КОНВЕРТИРОВАНИЕ МЕДНЫХ ШТЕЙНОВ

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ:

Воспроизвести в лабораторных условиях двухстадийный процесс конвертирования с получением черновой меди, определив основной технико-экономический показатель – извлечение.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Конвертирование медных штейнов является заключительной стадией переработки медных руд и концентратов на черновую медь. Этот процесс ставит своей целью полное удаление из штейна железа и серы.

Медный штейн является промежуточным продуктом в процессе получения меди и представляет собой сплав сульфидов меди и железа с небольшим содержанием сульфидов других металлов и магнетита. Переработка медного штейна на черновую медь методом конвертирования осуществляется путем продувки через расплавленный штейн воздуха в присутствии кварцевого флюса. Основными реакциями процесса конвертирования являются реакции окисления сернистого железа и полусернистой меди кислородом вдуваемого воздуха.

Вследствие различия в сродстве к кислороду и сере у железа и меди конвертирования протекает в два периода.

Первый период. В первом периоде происходит окисление сернистого железа за счет кислорода воздуха и ошлакование закиси железа кремнеземом кварцевого флюса:

FeS + 1, 5O₂= FeO + SO₂ (2.1)

2FeO + SiO₂ = 2FeO ∙ SiO₂ (2.2)

Продувка продолжается до тех пор, пока не будет окислено практически полностью все сернистое железо штейна. После этого штейн по своему составу представляет почти чистую полусернистую медь, называемую на заводах «белым штейном». Реакция (2) образования силиката закиси железа при низких температурах протекает медленно. Достаточную скорость эта реакция приобретает только при температуре выше 1230⁰С. В начале продувки штейна температура в конвертере обычно ниже 1230⁰С из-за его охлаждения при простое без дутья. Поэтому образовавшаяся по реакции (1) закись окись железа переокисляется кислородом воздуха до магнетита:

6FeO + O₂ = 2 Fe₃O₄ + 144000 кал (2.3)

При этом температура в конвертере повышается.

Образовавшийся при низких температурах магнетит при повышении температуры в конвертере может частично восстанавливаться до закиси железа за счет сернистого железа в присутствии кремнезема:

4Fe₃O₄ + FeS + 5SiO₂ = 5(2FeO∙ SiO₂) + SO₂ (2.4)

Наличие большого количества магнетита в конверторном плане является нежелательным, т.к. приводит к обогащению шлака медью, делает его вязким и затрудняет дальнейшую переработку конвертерного шлака в отражательной печи.

Для снижения содержания магнетита в конверторном шлаке необходимо вести процесс при высокой температуре и при наличии достаточного количества кварцевого флюса. Конвертирование медных штейнов обычно проводится при температурах 1200-1350⁰С. Содержание кремнезема в конверторном шлаке должно составлять 25-28%.

В первом периоде конвертирования, возможно, некоторое окисление полусернистой меди:

Cu₂S + 1, 5O₂ = Cu₂O + SO₂ (2.5)

Однако образовавшаяся закись меди реагирует с сернистым железом и вновь переходит в сульфид, что обусловлено большим сродством железа к кислороду, а меди – к сере:

Cu₂O + FeS = Cu₂S + FeO. (2.6)

Второй период. После того, как все сернистое железо будет окислено и конверторный шлак слит из конвертера, начинается второй период процесса конвертирования. К этому времени расплавленная масса в конвертере представляет почти чистую полусернистую медь. Во втором периоде происходит частичное окисление полусернистой меди до закиси меди и взаимодействие закиси меди с полусернистой медью с образованием металлической меди:

Cu₂S + 1, 5O₂ = Cu₂O + SO₂ (2.7)

2Cu₂O + Cu₂S = 6Cu + SO₂ (2.8)

Металлическая медь и полусернистая медь обладают при температурах конвертирования ограниченной взаимной растворимостью. Поэтому во втором периоде происходит расслаивание расплава с образованием металлического слоя.

Реакции (1), (2), (3), (5) протекают со значительным выделением тепла. Поэтому при проведении процесса конвертирования дополнительный обогрев конвертера не требуется, а в некоторых случаях приходится снижать температуру в конвертере холодными присадками.

3. ОБОРУДОВАНИЕ, ТЕХНИЧЕСКИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА:

В лабораторных условиях конвертирование медного штейна проводится в тигле, который помещается в электропечь с силитовыми нагревателями. Температура в печи измеряется платино-платинородиевой термопарой и регулируется прибором ПСР 1-03.

Подача воздуха в расплав осуществляется от лабораторной воздуходувки по алундовой трубке, расход воздуха замеряется ротаметром. Флюсы загружают через воронку. Схема установки представлена на рис. 4.

Рисунок 4 - Схема установки для продувки штейна на черновую медь

1- электропечь, 2- тигель с расплавом, 3 – термопара, 4- загрузочная воронка, 5- ротаметр

Для проведения работы необходим медный штейн, состав которого дается преподавателем, а также кварц с крупностью зерен 0, 5 – 1мм.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка для плавки медного концентрата представляет собой электропечь с силитовыми нагревателями и плотно закрываемой крышкой. Температура в печи контролируется платино-платинородиевой термопарой. Шихта для плавки загружается в термостойкие фарфоровый (или алундовый) тигель, тигель устанавливается в печь, предварительно разогретую до нужной температуры. Флюсы подаются в тигель через загрузочную воронку. Дутье подается через алундовую трубку воздужом от коипрессора, расход воздуха контролируется ротаметром.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Работа начинается с расчета количества кварцевого флюса, необходимого для образования шлака в первом периоде конвертирования. Состав штейна и другие, необходимые для расчета данные задаются преподавателем. Методика расчета приведена ниже.

Для проведения работы берется 30г штейна. Штейн загружается в фарфоровый (или алундовый) тигель и ставится (осторожно, чтобы не треснул тигель) в предварительно разогретую электрическую печь.

Когда штейн расплавится, и температура в печи достигнет 1250⁰С, на поверхность расплавленного штейна через загрузочную воронку загружается третья часть от общего рассчитанного количества кварца и пускается воздух.

Конец фарфоровой трубки, из которого выходит воздух, должен находиться над поверхностью штейна в таком положении, как это показано на рисунке 1. Количество подаваемого воздуха и расстояние конца фарфоровой трубки от поверхности штейна регулируется таким образом, чтобы струя воздуха отдувала в сторону шлак, обнажая свободную поверхность штейна, не вызывая разбрызгивания штейна.

Работать на установке можно только в защитных очках и спецодежде, соблюдая правила техники безопасности.

Конвертерный шлак снимается с поверхности штейна с помощью железного прутка. Для этого концом слегка нагретого прутка прикасаются к поверхности шлака. Шлак прилипает (намерзает) к прутку, извлекается из печи и отбивается от прутка. Отбитый шлак следует собирать. Съем шлака надо проводить очень аккуратно, иначе вместе со шлаком будет извлечено значительное количество штейна. После съема шлака в тигель загружается следующая порция кварца.

При конвертировании небольшой навески штейна в тигле трудно заметить конец первого и начало второго периода. Поэтому часть шлака обычно остается в тигле до конца процесса и отбивается от черновой меди после ее охлаждения. Конец продувки определяется по очень характерному изменению цвета поверхности расплава. Появление голубого цвета расплавленной меди, а также прекращение выделения сернистого газа указывает на окончание процесса. Подача воздуха после этого прекращается.

По окончании продувки тигель извлекается из печи и охлаждается. Черновую медь выбивают из тигля, отделяют от остатков шлака и взвешивают. Шлак взвешивают отдельно. Полученные результаты сравнивают с расчетными данными, и определяется извлечение меди в черновую медь.

ПРИМЕР РАСЧЕТА

Предположим, что конвертированию подвергается штейн следующего состава: 60% Cu, 16% Fe и 23% S. Навеска штейна 30г. Кварцевый флюс содержит 96% SiO₂. В конвертерном шлаке желательно иметь 52% Fe и 26% SiO₂.

а) Потребное количество кварцевого флюса

можно принять, что при конвертировании практически все железо штейна переходит в конвертерный шлак. Тогда вес шлака будет:

SiO₂ в конвертерном шлаке:

9, 2 ∙ 0, 26 = 2, 4г

Это количество SiO₂должно быть введено с кварцевым флюсом. Количество кварцевого флюса:

2, 4: 0, 96 = 2, 5г.

б) Извлечение меди в черновую медь

Предположим, что в результате конвертирования получили 17г черновой меди. Содержание меди в черновой меди можно принять равным 99%. Извлечение меди в черновую медь будет:

в) Определение теоретически необходимого количества воздуха для конвертирования

В результате конвертирования вся сера штейна переходит в конвертерные газы в виде SO₂, а все железо штейна – в конвертерный шлак в виде FeО. Образование этих соединений происходит за счет кислорода воздуха, вдуваемого в конвертер.

Потребуется кислорода для окисления серы до SO₂:

Потребуется кислорода для окисления железа до FeО:

Всего потребуется кислорода:

6, 9, + 1, 4 = 8, 3г

или воздуха по весу 8, 3: 0, 23 = 36, 1г

или воздуха по объему 36, 1,: 1, 293 = 28л.

С учетом потерь воздуха при продувке берем избыток 40%:

28 ∙ 1, 4 = 39, 2л

Такое количество воздуха должно быть продуто через расплав в течение 45-60минут. За это время будет закончен процесс получения черновой меди.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Цель процесса конвертирования.

2. Продукты конвертирования, их состав.

3. Химизм процесса конвертирования.

4. Флюсы (состав, качество).

5. Чем объясняется двухстадийность процесса?

6. Температурный режим конвертирования.

7. Конструкция горизонтального конвертера.

8. Оценка конвертерного передела.

8. ЗАДАНИЕ: Рассчитать количество кварцевого флюса для образования шлака. Провести в лабораторных условиях двухстадийный процесс конвертирования с получением черновой меди. Определить извлечение меди в черновую медь. Обработать результаты.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

⇐ Предыдущая 1 2 345 Следующая ⇒