Конвертирование медных штейнов

     Конвертирование медных штейнов 

     Конвертирование штейна, окислительный пирометаллургический процесс переработки жидких штейнов медного, никелевого и свинцового производств с целью получения чернового металла или сульфида цветного металла. Конвертирование осуществляется в конвертере путём продувки расплавленного штейна воздухом или техническим кислородом. При прохождении струи воздуха через расплав в первую очередь окисляются сульфиды тех металлов, у которых сродство к кислороду больше, чем к сере. В штейнах цветной металлургии таким металлом является железо. Образующиеся жидкие окислы железа шлакуются кремнезёмом, добавляемым в конвертер в качестве флюса.

       Содержание SiO₂ в шлаке 21—30%, остальное — окислы железа. Конвертерный шлак, имеющий меньшую плотность, чем штейн, всплывает и периодически удаляется из конвертера.

     В медной промышленности процесс Конвертирование принято делить на два периода. Первый период заканчивается удалением из штейна всего железа. Оставшийся сульфид меди (белый матт) окисляется во втором периоде кислородом воздуха по реакции: Cu₂S + O₂ = 2Cu + SO₂. Конечным продуктом Конвертирование медных штейнов является черновая   медь.

     Конвертерный  процесс автогенен. Выделяющегося при окислении сульфидов тепла достаточно не только для поддержания штейна в конвертере в жидком состоянии, но и для расплавления добавляемых в расплав холодных присадок, содержащих цветные металлы. На некоторых заводах в конвертеры грузят рудный концентрат, подвергнутый предварительно окатыванию и сушке. Газы, образующиеся при Конвертирование, содержат в среднем 3—4% SO₂ и частично используются в сернокислотном производстве. Конвертерные шлаки, содержащие до 3% цветных металлов, являются оборотным продуктом и возвращаются в плавильные агрегаты. Конвертерную пыль, содержащую до 20—30% цветных металлов, обычно возвращают в конвертеры.

     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, футерованных внутри свинцом или винипластом. 

     Рисунок 2 – Конвертер для выплавки меди

     Жидкий  штейн перерабатывают в черновую медь в особых конвертерах (рис. 2), имеющих вид вращающихся барабанов. Внутри стального кожуха барабана находится огнеупорная магнезитовая футеровка 2, через которую проходят фурмы 3 для подачи воздуха. Заливка штейна и закладка кварцевого флюса производится через горловину 1. Слив шлака и черновой меди производят при повороте конвертера на роликах 4.

     Процесс осуществляется в два этапа: вначале  при температуре 1250—1350° С образуется закись железа, переходящая в шлак, а также улетучивается сернистый газ. После слива шлака оставшаяся полусернистая медь окисляется закисью меди и получается чистая медь. Продолжительность цикла 10—12 ч, производительность печи до 85 т черновой меди за один цикл. Рафинирование черновой меди производят, чтобы удалить из ,нее вредные примеси и растворенные газы. Различают огневое и электролитическое рафинирование. При огневом способе рафинирования меди в печь, подобную отражательной, загружают твердую или жидкую черновую медь.