Производство меди Лекция 5
Cu № 29 Атомная масса 63, 546 Валентность +1 и +2 +1 - как элемент, в минералах, продуктах пиропереработки +2 - в природе, в продуктах окисления Тпл. = 1084, 5 °C Ткип. = 2540 °C Cu – вязкий, мягкий, ковкий, мало активный металл – легко прокатывается в тонкие листы, фольгу, протягивается в проволоку В ряду напряжения Cu более электроположительна, чем Н 2
Cu Легко растворяется в HNO 3 и горячей H 2 SO 4 Не растворяется (в отсутствии окислителя) в HCl и H 2 SO 4 При Т < 800 °C окисляется до Cu. O 4 Cu. O→ Cu 2 O + О 2 При Т > 800 °C окисляется до Cu 2 O При взаимодействии с S образует Cu. S и Cu 2 S При Т= 400 -450 °C 4 Cu. S → Cu 2 S + S 2 Во влажном воздухе в присутствии СО 2 → [Cu. CO 3 • Cu(OH)2] В пирометаллургических процессах и продуктах Сu одновалентна
Сплавы на основе Cu Cu • • • Добавки Бронза 90 10 Sn Латунь 70 30 Zn Мельхиор 68 30 Ni – 1 Mn - 1 Fe Нейзильбер 65 20 Zn – 15 Ni Константан 59 40 Ni – 1 Mn Копель 55 44 Ni – 1 Mn Куниаль 76 20 Ni – 4 Al Манганин 82 4 Ni – 14 Mn Монетные (95 Cu – 5 Al «медь» и 80 Cu – 20 Ni «серебро» ) Характеризуются: - высокими антифрикционными свойствами - хорошей коррозионной стойкостью - высокой электропроводимостью, пластичностью, прочностью
Области применения • Сельское хозяйство (удобрения) • Электротехника (провода, кабели, фольга) • Машиностроение (теплообменники) • Транспорт (элементы конструкций, детали) • Строительство (кровля, архитектурные детали) • Химическая промышленность (соли, реагенты) • Быт (техника, посуда, украшения)
Потребление меди
Биологическая роль меди Медь присутствует во всех организмах и необходима для нормального развития (участвует в ферментативном катализе). Взрослому человеку необходимо 0, 9 мг меди в день. В растениях и животных содержание Cu от 3 до 10 %. Мышечная ткань человека содержит 1*10 -3 % меди, костная ткань — (1 -26)*10 -4%, в крови – 1, 01 мг/л. В организме человека (масса тела 70 кг) содержится 72 мг меди. Соединения (соли) меди - медный купорос Cu. SO 4 и др. - ядовиты. ПДК для аэрозолей меди составляет 1 мг/м 3, для питьевой воды содержание меди должно быть не выше 1, 0 мг/л.
Сырье для получения Cu • Руды СУЛЬФИДНЫЕ (СПЛОШНЫЕ, ВКРАПЛЕННЫЕ) ОКИСЛЕННЫЕ СМЕШАННЫЕ САМОРОДНЫЕ • Концентраты • Вторичное сырье
Сырье для получения Cu • Основные запасы – сульфидные полиметаллические руды (до 90% всей первичной меди) • Рентабельный минимум – 0, 4÷ 0, 5 % • Попутно извлекаются до 30 элементов (Au, Ag, Zn, Pb, Ni, Co, Pt, S, Se, Te, Cd, Ge, Re, In, Ta, Mo, Fe, Bi, As, Ro, Os, Pd и другие) • Известно более 250 минералов Cu
Химические соединения меди в руде Cu – самородная медь, металл инертный на воздухе Cu. Fe. S 2 – халькопирит Cu 2 S – халькозин Результат кристаллизации сульфидов из магмы Cu 2 О – результат взаимодействия сульфидов с кислородом (входит в состав минерала куприт) Cu. СО 3∙Cu(OH)2 – результат взаимодействия сульфидов с СО 2 (входит в состав минерала малахит) Кларк меди – среднее содержание меди в земной коре – 0, 047 % В рудных месторождениях содержится от 0, 5 до 5 % меди
Способы получения • Пирометаллургический способ (90 %) состоит в получении меди путем ее выплавки из медных руд. Он включает обогащение руды, обжиг, плавку на полупродукт – штейн, выплавку из штейна черновой меди, рафинирование. • Гидрометаллургический способ (10 %) состоит в извлечении меди путем ее выщелачивания (например, слабыми растворами серной кислоты) и последующего выделения металлической меди из раствора.
Добыча меди Крупнейшие производители меди: США, Россия, Чили, Китай, Япония В России добыча меди ведется как шахтным (подземным), так и открытым способом.
Добыча руды
Норильский промышленный район с к-р Скальный р. Октябрьский Оз. Пясино р. Таймырский Талнахская ОФ Надеждинский металлургический завод Кайерканский угольный разрез МЦ Кайеркан Дудинка а/п Алыкель Е н и с е й р. Комсомольский Талнах Медный завод Норильск шх. Маяк шх. Скалистая шх. р. Норильская Никелевый завод Аглофабрика р. Известняков р. Ангидрит р. Заполярный Норильская ОФ Оз. Мелкое к-р Медвежий ручей Добыча медноникелевых руд Добыча нерудных полезных ископаемых
Талнахский рудный район ВС-2 СХЕМА ТАЛНАХСКОГО РУДНОГО УЗЛА ВС-1 ВС-4 ВС-3 ВС-5 ВС-6 Поле рудника «Октябрьский» Октябрьское Поле шахты месторождени «Скалистая» ВЗС-1, ВСС-1 Поле рудника е «Таймырский» КС-1, СС 1 Талнахское ВПС ПЗС месторождение КС-2, СС-2 ВС-9 КС-3, СС-3 Условные обозначения СВС СС ЗЗС Поле рудника КС «Комсомольский» ЮЗВ С СС КС ЗЗС Поле шахты «Маяк» ВС-8 Проекции залежей: - богатых руд - медистых руд - вкрапленных руд - богатых руд в стадии отработки - отработанных богатых руд - медистых руд в стадии отработки - вкрапленных руд в стадии отработки - шахтные стволы и горизонтальные горные выработки, вскрывающие залежи (условно) - Норильско-Хараелахский разлом
Вертикальная проекция рудных тел
Вскрытие месторождений и основные вскрывающие выработки 1 – скиповой ствол; 2 – клетьевой ствол; 3 – наклонный ствол; 4 – вентиляционный ствол; 5 – уклон; 6 – квершлаг; 7 – наклонный съезд; 8 – копер; 9 – рудное тело; 10 – граница рентабельности открытой разработки
Обогащение руды Руда (5% меди) Обогащение Концентрат (30% меди)
Принципиальная схема обогащения
Талнахская обогатительная фабрика. Отделение флотации
Технологическая схема производства Заполярного филиала ОАО «ГМК «Норильский никель» Никель электролитный ОЛПК** Ni к-т Никелевый завод Шламы в МЦ Гравио концентрат Кобальт металлический НМЗ Файнштейн на КГМК Медный завод Медь электролитная Аноды медные Ni к-т Cu к-т Гравиоконцентрат ТОФ Po к-т Хвостохранилище «Лебяжье» Отвальные хвосты Медистые НОФ Вкрапленные ЛПК* Концентраты по типам Cu к-т Готовая продукция Металлургия Файнштейн Обогащение руды Руды по типам Богатые Заполярный Комсомольский Таймырский Октябрьский Медвежий ручей Добыча руды Мет алл урги ческ ий цех * ЛПК - лежалый пирротиновый концентрат ** ОЛПК - обогащенный лежалый пирротиновый концентрат Шламы в МЦ Концентрат МПГ на КЗЦМ
Медный завод Сушка концентрата Cu концентрат Электро фильтры SO 2 Конвертирование Штейн Оборотная пыль Сушильные башни Контактный аппарат Медь черновая Никелевый завод SO 3 Медь цементная Cu - Ni купорос Газ в атмосферу Скруббер Квенчер Плавка в ПВ Отвальный шлак Анодная плавка H 2 SO 4 Скруббер «Вентури» Маточный р-р Разливка анодов Шлак никелевый Катоды медные Корпус приготовления раствора Электро фильтры Реактор Аноды на электролиз Конденсатор Электролиз Товарная кислота Фильтрация Газ в атмосферу Конвертер Шламы ДМ в МЦ Печь дожига Сера Конденсатор
Окислительный обжиг Cu концентратов • Цель – частичное удаление S и перевод части Fe. S 2 в форму шлакуемых при плавке оксидов • Окислительный обжиг применяется для высокосернистых, бедных по Cu рудах • Т обжига - 750÷ 900 °C 2 Me. S + 3 O 2 = 2 Me. O + 2 SO 2 + Q Продукты: огарок – на плавку газы – после очистки на производство H 2 SO 4 пыль – после очистки в оборот
Плавка на штейн Нагрев шихты до 1300 – 1400 о. С с получением штейна (Cu и ценные Me) и шлака (пустая порода) шихта Fe. S 2 при нагреве 800 – 900 о. С при нагреве до 1150 о. С при нагреве до 1250 о. С Fe. S + без кислорода Cu. Fe. S 2 + Si. O 2 + Fe 3 O 4 Fe. S + Cu 2 S + S Fe. S + Cu 2 S (жидкий штейн) жидкий штейн Si. O 2 + Fe 3 O 4 (жидкий шлак)
В присутствии кислорода: Cu. Fe. S 2 + Fe. S 2 при нагреве Cu 2 S + Fe. S + O 2 + + SO 2 Fe 3 O 4 + Si. O 2 + Fe. O 800 – 900 о. С при нагреве до 1150 о. С Fe. S + Cu 2 S (жидкий штейн) при нагреве до 1250 о. С жидкий штейн отходящий газ Fe. O + Si. O 2 + Fe 3 O 4 жидкий шлак
История создания процесса Ванюкова 1949 год А. В. Ванюков получил первое авторское свидетельство на изобретение "Плавка в жидкой ванне" (ПЖВ)
Переименование процесса 1988 год Совет Министров СССР в ознаменование заслуг Андрея Владимировича присваивает плавке в жидкой ванне новое имя "Процесс Ванюкова", а печь называют "Печь Ванюкова” (ПВ)
Сущность процесса Ванюкова Сущность технологии заключается в двухстадийной непрерывной переработке рудного сырья в одном металлургическом агрегате. Технология реализуется в двухзонной печи Ванюкова специально разработанной конструкции. В первой зоне осуществляется полное расплавление непрерывно загружаемой шихты. Во второй – также непрерывная восстановительная (восстановительно-сульфидирующая) обработка расплава с получением отвального шлака и металлической фазы.
Схема движения материалов в двухзонной печи Ванюкова.
Краткое описание технологии Руда, уголь и флюсы из шихтовых бункеров, оборудованных ленточными весодозаторами, непрерывно конвейерами подаются в ванну расплава плавильной зоны.
Процесс плавления шихты В процессе Ванюкова стадии нагрева, диссоциации неустойчивых химических соединений, плавление и растворение тугоплавких компонентов совмещены во времени и пространстве. Нагрев шихты, удаление влаги и диссоциация неустойчивых химических соединений начинаются во время ее вертикального движения (падения) к поверхности расплава и завершаются в барботируемой области ванны. Процесс плавления протекает в шлаковой ванне, интенсивно перемешиваемой боковым дутьем.
Краткое описание технологии По мере наплавления жидкий шлак непрерывно перетекает над перегородкой из плавильной зоны в восстановительную зону
Основные достоинства процесса Ванюкова Универсальность Высокая удельная производительность Непрерывность и стабильность процесса по всем параметрам Минимальный расход топлива Экологичность Низкий пылевынос Экономичность
Конвертирование Переработка штейна (12÷ 75% Cu) на черновую медь • 1 период – набор сульфидной массы 2 Fe. S + 3 O 2 = 2 Fe. O + 2 SO + Q 2 Fe. O + Si. O 2 = 2 Fe. O • Si. O + Q 2 2 Т= 1200÷ 1280°С Продолжительность - 6 ÷ 24 часа Продукты: - белый штейн (80 % Cu) - конверторный шлак - SO 2 -содержащие газы
Конвертирование
Конвертирование • 2 период – получение черновой меди Cu 2 S + O 2 = 2 Cu + SO 2 + Q Продолжительность процесса 2 часа Продукт – черновая медь МЧ 1 (99, 4 %) ÷ МЧ 6 (96 %)
Огневое (окислительное) рафинирование • Цель – очистка от примесей, обладающих повышенным сродством к кислороду, и подготовка к электролитическому рафинированию • Периодический процесс - подготовка и загрузка (2 часа) - плавление или разогрев Cu (10 часов) - окислительная обработка и съем шлака (4 часа) - восстановительная обработка (3 часа) - разливка Cu в аноды (99, 4÷ 99, 6 %)
Электролитическое рафинирование Цели: – Получение меди высоких марок (>99, 96 %) – Извлечение благородных металлов Состав электролита: - Cu. SO 4 (30÷ 50 г/л Cu) - H 2 SO 4 (110÷ 200 г/л) - Коллоидные добавки
Электролитическое рафинирование Аноды – черновая медь Катоды – рафинированная медь А: Cu°- 2ē = Cu 2+ К: Cu 2+ + 2ē = Cu° Параметры процесса: Температура - 55÷ 65°С Плотность тока - 250÷ 300 А/м² Напряжение – 0, 3 В Выход по току - 93÷ 95 % Расход электроэнергии - 200÷ 300 к. Вт • час/тонну Cu
Электролиз Сu
Электролитическое рафинирование Распределение примесей • Более электроотрицательные (Fe, Co, Ni, Sn, Pb) – анодно растворяются и переходят в электролит • Имеющие потенциал, близкий к потенциалу Cu (Sb, As, Bi) – в электролите • Более электроположительные (благородные Ме) – выпадают в осадок (шлам) • Нерастворимые (Cu 2 O, Cu 2 Se, Cu 2 Te, Cu 2 S) – выпадают в шлам
