Московський Державний інститут сталі і сплавів
(Технологічний Університет)
Кафедра металургії кольорових і благородних металів
Курсова робота на тему: < p> Металургія кольорових металів
Виконав: студент групи
Керівник:
Комков А.А.
---=== Москва 2000 ===---
Зміст
1. Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 3
2. Опис технології одержання катодного міді +4 ... ... ...
3. Вибір технології плавки на штейн ... ... ... ... ... ... ... ... 8
4. Теоретичні основи процесу Ванюкова ... ... ... ... ... .10
5. Розрахунок матеріального та теплового балансу ... ... ... ... ... .13
6. Висновок ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .28
Введення
Металургія мідь, а також інших важких кольорових металів єпровідною ланкою вітчизняної кольорової металургії. На частку важких кольоровихметалів у РФ припадає значна частина валової продукції галузі.
Значення міді з року в рік зростає, особливо у зв'язку з бурхливимрозвитком енергетики, електроніки, машинобудування, авіаційної, космічноїта атомної техніки. Подальший розвиток і технічний рівень мідного інікелевого виробництв багато в чому визначають технічний прогрес багатьохгалузей народного господарства нашої країни, у тому числі мікропроцесорноїтехніки. Для отримання міді використовуються всілякі способи плавок,наприклад, плавка мідних концентратів в електричних, відбивних,шахтних печах, при використанні процесу конвертації мідних штейн,завдяки автогенний плавках в підвішеному стані, на Штейна і ін Насьогоднішній день існує кілька основних процесів автогенний плавок
: Процес «Норанда», «Уоркра», «Міцубісі» і Ванюкова. На жаль,розробка новий конструкцій печей і різних процесів вимагаєзначних капіталовкладень, а вільний коштів у Російських підприємствнедостатньо. У цій роботі буде розглянута технологія А.В.
Ванюкова або ПЖВ.
Технологія отримання катодного міді
Електролітичне рафінування міді переслідує дві мети:
1) одержання міді високої чистоти (99,90-99,99% Сі), задовольняєвимогам більшості споживачів;
2) витяг попутно з рафінуванням благородних та інших ціннихкомпонентів (Se, Ті, Ni, Bi і ін.)
Слід зазначити, що чим вище у вихідній міді вміст благороднихметалів, тим нижчою буде собівартість електролітний міді. Саме томупри конвертації мідних штейн прагнуть використовувати як флюсзолотовмісні кварцити.
Для здійснення електролітичного рафінування міді аноди, відлитіпісля вогневого рафінування, вміщують у ванни електролізних, заповненісірчанокислим електролітом. Тим анодами у ваннах розташовуються тонкімідні листи - катодні основи.
При включенні ванн в мережу постійного струму відбувається електрохімічнерозчинення міді на аноді, перенесення катіонів через електроліт і осадження їїна катоді. Домішки міді при цьому в основному розподіляються між шламом
(твердим осадом на дні ванн) і електролітом.
У результаті електролітичного рафінування отримують катодну мідь; шлам,що містить благородні метали; селен;телур і забруднений електроліт, частина якого іноді використовують дляотримання мідного і нікелевого купоросом. Крім того, внаслідок неповногоелектрохімічного розчинення анодів отримують анодні залишки (аноднийскрап).
Електролітичне рафінування міді засноване на різноманіття їїелектрохімічних властивостей і що містяться в ній домішок. У таблиціприведені нормальні електродні потенціали міді і найбільш частозустрічаються в ній домішок.
Мідь належить до групи електропозитивні металів, її нормальнийпотенціал 0,34 В, що дозволяє здійснювати процес електролізу у воднихрозчинах (зазвичай в сірчанокислих).
На катоді протікають ті ж електрохімічні реакції, але в зворотномунапрямі. Співвідношення між одновалентних і двовалентній міддю врозчині визначається рівновагою реакції диспропорціонування.
Отже, у стані рівноваги концентрація в розчині іонів Сu +приблизно в тисячу разів менше, ніж концентрація іонів Сі2 +. Тим не меншереакція має істотне значення для електролізу. Вона зокремавизначає перехід міді в шлам. У початковий момент поблизу анода в розчиніспіввідношення двох-і одновалентних міді відповідає константі рівноваги.
Однак внаслідок більшого заряду і меншого іонного радіусу швидкістьпереміщення двовалентних іонів до катода перевищує швидкість переносу іоніводновалентних. У результаті цього в пріанодном шарі концентрація іонів Сі2 +стає вище рівноважної і реакція починає йти в бік освітитонкого порошку міді, що випадає в шлам.
Як зазначалося вище, електролітичне рафінування здійснюють усірчанокислих розчинах. Електропозитивні потенціал міді дозволяєвиділити мідь на катоді з кислих розчинів без побоювання виділенняводню. Введення в електроліт поряд з мідним купоросом вільної сірчаноїкислоти істотно підвищує електропровідність розчину. Пояснюється цебільшу рухливість іонів водню в порівнянні з рухливістю великихкатіонів і складних аніонних комплексів.
Для поліпшення якості катодного поверхні в електроліти для рафінуванняміді на всіх заводах обов'язково вводять різноманітні поверхнево-активні
(колоїдні) добавки:клей (частіше столярний), желатин, сульфітно луг. У процесі електролізу наповерхні катода можуть утворюватися дендрити, що зменшує в даномумісці відстань між катодом та анодом. Зменшення межелектродноговідстані веде до зменшення електричного опору, аотже, до місцевого збільшення щільності струму. Остання в своючергу обумовлює прискорене осадження міді на дендрит і прискорениййого зростання. Що почався ріст дендрита в остаточному підсумку може призвести докороткого замикання між катодом та анодом. За наявності дендрітов сильнорозвинена поверхня катода утримує велику кількість електроліту іпогано промивається, що не тільки погіршує якість товарних катодів, а йможе викликати шлюб катодного міді за складом. Одне з пояснень механізмудії поверхнево-активних речовин полягає в тому, що вониадсорбуються на найбільш активних частинах поверхні і при цьому викликаютьмісцеве підвищення електричного опору, що і перешкоджає зростаннюдендрита. В результаті поверхня катодів виходить більш рівною, акатодний осад більш щільним. Після вирівнювання катодного поверхніколоїдна добавка десорбуються в електроліт.
Розчини колоїдних добавок безперервно вводять в циркулюючий електроліт.
Вид і витрата поверхнево-активних речовин різні для кожногопідприємства. Зазвичай застосовують одночасно два добавки. На 1 т одержуваноїкатодного міді витрачають 15-40 г клею, 15-20 г желатину, 20-60 г сульфітноЩелоков або 60-100 г тіомочевіни.
Основними вимогами, що пред'являються до електроліту, є йоговисока електропровідність (низький електричний опір) і чистота.
Однак реальні електроліти, крім сульфату міді, сірчаної кислоти, води інеобхідних добавок, обов'язково містять розчинені домішки,містяться до цього в анодного-міді. Поведінка домішок анодного міді приелектролітичному рафінуванні визначається їх положенням у рядунапруги. За електрохімічним властивостями домішки можна розділити начотири групи:
I група - метали більш електронегативний, ніж мідь (Ni, Fe, Zn іін);
II група - метали, близько стоять у ряді напруг к-міді (As, Sb,
Bi);
III група - метали більш електропозитивні, ніж мідь (Au, Ag іплатиноїди);
IV група - електрохімічних нейтральні в умовах рафінування мідіхімічні сполуки (Cu2S, Cu2Se, Cu2Te, AuTe2, Ag2Te).
Домішки першої групи, що володіють найбільш електронегативнийпотенціалом, практично повністю переходять в електроліт. Виключеннястановить лише нікель, близько 5% якого з анода осідає в шлам у виглядітвердого розчину нікелю в міді. Тверді розчини за законом Нернстастають навіть більш електропозитивні, ніж мідь, що і єпричиною їх переходу в шлам.
Особливо в порівнянні з перерахованими групами домішок-поводяться свинець іолово, які за електрохімічним властивостей відносяться до домішках Iгрупи, але за своєї поведінки в процесі електролізу можуть бути віднесені додомішках III і IV груп. Свинець і олово утворюють нерозчинні всірчанокисле розчині сульфат свинцю PbS04 і метаоловянную кислоту H2SnO3.
Електронегативний домішки на катоді в умовах електролізу мідіпрактично не осідають і поступово накопичуються в електроліті. Привеликої концентрації в електроліті металів першої групи електроліз можеістотно почати турбуватися.
Накопичення в електроліті сульфатів заліза, нікелю та цинку знижуєконцентрацію в електроліті сульфату міді. Крім того, участьелектронегативний металів у переносі струму через електроліт підсилюєконцентраційну поляризацію у катода.
Електронегативний метали можуть потрапляти в катодну мідь в основному ввигляді межкрісталліческіх включень. розчину або основних солей, особливопри їх значній концентрації в електроліті. У практиціелектролітичного рафінування міді не рекомендується допускати їхконцентрацію в розчині понад наступних значень, г/л: 20 Ni; 25 Zn; 5 Fe.
Домішки II групи (As, Sb, Bi), які мають близькі до міді електродніпотенціали, є найбільш шкідливими з точки зору можливостізабруднення катода. Будучи дещо електронегативний попорівнянні з міддю, вони повністю розходяться на аноді з утвореннямвідповідних сульфатів, які накопичуються в електроліті. Однаксульфати цих домішок нестійкі і в значній мірі піддаютьсягідролізу, утворюючи основні солі (Sb і Bi) або миш'яковисті кислоту (As).
Основні солі сурми утворюють плаваючі в електроліті пластівці драглистіопадів ( «плавучий» шлам), які захоплюють частково і миш'як.
У катодні опади домішки миш'яку, сурми і вісмуту можуть потрапляти якелектрохімічним, так і механічним шляхом в результаті адсорбціїтонкодисперсних частинок «плавучого» шламу. Таким чином, домішки IIгрупи розподіляються між електролітом, катодного міддю і шламом.
Гранично допустимі концентрації домішок II групи в електролітіскладають, г/л:
9 As; 5 Sb і 1,5 Bi.
Більш електропозитивні в порівнянні з міддю домішки (III група), дояких належать благородні метали (головним чином, Au і Ag), уВідповідно до положення в ряді напруг повинні переходити в шлам у виглядітонкодисперсного залишку. Це підтверджується практикою електролітичногорафінування міді.
Перехід золота в шлам складає більше 99,5% від його вмісту в анодах, асрібла - понад 98%. Трохи менший перехід срібла в шлам в порівняннііз золотом пов'язаний з тим, що срібло здатне в невеликій кількостірозчинятися в електроліті і потім з розчину виділятися на катоді. Длязменшення розчинності срібла і переведення його в шлам до складу електролітувводять невелика кількість іона хлору.
Незважаючи на практично повний перехід золота і срібла в шлам, вони все ж такив невеликому кількості потрапляють у катодні опади. Пояснюється цемеханічним захопленням взмученного шламу і частково явищем катофореза. Намеханічний перенос шламу на катод впливають вживана щільність струму івзаємопов'язана з нею швидкість циркуляції електроліту. Зі збільшеннямшвидкості циркуляції внаслідок взмучіванія шламу перехід золота та сріблана катод зростає. При виборі щільності струму і способу циркуляціїелектроліту необхідно враховувати зміст благородних металів у анодах.
У разі їх підвищеного вмісту щільність струму повинна бути менше.
Зниженню перенесення шламу на катод сприяє також наявність у ванні зонивідстоювання (область від нижнього кінця катода до дна ванни). На багатьохзаводах електроліт перед його поверненням у ванну в циклі циркуляціїпіддають фільтрування, що зменшує втрати шламу і забезпечуєотримання більш чистої міді.
Аналогічно електропозитивні домішках ведуть себе при електролізі мідіхімічні сполуки (домішки IV групи). Хоча в принципі хімічніз'єднання і можуть окислятися на аноді і відновлюватися на катоді, щовикористовують в спеціальних процесах, в умовах електролітичногорафінування міді анодного потенціалу недостатньо для їх окислення.
Тому при електролізі міді в електродних процесах вони не беруть участь і помірою розчинення анода осипаються на дно ванни. У вигляді селенідом ітеллурідов переходять в шлам більш ніж 99% селену і телуру.
Таким чином, в результаті електролітичного рафінування анодного мідівсе що містяться в ній домішки розподіляються між катодного міддю,електролітом і шламом '.
Основними характеристиками, що визначають параметри і показникиелектролітичного рафінування міді, є щільність струму, вихідметалу по струму, напруга на ванні, питома витрата електроенергії.
Щільність струму є найважливішим параметром процесу електролізу. Вонавиражається в амперах на одиницю поверхні електрода (D = I/S). Уметалургії міді її прийнято виражати в амперах на квадратний метр площікатодів. За законом Фарадея на кожен 1 А • г електрики осідає 1електрохімічний еквівалент металу. Для міді він дорівнює 1,1857 г/А • ч.
Отже, зі збільшенням щільності струму інтенсивність
(продуктивність) процесу електролізу зростає. Величина щільностіструму, при якій проводять процес електролітичного рафінування,визначає всі його основні техніко-економічні показники: напруга наванні, вихід за струмом, витрати електроенергії, а також капітальні іексплуатаційні витрати. Зі збільшенням щільності струму за інших рівнихумовах збільшується продуктивність цеху, зменшуються кількість потрібнихванн, витрати на капітальне будівництво і робочу силу, але зростаютьвитрати на електроенергію. Слід зазначити, однак, що зі збільшеннямщільності струму збільшуються втрати шляхетних металів за рахунок більшоївзмучіванія шламу і захоплення його зростаючим катодних осадом. В данийчас застосування особливих режимів електролізу (реверсивного струму, зміненоїсистеми циркуляції електроліту та ін) дозволяє довести щільність струму до
500 А/м2 і більше.
Електрохімічний еквівалент міді становить 1,1857 г/А • ч. Протепрактично при електролізі для виділення 1 г-екв металу витрачаєтьсяелектрики більше. Це удаване протиріччя пояснюється тим, що частинаелектричного струму витрачається на побічні електрохімічні процеси івитік струму. Ступінь використання струму на основний електрохімічнийпроцес називається виходом металу по струму.
У практиці електрометалургії кольорових металів в більшості випадківдоводиться мати справу з катодних виходом по струму, тому що маса катодногоосаду визначає кінцевий вихід товарної продукції. Навмиснийпідвищений переклад міді в електроліт за рахунок хімічного розчинення частообумовлюють кон'юнктурними міркуваннями. Надлишкова мідь може бутивиділена з електроліту у вигляді мідного купоросу при його регенерації. У тихвипадках, коли потреба в мідному купоросу, що використовується в основному дляборотьби з хворобами та шкідниками сільськогосподарських рослин, дужевелика (наприклад, в НРБ), то допускається робота електролізних цехів зпідвищеною температурою електроліту.
Вибір технології плавки штейн на
Майже століття у металургії міді і близько півстоліття в металургії нікелю
(у Канаді) «панує» відбивна плавка. Своє широкепоширення вона набула завдяки освоєності плавки стосовнопереробки різних видів дрібних рудних матеріалів, головним чиномфлотаційних концентратів, простоті організації процесу майже в будь-якихумовах металургійного виробництва. Основними причинами гостроїнеобхідності заміни відбивної плавки сталі високі вимоги дозапобігання забрудненню навколишнього середовища викидами оксидів сірки. Уумовах відбивної плавки, що характеризується утворенням величезнихкількостей дуже бідних по SO2 газів, їх знешкодження вимагає великихкапітальних витрат і обходиться дорого в експлуатації. У зв'язку з цим, атакож у зв'язку з необхідністю активного використання теплотворноїздатності сульфідів і ряду інших розглянутих вище факторів булирозроблені і освоєні нові способи плавки мідного сировини. Головним чиномце - автогенний процессы, що поєднують в собі випал, плавку іконвертування. У цих процесах велика частка сірки переходить в відходятьгази з досить високим і постійним вмістом SO2.
Нижче наведені порівняльні основні техніко-економічні показникищо застосовуються в даний час в мідної промисловості пірометалургійнихпроцесів.
Вже в початковій стадії освоєння процесу плавки в рідкій ванні досягнутапитома продуктивність, що перевищує більш ніж у 15 разівпродуктивність відбивної печі при плавці сирої шихти, і в 6-8 разівпродуктивність КВП та фінської технології. Можливо широке управлінняскладом Штейна і одержання на багатих Штейна щодо біднихвідвальних шлаків.
Процес характеризується низьким пилеуносом і отриманням возгонов, багатихза вмістом цінних компонентів. Для здійснення процесу створенанадійна і довговічна апаратура. Процес не вимагає складної підготовкисировини і придатний для переробки як кусковий руди, так і концентратіврізного складу. За своїми показниками він перевершує усі відомі всвітовій практиці процеси. Процес слід вважати в основному освоєним ізаслуговує широкого і швидкого впровадження у вітчизняній мідної танікелевої промисловості.
Крім основного використання для плавки сульфідних концентратів наштейн, плавка в рідкій ванні придатна для більш широкого застосування. Привпровадженні процесу в рідкій ванні необхідно враховувати його можливості,шляхи та напрямки розвитку, які будуть здійснюватися вже в недалекомумайбутньому.
До перспективних напрямків відносяться насамперед пряме отриманнячорнової міді і глибоке збіднення шлаків, пряме отримання мідно -нікелевого Файнштейн, плавка колективних мідно-цинкових концентратів,комплексна переробка відвальних шлаків. Заслуговує на увагу такожвикористання принципів плавки в рідкій ванні для переробки окисленихнікелевих і залізних руд.
Порівняльні техніко-економічні показники деяких видів плавки сульфідних мідних концентратів
| Показник | ПЖВ | КФП | Фінська | КІ ВЦЕТ | Норанда | Міцубісі | Отражат |
| | | | | | | І | Єльня |
| | | | | | | | Плавка |
| | | | | | | | Сирої |
| | | | | | | | Шихти |
| Питома | 60-80 | | | | | | |
| проплав, | | 10-13 | 9-12 | 3-5 | 10-11 | До 20 | 4-5 |
| т/(м2 • | | | | | | | |
| добу) | | | | | | | |
| Зміст | | | | | | | |
| міді,%: | | | | | | | |
| у штейн | 45-55 | 37-40 | 60 | 40-50 | 70-75 | 65 | 20-30 |
| в шлаку | | | | | | | |
| (без обід | 0,5-0 | | | | | | |
| вання) |, 6 | До 1,2 | 1-1,5 | 0,3-0,6 | 5 | 0,5 | 0,4-0,5 |
| Зміст | | | | | | | |
| Si02 в | | | | | | | |
| шлаку,% | 30-32 | 28-34 | 29-30 | 30-34 | 22 | 30-35 | 34-42 |
| Вологість | 6-8 |
