В начало Написать нам Карта сайта | RSS
Уральский рынок металлов


Предлагаем Вам разместить информацию в бегущую строку - 1000 рублей в месяц - за каждые 10 слов | Ежедневно посетители сайта смогут видеть информацию о Вашем предприятии. | Минимальные затраты - максимальный результат!!!
Новости Журнал О компании Статьи Аналитика Тендеры Рекламодателям Подписчикам Форумы Бизнес-навигатор Карта сайта Мероприятия Вопросы-ответы
В начало // Журнал / Все номера / УРМ №3 (март 2008) / Металлургия меди " с древнейших времен до наших дней
← оглавление номера

Цветные металлы:

Металлургия меди " с древнейших времен до наших дней

Илья Чудаев, Юрий Верещагин 

(Часть 1)


Медь - один из первых металлов, на котором человечество познало принципы металлургии. От медного и бронзового веков и до нашего времени развитие мировой металлургии было тесно связано с получением красного металла. С наступлением железной эры внимание древних металлургов в основном переключилось на получение стали, но медь не забыли. С распространением артиллерии в XVI в. роль меди (как основного компонента бронзы) возрастает и, следовательно, металлургия меди получает новый толчок к развитию. Но основным катализатором развития металлургии меди, да и всей металлургии в целом, стала повсеместная индустриализация в прошлом веке. За последнее столетие металлургическое оборудование сильно видоизменилось - от неуклюжих чадящих агрегатов до технологий безотходного производства.

Как все начиналось

О появлении металлургии меди можно говорить с тех пор, как человек начал использовать медь, получаемую восстановительной плавкой ее руд - минералов. Первоначально из окисленных, например, малахита СuСО3?Cu(ОН)2. Окисленные руды не требовали предварительного обжига по сравнению с сульфидными, обжиг которых был необходим для удаления химически связанной серы.

Выдвигалось немало гипотез относительно того, как была открыта возможность получения меди путем восстановительной плавки ее руд. По одной из версий первым металлургическим горном явился лагерный костер. Однако, чтобы восстановить руду до металлической меди, необходимы, по крайней мере, два условия. Первое - достаточно высокая температура, чтобы произошло восстановление без принудительного дутья; второе - руда должна быть перемешана и покрыта углем или древесным топливом так, чтобы она находилась в восстановительной зоне пламени. Иначе восстановление до металлической меди не произойдет.

Температура древесного огня - около 700°С. Для восстановления же меди из карбонатной руды - малахита требуется температура не ниже 700-800°С. Поэтому если лагерный костер усиливался при сильном ветре, то температура нагрева становилась достаточной для восстановительного процесса. Но проведенные опыты по плавке малахита на костре, подобном лагерному, показали, что, несмотря на высокую температуру, восстановительной способности среды для получения металла все же не хватало. Малахит лишь кальцинировался, превращаясь в окись меди. Выяснилось, что для выплавки меди необходимо вести процесс в изоляции от избытка кислорода воздуха: в миниатюрном обжигательном горне или же в накрытом тигле.

Следовательно, с большей вероятностью древние мастера производили плавку в печах примитивного типа - например, глиняный горшок (тигель) с рудой и углем помещался в неглубокую ямку с насыпанным поверх слоем древесного угля. В таком сооружении, несомненно, могла быть достигнута температура, необходимая как для восстановительной плавки руды, так и для получения расплава меди, то есть не ниже 1 084°С. Со временем такие печи стали располагать на возвышенностях, так как для поддержания нужной температуры необходимо было создавать дополнительную тягу воздуха, а легче всего достичь этого позволяли сопла, вставленные на краю очажной ямы. Воздух, проникая сбоку внутрь плавильной печи, выходил в ее верхнее отверстие. Со временем печи стали окружать стенками, которые постепенно повышались, - это сооружение стало прообразом современной шахтной печи (рис. 1).

По такому образу была построена древнейшая медеплавильная печь, которую нашли на Синайском полуострове. Она представляла яму, обнесенную круглой стеной толщиной в 1 метр. Печь имела внизу два поддувала. По составу шлака установили, что в этой печи выплавлялась медь. Изображение более совершенной печи было обнаружено на греческой вазе, которая датируется VI в. до н.э. (рис. 2).

Классические технологии

Древние печи для выплавки меди уже напоминали своим устройством шахтную печь, но всё же за образ оригинальной шахтной печи для выплавки меди немецкие металлурги взяли доменную печь. Как известно, первые домны появились в Зигерланде (Вестфалия) во второй половине XV в. (рис. 3).

К этому времени, видимо, относится и использование модификаций этой печи для производства меди. Весь процесс получения меди начали (как и в случае с английскими отражательными печами) называть «немецкая медная плавка». Следующим этапом в усовершенствовании шахтной печи стало применение так называемых ватержакетов (англ. waterjacket, от water - вода и jacket - рубашка, кожух). Шахта печи изготовлялась из металлических кессонов, по которым циркулировала вода для охлаждения. Первыми это улучшение применили в Detroit Copper Company в США в 1882 г., охлаждая шахту печи и тем самым предотвращая быстрый износ футеровки печи (рис. 4).

Затем вместо водяного охлаждения начали применять испарительное. Практически в таком виде шахтная печь и дошла до наших дней (рис. 5).

Процесс получения медного штейна в шахтной печи идёт следующим образом. Загруженная сверху шихта, состоящая из окускованного металлсодержащего сырья, кварцевого флюса и/или известняка и кокса, по мере выгорания кокса и плавления материалов опускается, а вдуваемый через фурмы воздух или кислород, необходимый для сжигания кокса, и продукты горения движутся навстречу шихте. Продукты плавки выпускают через выносной горн или непосредственно из внутреннего горна в отстойный горн (часто с электрическим подогревом) для обеднения шлаков. В зависимости от содержания серы в руде различают пиритную и полупиритную плавку. Недостатки шахтной плавки: необходимость предварительного окускования сырья, большой пылевынос, низкая концентрация SO2 в отходящих газах.

Первым изобретателем отражательной печи следует, по-видимому, считать Леонардо да Винчи. На его рисунках и схемах она была представлена уже довольно подробно (рис. 6). А первым применил отражательную печь для получения меди сэр Клемент Клерке (Clement Clerke), который со своим сыном в 1687 г. организовал производство меди в Англии в городке, находящемся в тогдашнем графстве Бристоль. Запатентовал сэр Клерке эту технологию в 1688 г. Со временем процесс получения меди из сульфидных руд с применением отражательных печей стали называть «валлийская медная плавка» (Welsh process) по месту нахождения основных медеперерабатывающих заводов в Велико¬британии. Конечно, сейчас никто не употребляет этого термина, да и отражательные печи сильно изменились к XX в., но сущность процесса осталась та же (рис. 7).

В пространство печи через загрузочные сопла подают концентрат вместе с флюсом. По мере нагревания шихты в печи протекают реакции восстановления окиси меди и высших оксидов железа. В результате реакции образующейся закиси меди Cu2O с FeS получается Cu2S. Сульфиды меди и железа, сплавляясь между собой, образуют штейн, а расплавленные силикаты железа, стекая по поверхности откосов, растворяют другие оксиды и образуют шлак. Штейн, по мере накопления, выпускают в ковш при температуре 900-1150°С, и он поступает в конвертер для переработки в черновую медь. Штейн содержит, в %: 30-55 меди; 15-50 железа; 20-30 серы; 0,5-1,5 SiO2; 0,5-3,0 Al2O3; 0,5-2,0 (CaO + MgO); около 2% Zn и небольшое количество золота и серебра. Шлак состоит в основном из SiO2, FeO, CaO, Al2O3 и содержит 0,1-0,5% меди.

После появления первых мощных источников электрической энергии возникла возможность плавить металл электрической дугой. И уже в 1886-1888 гг. были запущены электропечи Коульса и первая печь Эру, в которых из глинозема получали ферроалюминий или алюминиевую бронзу. Промышленное развитие дуговые печи получили на грани XIX и XX вв., когда появились первые промышленные печи прямого действия Эру. В основном дуговые печи применялись в чёрной металлургии. Но и в металлургии меди нашли применение руднотермические электропечи, являющиеся разновидностью дуговой печи с закрытой (погруженной) дугой, которая впервые была использована в 1906 г. немецкой компанией SMS Demag для выплавки стали.

Процессы, протекающие в электропечи, аналогичны тем, что проходят в отражательной печи, за исключением того, что тепло, необходимое для плавления, здесь получают не сжиганием углеродистого топлива (природный газ, мазут) в газовом пространстве над поверхностью ванны, а пропусканием через расплавленный шлак электрического тока (ток подводится к шлаку через погруженные в него графитовые электроды).

Но не только англичане, немцы и американцы разрабатывали агрегаты для получения меди. Так, значительно раньше, чем за рубежом, русские инженеры пытались внедрить конвертирование меди. Изобретенный в 1856 г. английским металлургом Г. Бессемером новый способ получения стали путем продувки воздухом расплавленного чугуна быстро распространился в промышленности во всех странах. Десять лет спустя русский инженер В.А. Семенников, работавший на Богословском медеплавильном заводе, решил получить медь из штейна методом бессемерования. Но продувка штейна снизу воздухом позволила получить лишь полусернистую медь (около 79% меди) - так называемый белый штейн. Дальнейшая продувка приводила к закупориванию фурм и затвердеванию меди. Тогда в 1880 г. Семенников предложил продувать расплав сбоку, чтобы воздух поступал непосредственно в рафинируемый расплав, минуя легко затвердевающую медь, которая собирается на дне конвертера. Конвертер такой конструкции был построен и успешно применён на Богословском медеплавильном заводе.

Попытки бессемерования медного штейна в других странах в то время не дали успешных результатов. В США только в 1890 г. были установлены первые медеплавильные конвертеры, но уже к 1908 г. была готова первая версия конвертера Пэриса-Смита (Peirce-Smith), а к 1917 г. модифицированный агрегат работал на семи предприятиях как Северной, так и Южной Америки. Этот классический конвертер так и вошел в историю под именем конвертер Пэриса-Смита (рис. 8).

Процесс конвертирования в таком агрегате выглядит следующим образом. В конвертер через горловину заливают штейн и подают кварцевый флюс, содержащий 70-80% SiO2. Процесс можно разделить на два периода. Первый период - окисление сульфида железа с получением белого штейна. При этой операции в процессе продувки накапливается шлак, его частично удаляют и заливают в конвертер новую порцию исходного штейна, поддерживая определенный уровень штейна в конвертере.

В конце этого периода в конвертере остается главным образом белый штейн, состоящий из сульфидов меди, а шлак сливается в процессе плавки. Во втором периоде, называемом реакционным, из белого штейна образуется черновая медь. В этот период окисляется сульфид меди и по обменной реакции выделяется медь, продукт этого периода - черновая медь. Слив продуктов, как и удаление газов, происходит также через горловину конвертера.

Дальнейшим развитием конвертера Пэриса-Смита стал конвертер Хобокен (Hoboken), в нём отходящие газы направлялись не в горловину, а в специальный дымоход (рис. 9).

Следующим шагом в развитии данного агрегата стал запушенный в 1984 г. конвертер Теньенте (Teniente) (рис. 10) компании Codelco. Продукты данного конвертера содержат: белый штейн 74-76% меди, шлак 4-8% меди и 16-18% оксида железа, отходящие газы 25-35% SO2. Белый штейн периодически сливается и направляется в конвертер Пэриса-Смита, шлак снимают и подают на дополнительную очистку, а отходящие газы идут на производство серной кислоты.

Современные процессы

Схожий по типу с конвертером Теньенте, конвертер Норанда (Noranda) (рис. 11) с 1997 г. применяется на заводе Горн (Horne) как звено в непрерывном технологическом цикле, названном Norsmelt Process. Кратко процесс выглядит так: материал и флюс размером не более 100 мм, подаётся в питатель, расположенный вместе с горелкой в торце конвертера, другая горелка - в противоположном торце. Затем воздух, обогащённый до 30-45% кислорода, подаётся через ряд фурм, расположенных вдоль борта конвертера в жидкий расплав, для очистки фурм применяется установка Gaspe Puncher, передвигающаяся на рельсах вдоль конвертера.

Отходящие газы, скапливающиеся в противоположном конце конвертера, уходят через газоход на очистку. Здесь же находятся два отверстия для выпуска штейна, содержащего 2-3,5% Fe (72-75% Cu), а с торца печи сливают шлак, который обычно содержит 3-5% Cu. Тепло в этом процессе используется для экзотермического окисления сульфидной руды. Для увеличения температуры можно применять уголь или кокс, подавая его вместе с исходным материалом. Также для регулировки скорости процесса и химического состава продуктов применяют различную степень обогащения воздуха кислородом и варьируют скорость подачи материала.

Но Norsmelt Process был не первым непрерывным процессом с участием конвертера, гораздо раньше, в 1974 г., компанией Mitsubishi Materials была разработана технология получения меди, названная Mitsubishi Process. В данном процессе участвуют три агрегата (плавильная печь, электропечь для очистки от шлака и конвертер Mitsubishi), происходит он в непрерывном цикле. Выглядит все это следующим образом (рис. 12): в расплав в плавильной печи через вертикально установленные фурмы подают медный концентрат, флюс и воздух, обогащённый до содержания кислорода в 30-35%. Далее, после расплавления, смесь шлака со штейном, содержащим 65-69% меди, самотёком направляется в электропечь, где происходит разделение и удаление шлака.

Затем штейн также самотёком попадает в конвертер Mitsubishi, куда через вертикальные фурмы подаётся обогащённый воздух (26-28% O2) и небольшое количество флюса, на этом этапе возможна загрузка анодного скрапа и высокосортного лома в конвертер. Полученный конвертерный шлак подвергается повторной очистке. На конечном этапе полученная черновая медь обычно направляется в анодную печь, а затем из неё отливают аноды. Отходящие газы на этапе расплавления и конвертирования идут на производство серной кислоты.

Этот процесс имеет следующие преимущества:

- все агрегаты стационарны, конвертер Mitsubishi также не имеет движущихся частей, то есть отпадает необходимость операций: очистки фурм, поворота конвертера и открытия затвора для выпуска продуктов;

- так как продукты от агрегата к агрегату движутся самотёком, отсутствует надобность в установке кранов и ковшей;

- из-за того, что процесс происходит непрерывно, исключены операции вскрытия и заделки лёток и периодического снятия шлака;

- технология очень гибкая, и её можно подстроить под разное содержание металла в концентрате, и, как уже было сказано, возможно использование вторичной меди.

В последние годы компанией Codelco также был разработан непрерывный процесс получения меди, в основу которого лег конвертер Теньенте.

 

При подготовке статьи были
использованы материалы сайтов:
n-t.ru, www.chemport.ru,
eprints.worc.ac.uk, www.oglibrary.ru,
www.sulphuric-acid.com,
www.ahc.gov.au

Об агрегатах автогенной плавки и электролизе, а также гидрометаллургии меди читайте в следующем номере журнала.

Журнал

   
Ваше имя:  
Пароль:     
  запомнить меня
  Регистрация  Забыли пароль?

Бизнес-навигатор

   Меткомплекс
   Наука и образование
   Органы власти
   Отраслевые союзы
   Смежные отрасли


Атомстрой комплекс
ЛитМаш
ЗаводЭкоТехнологий
 
Отраслевая наука 


 
        ООО «УралИнфо»
   Телефон/факс: (343) 350 71 71
   г.Екатеринбург, ул.Мамина-Сибиряка, 58, офис 601        
            urm@urm.ru
пїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅ пїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅ
«РЎСѓРјРјР° технологий» «Сумма технологий»
продвижение сайта