3.1.3 Виплавка мідного штейну

                Мідний штейн, що складається в основному з сульфідів міді і заліза (Cu2S+FeS=80-90%) та інших сульфідів, а також оксидів заліза, кремнію, алюмінію і кальцію, виплавляють у печах різного типу.

                Комплексні руди, що містять золото, срібло, селен і телур, доцільно збагатити так, щоб в концентрат була переведена не тільки мідь, але й ці метали. Концентрат переплавляють у штейн у відбивних або електричних печах.

                Сірчисті, чисто мідні руди доцільно переробляти у шахтних печах.

                При високому вмісті сірки в рудах доцільно застосовувати так званий процес мідно-сірчаного плавлення у шахтній печі з уловлюванням газів і витяганням  з них елементарної сірки.

                У піч завантажують мідну руду, вапняк, кокс і оборотні продукти. Завантаження проводять окремими порціями сирих матеріалів і коксу.

                У верхніх горизонтах шахти створюється відновне середовище, а в нижній частині печі - окиснювальне. Нижні шари шихти плавляться, і вона поступово опускається вниз назустріч потоку гарячих газів. Температура у фурм досягається 1500°С на верху печі вона дорівнює приблизно 450°С.

                Така висока температура газів, що відходять, необхідна для того, щоб забезпечити можливість із очищення від пилу до початку конденсації пари сірки.

                У нижній частині печі, головним чином біля фурм, проходять такі основні процеси:

                а) спалювання вуглецю коксу

                                           С + О2 = СО2 ;                                  (3.1)

                б) спалювання сірки сірчистого заліза

                             2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2;                        (3.2)

                в) утворення силікату заліза

                             2 FeO + SiO2 = (FeO)2 · SiO2.                    (3.3)

                Гази, що містять СО2, SO2, надлишок кисню і азот, проходять вгору через стовп шихти. На цьому шляху газів відбувається теплообмін між шихтою і ними, а також взаємодія СО2 з вуглецем шихти. При високих температурах СО2 і SO2 відновлюються вуглецем коксу  при цьому утворюються окисел вуглецю, сірковуглець і сіркоокис вуглецю:

                                       СО2 + С = 2СО,                         (3.4)

                                 2SO2 + 5С = 4СО + CS2,                           (3.5)

                                   SO2 + 2С = COS + CO.                  (3.6)

                У верхніх горизонтах печі пірит розкладається за реакцією:

                                        FeS2 = Fe + S2.                                      (3.7)

                При температурі близько 1000°С плавляться   найбільш легкоплавкі евтектики з FeS  і Cu2S, внаслідок чого утворюється пориста маса.

                У порах цієї маси розплавлений потік сульфідів зустрічається з висхідним потоком гарячих газів і при цьому проходять хімічні реакції, найважливіші з яких показані нижче:

                а) утворення сульфіду міді із закису міді:

    2Cu2O + 2FeS + SiO2 = (FeO)2 · SiO2 + 2Cu2S;           (3.8)

                б) утворення силікатів з оксидів заліза:

      3Fe2O3 + FeS + 3,5SiO2 = 3,5(2FeO · SiO2)+ SO2;    (3.9)

      3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO · SiO2)+ SO2;        (3.10)

                в) розкладання СаСО3 і утворення силікату:

       СаСО3 + SiO2 = СаО · SiO2 + СО2;                        (3.11)

                г) відновлення сірчистого газу до елементарної сірки

                       SO2 + С = СО2 + 1/2S2.                          (3.12)

                У результаті плавлення виходять штейн, що містить 8-15% Сu, шлак, що складається в основному із силікатів заліза і вапна, колошниковий газ, що містить S2, COS, H2S, і СО2. З газу спочатку осаджують пил, потім з нього витягують сірку (до 80% S). Щоб підвищити вміст міді у штейні, його піддають скорочувальному плавленню. Плавлення здійснюють у таких самих шахтних печах. Штейн завантажують   шматками   розміром   30-100   мм   разом із   кварцовим флюсом, вапняком і коксом. Витрата коксу становить 7-8% від маси шихти. У результаті одержують збагачений міддю штейн (25-40% Сu) і шлак (0,4-0,8% Сu).

                Для переплавки концентратів, як вже зазначалося, застосовують відбивні і електричні печі. Іноді обпалювальні печі розміщують безпосередньо над майданчиком відбивних печей для того, щоб не охолоджувати обпалені концентрати і використовувати їх тепло.

                У міру нагрівання шихти в печі проходять такі реакції відновлення окислу міді і вищих оксидів заліза:

               6CuO + FeS = 3Cu2O + SO2 + FeO;                (3.13)

              FeS + 3Fe3O4 + 5SiO2 = 5(2FeO·SiO2)+ SO2.     (3.14)

                У результаті   реакції   закису   міді Cu2O, що утворюється, з   FeS виходить Cu2S:

                           Cu2O + FeS = Cu2S + FeO.                  (3.15)

                Сульфіди міді і заліза, сплавляючись між собою, утворюють первинний штейн, а розплавлені силікати заліза, стікаючи по поверхні укосів, розчиняють інші оксиди і утворюють шлак.

                Благородні метали (золото і срібло) погано розчиняються в шлаку і практично майже повністю переходять в штейн.

                Штейн виплавлення на 80-90% (за масою) складається з сульфідів міді і заліза. Він містить, %: 15-55 міді; 15-50 заліза; 20-30 сірки; 0,5-1,5 SiO2; 0,5-3,0 Al2O3; 0.5-2.0 (СаО + МgО); близько 2% Zn і невелику кількість золота і срібла. Шлак складається в основному з SiO2, FeO, СаО, Al2O3 і містить 0,1-0,5% міді. Добування міді і благородних металів у штейн досягає 96-99%.