Огневое рафинирование черновой меди

метки: Рафинирование, Чернов, Огнев, Концентрация, Кислород, Закись, Никель, Огневой

Теоретические процессы огневого рафинирования меди

Основной целью огневого рафинирования черновой меди является получение плотных анодов для последующего электролитического рафинирования и удаление примесей, присутствие которых в анодах отрицательно влияет на процесс электролиза.

Огневое или окислительное рафинирование меди основано на преимущественной по сравнению с основным металлом склонности ряда примесей к окислению с последующим выделением их в виде нерастворимых в основном металле окислов в самостоятельную шлаковую фазу или частично в виде возгонов в газовую фазу. Склонность примесей к окислению определяется их сродством к кислороду или точнее величиной убыли энергии Гиббса реакций образования окислов данных компонентов.

При продувке ванны черновой меди воздухом реакции окисления протекают на поверхности пузырей, всплывающих в жидком металле. Так как скорость окисления компонентов расплава пропорциональна их концентрации, то с наибольшей скоростью происходит окисление меди по реакции

2Сu+0,5O ₂ = Сu₂ О+166,6 кДж.

Образующаяся Сu ₂ О растворяется в меди

Сu ₂ О_тв —> [Сu₂ О]

(рис.1)

и за счет конвекции и диффузии распространяется в объеме ванны. Окисление примесей при этом осуществляется главным образом за счет кислорода, содержащегося в ванне металла. Если пренебречь другими примесями и рассматривать образующийся расплав как бинарную систему Сu—Сu ₂ О, то из диаграммы состояния следует, что растворимость Сu₂ 0 в жидкой меди будет возрастать с повышением температуры следующим образом:

Температура, °С … 1100 1150 1200Растворимость, % … 5,0 8,3 12,4

Окисление серы. Сера присутствует в черновой меди в основном в виде Си ₂ S, некоторое количество ее может поглощаться при рафинировании из дымовых газов. Полусернистая медь при пирометаллургическом рафинировании вначале окисляется медленно, но по мере окисления железа к концу окислительного периода наблюдается интенсивное выделение 80 ₂ по реакции:

Сu ₂ S + 2 Сu₂ O = 6Сu + SO₂

При взаимодействии чистых веществ расчетное значение />до _г , достигаемое в соответствии с этой реакцией, при 1100° С составляет >80 кгс/см² . Но в ванне рафинировочной печи концентрация Сu₂ O и особенно Сu₂ S невелика, при таких условиях P_{SO 2} будет значительно ниже.

Производство меди и медные сплавы

... +0,337 в, а для проходящей реакции Сu+ + е ->Сu равен +0,52 в. В результате чего Медь вытесняется из своих солей более электроотрицательными элементами (в широком производстве используется железо) ... типа — Удокан в Читинской области, Джезказган в Казахстане, меденосный пояс Центральной Африки и Мансфельд в Германии. Остальные самые богатые месторождения меди расположены в Чили (Эскондида и ...

Из диаграммы непосредственно следуют два вывода:

Для достижения концентрации серы ниже 0, 01% необходимо, чтобы в равновесных условиях содержание кислорода в меди было не менее 0,1%. Известно, что при приближении системы к равновесному состоянию скорость реакции резко снижается. Поэтому для обеспечения необходимой скорости процесса концентрацию кислорода в жидкой меди увеличивают до 0,9%.

Если газы над жидкой медью содержат 80 ₂ , то полного даления серы достичь трудно. Обычно содержание серы в анодах пределяется тысячными долями процента и редко бывает выше ,015%, а для вайербарсов, согласно ГОСТу, содержание серы должно быть ниже 0,005%. Отсюда следует, что печи огневого рафинирования, предназначенные для получения анодов и тем более вайербарсов, нельзя отапливать высокосернистым топливом во время доводки металла.

Восстановление Си ₂ О. После проведения операции окисления меди ванна металла почти насыщена кислородом (обычно до 0,9%).

В меди остается небольшое количество трудноудаляемых примесей (в основном Ni, As, Sb и Вi) и практически все золото и серебро исходной шихты. Для получения плотных анодов из расплава системы Сu—Сu₂ O необходимо удалить кислород до остаточной концентрации 0,03—0,2%, зависящей от содержания никеля.

Восстановление окисленной меди производят древесиной, пылевидным углем, мазутом или сырым неподготовленным и конверсированным природным газом. В настоящее время более широко применяют последние три вида восстановителей. Продукты сухой перегонки дерева, пылевидного угля, мазута и природного газа содержат углеводороды, термически неустойчивые при высоких температурах. Так, основной компонент природного газа СН ₄ уже при 600° С начинает диссоциировать на водород и сажистый углерод, процесс почти полностью заканчивается при 1100° С. Следовательно, при всех способах восстановления меди собственно процесс восстановления сводится в основном к взаимодействию закиси меди с тремя воссстановительными агентами — водородом, окисью углерода и твердым углеродом, причем в последнем случае должно, по-видимому, превалировать косвенное восстановление окисью углерода, образующейся по реакции газификации углерода С + СO₂ = 2СО.

2. Огневое рафинирование черновой меди и его технико-экономические показатели

На огневое рафинирование поступает черновая медь различного состава в твердом и жидком состоянии.

Следует отметить, что территориальное расположение предприятий, производящих выплавку и электролитическое рафинирование меди, по ряду соображений, в основном экономического характера, очень часто не совпадает. Однако как показала практика, на крупных медеплавильных заводах экономически целесообразна организация пирометаллургического рафинирования черновой меди и отгрузка на медеэлектролитные заводы готовых анодов, а не слитков черновой меди.

1 — мостовой кран грузоподъемностью 5 т; 2 — дымовая труба; 3 — мостовой кран грузоподъемностью 75 т;

4 — напыльник с газоходом; 5 — анодная печь; в — разливочный желоб; 7 — кран-укосина;

Рафинирование золота. рафинирование золота

... электролитическом рафинировании черновых металлов Ag, Au и платиновые металлы осаждаются на дне электролитической ванны в виде шлама, который отправляют на аффинаж. При рафинировании сплавов, содержащих менее 30 % или более 70 % золота, ...

8 — разливочный ковш; 9 — разливочная машина; 10 — трубопровод кондиционированного воздуха;

11 — анодносъемочная машина; 12 — ванна для охлаждения анодов; 13 — вентилятор пароудаления.

В настоящее время для огневого рафинирования меди используют стационарные отражательные печи, наклоняющиеся печи типа конвертера и вращающиеся печи. Стационарные печи применяют на крупных медеэлектролитных заводах для рафинирования главным образом твердой черновой меди. Современные печи этого типа имеют емкость ванны до 400 т и глубину ванны 965 мм. Для переплавки катодов стационарные печи заменяют электропечами с непрерывной загрузкой и отливкой медных слитков или печами шахтного типа специальной конструкции. На небольших заводах устанавливают вращающиеся печи барабанного типа, а на медеплавильных заводах для огневого рафинирования жидкой черновой меди, как правило, используют цилиндрические наклоняющиеся печя.

Наклоняющиеся печи, аналогичные в основном по конструкции горизонтальным конвертерам, получили большое распространение благодаря следующим преимуществам по сравнению со стационарными печами. Заливка черновой меди в эти печи более удобна и менее продолжительна; наклоняющаяся печь может служить миксером и обеспечить большую маневренность в работе; продолжительность периода окисления меди резко сокращается; расположение оборудования более компактно; меньше капитальные затраты, печи удобно располагаются в конвертерном пролете. Кроме того, при работе на наклоняющихся печах исключены случаи самопроизвольного выпуска металла — медь может быть перелита в другую печь или емкость; сокращается удельный расход огнеупоров. Недостатками наклоняющихся печей являются меньшая герметичность системы отвода газов и связанные с ней трудности утилизации тепла отходящих газов. Наиболее распространены печи, имеющие размеры 3,96 X 9,14 м и емкость 160— 220 т. В наклоняющихся печах отечественных заводов отвод отходящих газов двоякий: через горловину или через торец агрегата.

Современная практика огневого рафинирования черновой меди показывает, что удаление небольших количеств примесей не требует применения специальных методов рафинирования. При повышенных концентрациях примесей в процессе огневого рафинирования приходится использовать дополнительные технологические приемы.

Для ошлакования окиси свинца в печах с основной футеровкой обычно добавляют кварцевый флюс. Английские исследователи показали, что для удаления свинца можно использовать фосфатные и боратные шлаки. Применение этих шлаков позволяет быстро удалять свинец с большой полнотой (остаточное содержание около 0,005%) при очень незначительных потерях меди.

При повышенном содержании в рафинируемой меди мышьяка и сурьмы для более полного удаления этих примесей можно чередовать окисление и восстановление металла. При этом происходит восстановление нелетучих арсенатов и антимонитов до летучих трехокисей и частично до арсенидов и антимонидов с последующим повторным окислением их. Однако этот прием значительно увеличивает продолжительность процесса. Ошлакованиемышьяка и сурьмы может быть значительно облегчено путем добавки щелочей (соды или извести) в количестве 1—2% от массы металла. В этом случае образуются нерастворимые в меди арсенаты и ан-тимонаты натрия и кальция, всплывающие на поверхность шлака. Из меди удаляется 85—90% мышьяка и 70—77% сурьмы. Следует отметить, что содовые шлаки сильнее разъедают футеровку печи. В настоящее время осваивается подача порошкообразных реагентов в жидкую ванну. Продувка металла порошками уже нашла довольно широкое применение в черной металлургии.

Огневое рафинирование черновой меди с повышенным (>0,5%) содержанием никеля характеризуется некоторыми особенностями. Такую медь получают на заводах, перерабатывающих медно-нике-левое сырье или вторичные медьсодержащие материалы, загрязненные никелем.

Восстановление меди

Как известно, операцию восстановления или «дразнений» меди проводят с целью дегазации металла и восстановления закиси меди, образующейся в период окисления. До последнего времени эту операцию осуществляли с использованием сырой древесины. Восстановителями закиси меди в этом случае являются продукты сухой перегонки дерева — углеводороды, взаимодействующие с Сп ₂ 0 по реакциям типа:

4Cu ₂ O + CH₄ 8Cu + CO₂ + 2H₂ O

и др. Процесс раскисления меди идет медленно (3—4ч), с большим расходом древесины, трудоемок и не поддается механизации. В настоящее время в отечественной практике древесину частично или полностью заменяют малосернистым мазутом или природным газом.

Мазут подают через окислительные трубки под давлением 200—300 кН/м ² . Один из концов трубки заварен и для выхода мазута в цилиндрической стенке имеется 10—12 отверстий диаметром 3 мм. Применение одного мазута не позволяет полностью исключить древесину, так как интенсивное поглощение медью образующегося водорода в конце операции затрудняет получение плотных отливок. На Балхашском горно-металлургическом комбинате раскисление меди производят мазутом, вдуваемым в ванну с помощью сухого перегретого пара. Применение паро-мазутной смеси позволяет полностью отказаться от применения древесины и сократить продолжительность операции восстановления.

В современной практике огневого рафинирования меди наибольшее распространение в качестве восстановителя получил природный газ. Замена древесины и мазута при раскислении меди природным газом, кроме экономической целесообразности, дает ряд преимуществ: исключается применение ручного труда и улучшаются его санитарно-гигиенические условия, появляется возможность строгого дозирования восстановителя и осуществления комплексной автоматизации процесса.

3.Выбор состава черновой меди

Для получения медных анодов, в печи огневого рафинирования загружают жидкую черновую медь, обороты (брак анодов, изложниц), а также флюсы(кварцевый песок и соду), для лучшего шлакования примесей.

Расчет ведем на 100 кг черновой меди. Состав оборотов соответствует состава анодной меди и составляет 10% от количества загруженной черновой меди (практические данные комбината «Североникель»).

Определяем весовое содержание меди в оборотах.

99,05*0,1=9,905 (кг)

Определяем весовое содержание меди в черновой меди:

98,20* 1=98,20 (кг)

Количество загружаемой меди в печь:

9,905+98,20-108,105 (кг)

В результате плавки получаем анодную медь, шлак, угар и газы.

Количество меди, перешедшее в анодный металл. Извлечение меди в анодный металл на комбинате «Североникель» составляет 97% [9].

108,105*0,97-104,862 (кг)

Угар меди составляет 0,15% от ее количества в шихте [8] Количество меди в угаре:

108,105*0,0015=0,162 (кг)

Количество меди в шлаке:

108,105-(х+0,162)=104,862 (кг)х= 3,081 (кг)

Определяем вес анодного металла:

104,862*0,9905=103,866 (кг)

Табл.№1. Таблица распределения меди по продуктам плавки.

		В том числе меди			В том числе меди
Загружено	кг		Получено	кг
		кг	%			кг	%
Черновая	100	98,20	90,84	Анодная	108,105	104,862	97,00
медь				медь
				Шлак	*	3,081	2,85
Обороты	10,0	9,905	9,16	Угар	0,162	0,162	0,15
Итого	110,0	108,105	100,0	Итого	—	108,105	100,0

4. Физико-химические закономерности процесса

4.1 Реакции, протекающие при обжиге концентрата

1).

;

2).

;

3).

4).

5).

6).

7).

8).

9).

10).

4.2 Термодинамика процесса окислительного рафинирования

Для основных реакций были найдены изменения энтальпии, энтропии, энергии Гиббса, константы равновесия в интервале температур 400-900. Изменение энергии Гиббса определялось в работе по более точному методу Тёмкина-Шварцмана. Основное уравнение данного метода следующее:

где = ;

;

(соответственно ,,)=.

Значения коэффициентов M₀ , M₁ , M_-2 , M₂ бралось из справочной литературы [1].

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/ognevoe-rafinirovanie-medi/

Полученные в ходе расчетов значения приведены в таблице 2:, Таблица 2

	1000	1100	1200	1300
	-1540	-1570	-1601	-1632
	-11.7	-25.18	-39.2	-53.2
	-91.67	98.62	98.8	100.2
	-150.16	-147.7	-145.2	-142.7
	-191.6	-197.2	-202.48	-207.74

График зависимости энергии Гиббса от температуры

5 . Технологический расчет

Образования окисей примесей в процессе огневого рафинирования. Кислород будет расходоваться главным образом на взаимодействие с медью, так как ее много больше, чем примесей; при этом образуется только Си ₂ О, СиО при температурах выше 1030° С на воздухе и тем более в медной ванне в существенных количествах , образоваться не может, так как величина Р_02/Си0 > 0,21 ат, где 0,21 — парциальное давление кислорода в воздухе. -Поэтому протекает реакция образования Си₂ О:

4Си + О ₂ = 2Си₂ О.

Закись меди, образовавшаяся на поверхности пузырька воздуха, растворяется в меди и таким образом разносится по всей, ванне:

Си ₂ О_тв [ Си₂ О]

Скорость этого процесса определяется интенсивностью перемешивания ванны, которое проводят при вдувании воздуха. Помимо этого, медь окисляется также и с поверхности ванны кислородом, содержащимся в печных газах. При 1200 ⁰ С Си₂ О образуется в твердом виде. Согласно диаграмме состояния системы Си—Си₂ 0 (рис. 1), при температуре 1100—1200° С Си₂ О_тв растворяется в меди в количестве 8,3—12,4% (по массе), и таким образом кислород попадает в металлическую медь. При температуре 1200° С и ниже избыточная закись меди находится в виде твердой фазы, а при температуре выше 1200° С — в виде самостоятельной жидкой фазы расплава меди в Си₂ О при содержании 90% Си₂ О. Обычно при окислительном рафинировании черновой меди концентрацию кислорода доводят до 1,3—1,5% (по массе) (11,5— 13,5% Си₂ О), что указывает на избыток нерастворенной Си₂ О, поддерживающей таким образом раствор Си₂ 0 в меди в насыщенном состоянии.

Далее происходит реакция окисления примесей, растворенных в меди, с растворенной в ней закисью меди:

[Си ₂ 0] + [Me’] (Ме’О) + 2 [Си].

5.1 Процесс окисления (выгорания) железа при рафинировании

Реакция выгорания железа из меди выразится уравнением

[Си ₂ O] + [Fе] -(FеО) + 2 [Си], (59)

тепловой эффект реакции:

Q ₂₉₈ =Q_FeO -Q_{Cu 2 O} ,

Q ₂₉₈ =23.9 ккал

т. е. при протекании этой реакции тепло выделяется. Термодинамический потенциал реакции при 1200° С (по экспериментальны данным)

?Z ⁰ _FeO = -40,ккал,

?Z ⁰ _Сu2O =-14,5ккал,

?Z⁰ = ?Z⁰ _FeO — ?Z⁰ _Сu2O = — 40,0 + 14,5 = — 25,5 кал,

?Z ⁰ ₁₂₀₀ = -25,5 ккал — величина отрицательная.

Таким образом, реакция (59), если все ее участники содержатся в чистом виде, должна идти слева направо до конца, но так как эта реакция протекает при температуре 1200° С, при которой все ее участники находятся в виде растворов в металлической и шлаковой фазах, то в ходе реакции величины сродства железа и меди к кислороду будут изменяться, так как они зависят от концентрации [Ме’ ] и (Ме’О) в расплаве, а поэтому и суммарная величина А2° реакции не должна оставаться постоянной. Равновесное давление кислорода и сродство металлов к кислороду будут при изменении активности (концентраций) [Ме] и (Ме’O) меняться. В частном случае для двух металлов меди и железа

4[Си] + 0 ₂ = 2[Си₂ 0],

2[Fe]+O ₂ =2(FеО),

В этих уравнениях в скобках поставлены активности веществ в соответствующих фазах. В первый момент, когда активность (концентрация) Си₂ О и активность (концентрация) железа — относительно большие величины, будет также относительно большой величиной, а — относительно малой величиной. По мере хода реакций слева направо активность (концентрацию) Си₂ О в меди можно поддерживать почти постоянной, а активность (концентрация) железа будет уменьшаться. Давление диссоциации РеО увеличивается и сродство Ре к кислороду уменьшается до тех пор, пока не наступит равновесие.

При равновесии следовательно, и ?Z⁰ _Сu2O= ?Z⁰ _FeO , а ?Z⁰ =0, следовательно

Если постоянные величины перенести в левую сторону уравнения и извлечь квадратный корень, то константа равновесия будет иметь следующий вид:

(60)

Примем, что концентрация [Си] остается постоянной (при рафинировании рудной черновой меди она изменяется, например, на 1%).

Концентрация железа может при этом меняться в сотни и тысячи раз.

Концентрация [Fе] может быть минимальной тогда, когда концентрация (FеО) в шлаке будет минимальной, а концентрация [Си₂ О] в меди максимальной, т. е. насыщенной:

(62)

Вычислим константу равновесия по уравнению изотермы Вант-Гоффа:

?Z ⁰ == -RT lnK или ?Z⁰ = -4.57lgK

При 1200° С (по экспериментальным данным)

?Z ^0=- 25 500 кал,

и K ₁₂₀₀ =10^3.7 =5012

переходя к концентрациям, определяем величину К_с [реакция (59) идет с изменением числа реагирующих веществ на 1 моль]:

Кс = К _Р (КТ), откуда

[Си₂ О]_нас = 12% (по массе) или, если принять плотность расплава меди в ванне равной 8400 г/л, равна 7 моль!л (8400-0,12 = 1008 г!л Си₂ О или = 7 моль/л).

Концентрация меди в ванне в таком случае будет равна

=116 г-атом/л.

Условно принимая концентрацию [FеО] в расплавленной ванне равной 1-10 ^-4 моль/л FеО, получаем остаточную концентрацию железа в меди равной

ИЛИ

(по массе)

Графически зависимость остаточной концентрации железа от концентрации [Си ₂ О] в растворе показана на рис. 3

Рис.3 Зависимость остаточной концентрации железа в меди от содержания закиси в растворе при различной температуре

На рисунке видно, что при температуре 1200° С минимальная концентрация железа в меди будет равна примерно 0,003% (по массе) и определяется насыщенной концентрацией [Си ₂ О] в меди, равной 12,0% (по массе)

5.2 Влияние температуры на предельное содержание

Влияние температуры на предельное содержание Fе при окислительном рафинировании меди определяется, если вычислить величину ?Z⁰ при какой-нибудь другой температуре, например при 1150° С (по экспериментальным данным):

?Z ⁰ _FeO = -40,ккал,

?Z ⁰ _Сu2O =-14,5ккал,

?Z⁰ = ?Z⁰ _FeO — ?Z⁰ _Сu2O = — 40,0 + 14,5 = — 25,5 кал,

?Z ⁰ ₁₂₀₀ = -25,5 ккал

Тогда

и К ₁₁₅₀ =10^3,8 =6300

отсюда

При 1150° С 1Си₂ О]_нас 11% (по массе), или 8400*0,11= 924 г/л или =6,5 моль!л.

Концентрация [Си] = г-атом/л. При условной концентрации [FеО]= 1*10^-4 моль/г остаточная концентрация железа в меди равна

или

(по массе)

Кривая зависимости остаточной концентрации [Fе] от концентрации [Си₂ О] в растворе при Т = 1150° С на рис. 3 будет располагаться ниже кривой для Т° = 1200° С и остаточная концентрация [Fе] при насыщенном растворе [Си₂ О] в меди [~11% (по массе)] равна соответственно 0,0025% (по массе).

Таким образом, при более низкой температуре получается более низкая остаточная Концентрация [Fе], несмотря на то что максимальная концентрация [Си₂ О] в насыщенном растворе при 1150°С ниже, чем при 1200° С. Повышение температуры отрицательно влияет на выгорание железа. Этот вывод совпадает с качественным выводом, который можно сделать согласно правилу Ле-Шателье. По этому правилу при повышении температуры равновесие реакции сдвигается в сторону эндотермической реакции:

[Fе] + [Си ₂ О] = (FеО) + 2 [Си] + 23,8 ккал.

Расчет остаточной концентрации железа в меди можно закончить и несколько другим способом, который позволяет избежать использования предположительной величины концентрации закиси железа в меди.

Константа равновесия реакции окисления меди до закиси может быть записана следующим образом:

Где К — коэффициент, учитывающий размерности участников реакции при различном выражении их концентраций (мольные доли, активности, моль/л и т.д.)

При чистых веществах

так как при 1200С . Аналогично для реакции окисления железа находим

где К ₁ — коэффициент, учитывающий размерности;

• коэффициент активности железа в меди.

Таким образом, при чистых веществах равна

так как при 1200С

Отсюда давление диссоциации FeO в любой момент равно:

при равновесии ==10^-2 . Для дальнейшего расчета по диаграмме состояния Fe-Cu найдем насыщенную концентрацию железа в меди при 1200⁰ С. Она равна (рис.99) 5% (по массе).

В этот момент равно величине над чистым Fe и FeO или . Отсюда получим

, или

=5*0,2,

где 0,2 — коэффициент активности железа, насыщающего медь при его концентрации 5% (по массе).

Принимая, что коэффициент активности железа, растворенного в меди, не меняется, что практикуется в литературе, найдем

Подставляя вместо соответствующих величин их значения, находим

откуда

(по массе)

Расхождения в значениях остаточной концентрации железа объясняются неточностью принятого выше значения концентрации [FеО] в меди.

700 О ‘ Ге

100 Си

20 40 60 80

Содержание , %, Рис.4. Диаграмма состояния системы Fе—Си

5.3 Влияние природы примеси

Расмотрим процесс окисления никеля. На диаграмме зависимости ?Z⁰ _MeO от температуры никель занимает промежуточное положение между медью и железом и обладает меньшим, чем железо, и большим, чем медь, сродством к кислороду. Проведем вычисления для реакции

[Си ₂ 0] + [Ni] — 2 [Си] + (Ni0).

(66)

Для этой реакции ?Z⁰ ₁₂₀₀ =?Z⁰ _NiO -?Z⁰ _Cu2O

?Z ⁰ ₁₂₀₀ ?-14 ккал,

K ₁₂₀₀ =10^2.05 =112.2

Откуда

Условно принимая концентрацию [NiO] в расплаве равной 1х10^-4 моль/л NiO, получаем остаточную концентрацию никеля в меди равной

моль/л

или

(по массе)

Практически содержание никеля в меди после рафинирования превышает эту величину в два-три раза (~0,25%).

Таким образом, константа равновесия реакции окисления никеля имеет значительно большую величину, чем для железа, а остаточная концентрация никеля в меди будет больше железа, и она равна уже сотым, а не тысячным долям процента. Кривые зависимости остаточной концентрации [N1] от концентрации [Си₂ О] в растворе на диаграмме будут располагаться выше, чем кривые для железа (рис. 5).

Таким образом, чем меньше сродство металла к кислороду, тем большая его концентрация остается в меди, и наоборот. Более глубокое рафинирование наблюдается от примесей с большим сродством к кислороду, например от алюминия. От примесей же, обладающих меньшим сродством к кислороду, чем медь, с помощью окислительного рафинирования освободится не удается (Au, Ag, Bi).

5.4 Влияние концентрации образующегося окисла

Согласно уравнению (62), минимальная концентрация железа в меди зависит не только от концентрации закиси меди, но и от концентрации закиси железа, растворенной в шлаке. При небольшой концентрации закиси железа в шлаке будет небольшой и остаточная концентрация железа в меди. При энергичном окислении концентрация закиси железа в шлаке достигает 10—20%. Очевидно, необходимо убирать этот шлак из печи с тем, чтобы его состав не влиял отрицательно на остаточную концентрацию железа в меди. Шлаки из печи удаляют периодически, чтобы получить возможно меньшую концентрацию закиси железа (и других примесей) в них.

Таким образом, между металлом (медью) и шлаком устанавливается равновесие, согласно которому все примеси, присутствующие в черновой меди, распределяются между металлом и шлаком в соответствии с их величинами сродства к кислороду. Общее уравнение равновесия при окислительном рафинировании меди примет вид

Порядок окисления примесей в первом приближении может быть определен по расположению их по величине нормального сродства к кислороду и давлению диссоциации. Примеси в черновой меди будут окисляться в следующем порядке: Al, Si, Mn, Zn, Sn, Fe, Ni, As, Sb, РЬ. Однако в зависимости от концентрации в ванне тех или иных примесей в данный момент порядок окисления их может быть иным. Практически после окислительного рафинирования в меди остается примесей, %: до 0,05—0,005 Fе; до 0.4 Ni; до 0.05 Sb; до0.01 As; до 0.05 Pb; до 0,05Sn; до 0.005Zn; до 0,005Bi. Серебро и золото при огневом рафинировании меди не удаляются. Таким образом, при окислительном рафинировании меди примеси удаляются не полностью, и медь после этого подвергают электролитическому рафинированию

6. Расчет необходимого количества воздуха для окисления примесей

6.1 Период окисления

1 Для окисления 0,1 кг Fе по реакции:

Сu ₂ О+Fе=2Сu+FеО

О ₂ -0,1*16/55,8-0,29 (кг)

2 Для окисления 0,425 кг никеля по реакции

Сu ₂ О+Ni=2Сu+NiО

О ₂ =0,425*16 /58,7= 0,116 (кг)

3 Для окисления 0,152 кг серы по реакции

2 Сu ₂ О+ Сu₂ S=6Сu+ SО₂

О ₂ =0,152*32/32=0,152 (кг)

4Медьв шлаке содержится в виде Сu ₂ О (50%) и в виде корольков меди =- 50%[9]

а) Количество меди в шлаке связано с О ₂

Cu0=3,086*50/100=1,543 (кг)

б) Количество меди в шлаке в виде корольков

3,085-1.543=1,542 (кг)

в) Количество кислорода связанного с медью

О ₂ =1,543*16/127=0,194 (кг)

2. Для более полного удаления примесей необходимо довести содержание кислорода в меди до 0,9% [1]

Количество кислорода, которое будет в ванне печи при его содержании 0,9%

110*0,009=0,99 (кг)

3. В жидкой черновой меди содержится 0,35% кислорода, в оборотах содержится 0,15% кислорода.

а) Поступило кислорода с черновой медью

0,0035*100=0,35 (кг)

б) С оборотами

0,0015*10=0,015 (кг)

Всего поступило кислорода с шихтой:

0,35+0,015=0,365 (кг)

Требуется ввести кислорода:

0,99-0,365=0,625 (кг)

а) с этим кислородом вводится воздуха:

0,625/0,23=2,717 (кг)

б) В этом воздухе содержится азота:

2,717-0,625=2,092 (кг)

9. Степень использования кислорода ванной печи составляет 90% [1]

Необходимое количество воздуха для окисления примесей

2,717/0,9=3,019 (кг)

б) В этом воздухе кислорода:

3,019*0,23=0,694 (кг)

в) В этом воздухе азота :

3,019*0,77=2,325 (кг)

Всего вводится кислорода с шихтой и воздухом:

0,365+0,694=1,059 (кг)

Не прореагировав уйдет кислорода в газы

1,059-0,99=0,060 (кг)

Кислорода идет в газы в виде SO ₂

0,152 (кг)

13.Всего в газы уйдет кислорода :

0,069+0,152=0,2 И (кг) 14.

Весь азот уйдет в газы: N ₂ =2,325 кг)

Кислорода в шлаке:

0,029+0,116+0,194=0,339 (кг)

Остается кислорода в ванне меди:

0,99+0,339-1,0152=0,499 (кг)

Таблица 3. Количество и состав технологических газов

Компоненты	Вес, кг	%, весовые	Объем, нм 3	%, объемные
30 2	0,304	11,27	0,106	5,26
0 2	0,069	2,56	0,048	2,38
М 2	2,325	86,17	1,860	92,36
Итого	2,698	100,0	2,014	100,0

6.2 Период восстановления

1 Перейдет кислорода в газы восстановительного периода:

0,499-0,159=0,340

2 В качестве восстановителя на комбинате «Североникель» применяется малосернистыймазут марки — 40, Состав мазута:%

с р	Н р	О р	N р	S р	А р	W Р	Итого
85,1	10,3	0,4	0,4	0,5	0,3	3,0	100

3 Основная реакция:

2 Си ₂ О+С=4Си+СО₂

По реакции образуется СО ₂

СО₂ =0,34*44/32=0,468 (кг) или 0,238 м³ О₂ =0,34 (кг), С=0.128 (кг)

Необходимо восстановителя:

0,128/0,851=0,15 (кг)

Избыток восстановителя а = 1,5 0,15* 1,5=0,225 (кг), В восстановителе содержится углерода:

0,225*0,851=,0191 (кг)

Углерода переходит в газы (в виде сажи):

0,191-0,128-0,063 (кг)

Находим количество мазута по компонентам

Н ₂ =0,225*0,103=0,023 (кг)

О ₂ =0,225*0,004=0,001(кг)

N ₂ =0,225*0,004=0,001(кг)

S=0,225*0,005=0,001 (кг)

А=0,225*0,003=0,001(кг)

Н ₂ 0=0,225*0,03=0,007 (кг), О₂ =0,006 (кг), Н₂ =0,001 (кг)

Таблица 4. Количество и состав восстановителя

Компоненты	кг	%
С	0,191	85,1
Н 2	0,023	10,3
0 2	0,001	0,4
N 2	0,001	0,4
S	0,001	0,5
А	0,001	0,3
Н 2 О	0,007	з,о
Итого	0,226	100

Таблица 5. Состав и количество газов восстановительного периода

Компоненты	Вес, кг	%, весовые	Объем, мн 3	%, объемные
СО 2	0,468	82,98	0,238	38,02
С	0,063	11,17	0,118	18,85
Н 2	0,023	4,08	0,258	41,21
0 2	0,001	0,18	0,001	0,16
N 2	0,001	0,18	0,001	0,16
S	0,001	0,18	0,001	0,16
Н 2 О	0,007	1,22	0,009	1,44
Итого	0,564	100	0,626	100,0

Список используемой литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/ognevoe-rafinirovanie-medi/

огневое рафинирование черновая медь

1. Современные методы рафинирования черновой меди./Лавров/М «Металлургия» 1977

2. Краткий справочник физико-химических величин./А.А. Равдель/С-Пб. «Иван Федоров» 2002г.

3. Конвертирование медных штейнов/Орлов А.К./Ленинград 1978

4. Теория пирометаллургических процессов./А.В. Ванюков, В.Я. Зайцев/М. «Металлургия» 1993г.

5. Огневое рафинирование черновой меди /Купряков Ю.П./ 1970

6. Металлургические печи: атлас /Миткалинный В.И./1987

7. Металлургические печи цветной металлургии/Диомидовский Д.Л./М «Металлургия» 1970

8. Металлургия меди, никеля и кобальта/ часть1/И.Ф. Худяков/М «Металлургия»/ 1977