Технология производства меди на ОАО «Среднеуральский медеплавильный завод»

3.1. Области использования и потребления меди

 

1. Электроника и электротехника – провода, кабели, обмотка электродвигателей, фольга, электропроводимые шины (45-25%)
2. Машиностроение и транспорт – теплообменники, радиаторы, детали и узлы автомобилей, самолетов, судов, вагонов и т.д. (15-25%)
3. Строительные материалы – кровельные материалы, декоративные украшения (8-10%)
4. Химическая промышленность – соли входят в состав красок, катализаторы (3-6%)
5. Изделия бытового назначения – посуда, часы, украшения (10%)

 

3.2 Физические и химические свойства меди

 

Цвет меди красный, в  изломе розовый, при просвечивании  в тонких слоях зеленовато-голубой. Металл имеет гранецентрированную  кубическую решётку с параметром а = 3,6074 ; плотность 8,96 г/см³ (20 °С). Химическая активность меди невелика. Компактный металл при температурах ниже 185 °С с сухим воздухом и кислородом не взаимодействует. В присутствии влаги и CO₂ на поверхности меди образуется зелёная плёнка основного карбоната. При нагревании меди на воздухе идёт поверхностное окисление; ниже 375 °С образуется CuO, а в интервале 375—1100 °С при неполном окислении меди . — двухслойная окалина, в поверхностном слое которой находится CuO, а во внутреннем — Cu₂O. Влажный хлор взаимодействует с медью уже при обычной температуре, образуя хлорид CuCl₂, хорошо растворимый в воде. Особое сродство медь проявляет к сере и селену; так, она горит в парах серы С водородом, азотом и углеродом медь не реагирует даже при высоких температурах. Растворимость водорода в твёрдой меди незначительна и при 400 °С составляет 0,06 мг в 100 г меди. Водород и другие горючие газы (CO, CH₄), действуя при высокой температуре на слитки меди, содержащие Cu₂O, восстановляют её до металла с образованием CO₂ и водяного пара. Эти продукты, будучи нерастворимыми в меди, выделяются из неё, вызывая появление трещин, что резко ухудшает механические свойства меди.

При пропускании NH₃ над раскалённой медью образуется Cu₃N. Медь подвергается воздействию окислов азота, а именно NO, N₂O (с образованием Cu₂O) и NO₂ (с образованием CuO). Карбиды Cu₂C₂ и CuC₂ могут быть получены действием ацетилена на аммиачные растворы солей М. Нормальный электродный потенциал меди для реакции Cu²⁺ + 2e ® Сu равен +0,337 в, а для реакции Cu⁺ + е ® Сu равен +0,52 в. Поэтому медь вытесняется из своих солей более электроотрицательными элементами (в промышленности используется железо) и не растворяется в кислотах-неокислителях. В азотной кислоте медь растворяется с образованием Cu(NO₃)₂ и окислов азота, в горячей концентрации H₂SO₄ — с образованием CuSO₄ и SO₂, в нагретой разбавленной H₂SO₄ — при продувании через раствор воздуха. Все соли меди ядовиты

Медь в двух- и одновалентном  состоянии образует многочисленные весьма устойчивые комплексные соединения. Примеры комплексных соединений одновалентной меди (NH₄)₂CuBr₃; K₃Cu(CN)₄ — комплексы типа двойных солей; [Сu {SC (NH₂)}₂]CI и другие. Примеры комплексных соединений 2-валентной меди CsCuCI₃, K₂CuCl₄ — тип двойных солей. Важное промышленное значение имеют аммиачные комплексные соединения меди [Сu (NH₃)₄] SO₄, [Сu (NH₃)₂] SO₄.

3.3. Сырье для производства меди

 

Основное сырье для  производства меди – руда. Медь может  производится из вторичного сырья (отходы металлообработки, металлолом, брак)

Руда состоит из минералов, различают минералы:

- ценные (в их состав  входят извлекаемые металлы)

- пустой породы

По минералогическому  составу медные руды делятся на:

- сульфидные

- окисленные

- смешанные

- самородные

По количеству сульфидов:

- сплошные - полностью состоят из сульфидов

- вкрапленные – сульфиды  присутствуют в виде вкраплений

По количеству ценных компонентов:

- монометаллические

- полиметаллические (комплексные)

3.4. Основные минералы меди

 

Сульфидные:

- ковелин CuS,

- халькопирит CuFeS2,

- халькозинCu2S,

- бормит Cu5FeS4,

- кубанит CuFe2S3

Окисленные:

- малахитCuCO3 Cu(OH)2,

- куприт Cu2O,

- азурит CuCO3 Cu(OH)2,

- тенорит CuO

Кроме медносодержащих  минералов в руде может содержаться:

- cфалерит ZnS

- пирротин Fe7S8

- пирит FeS2

- галинит PbS

В руде рисутствуют минералы пустой породы, в основном оксиды (SiO2, CaO, Al2O3, MgO), силикаты, карбонаты, алюмосиликаты.

Содержание меди в  рудах: 0,5-1,5 меди, 0,8-1,5 в основном –  руды с таким содержанием в  металлообработку сразу отправлять нельзя. Применяют обогащение. Метод флотации – получают медный концентрат с содержанием меди 10-30 %, максимальное количество меди в концентрате до 50%. В России основными предприятиями по производству меди являются: Норильский никель, Северный никель, Пышма, Среднеуральский медеплавильный завод.

4. Интенсификация процесса плавки медного сырья

 

Целью плавки любого типа является перевод всей перерабатываемой шихты в расплавленное и газообразное состояние с получением штейна или  чернового металла, возгонов и шлака и их разделением.

Значительные различия физико-химических свойств химических соединений, составляющих шихту и, в  первую очередь, температуры их плавления  приводят к постепенному формированию расплава. Сначала образуется первичный  расплав из наиболее легкоплавких компонентов, а затем происходит растворение в них более тугоплавких веществ.

Следовательно, процессы штейно- и шлакообразования протекают  в две стадии: расплавление легкоплавких составляющих шихты и растворение  более тугоплавких веществ в  этих расплавах.

Из числа присутствующих в сульфидных шихтах химических соединений наиболее легкоплавкими являются сульфиды (за исключением ZnS). При этом их эвтектические смеси по сравнению с отдельными сульфидами имеют еще меньшие температуры плавления. Поэтому процессы штейнообразования начинаются раньше процессов шлакообразования и идут с большими скоростями.

Шлакообразование начинается позднее и происходит медленнее  потому, что для большинства оксидов  шихты температура плавления  выше, чем температура в печи. При ограниченных температурах в плавильных агрегатах особо важное значение приобретают процессы растворения тугоплавких оксидов в первичных шлаковых расплавах.

Процессы растворения  являются диффузионными и поэтому  протекают значительно медленнее  процессов расплавления легкоплавких компонентов.

Образование шлаков в  металлургических печах начинается, как правило, с получения оксидно-сульфидных эвтектик или более сложных многокомпонентных  легкоплавких композиций.

В дальнейшем в них  растворяются более тугоплавкие оксиды и, в первую очередь, кремнезем, вводимый обычно в шихту в виде кварцевого флюса.

На скорость растворения  кремнезема в фаялитовом расплаве наибольшее влияние оказывает интенсивность  движения шлака, крупность частиц флюса  и его реакционная способность. В условиях отражательной плавки (при которой наблюдается наименее интенсивное перемешивание по сравнению с другими известными пирометаллургическими процессами) около 50—60 % кварцевого флюса, несмотря на длительное пребывание в расплаве (10—15 ч), не успевает полностью раствориться в шлаке. Мелкие частицы кварца образуют тонкую взвесь, а более крупные плавают на поверхности шлаковой ванны в виде "кварцевой шубы". Эксперименты показывают, что принудительное перемешивание расплава вызывает резкое ускорение процесса растворения тугоплавких составляющих шихты.

Наиболее медленным  этапом плавки, даже для современных  процессов, у которых время завершения других стадий мало, является коалесценция сульфидных капель и разделение штейна и шлака.

Значительная часть меди находится в шлаках в виде эмульсии — мелких капель штейна. Кроме того, при восстановлении или сульфидировании металлов в шлаковом расплаве обычно образуется дополнительное количество капель металлсодержащей фазы, отстаивание которых происходит крайне медленно и не успевает завершиться за приемлемое с практической точки зрения время. Поэтому необходимо обеспечить принудительное укрупнение штейновых или металлических частиц.

Можно однозначно утверждать, что именно медленное укрупнение мелкой штейновой (металлической) взвеси и ее отделение от шлака являются одним из самых медленных этапов плавки в целом

Наиболее эффективным  приемом ускорения коалесценции штейно-вой взвеси является перемешивание  шлака с получающимся при плавлении  штейном. Известно, что даже загрузка сульфидов на поверхность шлаковой ванны и однократная промывка шпака каплями штейна заметно обедняют шлак.

Сочетание процессов  восстановления и перемешивания  шлака со штейном позволяет резко  интенсифицировать укрупнение штейновых  частиц и разделение фаз. Доказано, что крупность частиц при этом возрастает настолько, что для разделения штейна и шлака требуется менее 1 ч вместо 8—12 ч.

Правильная организация  процесса разделения фаз создает  предпосылки для резкой интенсификации работы плавильных агрегатов и повышения их удельной производительности.

Анализ переработки  сульфидного сырья на штейн позволил выявить роль и взаимосвязь последовательных элементарных стадий физико-химических превращений и установить, что  оптимизация технологии плавки требует  определенного сочетания следующих условий:

1. создание условий для высокой степени использования кислорода газовой фазы в локальной зоне металлургического реактора деленной от конечных продуктов плавления;
2. обеспечение высокой скорости массообменных процессов в системе исходные твердые компоненты — конечные расплавы;

3) создание условий для достижения заданного приближения к равновесию между конечными продуктами плавки;

4)ускорение укрупнения диспергированного штейна или металла и обеспечение полноты разделения продуктов плавки.

Результаты научных  разработок позволили сформулировать основной принцип новой технологии: плавление сырья и массообмен осуществляются в турбулентно перемешиваемой ванне эмульсии штейна (металла) в  шлаке.

Перемешивание расплава при барботаже его технологическими газами, образующимися при, подаче дутья в расплав через боковые фурмы, обеспечивает требуемую степень турбулизации для ускорения металлургических превращений в зоне расплава выше уровня фурм.

При этом обеспечивается коалесценция мелких штейновых капель и формирование составов фаз, близких к конечным. Расслаивание штейна и шлака организовано в прямоточном потоке вертикально движущихся расплавов. Это обеспечило совмещение в одном агрегате для непрерывного процесса реакционной зоны с высокой степенью турбулентности движения барботируемого расплава и зоны с ламинарным движением расплава, необходимой для организации разделения и отдельного выпуска шлака и штейна (металла).

Научно обоснованная оптимизация организации физико-химических процессов и движения расплава позволила создать новую технологию — плавку в жидкой ванне

Сравнительные технико-экономические  показатели

Показатель	ПЖВ	Отражательная плавка
Удельный проплав, т/(м2 • сут)	60—80	4—5
Содержание меди, %: в  штейне	45—55	20—30
в шлаке (без обеднения)	0,5—0,6	0,4—0,5
Содержание Si02 в шлаке, %	30—32	34—42
Влажность шихты, %	6—8	6—8
Максимальная круп ность  шихты, мм	До 50	5
Пылевынос, %	1	1—2
Содержание О2в дутье, %	60—65	До 25
Содержание SO2 газах, %	20—40	1—2
Расход условного топ лива, %	До 2	18—22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В ходе работы были раскрыты основные цели программы перспективного развития предприятия являются:

- повышение эффективности  работы подразделений предприятия;

- увеличение объема  производства продукции;

- повышение комплексности  использования сырья;

- экономия материальных  и энергоресурсов;

- уменьшение вредного  воздействия на окружающую среду;

- автоматизация и механизация  технологических процессов.

Так же были рассмотрены задачи: