5.1.3. Переработка медного штейна

Для получения меди из штейнов применяется конвертор, конструкция которого отличается от конвертора, в котором получают сталь. Наиболее распространены цилиндрические бочкообразные конверторы, Наружный диаметр конвертора обычно 2,3÷4 м, длина 4,3÷10 м. Наиболее крупные конверторы выдают за один цикл процесса до 100 т меди. Воздух в конвертор подается через ряд фурм, расположенных по образующей цилиндра. Поворот конвертора, установленного на роликах, на необходимый угол для заливки штейна в горловину и выливки продуктов плавки проводится зубчатой передачей и зубчатым ободом, закрепленными на стальном кожухе. Внутри конвертор футеруется магнезитовым и хромомагнезитовым кирпичом. Переработка штейна в конверторе протекает в два периода, В конвертор загружают кусковой кварц, заливают расплавленный штейн и продувают его воздухом. Воздух, энергично перемешивая штейн, окисляет сульфиды меди и железа.

В первом периоде идет практически окисление только железа, а закись железа шлакуется кварцем. Образующийся шлак периодически сливают и в конвертор добавляют свежие порции медного штейна и кускового кварца. Температура заливаемого штейна обычно около 1200⁰С, но за время продувки, за счет большего выделения тепла при окислении сульфидов температура повышается до 1350⁰С. Продолжительность первого периода зависит от количества меди в штейне и составляет 6÷20 ч.

Введение в воздушное дутье добавки кислорода повышает температуру в конверторе и позволяет загружать в него холодный концентрат, заменив им некоторую часть расплавленного штейна. Первый период заканчивается, когда в продуваемом штейне окислено сернистое железо. После этого тщательно удаляют шлак и продолжают продувку без добавки штейна и кварца.

Второй период начинается, когда в конверторе остается только Cu₂S, называемый белым штейном, а на некоторых заводах «белым маттом». Воздух окисляет теперь только Cu₂S, и образовавшаяся закись меди способствует появлению в конверторе металлической меди по реакции:

Cu₂S+2Cu₂O=6Cu+SO₂

Второй период заканчивается, когда в конверторе весь белый штейн превращается в медь, на что обычно уходит 2÷3 ч. В конверторе и во втором периоде образуется небольшое количество богатого медью шлака, который остается в нем после выливки черновой меди и перерабатывается в следующем цикле. Конверторные шлаки первого периода направляют для переработки в отражательные печи. Конверторные газысодержат 12÷17% SO₂; их тщательно собирают с помощью так называемого напыльника и после очистки от пыли используют для получения серной кислоты. Черновую медь по окончании процесса наклоном конвертора выливают в ковш и разливают в изложницы. Полученную в конверторе медь называют черновой, то есть еще не готовой медью, так как в ней содержится 1,0÷2,0% железа, цинка, никеля, мышьяка, сурьмы, кислорода, серы и других примесей и растворены благородные металлы, ранее находившиеся в штейне.

5.1.4. Рафинирование меди

Черновая медь всегда подвергается рафинированию для удаления из нее примесей, ухудшающих ее свойства, а также извлечения из нее таких ценных металлов, как золото, серебро и др. В современной практике рафинирование проводят последовательно двумя принципиально различными методами: пилометаллургическим и электролитическим.

Огневое пирометаллургическое рафинирование меди проводят в отражательных печах меньших размеров (ширина 5 м, длина 12÷15 м, глубина 900 м), чем отражательные печи для получения штейна. Такие печи вмещают до 400 т меди. Эти печи отапливают мазутом, газом или угольной пылью. Подача топлива и необходимого для его горения воздуха в современных печах проводится автоматически в зависимости от наружной температуры ванны. Весь цикл огневого рафинирования состоит из следующих операций: загрузки и расплавления, окисления примесей, удаления растворенных газов, раскисления меди и разливки; он занимает обычно 12÷16 ч. Если рафинирование проводят на заводе, производящем черновую медь, и ее заливают в печь в жидком виде, продолжительность рафинирования значительно сокращается. Окисление примесей в черновой меди проводят воздухом, который вдувают через стальную трубку диаметром 20÷40 мм, футерованную огнеупорами и погружаемую в расплавленную медь. Окисление протекает на поверхности воздушных пузырьков; так как скорость окисления пропорциональна концентрации металлов в ванне, наиболее быстро окисляется медь по реакции: 4Cu+O₂=2CuO.

Закись меди растворяется в расплавленной меди и благодаря перемешиванию вдуваемым воздухом быстро распространяется по всему объему ванны и окисление примесей, поэтому идет главным образом через посредство закиси меди по следующей общей схеме

[Me]+Cu₂O=[Me]O+2Cu,

где: [Me] — все примеси.

Окислы примесей всплывают на поверхность и образуют шлак, быстрое удаление которого способствует более глубокому рафинированию. Отдельные летучие окислы могут переходить частично и в парообразное состояние. Таким путем удается удалить основную часть таких примесей, как Al, Si, Mn, En, Sn, Fe, Ni, Pb, S, и частично Sb, As, Bi; не окисляются и остаются в меди золото, серебро, а также селен и теллур.

Удаление растворенных газов из меди принято называть «дразнением на плотность». В металл ванны погружают сырые деревянные жерди, древесина которых выделяет газообразные углеводороды, бурно перемешивающие медь и удаляющие из металла сернистый и другие газы. Для сохранения лесных массивов и экономии древесины некоторые заводы заменяют сырую древесину природным газом, паро-мазутной смесью или другими газообразными восстановителями, являющимися отходами соседних производств. После удаления газов для получения пластичной меди начинают раскисление, или, как принято говорить на заводах, «дразнение на ковкость», так как содержание растворенной закиси меди после окисления иногда достигает 12%. Раскислителями служат газо­образные углеводы, которые вводят под зеркало металла так же, как и вдувают воздух, через металлическую трубку. Процесс может идти, например, по такому уравнению:

4Cu₂O+СН₄=СО₂+2Н₂О+8Си.

Для обеспечения более полного раскисления на время «дразнения на плотность» поверхность меди засыпают древесным углем и предварительно тщательно удаляют шлаки во избежание обратного восстановления из них примесей. Шлаки, полученные при рафинировании, содержат 5÷40% SiO₂, 5÷10% Fe, 35÷45% Си, в основном в виде окислов. Кроме того, в шлаках могут быть окиси цинка, никеля и других примесей.

Готовую медь выпускают из печи через вертикальную щель в стенке печи, для чего по мере вытекания меди постепенно сбивают перекрывающую ее плотнику из огнеупорной глины. Медь после огневого рафинирования подают на разливочные машины для отливки анодов почти квадратных плит с ушками, имеющими толщину 40÷50 мм и около метра в длину и ширину (массу 250÷320 кг). Указанные аноды направляются на электролитическое рафинирование.

Электролитическое рафинирование меди проводят в ваннах наполненных раствором сернокислой меди, подкисленным серной кислотой. Размеры ванн зависят от размеров и числа установленных в них электродов. В ваннах устанавливают до 45 катодов и 44 анода. Длина ванны 3÷5, внутренняя ширина 1,0÷1,1; глубина 1,0÷1,3 м, корпуса ванн делают из бетона или дерева, стенки ванны внутри покрывают винипластом, свинцом или другим кислотоупорным материалом Аноды соединяют с положительным полюсом источника постоянного тока. Параллельно каждому аноду по бокам его устанавливают катодные основы, соединенные с отрицательным полюсом. Катодные основы – это тонкие (0,2÷0,3 мм) листы электролитной меди, имеющие петли, с помощью которых их подвешивают в ванне. Катодные основы обычно шире и длиннее анодов и плотными кристаллами оседают на катодных основах. Примеси имеющие более отрицательный потенциал, Zn, Fe, Bi, Ni, Sn, Sb, As и другие переходят в раствор, но не могут выделиться на катоде при наличии в нем большого количества ионов меди. Напряжение между анодом и катодом в ванне ~0,3 В, а электролит содержит 30÷40 г/л Сu и около 200 г/л H₂SO₄; температуру электролита выдерживают в пределах 50÷55⁰С. Электролит ванн непрерывно циркулирует, переливаясь из одной ванны в другую и периодически заменяется и очищается от накопившихся в нем примесей. Растворение анода длится 25÷30 дней, в зависимости от его веса и режима электролиза. Анодные остатки, составляющие около 15% первоначального их веса, извлекают и заменяют но­выми анодами. Катоды выгружают через 5÷12 дней во избежание короткого замыкания катодного осадка с анодом. Шлам, выпадающий на дне ванны, периодически выгружают при чистке ванн и направляют на переработку для извлечения его полезных составляющих. Нередко в шламе содержатся 35% серебра, 14÷16% меди, 5÷6% сурьмы, 6% селена, 3% теллура и до 1% золота, а также другие ценные составляющие.

Катоды, извлеченные из ванн, тщательно промывают водой, а затем их направляют для производства сплавов в электрических или отражательных печах или переплавляют в этих же печах. Из расплавленной рафинированной меди отливают заготовки для прокатки непрерывной разливкой или в изложницы.

Для получения бескислородной меди (марка МОб) и марок меди с пониженным содержанием кислорода (М1р, М2р и др.) переплавку катодов ведут в канальных индукционных электропечах со стальным сердечником, а разливку – непрерывно в защитной среде. Для меди марок с буквой «р» применяют раскисление фосфористой медью.

Медь и медные сплавы.

Товарная чистая медьсогласно ГОСТ 854-66 может быть 10 марок: М00 (99,99% меди), М0 (99,95% меди).МОб (99,97% меди), М1 (99,90% меди), М1р (99.90%меди), М2 (99,70% меди), М2р (99,70% меди), М3 (99,50% меди), М3р (99,95% меди), М4 (99,0% меди).

Марки меди М00, МО и Ml получаются обычно только после электролитического рафинирования меди, другие марки могут быть получены и путем переплавки отходов, а медь МЗ и М4 можно получить только огневым рафинированием меди. В технической меди могут присутствовать примеси Bi, Sb, As, Pb, Sn, Fe, Ni, S, О, сопутствующие – при получении ее из руд и при рафинировании или попавшие в нее при переработке отходов. Более 50% чистой меди потребляет электротехническая промышленность и энергетика в качестве проводников электрического тока. Поэтому большое количество меди подвергается прокатке и волочению. Медь обладает хорошей пластичностью, как в холодном, так и в горячем состоянии. Но не все перечисленные примеси одинаково влияют на пластичность и другие свойства меди. Наиболее осложняют горячую прокатку меди висмут и свинец, поэтому их содержание в высших сортах меди лимитируется тысячными долями процента. Наиболее распространенными и известными сплавами меди являются латуни и бронзы.