1.3.5 Огневое рафинирование черновой меди
Черновая медь может содержать до 4% примесей. 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]
Возможны три варианта организации рафинирования меди в промышленных условиях:
1.Обе стадии рафинирования проводятся на том же предприятии, где выплавляется черновая медь. В этом случае на огневое рафинирование поступает расплавленная медь.
2. Обе стадии рафинирования осуществляют на специальных рафинировочных заводах, на которые медь поступает в слитках массой до 1500 кг. Такая технология требует повторного расплавления чернового металла, но позволяет, как и в варианте 1, на месте перерабатывать анодные остатки электролизных переделов и технологический брак процессов огневого и электролитического рафинирования.
3. Огневое рафинирование жидкой черновой меди осуществляют на медеплавильных заводах, а электролиз проводят централизованно на специальных предприятиях.
Третий вариант рафинирования черновой меди на отечественных предприятиях не применяется. Он является характерным, в частности, для заводов США.
Цель огневого рафинирования сводится к частичной очистке меди от примесей, обладающих повышенным сродством к кислороду, и подготовке ее к последующему электролитическому рафинированию. При огневом рафинировании из расплавленной меди стремятся максимально удалить кислород, серу, железо, никель, цинк, свинец, мышьяк, сурьму и растворенные газы. Медь после огневого рафинирования разливают в слитки пластинчатой формы с ушками — аноды, которые направляют в электролизный цех. Поэтому печи для огневого рафинирования часто называют анодными печами.
На современных предприятиях для огневого рафинирования меди используют в основном два типа печей: стационарные отражательные и наклоняющиеся.
Стационарная рафинировочная печь по устройству похожа на отражательную печь для плавки концентратов, но имеет ряд специфических конструктивных особенностей. Вместимость современных анодных печей — до 400 т жидкой меди.
Анодные печи покоятся на столбчатом фундаменте, что обеспечивает повышенную стойкость подины. На одной из продольных стен печи имеются рабочие окна с опускающимися заслонками, предназначенные для загрузки в печь твердых материалов и обслуживания печи во время работы. Рафинировочные печи отапливаются только высококачественным топливом (природный газ или мазут). Топочная сторона печи имеет форкамеру, в которой начинается горение топлива. Окна для съема шлака расположены обычно в задней торцовой стенке печи. Рабочие и шлаковые окна можно использовать для окислительной и восстановительной обработки расплавленной меди. [10]
На противоположной длинной стороне печи имеется щелевая летка, которую перед началом загрузки закладывают огнеупорным кирпичом или заделывают глиной. Во время разливки меди в конце операции щель постепенно разбирают сверху, что обеспечивает почти постоянный напор струи жидкой меди.
Стационарные отражательные печи(рис. 1.6) применяют для огневого рафинирования как жидкой, так и твердой черновой меди, а также для переплавки и дополнительного рафинирования катодной меди при изготовлении из нее вайербарсов — слитков особой формы, используемых в дальнейшем для проката и волочения проволоки.
Рис.1.6 Стационарная рафинировочная печь: 1 — столбчатый фундамент; 2 — основной фундамент; 3 — лещадь; 4 — откос; 5 — шлаковое окно; 6 — каркас крепления печи; 7 — газоход; 8 — свод; 9 — стены; 10 — горелочное окно; 11 — горелка; 22 — загрузочные (рабочие) окна; 13 — щелевая летка
Наклоняющиеся рафинировочные печи (рис. 1.7) конструктивно сходны с горизонтальными конвертерами, но имеют большую вместимость (до 300 т). У таких печей горловина смещена обычно к одному торцу. Ее используют для заливки жидкой черновой меди, загрузки твердых оборотов и отвода отходящих газов. Для выпуска отрафинированной меди со стороны разливочной машины в печи сделана летка диаметром ~ 60 мм. Напор струи жидкой меди регулируется в этом случае углом поворота печи в сторону розлива.
Рис.1.7. Наклоняющаяся рафинировочная печь: 1 — окно для горелки; 2 — кожух печи; 3 — футеровка; 4 — горловина; 5 — напыльник; 6 -окно для дразнения; 7 — привод поворота печи; в — летка для меди; 9 — фурма
Наклоняющиеся рафинировочные печи имеют ряд преимуществ перед стационарными, но пригодны только для переработки жидкой черновой меди. Загрузка через горловину (с большой высоты) массивных слитков черновой меди приводит к быстрому разрушению футеровки пода.[7]
Огневое рафинирование меди — периодический процесс. Он состоит из последовательных стадий, включающих подготовку и загрузку печи, плавление или разогрев меди, окислительную обработку расплава и съем шлака, восстановительную обработку (дразнение) и разливку готовой меди.
Подготовка рафинировочной печи сводится к ее осмотру, заделке изъянов в футеровке и заправке выпускной летки. Далее проводят загрузку печи. При рафинировании твердой меди массивные слитки загружают в стационарную печь через рабочие окна с помощью загрузочной машины — шаржирного крана с хоботом. Жидкую медь заливают ковшами по желобу или через горловину (в наклоняющиеся печи); продолжительность загрузки — до 2 ч. [5]
Расплавление твердой меди занимает до 10 ч. При переработке жидкой меди и небольшого количества твердых, главным образом оборотных материалов, длительность этой стадии значительно сокращается. Период расплавления и разогрева расплава сопровождается частичным окислением твердой меди и расплава кислородом, присутствующим в атмосфере печи.
После разогрева ванны до температуры ~ 1200 °С начинается стадия окислительной продувки меди для окисления примесей с повышенным по сравнению с медью сродством к кислороду. Расплавленную медь окисляют воздухом, который вдувают в ванну на глубину 600- 800 мм с помощью погружаемых в расплав стальных трубок, покрытых снаружи огнеупорной обмазкой.
Теоретически при взаимодействии с кислородом дутья должны были бы сразу окисляться примеси, обладающие большим по сравнению с медью сродством к кислороду. Однако на практике с учетом закона действия масс в первую очередь окисляется медь, концентрация которой по сравнению с примесями является преобладающей. В конце окислительной продувки шлак обычно сгребают деревянными гребками. Шлаки рафинировочных печей содержат до 50 % Сu. Выход шлаков составляет 1- 2 % от массы меди. Рафинировочные шлаки для обеднения возвращают в процесс конвертирования.[5]
Продолжительность окислительной продувки зависит от степени загрязнения исходной черновой меди и составляет 1,5- 4 ч. Продутая воздухом медь насыщена кислородом и газовыми пузырьками, которые удаляются при восстановительной обработке меди (дразнении).
Дразнение можно проводить свежесрубленной древесиной (бревнами), мазутом или природным газом. При разложении восстановительных реагентов образуются водород, оксид углерода и углеводороды, которые взаимодействуют с растворенной Cu20 и восстанавливают ее по реакциям:
Cu2O + Н2 = 2Сu + Н,O; (1.11)
Cu2O + СО = 2Сu + СО; (1.12)
4Cu2O + СН4 = 8Cu + СO2 + 2Н2O. (1.13)
В процессе дразнения ванна хорошо перемешивается газовыми пузырьками, что обеспечивает высокую степень восстановления Cu3O, удаление растворенных газов и способствует глубокой десульфуризации меди.
Продолжительность периода дразнения достигает 2,5- 3 ч и определяется степенью насыщения продутой ранее меди кислородом. После дразнения получают плотную красную медь, содержащую не более 0,01 % S и до 0,2 % O2. Такую медь разливают в аноды.
Для разливки применяют изложницы, установленные на горизонтальных разливочных машинах карусельного типа. Подачу жидкой меди из печи в изложницу проводят через промежуточный наклоняющийся ковш, оборудованный на ряде заводов дозирующим устройством, обеспечивающим постоянство массы отливаемых анодов. Этот ковш прерывает струю меди во время перемещения изложниц. Разливка анодов из печи емкостью 200- 250 т продолжается до 5- 6 ч.
Готовые аноды имеют длину 800- 900 мм, ширину 800- 900 мм и толщину 35- 40 мм. Масса анодов на разных заводах составляет 240 — 320 кг.
Общая продолжительность огневого рафинирования при переработке твердой меди составляет ~ 24 ч.
По технологии огневого рафинирования перерабатывают и вайербарсы — заготовки для получения проволоки — часть полученной катодной меди. Медь дополнительно очищают от серы, перешедшей в нее в виде механических захватов сернокислого электролита в процессе кристаллизации катодного осадка. Катодную медь переплавляют в стационарных отражательных печах, полностью аналогичных анодным печам. Рафинировочные печи в этом случае называют вайербарсовыми. Вайербарсы разливают на карусельных машинах одновременно по 4 штуки в одну изложницу. Основной недостаток описанного метода рафинирования меди — периодичность процесса. [7]