:

Окислительное рафинирование.

Суть: при окислении чернового металла в первую очередь в оксидную форму переходят металлы с большим сродством к кислороду. Окислы легче металлов, они всплывают и их удаляют механически. Т. о. металлы становятся чище.

Ликвационное рафинирование.

Суть: выделение (ликвация) из основного металла отдельной фазы при охлаждении металла. При этом примесь концентрируется в выделяющейся из металла фазе. Необходимо, чтобы расплав основного металла и выделившаяся фаза, обогащенная примесью, имели разную плотность, чтобы произошло разделение фаз.

Пример: рафинирование металлического свинца от меди.

Хлорирующее, сульфидирующее, фторирующее рафинирование.

Суть: используют различное сродство основного металла и примесей к сере, хлору и фтору.

Пример: очистка свинца от меди.

Многие фториды и хлориды – летучие и удаляются таким образом из металла (улетают), либо образуют отдельную фазу.

Дистилляция.

Дистилляция – процесс перехода компонентов в газовую фазу при нагревании материала выше температуры кипения. Теоретически, с помощью дистилляции можно переработать любое полиметаллическое сырье.

Дистилляция, которая применяется для очистки, называется ректификацией.

Гидрометаллургические процессы.

Выщелачивание – это процесс перехода компонентов исходного сырья в раствор путем воздействия на него растворителей. Часто, в присутствии газового реагента (O2, Cl2)

В результате выщелачивания образуется 2 продукта: раствор и нерастворимый осадок. Осадок отделяют от раствора с помощью фильтрации. Растворитель подбирается таким образом, чтобы максимально полно, ценный компонент перевести в раствор, примеси компонента пустой породы – нерастворимый осадок.

Растворители (щелочи, кислоты) дорогие, поэтому, стараются выбрать такой, чтобы он циркулировал в схеме, меньше расходовался и не был бы сильно токсичен.

Процесс очистки раствора от примесей

Осаждение органическими и неорганическими веществами; цементация – вытеснение из раствора менее активного металла более активным.



Выделение ценного металла из раствора – кристаллизация, выпаривание, цементация, электроэкстракция.

Современные гидрометаллургические процессы бывают:

Сорбционные

Экстракционные.

Их задачи:

Перевод компонентов из одного типа растворов в другой, более благоприятный для извлечения ценного компонента;

Концентрирование растворов содержащих ценные компоненты;

Очистка раствора от примесей.

Сорбционные процессы.

Иониты – это твердые высокомолекулярные органические вещества – обмен раствора с ионами любого типа.

Катиониты – обмен положительными ионами.

Амфониты – обмен отрицательными ионами.

Эта ионообменная смола затем помещается в другую среду, где она наоборот отдает ионы. В этом процессе можно поменять среду, изменить раствор.

Экстракционные процессы.

Впитывание ценных компонентов в одних условиях и отдача ценных компонентов в других условиях. Нет ионообменной смолы, есть органическая жидкость, которая нерастворима. Она селективно впитывает компонент раствора в одних условиях – экстракция, а отдача ценного компонента – реэкстракция.

Металлургия меди.

Общие свойства меди:

Металл красного цвета. 15 млн. т. меди в год производят из первичного и вторичного сырья.

Основные свойства меди:

Высокая тепло- и электропроводность;

Пластичность;

Легко прокатывается в тончайшие листы;

Высокая коррозийная стойкость;

Малоактивный химический элемент;

Области применения меди – электротехническая промышленность, кабель, детали, электрические машины. А также, применяется при производстве теплообменного оборудования, изготовления кровлей домов, сантехнические проводки. Соли меди используются в качестве красок, ядохимикатов, деталей транспортных машин.

Сырье для производства меди: основная часть меди производится из сульфидного сырья (85%), оставшуюся часть из окисленных и самородных руд.

В сульфидных рудах основные медные минералы:

CuFeS2 – халькопирит;

Cu2S - халькозин;

CuS - ковелин;

Cu5FeS4 - бормит;

Основные окисленные минералы:

CuO – куприт;

CuCo3(Cu(OH)2 – малахит;

CuCo3(2Cu(OH)2 – азурит

Самородные минералы: Cu.

Основное местонахождение:Cu, Cu – Zn на Урале, Таймыре и Кольском полуострове (Cu-Ni), в Читинской области (окисленные и сульфидные).

Основные заводы:

OOO ТМК “Норильский никель” (57%);

Уральская горно-металлургическая компания (35-40%);

Карабахский медеплавильный завод.

Схема переработки сульфидного сырья.

Традиционные процессы плавки.

1. Отражательная плавка.

Цель – расплавить сырье, получить 2 жидких продукта: штейн (ценные компоненты) и шлак (пустая порода).

Цель достигается путем нагрева исходного сырья за счет тепла от сжигания топлива.

Отражательная печь – плавильный агрегат с горизонтально расположенным плавильным рабочим пространством, выполненным огнеупорным кирпичем.



Стены, падина (нижняя часть), свод печи выполнены из огнеупорного кирпича.

В головную часть печи грузится сырье.

В качестве топлива используют природный газ, мазут, пылеуголь.

В качестве дутья используют чистый воздух (21% О2, 1400( С) и обогащенное дутье – с добавлением технического кислорода (26-28% О2, 1600-1700( С).

Показатель удельной производительности – количество шихты, проплавляемой в сутки в расчете на каждый см2 горизонтального сечения аппарата. При плавке огарка – 5-8 т.



Дутье – это не топливо, это реагент для сжигания топлива.

В отражательной плавке перерабатывается 2 типа шихты:

Сырая шихта – не прошедшая обжиг;

Шихта на основе огарка – обожженная;

Излученное факелом тепло отражается на шихту.

Легкоплавкие компоненты стекают с откосов и захватывают легкие стекают в ванну расплава (шлаковую ванну). Штейн тяжелее, образуя капельки он спускается вниз.

Шлак и штейн окончательно разделяются в хвостовой части.

Шлак удаляется через шлаковое окно, а штейн через специальное отверстие (шпуровое). Шпур – отверстие для периодического выпуска расплавов. Шпур открывают когда надо выпустить штейн, а затем снова закрывают (замазывают глиной).

Температура газов перед выходом из печи – 1250-1300( С.

Температура штейна - 1150( С, шлака - 1250( С.

Аптейк – соединяет газоочистку и печь (у нас - борог).

Отходящие газы – SiO2, азот, CO2, H2O выбрасывают в атмосферу, т. к. утилизировать нет смысла (низкая концентрация SO2 – 1,5%).

Степень десульфуризации (Ds) – отношение массы серы, удаленной в газы к общей массе серы, приходящей на плавку с шихтой.

При плавке сырой шихты эта степень (50%, объем выбрасываемой серы большой.

Содержание меди в отражательной печи – 20-45%. Зависит от концентрации меди и серы в шихте. изменять режимами процесса плавки состав штейна мы не можем.

Чем беднее штейн на плавке, тем богаче шлак мы получим.

Состав шлаков:

30-40% – SiO2 кремнезем.

30-45% – FeO, Fe2O3.

2-12% – CaO.

Потери меди со шлаком – очень важный технико-экономический показатель. Если 0,4-0,6% Cu в шлаке – хороший шлак; если более 0,6% - плохо.

Недостатки плавки сырой шихты в отражательной печи:

Большой объем бедных по SO2 отходящих газов (более 50% выбрасываются в атмосферу ( экологический вред);

Высокий расход топлива (расход топлива при плавке сырого концентрата – 18-22% от массы шихты)

Использование малообогащенного дутья;

Не использование тепла от окисления сульфидов (сульфиды могут служить источником тепла, если их окислить);

Невозможность перерабатывать тугоплавкий материал;

Низкая производительность шихты (3-5 т. см2 в сутки);

Невозможность регулирования состава штейна:

Невозможность изменять соотношение Cu2S и FeS в штейне ( при плавке бедного сырья получаются бедные штейны. На следующем этапе за плавкой, при конвертировании, этот сульфид Fe надо перевести в шлак (если сульфида Fе в штейне меньше, то конвертерного шлака будет меньше)

Малый срок службы аппарата (от 2 до 5 лет);

Низкий тепловой КПД процесса (эффект использования тепла – 30%, а 70% – на нагрев отходящих газов).

Превращение механического сырья до конечного продукта делится на 3 группы:

Нагрев исходного сырья (диссоциация неустойчивых соединений идут быстро);

Процессы шлакообразования (растворение тугоплавких компонентов в шлаке идут медленно (расплав не перемешивается));

Разделение шлака и штейна (идет медленно).

Шихта, попадая на откосы, нагревается  H2Oж. = H2O – Q  (сухой материал) до 500 – 900(С идет реакция диссоциации, разложения неустойчивых сложных соединений.



S2 в парообразном состоянии переходит в газообразное состояние.



 дальнейшее нагревание приводит к плавке легкоплавких эвтектиков.

 плавятся оксидные эвтектики.

 стекает по откосам, растворяются тугоплавкие.

 магнетит появляется с оборотным конвертерным шлаком.



Окислительный обжиг.

При плавке бедных высокосерных концентратов проводится окислительный обжиг.

Цель: Окислить сульфиды и частично перевести в оксиды, а серу – в газовую фазу. Получить возможность при плавке производить богатый штейн.

Достигается путем окисления сульфидов шихты кислородным дутьем.

Аппараты:

Многоподовые печи (реализуется режим обжига с перегреванием);

Печи кислящего слоя (КС).

Большое количество сопел необходимо для равномерного распределения дутья.

Расход дутья устанавливается так, чтобы мелкие частицы шихты находились в состоянии витания.

Основные процессы такие же как и в отражательной печи.

Использование обжига позволяет изменить состав штейна, получаемого при плавке.

Газы, содержащие SO2 от 10% до 15% – это газы, идущие на получение серной кислоты.

Степень десульфуризации – 70-75%.

Технико-экономические показатели:

Используется только обжиг:

Не используется ... топливо (автогенно, нет углеродистого топлива);

t процесса – [700( С; 900( С]

при обжиге должны получить оксиды; если t ( 700( С, то окисление идет до сульфатов, что не хорошо; t не более 900( С, потому что при более высоких температурах начинают плавиться сульфидные эвтектики, а процесс – твердофазный;

Сопла устроены таким образом, что бы в них не попадал сыпучий материал;

Очень производительный процесс – до 20 тонн в сутки, за счет активного перемешивания

Для предотвращения разогрева:

Использование водоохлаждающих элементов;

Добавление в шихту малосернистых материалов (огарка, пыли (20% от массы шихты));

Особенности плавки в отражательной печи:

Степень десульфуризации при плавке огарка ниже 30-15%;

Производительность – 5-8 т/м2;

Содержание SO2 в отходящих газах – не более 0,5%;

Расход топлива – около 15%.

2. Рудотермическая электроплавка.

Цель: расплавить исходный материал с получением двух жидких продуктов – шлака и штейна, переводя штейн в ценный компонент, а шлак в компонент пустой породы.

Эта цель достигается нагревом исходной шихты за счет тепла, выделяемого при прохождении электрического тока через шлаковый расплав.

Источник – электрическая энергия. Используется электрический ток и трехфазный ток, проводится к шлаку расплава через графитовые электроды (3 или 6).

Производительность – 8-9 т/м2.

Основные химические реакции такие же как при отражательной плавке.

Основные тепловыделения – это прилегающие к электродам пространства (t = 1400-1500( С).

Почему самая высокая температура:

Электрический ток идет через электроды (линии тока наиболее концентрированны при электродном пространстве);

Электроды – графитовые и не смачиваются шлаком из-за тончайшей газовой прослойки и ток протекает через механизм газовой электрической дуги.

Перегретый шлак обладает меньшей плотностью и меньшей вязкостью. Он поднимается к поверхности и растекается от электрода в разные стороны ( подходит к шихтовым кучам ( растворяет в шлаке компоненты шихты ( шлак теряет температуру, становится более плотным ( опускается вниз ( возникает циркуляция расплава.

В отличии от отражательной плавки здесь наблюдается довольно активное движение шлака ( быстрее растворяются тугоплавкие.

Особенность – механизм тепловыделения – тепло выделяется внутри шлака, где оно и потребляется. Газ. пр-во нагрето значительно меньше.

Электрические печи дольше служат.

За счет циркуляции расплава боковые ... разгружаются ... Внутрь стен вставляют ...

В этом процессе не фазы образования первичных расплавов.

Технико-экономические показатели:

Тепловой КПД процесса – 70-75% (т. к. очень мало отходящих газов: ниже 10%);

Высокая производительность – 8-9 т/м2;

Возможность плавить пироплавкие материалы, поскольку увеличивая силу тока шлак можно разогреть в довольно широких пределах;

Состав штейна такой же как в отражательной печи и зависит от состава сырья;

Шлаки примерно такие же. Используется там, где тугоплавкое сырье (никелевое сырье, сырье Кольского полуострова);

Потери меди меньше, т.к. использование углеродных компонентов приводят к слабовосстановительной атмосфере.

Перемешивание расплава шлака ( частицы штейна укрупня-ются ( быстрее оседают ( меньше теряется Cu.

В электроплавке перерабатываются как сырые концентраты, так и огарки. Требования такие же как и к плавке в отражательной печи.

Особенность: нельзя плавить влажные концентраты, содержание влаги в которых ( 1-2%.

Недостатки:

Нельзя регулировать состав штейна;

Не используется потенциальное тепло от окисления сульфидов;

( расход электроэнергии, на расплавление материала используются внешние источники;

Существуют ограничения в использовании.

Автогенные процессы плавки.

– это такие процессы, в которых используется тепло от окисления сульфидов исходного сырья.

С точки зрения химии процесса, в автогенных процессах удается реализовать всего одну дополнительную реакцию:



Преимущества реакции:

Реакция идет с большим выделением Q ( не нужны расходы на топливо ((2%);

Можно регулировать состав штейна режимами самого процесса плавки;

Т. н. малый расход топлива и степень десульфуризации = 80%, концентрация СО2 – высокая (такие газы легко утилизировать с получением SO2);

V отходящих газов резко сокращается.

По способу окисления компонентов сырья:

Процессы плавки во взвешенном состоянии;

кислородно-факельная плавка

Процессы плавки в расплаве:

Процесс Ванюкова (плавка в жидкой ванне);

Процесс Мицубиси;

Процесс Осмелт;

Процесс Норада;

Процесс Кивует

Процесс Пекин.

Плавка во взвешенном состоянии (ПВП)

Сжигание шихты в вертикальном падающем потоке.

В горелку подается нагретый до 500-600(С воздух.

Можно получать штейны любого состава.

В качестве дутья используется воздух. подогретый до 600(С или обогащенный кислородом.

Газы направляются в котел-утилизатор (он осаждает газы и удаляет пыль).

Получают пар > перегревают его > получают электроэнергию > на производство технического кислорода на плавку.

Печь может перерабатывать 300-2000т. шихты в сутки различного состава.

Из газов получают утилизированную серу.

Шлаки содержат 8-1% Cu, а штейны до 60%.

В конце устанавливается 2 электропечи для объединения шлаков.

Недостатки:

Окисление происходит в газовой фазе ( материал переокислен, содержит переизбыток магнетита;

7-8% загружаемого материала уходит с газовым потоком ( надо опять собирать и направлять на плавку;

Процесс требует дополнительного аппарата для объединения шлаков с получением бедного штейна;

Глубокая сушка материала.

Технико-экономические показатели:

Удельная производительность: при воздушном дутье – 7-12 т/м2 в сутки

при обогащенном дутье – до 20 т/м2 в сутки

Температура подогрева дутья до 600(С.

Состав штейнов: 40-65% Cu, 10-20% SO2, 7-11% пылеунос.

Кислородно-факельная плавка (КФП)



Кислород 75-98%.

Горение в горизонтальном факеле.

Шихту подают кислородом.

Получают штейны с содержанием меди 60-65%.

Регулируется состав штейна.

Процессы, происходящие в печи: нагрев, термическая диссоциация частиц, окисление, расплавление легкоплавких эвтектиков.

Процессы аналогичны ПВП.

Температура в факеле 1600-1700(С.

Интенсивное горение ( плавка характеризуется высоким пылеуносом: 14% шихты уносится с газовым потоком.

Из-за использования технического кислорода концентрация SO2 в отходящих газах достигается 80%, температура отходящих газов – 1300-1350(С. Газы горячие, их трудно охлаждать, поэтому их разбавляют и получают из них H2SO4.

Шлаки еще более окисленные, содержат 1,2-1,5% Cu ( подвергают объединению, олучают бедный штейн (способ малоэффективный).

Не удается снизить содержание S менее 1%.

Шлаки отправляют на флотацию или в отражательную печь.

Температура высокая ( аппаратура не очень стойкая.

Процессом неудобно управлять.

Пути управления температурными процессами:

Снижают расход шихты ( ( расход дутья ( температура (;

( расхода кислорода ( ДS( ( штейны более бедные ( нагрузка на соседей;

Процесс Ванюкова как представитель процессов,

осуществляемых в расплавах.

Прототипом этого процесса послужил горизонтальный конвертер Пирса и Смита. Он применяется когда штейн перерабатывают на черновую медь.

Организация плавки

сульфидно-медного сырья в печи Ванюкова.

Дутье – высокообогащенное (содержание кислорода – 65-92%).

Шихта моментально перемешивается дутьем в расплав, где происходят физико-химические процессы. В фурменной зоне происходит образование шлака и штейна.

Штейновые капли скапливаются внизу, шлак непрерывно выпускается через шлаковый сифон, а штейн – через штейновый сифон.

Отходящие газы через аптейк печи поступают в процесс газоочистки.

Характеристики процессов.

Штейн получается любой, состав регулируется изменением состава кислорода в дутье и расхода шихты.

Состав шлака:

Содержание меди – 0,6-0,7%. Шлаки не требуют обеднения и выводятся в отвал.

Штейны поступают на конвертирование.

Отходящие газы содержат около 30-40% SO2, после охлаждения и очистки помтупают на производство H2SO4.

Требования к шихте:

Шихта может быть влажной (до 6-8% H2О), не требуется глубокой очистки.

Шихта может быть кусковой (куски – до 50 мм.).

Особенности технико-экономических показателей

с физико-химическими условиями и конструкцией аппарата.

Процесс обладает высокими темпами. Печь обладает самой высокой удельной производительностью из плавильных аппаратов – 80-100 т/м2 в сутки (производительность определяется самой медленной стадией).

3 стадии превращений:

Нагрев, диссоциация, окисление, расплавление – эти процессы во всех рассматриваемых нами аппаратах идут быстро и они не ограничивают производительности процессов.

Процесс превращения: процесс образования шлака через расплавление тугоплавких (SiO2, CaO, MgO в шлаке) – достаточно медлительный процесс, если отсутствует активное перемешивание В процессе Ванюкова тугоплавкие компоненты перемешиваются со шлаком ( происходит быстрое расплавление.

Разделение гипака и штейна. Для быстрого разделения необходимы условия образования крупных капель штейна. Без перемешивания, образование крупных капель штейна не происходит и тогда этот процесс идет медленно. В печи Ванюкова присутствует процесс активного перемешивания, что также ускоряет процесс растворения огнеупорных стен.

В печи Ванюкова стены выполнены из медных, водоохлаждаемых плит.

Межремонтный цикл печи Ванюкова более двух лет.

Низкое содержание меди в шлаке не требует обеднения.

Недорогая подготовка шихты – не требует сушки и измельчения.

Низкий объем отходящих газов с высоким содержанием SO2

Низкий расход топлива – 2 % от массы шихты.

Низкий пылевынос – не более 1-1,5% от массы шихты.

Полностью автоматизированный процесс (легко регулируется температура, состав штейна.)

Конвертирование медных штейнов.

Цель: получить из медного штейна черновую медь, переведя железо в шлак, а серы – в отходящие газы.

Эта цель достигается путем продувки жидкого штейна кислородосодержащим дутьем.

Cu2S – FeS – штейн.

 – для того, что бы шлак был более легкоплавкий, меньше растворяем медь, добавляем фаялит (SiO2 – кварцевый флюс,  – фаялит).

 – получаем металлическую медь, FeO удаляется с конвертерным шлаком, SO2 – в газы.

Конвертирование Cu может быть получено в двух процессах: периодическом и непрерывном.

Периодическое конвертирование медных штейнов

в горизонтальных конверторах Пирс-Смитта.

Вдоль образующей расположены фурмы, через которые подается дутье.

Дутье под давлением вдувается внутрь расплава. Идут реакции окисления.

Температура – 1200-1300( С.

2 основных периода:

Получение белого мата;

Получение черновой меди.

Первый период конвертирования:



Окисление сульфида железа. 80% Cu определ. набор последовательных операций – циклический период.

Залив штейна в конвертор. Для этого конвертор поворачивают.

Окисление меди. Для этого добавляют кремнезем; по мере продувки штейна конвертор начинает разогреваться. Температура может превысить пределы и для предотвращения этого в конвертор дают холодные обороты. Холодные обороты – твердые, медесодержащие материалы: корки застывшего при перевозке расплава штейна, корки конверторного шлака, низкосортный лом.

Слив конверторного шлаки в ковш. Перед сливом добавляют новую порцию конверторного шлака.

Накапливание внутри конвертора до 50-60% богатой массы с содержанием Cu до 50-60%, для чего постоянно добавляют новый конверторный шлак.

Эту богатую массу продувают так, чтобы удалить все железо и получить белый матт.

Конверторный шлак, который сливают из конвертора содержит 3% Cu. и затем заливается ковшами в плавильные печи для извлечения Сu.

Шлак холостой продувки в печи не возвращается, а направляется в другие конверторы.

Отходящие газы первого периода конвертирования, без разбавления, могут содержать, теоретически – 14% SO2, на практике, газы разбавляются и содержат 6-12% SO2.

Первый период конвертирования заканчивается получением белого матта и конверторного шлака.

В первом периоде топливо не используется.

Тепловой баланс зависит от состава исходного штейна. Конвертирование бедных штейнов невыгодно т. к. ( температура, ( холодные обороты, ( период конвертирования.

Второй период конвертирования:

Цель – получение из белого матта черновой меди.



Шлаков практически не образуется. Образуется только газ и черновая меде в конце процесса. Холодные обороты не добавляются.

Температура – 1220-1250( С и постепенно ( к концу процесса.

Внутри конвертора 2-го расплава – белый матт и черновая медь.

Содержание серы в черновой меди – 1,3 %. По мере продувки белый матт удаляется, окисляется.

После того, как белый матт полностью окислится черновая медь еще некоторое время продувается воздухом с целью удаления из нее растворенной серы.

Затем, конвертер останавливают и черновую медь сливают.

Содержание меди в черновой меди – 97,5-99,5%.

Недостатки:

Основные недостатки связанны с периодичностью, цикличностью процесса.

Нестабильный поток отходящих газов. Для утилизации серы из отходящих газов необходимо выдерживать строгий совместной работы конверторов. Одновременно под дутьем должны находиться как минимум 2 конвертора.

Малый срок службы (в лучшем случае, конверторы служат 3 месяца между ремонтами), т. к. разрушается футеровка внутри аппарата из-за колебаний температуры внутри конвертора и высоких температур в околофурменной зоне.

Выбросы в атмосферу цеха сернистого газа.

Малое время под дутье, что снижает производительность аппарата. Под дутье находится около 50% времени, увеличить это время удается только до 60%.

Достоинства:

Простота конструкции;

Большой опыт эксплуатации.

Будущее за процессами непрерывного конвертирования.

3 технологии непрерывного получения Cu из штейна:

Мицубиси;

Процесс взвешенного конвертирования;

Процесс Норандо.

Достоинства:

Получение стабильного потока отходящих газов ( возможность исключить выбросы SO2 в атмосферу и в цех.

Рафинирование черновой меди.

Медь должна быть очищена от примесей.

Для Норильского региона: Со, Ni,

Для Уральского региона: Pb, Zn, As.

Рафинирование черновой меди проводят в 2 стадии:

Окислительная стадия – не дает возможности получить чистую медь, марки M0 или М1;

Электролитическая стадия – получается более чистая медь, но это в 2-2,5 раза дороже, поэтому – 2 стадии.

Электролитическое рафинирование проводят всегда, когда есть благородные металлы, которые извлекаются только при электролизе.

Если благородных металлов мало, то применяется только окислительное рафинирование.

Окислительное (анодное, огненное (высок. t)) рафинирование.

Основано на различии, в сродстве к кислороду, меди и примесей.

При окислительном рафинировании удаляются примеси, имеющие более высокое сродство к кислороду.

Практическая возможность реализации принципа окислительного рафинирования черновой меди: оксиды большинства примесей не растворяются в металлической меди и они легче ее..

В расплав черновой меди подается дутье



По мере накапливания Cu2О в расплаве начинает протекать основная реакция:



Закись меди регулируется примесями, которые отбирают у нее О. Они не растворяясь всплывают на поверхность, образуя шлак.





Активность примесей минимальна если минимальна активность оксида металла, а активность закиси максимальна.

Чтобы достаточное содержание примесей было минимальным:

Надо обеспечить max активность CuО (достигается добавление О);

Надо обеспечить min активность MeО (достигается добавкой флюсов и частым сниманием шлака).

Процесс рафинирования – периодический процесс.

Весь цикл занимает 18-32 ч.

Основные операции анодного рафинирования:

Загрузка черновой меди в печь (либо в твердом, либо в жидком виде);

Нагрев черновой меди (за счет тепла от сжигания топлива). Сжигание топлива производится над медью по типу ОП. Процесс ведется с небольшим избытком О;

Окисление черновой меди (в расплав попадает воздух через боковые фурмы или через специальные трубочки, погружаемые в расплав Cu);

Съем шлака после окисления Cu. В нем концентрируются примеси, которые окисляются быстрее Cu, и анодная медь (до 40-54%)

Дразнение (раскисление) Cu (восстановление)

Дразнение на плотность:

Цель: удалить газовые включения из Cu после ее окисления. Ведется в нейтральной или слабо-восстановительной среде. Дразнение на ковкость:

Цель: Восстановить закись меди, т. е. удалить из нее О

  

Из насыщенной по О, Cu аноды получаются плохого качества при электролизе ( химический раствор Cu в электролите ( Cu восстанавливают.

Восстановитель: природный газ, мазут, дизельное топливо, древесина.

Кислород из меди полностью не удаляется, а оставляется [О] = 0,05=0,2%.

При [О] ( 0,05 Сu получается навороженная, пузырчатая ( плохие аноды.

Основное требование к восстановителю – малая концентрация серы.

Разливка анодной меди в слитки (аноды весом 300 кг.). Разливка производится на карусельных машинах ( охлаждение этих слитков ( затем они направляются на электролитическое рафинирование.

Медь, насыщенную кислородом нельзя отправлять на электролиз по двум причинам:

Из такой меди получаются аноды плохого качества;

При электролизе такой меди происходит химическое растворение меди.

Медь надо подвергать раскислению (восстановлению) или дразнению.

Электролиз.

Анодная медь содержит 99,5-99,8% меди и до 0,5% примесей.

Основные примеси: никель, свинец, серебро, золото, селен, теллур.

Задачи электролиза:

Получить чистую медь с содержанием меди 99,9% (марка М1) и 99,99% (марка М0);

Извлечь благородное в отдельный продукт.

Электролиз основан на различии электрохимических свойств меди и примесей.

Различия характеризуется рядом напр. В нем Cu стоит правее H, т. е. из раствора ионы Cu будут восстанавливаться легче, чем ионы H ( можно проводить в водных растворах.

Поэтому электрохимическое рафинирование проводится в растворе серной кислоты.

Электролизные ванны – аппараты ящичного типа, заполненные электролитом на основе H2SO4, в который погружают аноды….

Аноды присоединяют к “+” полюсу источника постоянного тока, катоды к “–”. Т. е. используется постоянный ток 30 анодов и 31 катода (на один больше).

В цехе ванны соединены последовательно. Напряжение, подаваемое на ванну = 0,3-0,4 В.

Электролизная ванна:



В результате получается:

Катодная медь;

Шлам – твердый осадок;

Загрязненный примесями электролит;

Нерастворившиеся остатки анодов (анодный скраб).

В процессе электролиза анод постепенно растворяется, медь с примесями переходит в раствор. На катоде высаживается медь.

Возможность высаживания на катоде только меди определяется высоким потенциалом высаживающейся меди.

А: Сu0 – 2e– = Cu2+ – основная реакция на аноде

Сu0 – e– = Cu+

К: Сu2+ + 2e– = Cu0 – образование электрической меди.

Время растворения одного анода – 30 суток, время наращивания одного катода –10 суток.

Толщина анода – 30-35 мм., катода – 10 мм.

Все примеси, которые присутствуют в исходной меди, по их поведению, можно разделить на 4 группы:

Ni, Fe, Co, Zn, Pb, Sn – более электроотрицательные чем Cu. Не переходят в катодную медь и остаются в электролите, накапливаются и в процессе циркуляции электролита выводятся из ванны. Чем больше концентрация примесей, тем больше вероятность вывода их на катод.

As, Sb, Bi – до 10% переходят в катодную медь при электролизе и тем самым загрязняют медь. Эти 3 малорастворимых соединения выделяются в твердом виде, всплывают и образуют плавучий шлам, что может привести к замыканию.

Ag, Au, Pt – примеси, более электроположительные, чем Cu. Они на аноде не заряжаются вообще и выпадают в шлам: золото – 99% в шлам, серебро – 98%. Необходимо связать небольшое количество ионов Ag в нерастворимый AgCl(, который переходит в шлам. Задача AgCl – дочистить серебро в шлам.

Cu2S, Cu2Se, Cu2Te – электронейтральные соединения. Не ионизируясь, полностью переходят в шлам.

Серебра в шламе – до 50%.

Шлам – сырье для производства благородных металлов. Его далее отправляют в финажный цех.

Электролит непрерывно циркулирует внутри ванны: непрерывно подается, непрерывно выводится.

Катоды, после достижения товарного веса (в течении 10 дней) извлекаются из ванны, тщательно промываются от остатков электролитов, упаковываются и направляются потребителям.

Катодная медь – готовый продукт.

Исходные катодные основы бывают одноразового и многоразового использования.



Анодный скраб – не растворившаяся анодная медь. Он не может до конца раствориться.

Возвращением на анодную плавки стараются уменьшить количество анодного скраба.

Основные технико-экономические показатели при электролизе.

25-40% стоимости всех затрат – затраты на электроэнергию.

Стремятся снизить затраты на электроэнергию: ( потери в системе, в токопроводящей системе.

( проводимость (сопротивление электролита)

Основные факторы, влияющие на сопротивление электролита:

Температура – чем выше, тем ниже сопротивление ( ниже затраты;

Состав электролита (tоптим электролита = 65( С  5( С).

Выше 75( С температуру не делают, это связанно с санитарными условиями работы в электролизном цехе.

Состав электролита.

( концентрации H2SO4 ( сопротивление электролита, из-за большого количества подвижных ионов водорода.

Побочные явления при повышении концентрации H2SO4:

( содержания катионов меди ( ( вероятности разрядки примеси на катоде.

Cu2+ + SO = CuSO4

Опытным путем определена оптимальная концентрация H2SO4 = 120-200 г. H2SO4 на литр раствора.

Величина силы тока или катодная плотность тока.

Чем выше катодная плотность тока, тем выше производительность, меньше себестоимость.

Но по мере повышения катодной плотности тока:

( затраты электроэнергии, ( удельных затрат;

Катионы двигаются внутри более быстро, больше загрязнения в единицу времени, ( электролит нужно быстрее выводить.

Взмучивание частиц ( загрязнение меди, ( качества меди.

В результате, себестоимость на заводах:

На каждом заводе существует экономическая плотность тока, снижающая себестоимость.

250-300А на м2 на наших заводах.

300-350А на м2 на западе.

Выход по току.

Характеризует эффективность использования электроэнергии.

Выход по току – отношение выделившейся Cu на катоде к количеству Cu, которое должно выделиться теоретически.



 – по закону Фарадея.

I – сила тока,  – время, q – электрохимический эквивалент.



 по закону не равен 100%.

на западе 95-96%.

 в России 92-95%.

Основные причины потерь электроэнергии – организационные, утечка энергии из-за прочих контактов.

Производство никеля из окисленных никелевых руд.

В мире в год производится 1 млн. никеля.

Область применения: жаропрочная, конструкционная сталь, производство ферросплавов.

Ni дает жаропрочность, кислостойкость. Ni используется в декоративной отделке, никелирование (17% Ni).

Используется в медных расплавах для изготовления монет.

Свойства Ni:

tплавл. = 1450( С.

При высоких температурах хорошо окисляется и образует NiO, Ni2O3.

NiS – неустойчивое соединение, при высоких температурах разлагается.

Ni3S2 – низкоплавкий (tплавл. = 780( С.)

Сырье для производства никеля:

Производится из сульфидных (40%) и окисленных руд (60%) в сопоставимых количествах (40%).

В России никель производится в основном из сульфидных Cu-Ni руд (“Норильский никель”).

На Урале перерабатывают окисленные Cu-Ni руды (Орский, Режский, Уфалийский заводы).

Получение Ni из окисленных Cu-Ni руд.

Окисленные Cu-Ni руды в зависимости от того, концентрация какого оксида высока в этих рудах подразделяются на:

Железистые;

Кремнистые;

Магнезиальные.

В рудах никель присутствует в виде закиси NiO, однако не чистый, а в форме более сложных соединений: силикат, магнезитовый силикат.

Окисленные руды очень трудно обогащать из-за из разброса.

Во всем мире окисленные руды плавятся без обогащения.

Российские никелевые руды – кремнистые.

Содержание кремнезема:

SiO2 = 30-45%;

MgO до 20%;

Fe = 20%;

Ni в форме силиката Ni ( 1%.

В России бедные окисленные никелевые руды.

Рентабельность min 0,6-0,7 в РФ.

В мире более богатые руды – 1,5% Ni.

Богатый Cu концентрат:

69-73% Cu;

5% Ni;

22-23% S;

золото, серебро…

Богатый Ni концентрат:

68-73% Ni;

3-4% Cu;

2-3,5% Fe

1.2% Co;

платиноиды

Из Cu концентрата варят черновую медь, ее получают с примесью Ni. Его удаляют из черновой меди продувая ее после варки, окисляя Ni.

В этом шлаке до 20% Ni и до 20% Cu. Из этого шлака сливают черновую медь, а шлак вываливают в твердом виде из конвертора ( направляют в качестве холодных оборотов в конвертор.

Ni концентрат: 2-3,5% Fe. его обжигают в печи КС, но в первую стадию, т.к. в этой схеме нет необходимости удалять из Ni серу. Поэтому сразу в КС получают закись Ni с серой 1,5%, t = 1100-1200( С.

Далее закись Ni поступает на восстановительную плавку в электродуговых печах. Известковый шлак не доводят т. к. нет смысла глубокой очистки от серы. Требования к восстановителю не жесткие.

Разливают Ni не в виде гранул, а в виде слитков – анодов, на карусельной машине. Эти аноды идут на электролитическое рафинирование Ni.

Цель – получить из огневого Ni – Ni высокой чистоты марок N0 и N1 и получить благородные металлы и Co. В N0 до 17 элементов. Попутно извлекается и Cu в отдельный продукт.

Анодный Ni по составу:

89-92% Ni;

5% Cu;

2-4% Fe;

1-2% Co.

Электролиз Ni проводится в электролизных ванных ящичного типа.

Отличия электролиза Ni обусловлены активностью Ni. Ni близки Co, Fe, Zn ( при электролизе на катоде они могут вместе с Ni и Cu, H.

Что бы получить на катоде только Ni необходимо соблюдать требования:

Тщательно контролировать состав и температуру электролита. Электролит, находящийся около катода, должен быть тщательно очищен от примесей.

Надо разделить прианодное и прикатодное пространство перегородкой.

Циркуляция электролита.

В Ni электролизе электролит, который получается в прианодном пространстве выводится на очистку от Ni, Cu, Co. Только после очистки электролит заливают в прианодное пространство.

Конвертирование.

Поступает бедный по сумме металлов штейн.

Цель – получить Cu-Ni файнштейн. Ведется в горизонтальных конверторах различной емкости. Используется воздушное дутье.

Генерируется большой избыток тепла ( больше холодных оборотов.

Отличия от Cu конвертирования:

При конвертировании Cu-Ni штейна Со оставляем в файнштейне ( не так сильно окисляем штейн. Для удовлетворительного извлечения Со в файнштейн нужно оставлять Fe в файнштейне (2-3,5%).

При конвертировании Ni штейнов температура выше (при сливе – 1200( С).

Шлаки первичных сливов бедные, а последние сливы богатые.

Конверторные шлаки содержат ( 0,2% Co, 1,5-2% Cu. Обеднение происходит в отдельных аппаратах.

Отвальные шлаки содержат ( 0,2% Co

По сумме Cu и Ni составляет 74-73%. Cu и Ni разделяют после конвертирования.

Разделение файнштейна.

Оно производится флотацией при охлаждении файнштейна. Сульфиды Cu и Ni выделяются в отдельные фазы.



Таким образом, в охлажденном файнштейне 3 …:

Крупные кристаллы Cu2S;

Более мелкие кристаллы Cu2S и Ni3S2;

Включения металлической фазы.

Файнштейн очень медленно охлаждается (80ч.).

Файнштейн перед флотацией измельчается до крупности – 53 …

Традиционная схема обогащния.

Отличительные черты схемы:

Главный процесс – плавка на штейн;

Получается чистый катодный Ni. На заключительной стадии Co (дешевле при электролизе).

Плавка на штейн.

Может быть использован любой процесс для переработки Cu концентратов.

Cu и Ni близки по свойствам. Основной не ценный минерал - пирротин.

Присутствие тугоплавкого MgO дает возможность использовать электроплавку.

Ds = 15-20% даже при плавке необожженного концентрата, пирротин дает мало S.

Штейны получаются бедные 15-18 % бедного сырья.

Электроплавку ведут с добавкой восстановителя (уголь, твердый коксик).

Помимо электроплавки для переработки Cu концентратов используют автогенные процессы.

Для восстановительной плавки закиси Ni используют электродуговые печи.

Печи наклоняющиеся. В своде печи отверстие для электродов.

Процесс начинается с загрузки в центр печи закиси Ni и восстановителя.

Возникновение дуги между электр. и частицами закиси Ni ( возникновение высокой температуры ( расплавление.

Тепло генерируется за счет протекания тока через дугу.

Процесс ведут с избытком углерода. Восстановление ( добавление закиси Ni ( печь наклоняют ( сливают шлак.

Получается гранулированный Ni ( его сушат ( упаковывают ( отправляют к потребителю.

Известковый шлак используется для удаления серы.

Получение никеля из сульфидных руд.

Основной метод обогащения – флотация

1