Производство меди

Медные руды содержат 1—5 % меди. Медь в них находится в виде сернистых соединений CuS, Cu₂S, CuFeS₂, оксидов CuO, Cu₂O, карбонатов. Наряду с медью эти руды часто содержат никель, цинк, свинец, золото, серебро и другие металлы.

Медь получают в основном пирометаллургическим способом из сульфидных руд. Процесс выплавки включает обогащение и обжиг руды, выплавку полупродукта — штейна, из которого затем получают черновую медь. Для очистки от примесей черновую медь рафинируют.

1. Обогащают медные руды обычно методом флотации, основанном на различном смачивании водой соединений меди и пустой породы. В флотационной машине измельченная руда, вода и флотационные реагенты (например, пихтовое масло) образуют пульпу. Флотационные реагенты адсорбируются на частицах руды в виде пленок, не смачиваемых водой. При продувке пульпы пузырьки воздуха концентрируются на поверхности этих частиц и увлекают их вверх, образуя слой пены, а смачиваемая водой пустая порода оседает на дно ванны. Собранную пену фильтруют, сушат и получают концентрат, содержащий 15—35 % меди.

2. Обжигают концентрат при 750—850 °С в воздушной атмосфере с целью окисления сульфидов и уменьшения содержания серы.

Прогрессивным является обжиг в кипящем слое. Измельченный концентрат загружается в печь через окно 3 (рис. II. 16). Снизу в печь по каналу 2 и отверстия в поддоне 1 подается воздух. Давление воздуха устанавливается таким, чтобы частицы концентрата находились во взвешенном сипящем») состоянии. Обожженный концентрат «переливается» через рог 5 печи в виде огарка. Отходящие сернистые газы очищаются в циклонах 4 и направляются в сернокислотное производство.

Рис. 11. 16. Схема печи для обжига концентрата в кипящем слое.

3. Штейн выплавляют из концентрата в отражательных печах. Такие печи строят длиной до 40 м и емкостью до 100 т и более переплавляемой шихты. Отапливают печь мазутом, угольной пылью или газом. Максимальная температура в головной части печи составляет 1550 °С и постепенно снижается к хвостовой части до 1250—1300 °С. Шихту загружают вагонеткой через отверстия в своде печи.

В процессе плавки протекают реакции:

2Cu₂S + 2CuO = 6Cu + SO₂;

2Cu + FeS = Cu₂S + Fe;

Cu₂O + FeS = Cu₂S + FeO.

В результате этих реакций на поддоне печи скапливается расплавленный медный штейн — сплав сульфидов Cu₂S и FeS, содержащий 20— 60 % Си, 10—60 % Fe и до 25 % S. Образующиеся при плавке силикаты железа растворяют другие окислы и всплывают в виде шлака.

4. Черновую медь получают при продувке расплавленного штейна воздухом в конвертере (рис. II. 17) — горизонтально расположенном цилиндрическом сосуде из листовой стали длиной 5—10 и диаметром 3—4 м, футерованном магнезитовым кирпичом 2. Воздушное дутье подводится по трубам 3 и подается внутрь конвертера через 40—50 фурм 4, расположенных по его образующей. Для заливки штейна в горловину I и выливки продуктов плавки конвертер поворачивают на роликах 5.

Рис. 11. 17. Схема конвертера для получения черновой меди.

Конвертирование протекает в два периода:

В первом периоде (5—25 ч) окисляются сульфиды железа и меди:

2FeS + ЗО₂ = 2FeO + 2SO₂,

2Cu₂S + ЗО₂ = 2Cu₂O + 2SO₂.

Образующийся при этом оксид железа FeO связывается флюсом-кремнеземом SiO₂ и удаляется в шлак (2FeO₂ • SiO₂).

Во втором периоде (2—3 ч) окисляются сульфиды меди и восстанавли­вается медь:

2Cu₂S + 3О₂ = 2Cu₂O + 2SO₂,

Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu + SO₂.

Полученную медь называют черновой, так как она содержит до 1,5 % примесей. Для очистки от примесей черновую медь подвергают огневому и электролитическому рафинированию.

5. Огневое рафинирование заключается в окислении примесей в отражательных печах при продувке черновой меди воздухом — при этом кислород воздуха соединяется с медью и образует оксид Си₂О, который затем реагирует с примесями металлов (Me) по реакции

Me + Cu₂O = MeO + 2Cu.

Одновременно окисляется и сера:

Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu + SO₂.

После этого приступают к раскислению меди — восстановлению Си₂О. Для этого медь перемешивают деревянными жердями. Бурное выделение паров воды и углеводородов способствует удалению газов и восстановлению меди:

4 Cu₂О + СН₄ = 8 Cu + 2Н₂О + СО₂.

После огневого рафинирования чистота меди достигает 99—99,5 %.

6. Электролитическое рафинирование применяют для получения меди чистотой до 99, 95 %. Электролиз проводят в специальных ваннах. Анодами служат пластины из черновой меди размером 1×1 м и толщиной 50 мм, катодами — листы толщиной 0,5 мм из чистой меди, электролитом — водный раствор серной кислоты и сернокислой меди.

При прохождении тока напряжением 2—3 В и плотностью 100— 400 А/м² анод растворяется, медь переходит в раствор в виде катионов, которые затем разряжаются на катодах и откладываются слоем чистой меди. При этом примеси осаждаются на дно ванны в виде шлама. Иногда в шламе содержатся до 35 % Ag, 6 % Se, 3 % Fe, 1 % Аu и другие ценные элементы. Поэтому шламы обычно перерабатывают с целью извлечения этих элементов.