3.1.4 Конвертація мідного штейну

                У 1866 р. російський інженер Р.С.Семенніков запропонував застосувати конвертер типу бесемерівського для продування штейну. Продування штейну знизу повітрям забезпечило отримання лише напівсірчистої міді (близько 79% міді) - так  званого білого штейну. Подальше  продування призводило до затвердіння міді. У 1880 р. був запропонований конвертер  для  продування  штейну з бічним дуттям,  що і  дозволило одержати чорнову мідь у конвертерах.

                Чорнову мідь одержують при продуванні розплавленого штейну повітрям у конверторі – горизонтально розміщеній циліндричній посудині з листової сталі завдовжки 5-10 і діаметром 3-4 м, футерованому магнезитовою цеглою 2 (рис. 3.2). Повітряне дуття підводиться по трубах 3 і подається всередину конвертора через 40-50 фурм 4, розташованих на його твірній. Для заливки штейну в горловину  і виплавлення продуктів плавлення конвертор повертають на роликах 5.

 

 

                Продуктивність за одну операцію становить 80-100 т. Футерують конвертор магнезитовою цеглою. Заливку розплавленого штейну і злив продуктів здійснюють через горловину конвертора, розміщену в середній частині його корпусу. Через ту саму горловину видаляють гази. Фурми для вдування повітря розташовані по поверхні   твірної конвертора.    Число   фурм   звичайно   становить   46-52,    а діаметр фурми - 50мм. Витрата повітря досягає 800 м2/хв. У конвертор заливають штейн і подають кварцовий флюс, що містить 70-80% SiO2, і звичайно деяку кількість золота. Його подають під час плавки, користуючись пневматичним завантаженням через круглий отвір в торцевій стінці конверторів, або ж завантажують через горловину конвертора.

                Процес можна розділити на два періоди. Перший період (окиснення сульфіду заліза з отриманням білого штейну) триває від 624 годин залежно від вмісту міді в штейні. Завантаження кварцового флюсу починають з початку продування. У міру накопичення шлаку його частково видаляють і заливають в конвертор нову порцію початкового штейну, підтримуючи певний рівень штейну в конверторі.

                У першому періоді проходять такі реакції окиснення сульфідів:

           2FeS + 3О2 = 2FeO + 2SO2 + 930360 Дж,         (3.16)

        2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2 + 765600 Дж.        (3.17)

                Поки існує FeS, закис міді не стійкий і перетворюється на сульфід:

                         Cu2O + FeS = Cu2S + FeO.                  (3.18)

                Закис заліза шлакується кварцовим флюсом, що додається у конвертор:

                       2FeO + SiO2 = (FeO) · SiO2.                  (3.19)

                При нестачі SiO2 закис заліза окиснюється до магнетиту, який переходить в шлак 6FeO + О2 = 2Fe3O4.

                Температура заливається штейну в результаті проходження цих екзотермічних реакцій підвищується з 1100-1200 до 1250-1350°С . Вища температура небажана, і тому при продуванні бідних штейнів, що містять багато FeS, додають охолоджувачі твердий – штейн, сплески міді.

                З попереднього випливає, що у конверторі залишається головним чином так званий білий штейн, що складається з сульфідів міді, а шлак зливається в процесі плавки. Він складається в основному з різних оксидів заліза (магнетиту, закису заліза) і кремнезему, а також  з невеликих кількостей глинозему, окислу кальцію і окислу магнію. У шлаку залишається 1,8-3,0% міді. Для її добування шлак в рідкому вигляді спрямовують у відбивну піч або в сурму шахтної печі.

                У другому періоді, названому реакційним, тривалість якого становить 2-3 години, з білого штейну утворюється чорнова мідь. У цей період окиснюється сульфід міді і за обмінною реакцією виділяється мідь:

2Cu2S + 3О2 = 2Cu2O + 2SO2Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + O2.

                Таким чином, у результаті продування одержують чорнову мідь, що містить 98,4-99,4% міді, 0,01-0,04% заліза, 0,02-0,1% сірки, і невелику кількість нікелю, олова, миш'яку, срібла, золота і конверторного шлаку, що містить 22-30% SiO2, 47-70% FeO, близько 3% Al2O3 і 1.5-2.5% міді.

                Для отримання міді необхідної чистоти чорнову мідь піддають вогняному і електролітичному рафінуванню і при цьому, крім видалення шкідливих домішок, можна добути також благородні метали. Вогняне рафінування чорнової міді проводять у печах, що нагадують відбивні печі, використовувані для виплавлення штейну з мідних концентратів. Електроліз проводять у ваннах, футерованих всередині свинцем або вінілпластом.

                Вогняне рафінування полягає в окисненні домішок у відбивних печах при продуванні чорнової міді повітрям; при цьому кисень повітря з'єднується з міддю і утворює оксид Сu2О, який потім реагує з домішками металів (Me) за реакцією

                     Me + Сu2О = МеО + 2Сu.                        (3.20)

                Одночасно окиснюється і сірка:

                      Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + SO2.                    (3.21)

                Після цього розпочинають розкиснення міді – відновлення Cu2O. Для цього мідь перемішують дерев'яними жердинами. Бурхливе виділення пари води і вуглеводнів сприяє видаленню газів і відновленню міді:

4Сu2О + СН4 = 8Сu + 2Н20 + СО2.

                Після вогняного рафінування чистота міді досягає 99.99,5%. Електролітичне рафінування застосовують для отримання міді чистотою до 93,95%. Електроліз проводять у спеціальних ваннах. Анодами служать пластини з чорнової міді розміром 1х1 м і завтовшки 59 мм, катодами – листи завтовшки 0,5 мм з чистої міді, електролітом – водний розчин сірчаної кислоти і сірчанокислої міді. При проходженні струму напругою 2-3 В і густиною 100-400 А/м анод розчиняється, мідь переходить в розчин у вигляді катіонів, які потім розряджаються на катодах і відкладаються шаром чистої міді. При цьому домішки осідають на дно ванни у вигляді шламу. Іноді в шламі містяться до 35% Ag, 6% Se, 3% Fе, 1% Аu та інші цінні елементи. Тому шлами звичайно переробляють з метою добування цих елементів.