Конвертирование медных штейнов от А до Я – все о процессе для дипломной работы

В технологической цепочке производства меди конвертирование штейна занимает центральное место. Этот передел является ключевым, так как именно на этом этапе из медно-железного сульфидного сплава удаляются основные примеси — железо и сера — для получения так называемой черновой меди, которая затем отправляется на финальную очистку. Понимание физико-химических основ и технологических нюансов этого процесса является обязательным условием для подготовки качественной дипломной работы. Актуальность темы подтверждается и тем, что процесс конвертирования, несмотря на свою отработанность, оставляет пространство для исследований, направленных на его оптимизацию, автоматизацию и разработку интеллектуальных систем управления.

Что представляет собой медный штейн как исходное сырье

Медный штейн — это промежуточный продукт пирометаллургического производства, представляющий собой сплав сульфидов. Его основой являются сульфид меди (Cu₂S) и сульфид железа (FeS). Содержание меди в штейне может значительно варьироваться, находясь в широком диапазоне от 10-12% до 70-75% в зависимости от богатства исходного сырья и особенностей плавки. В конвертер штейн поступает преимущественно в расплавленном виде, но может подаваться и в твердом состоянии.

Важно понимать, что в конвертер загружается не только штейн. Вместе с ним на переработку поступают и другие материалы:

• Оборотные материалы: богатые медью шлаки или иные продукты, возвращаемые в цикл для доизвлечения ценного компонента.
• Флюсы: как правило, это кварцевый флюс (кремнезем), необходимый для ошлакования железа.
• Прочие добавки: иногда в конвертер могут загружать подсушенный медный концентрат или богатую медную руду для регулирования теплового баланса.

Такой комплексный подход позволяет не только получить основной продукт, но и эффективно переработать побочные материалы.

Устройство и принцип работы классического конвертера Пирса-Смита

Несмотря на появление новых технологий, классический конвертер Пирса-Смита остается основным агрегатом для переработки медных штейнов. Он представляет собой горизонтальный цилиндрический сосуд, корпус которого сварен из стали и изнутри выложен огнеупорным (хромомагнезитовым) кирпичом для защиты от высоких температур.

Ключевыми элементами конструкции являются:

1. Горловина: Расположенное в центральной части отверстие, которое служит для загрузки расплавленного штейна и флюсов, а также для слива конечных продуктов — черновой меди и шлака. Через горловину также отводятся отходящие газы.
2. Фурмы: Ряд трубок, расположенных вдоль корпуса конвертера, через которые в расплав под давлением (обычно 0.8-1.2 атм) подается воздух или обогащенное кислородом дутье. Именно через фурмы в зону реакции поступает окислитель.
3. Механизм поворота: Специальный привод с зубчатым венцом, позволяющий поворачивать конвертер вокруг своей горизонтальной оси для выполнения технологических операций (загрузки, продувки, слива).

Принцип работы заключается в продувке жидкого штейна воздухом. Процесс является автогенным: реакции окисления сульфидов протекают с выделением большого количества тепла, что позволяет поддерживать высокую температуру расплава (1100-1280°C) без использования внешнего топлива.

Первый период конвертирования как этап удаления железа

Процесс конвертирования принято разделять на два последовательных периода, каждый со своей конкретной задачей. Главная цель первого периода — максимально полное окисление сульфида железа (FeS) и его перевод в шлак. Это возможно благодаря тому, что железо обладает большим химическим сродством к кислороду по сравнению с медью.

В ходе этого этапа протекают следующие ключевые химические реакции:

• Окисление сульфида железа кислородом воздуха с образованием оксида железа (FeO) и диоксида серы (SO₂).
• Взаимодействие оксида железа (FeO) с диоксидом кремния (SiO₂), который подается в конвертер в виде кварцевого флюса.

В результате второй реакции образуется легкоплавкий силикатный шлак (2FeO·SiO₂), который, имея меньшую плотность, всплывает на поверхность расплава и периодически сливается.

По мере окисления железа и слива шлака расплав постепенно обогащается сульфидом меди. Продуктом, который остается в конвертере по завершении первого периода, является так называемый белый штейн — расплав, состоящий преимущественно из чистого сульфида меди (Cu₂S). Температурный режим в этот период поддерживается в диапазоне 1100-1280°C.

Второй период, в ходе которого рождается черновая медь

После того как практически все железо удалено и из конвертера слит последний шлак первого периода, начинается второй, финальный этап. Его цель — получить из белого штейна (Cu₂S) металлическую медь. Для этого продолжается продувка расплава воздухом.

Основная химическая реакция этого периода — это окисление сульфида меди:

Cu₂S + O₂ → 2Cu + SO₂

Этот процесс приводит к прямому восстановлению меди из ее сульфида. Часто реакция протекает через промежуточную стадию, где сначала образуется оксид меди (Cu₂O), который затем немедленно вступает в реакцию с оставшимся сульфидом меди, также образуя металлический продукт. По мере протекания реакции сера улетучивается в виде диоксида серы, а в конвертере накапливается металлическая медь.

Конечным продуктом всего процесса конвертирования является черновая медь. Это металл с содержанием меди от 98.4% до 99.5%. Оставшуюся долю составляют небольшое количество серы, железа и других примесей, а также растворенные благородные металлы, которые перешли в нее из штейна. Эта медь затем направляется на дальнейшее, более тонкое рафинирование.

Что делать с конвертерным шлаком и отходящими газами

Комплексный подход к металлургическому производству предполагает эффективное управление побочными продуктами. При конвертировании образуются два основных вида отходов, которые на самом деле являются ценным сырьем: конвертерный шлак и отходящие газы.

Конвертерный шлак, получаемый в основном в первый период, состоит преимущественно из силикатов железа. Однако он неизбежно содержит в себе медь (от 1.8% до 3.0%), как в растворенном виде, так и в виде механически увлеченных капель штейна. Поэтому такой шлак не является отвальным продуктом. Его направляют в оборот — обычно возвращают на стадию плавки, чтобы извлечь оставшуюся медь и не терять ценный металл.

Отходящие газы представляют собой еще один важный ресурс. Основным их компонентом является диоксид серы (SO₂), образующийся в ходе окисления сульфидов. Современные экологические стандарты и экономическая целесообразность требуют его утилизации. На передовых предприятиях внедрены системы газоочистки, которые позволяют улавливать более 90% диоксида серы. Уловленный газ затем используется как сырье для производства серной кислоты — востребованного химического продукта, что является прекрасным примером превращения экологической проблемы в экономическое преимущество.

Перспективы и технологии непрерывного конвертирования

Классический процесс в конвертерах Пирса-Смита является периодическим (циклическим), что сопряжено с определенными недостатками, такими как нестабильный поток отходящих газов и необходимость в сложном крановом хозяйстве. В ответ на эти вызовы были разработаны технологии непрерывного конвертирования.

Одной из наиболее известных технологий является ISACONVERT™. Суть таких процессов заключается в том, что загрузка штейна, продувка и слив продуктов происходят одновременно и непрерывно в одном агрегате. Это обеспечивает ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционной схемой:

• Снижение капитальных затрат: Требуется меньше агрегатов, а их размер может быть меньше.
• Упрощенная система газоотвода: Стабильный и непрерывный поток отходящих газов с высокой концентрацией SO₂ значительно облегчает и удешевляет его утилизацию для производства серной кислоты.
• Улучшение условий труда и экологии: Отсутствие периодических выпусков газа и перемещения ковшей с расплавом по цеху снижает количество неорганизованных выбросов.

Хотя процесс Пирса-Смита все еще доминирует в индустрии, технологии непрерывного конвертирования, такие как ISACONVERT™, демонстрируют вектор развития отрасли в сторону большей эффективности, экологичности и стабильности.

Выводы для дипломной работы

Процесс конвертирования медных штейнов — это сложный, многостадийный физико-химический процесс, являющийся сердцем пирометаллургии меди. Его основная задача сводится к последовательному удалению железа и серы из сульфидного расплава для получения черновой меди. Эффективность этого передела напрямую влияет на общие технико-экономические показатели всего производства.

Представленный материал закладывает основу для глубокого анализа в рамках дипломной работы. Возможные направления для исследования могут включать:

1. Сравнительный анализ технологий: Детальное сопоставление периодического процесса Пирса-Смита и непрерывных технологий (например, ISACONVERT™) с оценкой их преимуществ и недостатков для конкретных условий.
2. Математическое моделирование: Разработка модели теплового и материального балансов конвертера для оптимизации расхода флюсов, холодных присадок и интенсивности дутья.
3. Повышение комплексности использования сырья: Исследование путей более полного извлечения ценных попутных компонентов (включая благородные и редкие металлы) из штейнов и шлаков.
4. Экологические аспекты: Анализ и предложение мер по дальнейшему снижению воздействия на окружающую среду, например, за счет более совершенных систем газоочистки или переработки шлаков.

Список использованных источников

1. Технологическая инструкция конвертерного отделения
2. Технологическая инструкция плавильного отделения
3. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия: учебник для вузов / Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. — 6-изд., перераб и доп. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. — 768 с: 253 ил.
4. Процессы и аппараты цветной металлургии: Учебник для вузов / С. С. Набойченко, Н. Г. Агеев, А. П. Дорошкевич и др.; Под ред. С. С. Набойченко; Урал. гос. техн. ун-т. — Екатеринбург: УГТУ, 1997. — 655 с.
5. Производство цветных металлов. – 2-е изд. Уткин Н.И. – М.: Интермет Инжиниринг, 2004. – 442с.: ил.
6. Дульнева В.Е., Дергачев Н.М., Перфильева Н.С. «Расчеты по технологии производства цветных металлов: Практикум / ГАЦМиЗ. –Красноярск, 2001. – 112с.
7. Ванюков А.В., Уткин Н.И. Комплексная переработка медного и никелевого сырья. – Челябинск: Металлургия, 1988.
8. Омарова Н.С., Омарова А.С., Жалелев Р.З. Изучение равновесного распределения меди в системе медь – высокожелезистый шлак – газовая среда в присутствии сульфата кальция и оксида бора // КИМС, 2002.
9. Кожахметов С.М. и др. Непрерывный процесс получения черновой меди // Состояние и перспективы научного сотрудничества Казахстана и Израиля: Тр. науч.-практ. конф., г. Алматы, 29-30 мая 2000 г. – Алматы: КазгосИНТИ, 2000.
10. Оспанов М.Х. и др. Бесшлаковое металлургическое производство черновой меди (бесшлаковая плавка) // Вестн. Жезказган. ун-та им. О.А. Байконурова. – Жезказган, 2000.
11. Бобров В.М. и др. Способ конвертирования медных штейнов: Пат.5309 KZ, МКИ с 22 В 15/06 // Институт металлургии и обогащения НАЦ по КМПИ РК. — № 960070.1, 2000.
12. Досмухамедов Н.К., Егизеков М.Г., Меркулова В.П. Конвертирование полиметаллических штейнов // Энергосберегающие технологии Прииртышья: Сб. тр. междунар. науч.-практ. конф. – Павлодар, 2001.
13. Нечистых Г.А. Особенности процессов износа видов периклазохромитовых огнеупоров в медеплавильных конвертерах // Наука и образование Южного Казахстана. Сер. «Экология. Охрана окруж. среды и рац. использов. природных ресурсов». – 2003.
14. Герц, Е.В. Пневматические приводы [Текст]: Теория и расчет/ Машино-строение. – Москва , 1969. – 360с.
15. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин [Текст]: Учеб. пособие для техн. спец. вузов/ Высш. шк. – Москва, 2000. – 447 с.
16. Смирнов В.И. Металлургия меди, никеля, кобальта [Текст]: Учеб. пособие для техн. спец. вузов/ Метиздат. – Москва, 1969. – 472 с.
17. Ицкович Г.М. Курсовое проектирование деталей машин [Текст]: Учеб. пособие для техн.вузов/ Высш. шк. – Москва, 1987. – 414 с.
18. Плахтин В.Д. Надежность, ремонт и монтаж металлургических машин [Текст]: учебник для вузов/ Металлургия – Москва, 1983. – 415 с.