Мысты штейнді конвертірлеу

Арылту

     Өңдеусіз мыс арылту үшін пешке салынады. Мыстың бір бөлігін және қоспалардың көп бөлігін тотықтандыру үшін балқып тұрған мысқа ауа нығыздалып беріледі. Мышьяк пен сурьманың қалдықтарын аластату үшін флюс ретінде натрий карбонаты қосылады.

      Оператор қоспалардың құрамы қай кезде керекті деңгейіне жететіндігін анықтау үшін материалдан сынамасын таңдап алады.

      Тотыққан мыстың құрамы мазуттың көмегімен азайтылады да мыстың құрамдылығы 99,5 пайыз болатындай өнім шығарылады. Ол қалыптарға құйылады. Алынған мыстың түрін «анод» деп атайды.

      Анодтар полимерлік-бетон ыдыстарға салынады. Әрбір анодтың жанына катод деп аталатын мыстың жіңішке қаңылтыры қойылады. Сол мыс қаңылтырлары арқылы электр тогы өткізіледі – анод оң электрод болып табылады, ал катод теріс электрод.

      Ыдыстар анод пен катодтың арасында электр тогының өткізгіші ретінде роль атқаратын мыс сульфатының қышқылды ерітіндісімен толтырылады. Мыс анодта ерітіліп, катодқа ауыса береді. Шамамен екі аптадан соң анодтардағы мыс катодтарға ауып болады.

      Мыс қаңылтырларын жасау кезінде қалған қоспалар (шламдар) ыдыстың түбіне түседі. Сол шламдардың құрамында күміс пен алтын болады.

      Катодтар ыдыстан алынады, сонда олар тазалығы 99,95-99,99 пайыз болатын мыстан тұрады. Шламдар қымбат металлдар зауытына тасымалданып, сол жерде олардан тауарлық металлдар алынады.

Мысты штейнді конвертерлеу

       Әдетте мыс концентратының  құрамы және ондағы мыстың  мөлшері тұрақты болмай, белгілі  шектен ауытқып отырады. Концентраттағы  мыстың мөлшері оның рудада  қандай қосылыс түрінде кездесетіндігіне  байланысты. Егер руда халькопирит  (CuFeS₂) түрінде кездессе, мыстың ең көп дегендегі мөлшері 34,5% болады, ал халькозин(Cu₂S) түрінде кездессе, ол 80%-ке дейін барады.

      Концентрат  күйдірілгеннен кейін шахталы  немесе жалынды пештерде қорытылып,  штейнге айналады.

      Штейн дегеніміз  – құрамында мыс және темір  сульфиді, аздаған темір тотығы  және Au, Ag, Sb, тағы басқа элементтері  бар шала өнім. Штейннің балқу  температуурасы оның құрамына  байланысты 1173°К-тан 1423°К-қа дейін  өзгереді. Оның құрамында 10-60% мыс, 10-58% тамір, 20-25% күкірт болады. Мыс  концентраты мен флюсты жалын  шағылыстыру пешінде немесе шахталы  пеште қорыту арқылы щтейн  алады. Соңғы кезде металлургияда  жалын шағылыстыру пештері, шахталы  пештерге қарағанда, жиірек қолданылып  жүр. 

      Тік шахталы  пештің жұмыс істеу принципі  мен құрылысы домна пештерінікіне  ұқсас. Штейн пеште мынадай  реакциялардың жүруі нәтижесінде  пайда болады: 1173°K (900°C) температурада мысты4 күкіртті қосылыстары мен тотықтары химиялық реакцияға түсіп, таза мыс түседі, яғни:

                                Cu₂S+2Cu₂O= 6Cu+SO₂,

                                                 Cu₂O+2Cuo=4Cu+SO_2.

       Реакция  нәтижесінде пайда болған мыс,  пириттің мөлшері рудада жеткілікті  болған жағдайда, онымен мына  реакциялар бойынша әрекеттеседі:

                                 FeS+2Cu=Cu₂S+Fe,

                                Cu₂O+FeS=2Cu+SO₂.

        Сульфид қосылыстарының (FeS және CuS) мөлшері қорытпада белгілі белгілі қатынаста болғанда мыс штейні түзеледі.

Металлургиялық     шикізаттардың     өңделуіне     қойылатын     талаптардың     елеулі жоғарылауына байланысты автогенді  процестер мыс өндірісінде мысты жəне полиметалды шикізаттарды   өңдеудің   өте   тиімді   технологиясы   болып   табылады.   Бұл   процестер, полиметалды  сульфидті  шикізаттардың  технологиялық  мүмкіндіктерін  толық  қолдануға жəне соңғы өнімдердің сапасын жоғарылатуға көмектеседі.

Автогенді  процестер,  бірнеше  процесті  бір  аппаратта  жүргізуге  мүмкіндік  беретін процестер  класына   жатады:  бір    металлургиялық  қондырғыда  күйдіру,   балқыту  жəне жартылай  немесе  толығымен  конвертерлеу  процестерін  біріктіреді.  Автогенді  процестерге тəн   негізгі   ерекшеліктердің   бірі   –   күрделі   құрамды   шикізатты   балқыту   жағдайында, сульфидті концентраттардың тотығу кезіндегі бөлініп шығатын жылуды энергия көзі ретінде қолдануы. Автогенді  процестермен  бірге,  қазіргі  мыс  өндірісінде  сульфидті  концентраттарды тікелей конвертерлерде өңдеу жолдары кеңінен  қолданылады.

Біздің  елде  конвертерлеу  процестерін  «Қазақмыс»  корпорациясының  Балқаш  мыс балқыту   зауытында   (БМЗ)   қолданады.      Біздің   алғашқы   технологиялық   есептеулердің барысында,  Балқаш  зауытының  конвертерлерін  сульфидті  мыс  концентраттарын  тікелей өңдеу үшін қолдануға толық мүмкіншіліктер бар екендігі дəлелденді. Конвертерде өңделетін сульфидті  концентраттарды  қосымша  сульфидизатор  ретінде  қолдану  өте  тиімді  екендігі анықталды. Бұл мəселенің түйіні мына жағдайларға негізделген. Конвертерлерден алынатын конверторлық шлактардың құрамында мыс мөлшерінің жоғары болуына байланысты  (3 %-

дан 5 %-ға дейін) оларды үйінді шлактар деп санауға болмайды.

Қазіргі жағдайда мыс өндірісінде Балқаш зауытының  технологиялық схемасы бойынша конверторлық   шлактар,   құрамынан   мысты   қосымша   бөліп   алу   мақсатымен,   байыту фабрикаларына   жіберіледі.   Бірақ,   зауытта   қолданылатын   бұл   шешім   шлактарды   мыс бойынша  неғұрлым    толық  кедейлендіруге  мүмкіншілік  бермейді.  Сонымен  қатар,  бұл шешімді қолдану, материалдық жəне жалпы экономикалық тұрғыдан тиімді емес екенін айта кеткен жөн.

 Жұмыстың  негізгі  мақсаты  –  сульфидті  мыс  концентраттарын  тікелей  конвертерде өңдеуге болатынын дəлелдеу жəне олардан алынатын өнімдердің сапасын жоғарылату үшін сульфидизатор ретінде қолдануға болатын мүмкіншілігін зерттеу.Жұмыстың  алғашқы  сатысында,  Балқаш  мыс  зауытының  конвертерлеу  процесінің материалды балансы есептеліп, негізгі металдардың конверторлық өнімдер арасында бөлініп таралуы   зерттелген.   Зерттеуде  2005   жыл  бойынша  технологияда  өңделеген  штейннің, шлактың  жəне  қаралы  мыс  үлгілерінің  химиялық  құрамдарының  нəтижелерін  қолдандық.

Нəтижелерді  талдау  барысында  конвертерлерге  өңдеуге  түсетін  материалдардың  бастапқы құрамдарын   анықтадық.   Жүргізілген      есептеулер   бойынша   олардың   құрамы   келесі материалдардан:  78  %  Ванюков  процесінен  (ВП)  шығатын  штейндерден,  15    %  суық материалдардан (ожау қабықтары, II кезең шлактары, оттық рафинерлеудің шлактары) жəне 7 %  флюстен тұрады. Тəжірибеден    алынған    мəліметтерді    қолдана    отырып,    конвертерлік    процестің материалдық  балансын  есептедік.  Қазіргі  Балқаш  мыс  зауытындағы  конвертор  процесінің материалдық балансы 1-суретте көрсетілген.

Есептеу нəтижесінде  алынатын өнімдердің шығымдары  анықталды: қаралы мыс – 36 %, шлак  –  48  %,  шаң,  газ  –  16  %.  Конвертерлеу  процесінен  шығатын  бірінші  кезеңнің шлактарында 4,5 %-ға дейін мыс мөлшері жоғалатыны анықталған. Алынған мəліметтерден конвертерлеу процесі кезінде шығатын шлак құрамында мыстың көп қалатынын жəне оның мөлшерін  азайту үшін  қолайлы жағдайлар жасалмайтынын  байқауға болады.  Бұл  қағиданы теориялық  тұрғыдан  дəлелдеу  үшін  жұмыста  конвертерлеу  процесі  кезінде  мыс,  қорғасын, мышьяктың  бастапқы  жəне  алынатын  өнімдер  арасындағы  бөлініп  таралуын  зерттедік.

Жүргізілген   есептеулер   мен   олардан   алынған   нəтижелердің   қорытындысы      2-суретте диаграмма күйінде көрсетілген.

 

Диаграммадан  көрініп  тұрғандай,  қорғасынның  негізгі  мөлшері  75  %  шаңмен  газ фазасына,  22  %  конвертердің  бірінші  кезең  шлак  құрамына,  ал  қалған    3  %    қаралы  мыс құрамына  бөлініп  таралады. Қорғасынның  шлак  құрамында  қалуын  кремний  мен  силикаттар жəне  темір  мен  феррит  тотықты  қосылыстары  түрінде  болуымен  болжауға  болады.  Сонымен қатар, қорғасынның шлак құрамында басқа да түрде болуы ықтимал. Конвертерлеу процесінен шыққан  өнімдердің  құрамында  қорғасынның  жоғары  мөлшерде  болуы  –  осыған  дəлел.  Ал қорғасынның шлак құрамындағы формаларын анықтау, терең зерттеулерді қажет етеді.

Мышьяктың  конвертерлеуден  шыққан  өнімдерге  бөлініп  таралуы    қорғасынның таралуына  қарағанда  өзгеше.  Конвертерлеу  процесінің  өнімдерінде  мышьяктың  47  %-ы шлакта,  40  %-ы  қаралы  мыс  құрамында  жиналады.  Мышьяктың  шлак  құрамында  көп мөлшерде  шоғырлануы  оның  сапасын  төмендетіп,  əрі  қарай  өңделуін  қиындатады.  Жалпы технологиялық  процестер  тармағында,  конвертер  шлактарының  балқыту  –  конвертерлеу тізбегінде  айналып  жүруі,  осы  процестерден  алынатын  негізгі  өнімдер  құрамында  қосалқы металдардың  ұлғайып,  шоғырлануына  əкеліп  соғады.  Қаралы  мыс  құрамында  мышьяктың көп  мөлшерде  қалуы,  оның  əрі  қарай  өңделуінде  қиындықтар  туғызады.  Қорғасын  мен мышьяк секілді қосалқы металдардың əрекетін толық анықтау үшін, олардың балқу өнімдер құрамында қандай күйде болатынын жəне күрделі тотықты – сульфидті құрамында мыс бар балқымалардың физика-химиялық қасиеттерін қосымша зерттеу керек. Металдардың дұрыс бөлініп    таралуын    анықтау    үшін,    керекті    құрамды    жəне    конвертерлеу    процесінде металдардың əрекетіне əсер ететін жағдайлар мен  себептерді табу қажет.

Жүргізілген  талдауды  ескере  отырып,  жұмыста  келесі  инженерлік  шешім  беріледі. Балқыту    өнімдерінің  сапасын    жақсарту  үшін,  сульфидтеуші  ретінде  сульфидті  мыс концентратын  штейнмен  бірге  конверторда  тікелей  өңдеуді  қолдану.  Берілген  шешімді тəжірибе   жүзінде   қолданғанда   шешілмеген   келесі   жағдайларды   ескере   кеткен   жөн: конвертерлеу   процесінің   өнімдері   арасында   металдардың   бөлініп   таралу   заңдылығы, олардың қаралы мыстың сапасына əсері анықталмаған.Процесті жүргізу  барысында  конвертерде өңделетін  сульфидті мыс концентратының мөлшерін анықтау өте маңызды. Осыған орай,  артық жылу мөлшерін анықтау мақсатымен конвертерлеу процесінің жылу балансын есептедік.

Мыс  штейндерін  конвертерлеу процесінің  жылу балансын  есептеу үшін,  тəулігіне 460 тонна  ыстық  штейн  өңдейтін  конвертордың  технологиялық  көрсеткіштері  алынды.  Штейн құрамындағы мыстың мөлшері – 45 %.

Есептеулердің нəтижесінде мыс штейндарын конвертерлегенде, артық жылу мөлшеріне байланысты,  бастапқы  штейн  салмағына  30  %  сəйкес  сульфидті  мыс  концентрат  мөлшерін қосып өңдеуге болатындығы дəлелденді.

Сульфидті  мыс  концентратын  конвертерде  тікелей  өңдеуде,  конвертордан  шығатын шлактардың   құрамынан   қосымша   мысты   бөліп  алуға   болатыны  да  айқын  көрсетілді. Сульфидті    мыс  концентраттарын  конвертерге  жүктегенде,  олардың  құрамына  кіретін компоненттер  мен  конверторлық  шлак  арасында  жүретін  негізгі  реакцияларды  анықтау, процестің   механизмін   сипаттау   үшін   өте   маңызды.   Сондықтан,   жұмыс   барысында термодинамикалық      есептеулер      қарастырылды.      Термодинамикалық            есептеулер, конвертерлерде  концентраттың  штейнмен  бірге  тікелей  өңдеуі  кезінде,  процестің  физика- химиялық  негіздеріне  əсер  ететін  мүмкін  реакциялардың  жүруін    анықтау  мақсатымен жүргізілді. Реакциялардың  жүру  мүмкіндігі  Гиббстің  бос  энергия  мəнін  (∆G)  есептеу  арқылы бағаланды.   Гиббс   энергиясының   бос   мəнін   анықтауда   ЭЕМ-ге   арнайы   өңделген бағдарлама    қолданылды.    Есептеулер    үшін    заттардың    белгілі        термодинамикалық сипаттамалары  мен  мəндері  пайдаланылды.  Термодинамикалық  анализ  кезінде  конвертерлі шлакты  кедейлендіру  үшін  сульфидизатор  ретінде  сульфидті  мыс  концентратын  қолдану мүмкіндігін  анықтау  негізгі  мақсат  болып  қойылды.  Сондықтан,  талданған  реакциялардың ішінен,  құрамында  күкірті  көп  түсті  металдар  сульфидтерінің,  олардың    оксидтерімен əрекеттесу реакцияларына негізгі көңіл бөлінді. Жүргізілген  термодинамикалық  талдау  негізінде  мына  негізгі  мəселелер  анықталды; барлық    талдауға  алынған  реакциялардың  ішінде  түсті  металл  оксидтерінің  қарапайым күкіртпен, пирит жəне троилитпен сульфидтеу реакциялары аса басымдылықпен жүреді. Өте жоғары  температура  кезінде  түсті  металдардың  оксидтері  тек  сульфидтермен  ғана  емес, жоғары күкіртті сульфидтерінің ыдырауынан шығатын күкіртпен де əрекеттеседі. Магнетиттің түзілуі – металл сульфидтерінің жоғарғы темір тотықтарымен əрекеттесуі кезінде орынға ие,

ал магнетиттің сульфидтермен  ыдырау процесі тек кремнийдің қатысуымен ғана жүреді. Бұл реакциялардың  ∆G-ы  мəндері  басқа  талданған  реакцияларға  қарағанда  екі  есе  теріс  мəнді. Мысалы,  FeS + Cu 2 O = Cu 2 S + FeO реакциясының ∆G мəні  – 62830 Дж/моль тең, ал  2CuO +S 2 = Cu 2 S + SO 2  реакциясының  ∆G  мəні – 214210 Дж/моль тең. Сонымен,    сынақ    нəтижелерінен    алынған    мəлімдемелер    бойынша    конверторда штейнмен  бірге  сульфидті  мыс  концентратын  балқыту  кезінде,  оларды  алынған  балқыту өнімдерін  жақсарту  мақсатында  сульфидизатор  ретінде  қолдану,  экономикалық  тұрғыдан тиімді əрі БМЗ-ның технологиялық жүйесіне енгізу өте маңызды деп санаймыз.

Жұмыс бойынша  келесідей қорытынды жасауға  болады:

1 Конверторға  құйылған жалпы штейн салмағынан, конвертерлеу процесінде шығатын өнімдердің жалпы мөлшері  48 % шлак, 36 % қаралы мыс жəне 16 % газ, шаң. Газ бен  шаң мөлшерінің аз мөлшерде шығатыны, ұшқыш металдардың шлак пен қаралы мыс құрамында жоғары мөлшерде шоғырлануы;

2  Мыс   штейндерін  конвертерлегенде  мыстың  едəуір  мөлшерінің  шлак  құрамында қалуы, мыс мөлшерінің  қаралы мысқа өтетін жалпы шығымын төмендетеді;

3    Конвертерлеу  процесінде    бастапқы  құйылған  штейн  салмағына  байланысты  30  % сульфидті мыс концентратын қосуға болады;

4  Құрамында    жоғары  мөлшерлі  күкірті   бар  сульфидті  мыс  концентратын,  алынатын өнімдердің сапасын жоғарылату үшін, сульфидизотар ретінде де қолдану өте тиімді;

5  Сульфидті   мыс  концентраттарын  конвертерде   тікелей  өңдеу  кезінде,  конверторлық шлактан  мысты  қаралы  мысқа,  ал  қоспа  металдарды  (қорғасын,  мышьяк)  шаңға  өткізу мүмкіншіліктері жасалады.

 

 

Тазартылмаган мыс алу

        Балқытылған  штейнді арнаулы  конвертерге  құйып, үрлеп оны тазартылмаған  мысқа айналдырады. Штейнді үрлеуге  арналған конвертер – диаметрі 3-4 м, ұзындығы 6-10 м, сыймдылығы 75 тонна болатын цилиндр тәрізді ыдыс. Конвертер шығыршық дөңгелектерге орнаылған, одл өз осінен белгілі бұрышқа бұрыла алатындай етіп жасалған, ал оның ішкі жағы отқа төзімді магнезит кірпішімен астарланған. Балқытылған штейн конвертерге оның мойны арқылы құйылады.

         Штейннің  құрамындағы темірдің шала тотығын  (FeO) шлакқа айналдыру үшін конвертердің  мойны арқылы балқытылған штейннің  бетіне кремний тотығы SiO₂ тасталады. Конвертердің ұзына бойына тік орналасқан фурмаларға 11,76×10⁴ (1,2атм) қысымда трубалар арқылы ауа жіберіледі. Штейннің конвертерде қорытылуына қарай оған материалды біртіндеп енгізеді.

        Тазартылмаған  мыс алу процесін екі кезеңге  бөлуге болады: темірдің тотығу  кезеңі және күкіртті мыстың  тотығу кезеңі.