Производство меди

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 + ½ 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.

Рафинирование меди

Для получения  меди необходимо чистоты черновую медь подвергают огневому и электролитическому рафинированию, и при этом, помимо удаления вредных примесей, можно извлечь также благородные металлы. Огневое рафинирование черновой меди проводят в печах, напоминающие отражательные печи, используемые для выплавки штейна из медных концентратов. Электролиз ведут в ваннах, футурованных внутри свинцом или винипластом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

            Медь имеет широкое применение. Так, например, чистая медь используется электротехнической промышленности.

           Важное значение имеют сплавы  меди: латунь (сплав меди с цинком), бронза (сплав меди с оловом), алюминиевая  бронза (сплав меди с алюминием), мельхиор (сплав меди с железом,  никелем и марганцем) и др.

           Соли меди используется в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями, в качестве микроудобрений, а также в качестве катализаторов в химическом синтезе.

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Архипов В. В. Технология металлов и других конструкционных материалов.

М.: «Высшая школа», - 1968

2. Воскобойников В. Г. Общая металлургия. М.: - Металлургия, - 1985
3. Технология конструкционных материалов. /под ред. Дальского А. М. – М.: «Машиностроение», - 1985

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

СХЕМА 1

ПОДГОТОВКА  РУД  К  ПЛАВКЕ

(ОБОГАЩЕНИЕ, ОБЖИГ)

ПЛАВКА НА ШТЕЙН

 

 

  ШЛАК                             ШТЕЙН

 

                                    В ОТВАЛ

КОНВЕРТИРОВАНИЕ ШТЕЙНА

(ПРОДУВКА ВОЗДУХОМ)

   ЧЕРНОВАЯ МЕДЬ       КОНВЕРТЕРНЫЙ

                                      ШЛАК

 

РАФИНИРОВАНИЕ

ОТХОДЫ                    МЕДЬ

ПЕРЕРАБОТКА ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ

Ag, Au, Te и др.

 

 

СХЕМА 2

 

 

ПЕРВЫЙ ПЕРИОД

 

2 FeS + 3O₂ = 2FeO + 2SO₂ + 930360 Дж

2CuS + 3O₂ = 2Cu₂O + 2SO₂ + 765600 Дж

Cu₂O + FeS = Cu₂S + FeO

2FeO + SiO₂ = (FeO)₂ × SiO₂

6FeO + O₂ = 2Fe₃O₄

ВТОРОЙ ПЕРИОД

2Cu₂S + 3O₂ = 2Cu₂O + 2SO₂

Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu + SO₂