1.3.4 Конвертирование медных штейнов
Медные штейны, содержащие в зависимости от состава исходного рудного сырья и вида применяемого процесса плавки от 10 до 75 % Сu, повсеместно перерабатывают методом конвертирования. На конвертирование, кроме штейна, в расплавленном или твердом состоянии поступают богатые медью обороты, кварцевый флюс (часто золотосодержащий) и другие материалы.
Основная цель процесса конвертирования — получение черновой меди за счет окисления железа и серы и некоторых сопутствующих компонентов. Благородные металлы практически полностью (а также часть селена и теллура) остаются в черновом металле. Вследствие экзотермичности большинства реакций конвертирование не требует затрат постороннего топлива, т.е. является типичным автогенным процессом.
Организационно процесс конвертирования медных штейнов делится на два периода. Первый период — набор сульфидной массы. В основе его лежит процесс окисления сульфидов железа и перевод образующихся при этом его оксидов в шлак. Преимущественное окисление сульфидов железа в первом периоде обусловлено повышенным сродством железа к кислороду по сравнению с медью.
Обычно конвертирование медных штейнов ведут при 1200- 1280°С. Чрезмерно высокие температуры (свыше 1300°С) ведения процесса способствуют быстрому разрушению футеровки конвертера.
Первый период процесса конвертирования носит циклический характер. Каждый цикл состоит из операций заливки жидкого штейна, загрузки кварцевого флюса и холодных присадок, продувки расплава воздухом, слива конвертерного шлака. Длительность каждого цикла в зависимости от состава исходного штейна составляет 30- 50 мин. После каждой продувки в конвертере остается обогащенная медью сульфидная масса. Содержание меди в массе постепенно возрастает до предельной величины, отвечающей почти чистой полусернистой меди (Cu2S).
Продолжительность первого периода определяется, кроме содержания меди в штейне, количеством подаваемого воздуха, которое зависит в основном от размеров (числа фурм) и состояния конвертера и организации работы. При богатом штейне (35- 45 % Сu) первый период продолжается 6- 9 ч, при бедном (менее 20- 25 %) 16- 24 ч. На 1 кг FeS, содержащегося в штейне, требуется около 2 м² воздуха.
Коэффициент использования конвертера под дутьем в первом периоде составляет 70- 80 %. Остальное время тратится на слив шлака и на загрузку конвертера.По окончании первого периода и слива последней порции шлака в конвертере остается почти чистая полусернистая медь — белый штейн (78- 80 % Сu).
Второй период — получение черновой меди из белого штейна проводится непрерывно в течение 2- 3 ч при подаче в конвертер только дутья.
Для конвертирования штейнов используют горизонтальные конвертеры (рис.1.4). Конвертер представляет собой железный сварной кожух с торцовыми днищами, футерованный хромомагнезитовым кирпичом. Вблизи торцовых днищ на корпусе закреплены два опорных бандажа. Рядом с одним из них установлен зубчатый венец, соединенный через редуктор с электроприводом. С помощью этого устройства конвертер поворачивается вокруг горизонтальной оси. [6]
Рис. 1.4. Горизонтальный конвертер:
1 — электродвигатель; 2— редуктор; 3 — сальниковое устройство; 4,5 — зубчатый и опорный бандажи соответственно; 6 — горловина; 7— фурма-коллектор; 8 — шариковый клапан; 9 — фурменная трубка; 10 — опорный ролик.
Все обслуживание конвертера (загрузка, слив расплавов, удаление газов) осуществляют через горловину, находящуюся в средней части корпуса. Воздух подают в конвертер через фурмы, расположенные на одной стороне корпуса по его образующей. В последние годы на конвертерах стали применять фурму-коллектор. В этом устройстве воздушный коллектор устанавливают на уровне фурменных трубок, закрепленных в его корпусе. На противоположной стороне коллектора точно по оси фурменных трубок приварены шариковые запорные клапаны, позволяющие чистить фурмы без прекращения подачи дутья в работающий конвертер.
Выходные отверстия фурменных трубок постепенно зарастают, что приводит к уменьшению их сечения, снижению расхода воздуха и в конечном итоге производительности конвертера. В связи с этим фурмы периодически чистят с помощью стального ломика — фурмовки. При введении фурмовки шарик клапана поднимается в верхнее гнездо и пропускает ее в фурменную трубку. После вывода фурмовки из фурмы шарик скатывается в исходное положение и под воздействием сжатого воздуха, находящегося в коллекторе, плотно перекрывает входное отверстие, что предотвращает утечку воздуха. Фурмы чистят вручную или механически с помощью пневматических фурмовок.
Продолжительность процесса конвертирования (производительность конвертера) при прочих равных условиях определяется объемом вдуваемого в конвертер воздуха, расход которого зависит от живого сечения всех фурм, т.е. от количества фурм и их диаметра. Практикой установлено, что через 1 см3 сечения фурм можно подать за 1 мин всего 0,9- 1,1 м3 воздуха.
Горизонтальные конвертеры — аппараты периодического действия. Основными рабочими положениями конвертера в зависимости от угла его поворота вокруг горизонтальной оси являются: заливка штейна, продувка штейна (фурмы погружены в расплав), слив шлака, слив черновой меди (рис. 1.5). Газы, образующиеся при продувке штейна, поступают через горловину.
Несмотря на значительную герметизацию напыльников, подсосы воздуха к отходящим газам очень велики и составляют до 300... 400 % от объема первичных конвертерных газов.
Рис.1.5. Рабочие положения горизонтального конвертера:
Газы процесса конвертирования, содержащие до 4,5 % SО2, используют для получения серной кислоты.[7]
Черновая медь выпускается шести марок с суммарным содержанием меди, золота и серебра не менее 99,4% (МЧ1) и 96% (МЧ6). Наиболее строгие требования при этом предъявляются к содержанию в черновой меди висмута, мышьяка и сурьмы.Прямое использование черновой меди потребителями не допускается вследствие присутствия примесей, ухудшающих электрические, механические и другие важнейшие свойства меди, и ценных элементов-спутников. Вся черновая медь подлежит обязательному рафинированию.
Рафинирование черновой меди по экономическим соображениям проводят в две стадии. Сначала медь от ряда примесей очищают методом огневого (окислительного) рафинирования, а затем электролитическим способом. Возможно одно электролитическое рафинирование. Однако без предварительной, частичной очистки меди электролиз становится чрезмерно дорогим и громоздким.[6]