Электролитическое рафинирование меди

Содержание

 

Содержание 2

ВВЕДЕНИЕ 3

1 Технологическая  схема 7

1.1 Описание  технологической схемы 8

1.2 Плавка  на штейн 8

1.3 Конвертирование  медного штейна 12

1.4Рафинирование  меди 15

1.4.1. Огневое  рафинирование меди 15

1.4.2 Электролитическое  рафинирование меди 18

2 Расчеты 25

2.1 Расчет  материального баланса 25

2.2 Расчет  объема электролита, выводимого  на регенерацию 30

2.3 Расчет  состава отработанного электролита 31

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 33

ВВЕДЕНИЕ

Медь — мягкий, вязкий и ковкий металл красного цвета. Она легко  прокатывается в тонкие листы  и вытягивается в проволоку. По электропроводности медь уступает только серебру.

Электролитическое рафинирование  является завершающей стадией технологии производства цветных металлов. В результате электролитического рафинирования обеспечивается не только очистка металлов от примесей, оказывающих вредное влияние на их свойства, но и извлечение благородных и некоторых редких металлов. При расчете процесса электролитического рафинирования составляют материальный, энергетический и тепловой балансы, определяют объем и скорость циркуляции электролита, а также его долю, выводимую на регенерацию (при рафинировании меди). Металлическая медь после огневого рафинирования (анодная медь) содержит ряд примесей (Fe, Sb, Ni, Fe, Se и др.), а также благородные металлы. Многие примеси ухудшают механические свойства меди и ее электропроводность. Электролитическое рафинирование обеспечивает получение меди высокой чистоты (> 99,9 %), обладающей повышенной электропроводностью и пластичностью, при этом благородные металлы, а также редкие элементы, такие, как селен и теллур, переходят в шлам.

Целью данной работы, является изучение процесса электролитического рафинирования меди и его технико-экономических параметров.

Основные характерные свойства меди обусловливают многочисленные области ее применения. Основными потребителями меди и ее соединений являются:

1) электротехника  и электроника (провода, кабели, обмотки электродвигателей, токоподводящие шины, детали радиоэлектронных приборов, фольга для печатных схем и др.);

2. машиностроение (теплообменники, опреснительные установки и др.);
3. транспорт (детали и узлы железнодорожных вагонов, автомобилей, самолетов, морских и речных судов, тракторов и т. д.);
4. строительные материалы (кровельные листы, детали декоративных архитектурных украшений);
5. химическая промышленность (производство солей, красок, катализаторов);
6. изделия и приборы бытового назначения (детали часов, посуда, скобяные изделия, детали холодильников, стиральных машин и бытовых электроприборов, декоративные изделия и украшения и др.)

Источниками получения меди являются руды, продукты их обогащения  - концентраты - и вторичное  сырье. На долю вторичного сырья в  настоящее время приходится около 40 % от общего выпуска меди.

Медные  руды практически полностью относятся  к полиметаллическим. Возможными природными спутниками меди, как и других тяжелых цветных металлов, являются большинство элементов 4—6-го периодов периодической системы Д. И. Менделеева.

Основные страны с богатыми месторождениями  меди это : Чили-22%, США-12%, Китай -6%, Казахстан-5%, Польша-5%, Индонезия-4%, Россия-3%, Замбия-3%. Лидируют по добыче медной руды ( данные ICSG) : Чили-34%, США-10%, Индонезия-8%, Перу-7%, Австралия-6%, Канада-5%, Россия-4%, Польша-3% от мирового запаса.

Крупнейшие компании по добыче медной руды: Codelco-11%, Phelps Dodge-8%, Rio Tinto-7%, BHP Billiton-7%, Grupo Mexico-5%, PT Pakuafu Indah-5%, Angio American-4%, Норильский никель-3%, KGHM Polska Miedz 3% мировой добычи.[5]

К крупнейшим месторождениям относятся: Чукикамата, которое уже отрабатывается более 100 лет (26млн т) в Чили, и Эскондида (23,6млн т), которое начали отрабатывать с 1990 года в Чили, Грасберг (27,1млн  т) в Индонезии, Кольяуаси (17 млн т) Чили, Октябрьское (16 млн т) Россия и  Удокан (14 млн т) Россия.

В числе недавно освоенных крупных  месторождений относятся: Антамина в Перу, Эль-Тесоро в Чили, Салобу и Соссегу в Бразилии, Нурказган  в Казахстане. Активно разведываются  Ую-Толгой в Монголии, Пэббл на Аляске, Эль-Пачон в Аргентине.

В число крупнейших медных рудников открытого типа (карьеров) входят: Эскондида (годовая мощность 1200 тыс тонн), Грасберг (годовая мощность 800 тыс тонн), Чукикамата (годовая мощность 600 тыс тонн).

Крупнейшие подземные рудники  в мире: самый большой в мире чилийский Эль-Теньенте ( добыча около 450 тыс тонн) и Андина (мощность 250 тыс тонн), польские Рудна, Польковице-Серошовице и Любин суммарно – 450 тыс тонн, подземные рудники Норникеля (мощность более 400 тыс тонн).

Самые крупные месторождения в  современной России находятся в  Таймырском АО: Октябрьское, Талахнинское и Норильск – I, они дают две трети  добычи на сегодняшний день. На одном  только Октябрьском месторождении  получают почти 57% российской рудничной меди.

В медном производстве используют все типы руд: сульфидные (сплошные и вкрапленные), окисленные, смешанные и самородные. Однако основным медным сырьем являются сульфидные вкрапления, запасы которых в недрах являются наибольшими. Из сульфидных руд в настоящее время выплавляют 85—90 % всей первичной меди.

Известно  более 250 медных минералов. Большинство  из них встречается редко. Наибольшее промышленное значение для производства меди имеет небольшая группа минералов, состав которых приведен в Таблице 1.[3]

 

 

 

 

 

Таблица 1 -  Медные минералы

	Содержание  меди, %
Халькопирит - CuFeS2	34,5
Ковеллин - CuS	66,4
Халькозин - Cu2S	79,8
Борнит  -  Cu5FeS4	63,3
Малахит   CuCO3·Сu(ОН)2	57,4
Азурит   -  CuCO3·2Cu(OH)2	55,1
Куприт  - CuO	88,8
Хризоколла  - CuSi03·2H2O	36,2
Самородная   медь Си,   Аu,   Ag, Fe, Bi и др.	До 100 %

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Технологическая схема

Медны концентрат

               Кварц          известняк

Плавка на штейн

 

 

    Газы Штейн Шлак

 

В производство           кварц                                               дутье                 в отвал

Н2SO4

Конвертирование

  Конвертированный

           шлак Черновая медь Газы

                          Огневое рафинирование         В производство H2SO4 

 

Анодная медь

 

Электролитическое рафинированин

Шламы                                                                                            Катодная медь

 

На извлечение Au, Ag, Se, Te, НПГ                                         К потребителю

Рисунок 1 – Технологическая  схема переработки меди

1.1 Описание технологической  схемы

Источниками получения меди являются руды, продукты их обогащения – концентраты – вторичное сырье. Переработка медных руд и концентратов на черновую медь может осуществляться несколькими способами. Но мы рассмотрим способ, приведенный в технологической схеме. Наиболее распространенная технология предусматривает использование следующих технологических процессов: плавку на штейн, конвертирование медного штейна, огневое и электролитическое рафинирование меди. В отдельных случаях перед плавкой на штейн проводят окислительный обжиг, только для высокосернистых, бедных по меди концентратов. В нашем случае мы не будем подвергать медный концентрат обжигу.

1.2 Плавка на штейн

Плавка медного штейна в отражательной печи

Целью плавки медного штейна является максимальное извлечение меди в штейн и перевод пустой породы в шлак.

Как отмечалось, основную часть штейна выплавляют из сырых (необожженных) медных концентратов. В шихту при этом вводят немного флюсов - известняка и кварца. Загружаемая шихта ложится  откосами вдоль стен (при плавке огарка она растекается по поверхности  шлака). Шихта и поверхность жидкой ванны нагреваются факелом, образующимся при сгорании топлива. Передача теплоты внутри слоя шихты происходит только за счет теплопроводности. Механизм плавки в отражательной печи можно представить  следующим образом. Нагрев шихты, лежащей на поверхности откосов,  за счет теплоты, излучаемой факелом, сопровождается сушкой материала и термической диссоциацией высших сульфидов и других неустойчивых соединений. По мере нагрева в поверхностных слоях шихтовых откосов начинают плавится легкоплавкие составляющие шихты – сульфидные оксиды и оксидные эвтектики. Образующийся при этом первичный расплав стекает по поверхности откосов, растворяет в себе более тугоплавкие компоненты и попадает в слой шихтового расплава. С этого момента фактически начинается разделение шлаковой и штейновой фаз. Капли оксидной фазы растворяются в общей массе шлака, имеющегося постоянно в печи, а капли штейна проходят через слой шлака и образуют в нижней части ванны самостоятельный штейновый слой.

Отражательная печь для плавки медных концентратов – плавильный агригат  с горизонтальным рабочим пространством. Внутренние размеры следующие: длина 28-35м, ширина 6-10м, высота 4-4,5м, площадь пода от 180 до 350 кв.м. Конструктивно печь состоит из фундамента, стен, подины, свода, каркаса, устройства для загрузки шихты и выпуска продукта плавки, горелок для сжигания топлива. Фундамент изготавливают из литого шлака, кирпича, бетона. Стены из хромомагнезитового кирпича.

Рисунок 2 – Отражательная печь с подвесным сводом          

1 - лещадь, 2 – фундамент, 3 – окно  для горелки, 4 - металлический каркас, 5 – запасный шпур, 6 – загрузочные  отверстия, 7 – шпуры для выпуска  штейна, 8 - шлаковое окно, 9 -  газоход, 10 – свод, 11 - стена

 

В печи развиваются высокие температуры (1500-1650 °С).  Когда температура  на поверхности загружаемой шихты  достигает примерно 915 - 950 ^оС, начинают плавиться сульфидные соединения, образующие штейн. Наряду с плавлением сульфидов продолжается нагрев остальных материалов и при температурах порядка 1000 °С в расплав начинают переходить оксиды, образующие шлак. Интервал температур плавления основных шлаков составляет 30-80 ⁰С. С увеличением степени кислотности шлака этот интервал растет и может достигать 250-300 ⁰С.

По мере нагрева шихта плавится и стекает с откосов в слой шлакового расплава, где протекает  разделение штейновой и шлаковой фаз - капли штейна опускаются через  слой шлака. Происходит это поскольку  штейн и шлак нерастворимы друг в  друге, а плотность штейна (4,2-5,2 г/см³) заметно выше плотности шлака (2,6-3,2 г/см³).

Основными химическими реакциями  в ванне являются: разложение (термическая  диссоциация) высших сульфидов, окисление  образующейся при разложении сульфидов  серы и окисление части FeS за счет реагирования с оксидами железа. При  этом удаляется 45-55 % серы, содержавшейся  в шихте. (При переплаве огарка, не содержащего высших сульфидов, основными  реакциями являются: окисление части FeS оксидами железа и восстановление Cu₂O  при этом из шихты удаляется менее 20-25 % серы.)

Благородные металлы (золото и серебро) плохо растворяются в шлаке и  практически почти полностью  переходят в штейн.

Штейн отражательной плавки на 80-90 % (по массе) состоит из сульфидов  меди и железа Cu₂S и FeS. Остальная часть представляет собой оксиды других металлов. Штейн содержит 15-55 % Cu, 15-50 % Fe, 20-30 % S, 0,5-1,5 % SiO₂, 0,5-3,0 % Аl₂О₃, 0,5-2,0 % (СаО + MgO), около 2 % Zn и небольшие количества Au и Ag. Шлак состоит в основном из SiO₂, FeO, СаО и Аl₂О₃ и содержит 0,1-0,5 % Cu. Так же получаются газы 0,5-1,5 % SiO₂  и CO_2, которые потом идут на производство Н₂SO_4.

Извлечение меди и благородных  металлов в штейн достигает 96-99,5 %. Количество шлака составляет примерно 1,1 - 1,5 т/т штейна, который поступает в отвал. Состав шлаков отражательной плавки по содержанию шлакообразующих компонентов может изменяться в широком диапазоне.  Он зависит от ряда условий – состава и вида перерабатываемого сырья, наличия дешевых и доступных флюсов, ряда технологических факторов.  Содержание шлакообразующих компонентах в реальных шлаках может изменяться в следующих пределах, %:  Сu 0,3 – 0,8, SiO₂ 32-46, FeO 35-55, CaO 1,5-22, Al₂O₃ 3-10,Zn до 6-8, S 0,5-1,5.

Отвальные шлаки выпускают из печей  через шлаковые окна, размещенные  в конце печи, чаще всего на обеих  сторонах печи.

Отходящие газы отражательных печей представляют собой смесь технологических и топочных газов. Технологические газы образуются в результате термического разложения неустойчивых химических соединений (высших сульфидов, карбонатов и др.) и взаимодействия сульфидов с высшими оксидами железа. Их объем невелик. Основную массу составляют топочные газы, образующиеся при сжигании топлива. Поэтому в отходящих газах содержится всего 0,5-1,5% SO₂. Наиболее распространенным топливом для отражательной печи является природный газ.