Электролитическое получение и рафинирование меди реферат

Обновлено: 02.07.2024

Анодная медь является сложным многокомпонентным сплавом. Обычно она содержит, %: 99,5-99,8 меди, до 0,015 серы, столько же железа, до 0,5 никеля, до 0,05 свинца, до 0,01 висмута, до 0,2 мышьяка, до 0,06 селена+теллура, до 0,03(300г/т) золота и до 0,5(5000 г/т) серебра. Электролитическое рафинирование меди преследует две цели:

1) Получение меди высокой чистоты (99,90-99,99% меди)

2) Извлечение попутно с рафинированием благородных металлов и других ценных компонентов (селен, теллур, никель, висмут и др.)

Чем выше в исходной меди содержание благородных металлов, тем ниже будет себестоимость электролитной меди.

Электролитическое рафинирование меди основано на различии ее электрохимических свойств и содержащихся в ней примесей. Медь – это электроположительный металл, ее нормальный потенциал +0,34В.

Для осуществления электролитического рафинирования меди аноды, отлитые после огневого рафинирования, помещают в электролизные ванны, заполненные сернокислым электролитом

Между анодами в ваннах располагаются тонкие медные листы – катодные основы. При включении ванн в сеть постоянного тока происходит электрохимическое растворение меди на аноде, перенос катионов через электролит и осаждение ее на катоде.

Примеси меди при этом в основном распределяются между шламом(твердым осадком на дне ванн) и электролитом. В результате электролитического рафинирования получают:

- Шлам, содержащий благородные металлы, селен, теллур

- Загрязненный электролит, часть которого используют для получения медного и никелевого купороса.

Кроме того, вследствие неполного электрохимического растворения анодов, получают анодные остатки (анодный скрап).

Анодный процесс : Cu - 2e = Cu 2+

Катодный процесс: Cu 2+ + 2e = Cu

Электроположительный потенциал меди позволяет выделить медь на катоде из кислых растворов без опасения выделения водорода. Введение в электролит наряду с медным купоросом свободной серной кислоты существенно повышает электропроводность раствора.

Промышленные электролиты обычно содержат 30-50 г/л Cu 2+ и 120-170 г/л свободной серной кислоты. Для улучшения качества катодной поверхности, в электролиты вводят разнообразные поверхностноактивные (коллоидные) добавки – клей (чаще столярный), желатин, сульфидный щелок, тиомочевину и так далее. Добавки непрерывно вводят в циркулирующий электролит, обычно применяя одновременно две добавки. На одну тонну катодной меди расходуют 15-40 г клея, 15-20 г желатина, 20-60 г сульфидных щелоков или 60-100 г тиомочевины.

Температура электролита составляет 55-65С. Основными требованиями, предъявляемыми к электролиту, является его высокая электропроводность и чистота, однако реальные электролиты, помимо сульфата меди, серной кислоты, воды и необходимых добавок обязательно содержат растворенные примеси, содержавшиеся до этого в анодной меди.

Примеси, более электроотрицательные чем медь (никель, железо, цинк и др.) практически полностью переходят в электролит. Исключение составляет только никель, около 5% которого осаждается в шлам. Более электроположительные по сравнению с медью примеси (благородные металлы) переходят в шлам. Золото на 99,5% от его содержания в анодах, а серебро – на 98.

Основными характеристиками, определяющими параметры и показатели электролиза меди являются:

- Выход металла по току

- Напряжение на ванне

- Удельный расход электроэнергии.

Плотность тока выражается в амперах на единицу поверхности электрода (D=I/S). Единицы измерения – А/м 2 катода.

По закону Фарадея, на каждый А*ч электричества осаждается 1 электрохимический эквивалент металла. Для меди он равен 1,1857 г/А*ч. Следовательно, с увеличением плотности тока производительность процесса электролиза растет. Чаще всего заводы работают при плотности тока 240-300 А/м 2 , но можно довести плотность тока до 500 А/м 2 .

Степень использования тока на основной электрохимический процесс называется выходом металла по току. Выход по току может быть выражен в долях единиц или в процентах. На величину потерь тока влияют: утечки тока, возникающие в результате заземления в цепи, утечки тока через циркуляционные трубопроводы электролита, короткие замыкания между электродами, побочные химические и электрические процессы, нагревание электролита и контактов.

С этой целью введено понятие коэффициента использования тока или, как принято в заводской практике, “выход по току”, который рассчитывается как отношение фактически полученного количества меди к теоретически возможному при данных условиях электролиза (сила тока, продолжительность электролиза)

Напряжение на ванне составляет от 0,35 до 0,46 В.

Удельный расход электроэнергии – 280-370кВт*час/тонну меди

В настоящее время для электролиза меди в основном используются цельнолитые железобетонные ванны ящичного типа. Внутри электролизные ванны облицовывают винипластом. Ванны установлены на столбах с изоляторами из стекла, фарфора или текстолита на высоте 4-5м от 0 отметки. Под ваннами расположены насосы, трубопроводы и сборники электролита. Для спуска шлама и раствора в днищах имеется отверстие с пробкой. Если стоков не делают, ванны разгружают с помощью насосов.

Электролизные ванны объединяют в блоки по 5-20 штук, а блоки – в серии. В электрическую схему питания постоянным током ванны в блоках и блоки в сериях включены последовательно, а электроды в отдельных ваннах – параллельно. Эта система включения ванн и электродов получила название мультипль. Аноды отливают с ушками, которыми они опираются на токоподводящие шины и борта ванн.

Средняя толщина анода 35-45 мм, масса – до 350кг. Для обеспечения равномерного растворения анодов по высоте электролита, их отливают клиновидной формы с утолщением кверху. Катодные основы изготавливают из медных листов, размер катодной основы превышает размер анода по длине на 25-50 мм, по ширине на 50-60 мм. Катодные основы подвешивают в ваннах на медных трубчатых штангах. Расстояние от боковых кромок катодов до стенок ванн около 300 мм, до днища ванны 400-600 мм, число анодов, завешиваемых в одну ванну, на разных заводах колеблется от 29 до 48 штук. Число катодов в ванне всегда на 1 больше числа анодов, что обеспечивает равномерное растворение всех анодов, включая крайние. Расстояние между осями одноименных электродов – около 110мм, соответственно, между анодом и катодом – примерно 35-40 мм.

Выгрузку анодного шлама и полный слив электролита осуществляют периодически после полного срабатывания нескольких партий анодов(в зависимости от выхода шлама). Для выпуска шлама две соседние ванны выключают(шунтируют) наложением специальных медных шунт. После этого, из ванны извлекают электроды, сливают электролит и на дне остается слой сгущенного шлама. Его сливают и смывают в специальные емкости. После разгрузки ванны ее зачищают от обвалившихся кусочков меди, уплотнившегося шлама, и промывают. Шлам пропускают через рокот для отделения крупной фракции меди, после чего фильтруют и направляют на специальную переработку.

Технико-экономические показатели процесса:

1) Содержание меди в анодах, % 99-99,8

2) Масса анодов, кг 175-350

4) Выход анодных остатков, % 17-20

5) Время наращивания катодов, сутки 6-9

6) Масса катода, кг 70-140

7) Выход шлама, % 0,8 – 8,5

8) Состав электролита, г/л Cu 2+ 50, H₂SO₄ 125-230, коллоидные добавки 30-300

Рафинирование меди – это процесс очистки металла посредством электролиза. Очистка электролизом представляет собой самый простой способ достижения чистоты 99,999 % в меди. Электролиз улучшает качество меди как электрического проводника. Электрооборудование часто содержит электролитическую медь.

Что это такое?

Рафинирование меди или электролиз использует анод, который содержит нечистую медь. Она возникает из-за концентрации руды. Катод состоит из чистого металла (титана или нержавеющей стали). Раствор электролита состоит из сульфата. Поэтому можно утверждать, что рафинирование меди и электролиз – это одно и то же. Электрический ток заставляет ионы меди из анодов поступать в раствор и осаждаться на катод. При этом примеси либо отходят, либо образуют осадок, либо остаются в растворе. Катод становится больше, чем чистая медь, а анод сжимается.

В электролитических ячейках используется внешний источник постоянного тока для реагирования на реакции, которые иначе не были бы спонтанными. Электролитические реакции используются для очистки пластинчатых металлов на многих типах субстратов.

Использование электролитического процесса для очистки металла (рафинирование меди, электролиз металла):

Необходимо пропускать достаточный ток между электродами, иначе в противном случае возникнет не спонтанная реакция. Тщательно регулируя электрический потенциал, металлические примеси, которые достаточно активны для окисления меди на аноде, вещества не уменьшаются на катоде, а металл избирательно осаждается.

Важно! Не все металлы восстанавливаются или окисляются легче, чем вода. Если это так, сначала произойдет электрохимическая реакция, требующая наименьшего потенциала. Например, если бы мы использовали электроды, как анод, так и катод, металлический потенциал был бы окислен на аноде, но тогда вода будет уменьшаться на катоде, а ионы алюминия останутся в растворе.

Чтобы создать электролиз, нужно использовать следующий способ рафинирования меди:

Налейте раствор медного сульфата в стакан.
Поместите два графитовых стержня в раствор сульфата меди.
Присоедините один электрод к отрицательной клемме питания постоянного тока, а другой – к положительной клемме.
Полностью заполните две маленькие пробирки раствором сульфата меди и поместите пробку на каждый электрод.
Включите источник питания и проверьте, что происходит на каждом электроде.
Испытайте любой газ, произведенный с пылающей шиной.
Запишите свои наблюдения и результаты ваших тестов.

Результаты должны быть такими:

Появляются бурые или розовые твердые формы в растворе.
Есть пузыри.
Пузыри должны быть бесцветными.
Вещество газообразной формы.

Все результаты записываются, после чего газ гасится шиной. Также существует иной способ очистить металл от примесей и сторонней грязи – это огневое рафинирование меди. Как это происходит, расскажем позже, а сейчас представим другие варианты рафинирования металла.

Способы рафинирования меди – как еще могут происходить химические зачистки нужных металлов?

Поскольку электролиз – это воздействие сульфатов и тока, что же такое электролитический способ получения чистой продукции? Совершенно разные вещи, хотя похожи в звучании названий. Однако электрическое рафинирование меди заключается в использовании кислот. Можно сказать, что это окисление металла, но не совсем.

Чистая продукция важна для изготовления электрического провода, поскольку электропроводность меди снижается за счет примесей. Эти примеси включают такие ценные металлы, как:

Когда они удаляются электролизом и восстанавливаются тем же путем, электроэнергии затрачивается столько, сколько бы хватило на расход электрического питания для снабжения десятков домов. Очищенный компонент позволяет сэкономить энергию, обеспечивая за меньшее время расхода энергии еще больше жилых домов.

При электролитическом рафинировании нечистый состав изготавливается из анода в электролитной ванне из сульфата меди – CuSO₄ и серной кислоты H₂SO₄. Катод представляет собой лист очень чистой меди. По мере пропускания тока через раствор положительные ионы меди, Cu₂ + притягиваются к катоду, где они берут на себя электроны и осаждаются, как нейтральные атомы, тем самым создавая на катоде все больше и больше чистого металла. Между тем, атомы в аноде отдают электроны и растворяются в растворе электролита в виде ионов. Но примеси в аноде не идут в раствор, потому что атомы серебра, золота и платины не так легко окисляются (превращаются в положительные ионы), как медь. Таким образом, серебро, золото и платина просто падают с анода на дно резервуара, где их можно очистить.

Но есть и электролитическое рафинирование меди, когда используются резервуары:

Время от времени чистый металл соскабливается с катода. Примеси из медного анода, такие как золото, серебро, платина и олово, собираются на дне раствора электролита, осаждаются как анодная слизь. Этот процесс и называется электролитическим получением и рафинированием меди.

Получение ископаемого – какие виды существуют и все ли они необходимы на практике?

Несколько отличается иной способ очистки металла. Есть еще рафинирование меди огневое и электролитическое, когда один процесс сразу следует за другим. Важным "разделяющим" этапом становится концентрация или концентрирование. После того, как концентрация завершена, следующий этап в создании готовой продукции – огневое рафинирование меди.

Обычно это происходит недалеко шахты, на обогатительной фабрике или плавильном заводе. Благодаря медной очистке нежелательный материал постепенно удаляется, а медь концентрируется с чистотой до 99,99 % марки А. Детали процесса переработки зависят от типа минералов, с которыми связан металл. Медная руда, богатая сульфидами, обрабатывается пирометаллургическим способом.

Переработка и пирометаллургия:

Переработка и гидрометаллургия:

В гидрометаллургии медный концентрат подвергается переработке через один из нескольких процессов. Наименее распространенным методом является цементация, где металл осаждается на металлолом в реакции окисления-восстановления.
Более широко используемый метод очистки – это экстракция растворителем и электролиз. Эта новая технология получила широкое распространение в 1980-х годах, и примерно 20 % мировой меди в настоящее время производится так.
Экстракция растворителем начинается с органического растворителя, который отделяет металл от примесей и нежелательных материалов. Затем добавляют серную кислоту для отделения меди от органического растворителя, получая электролитический раствор.
Затем этот раствор подвергают электролизному процессу, который просто ставит медь в растворе на катод. Этот катод может быть продан как есть, но также может быть превращен в стержни или исходные листы для других электролизеров.

Горнодобывающие компании могут продавать медь в концентрате или катодной форме. Как упоминалось выше, концентрат чаще всего рафинируется в другом месте, не на шахтном участке. Производители концентратов продают концентрат-порошок, содержащий от 24 до 40 % меди, в медеплавильные и нефтеперерабатывающие заводы. Условия продажи уникальны для каждого завода, но в целом плавильный завод выплачивает шахтеру примерно 96 % стоимости содержания меди в концентрате, за вычетом платы за обработку и расходов на очистку.

Как правило, плавильные заводы взимают пошлины за проезд, но они также могут продавать рафинированный металл от имени горняков. Таким образом, весь риск (и вознаграждение) от колебаний цен на медь приходится на плечи перекупщиков.

Огневое рафинирование – насколько это опасно?

Блистерная медь уже практически чиста (более 99 % меди). Но для сегодняшнего рынка это не очень "чисто". Металл дополнительно очищают, используя электролиз. В промышленном производстве используют метод, который называется огневое рафинирование черновой меди. Чернильная медь отливается в большие плиты, которые будут использоваться в качестве анодов в электролизере. Электролитическое дополнительное рафинирование производит высококачественный металл высокой чистоты, требуемый промышленностью.

В промышленности это осуществляется в массовом масштабе. Даже лучший химический метод не может удалить все примеси из меди, но при помощи электролитического рафинирования можно получить чистую медь на 99,99 %.

Анодные блистеры погружаются в электролит, содержащий сульфат меди и серную кислоту.
Между ними расположены чистые катоды, и через раствор проходит ток более 200 А.

В этих условиях атомы меди растворяются из нечистого анода с образованием ионов меди. Они мигрируют к катодам, где осаждаются обратно, как чистые атомы меди.

На аноде: Cu(s) → Cu₂ + (aq) + 2e - .
На катоде: Cu₂ + (aq) + 2e - → Cu(s).

Когда переключатель закрывается, ионы меди на аноде начнут двигаться через раствор к катоду. Атомы меди уже отказались от двух электронов, чтобы стать ионами, и их электроны могут свободно перемещаться в проводах. Закрытие переключателя толкает электроны по часовой стрелке и заставляет оседать в растворе некоторые ионы меди.

Пластина отталкивает ионы от анода к катоду. В то же время она толкает свободные электроны вокруг проводов (эти электроны уже распределены по проводам). Электроны в катоде рекомбинируют с ионами меди из раствора, образуя новый слой атомов меди. Постепенно анод разрушается, а катод растет. Нерастворимые примеси в аноде падают на дно в осадок. Этот ценный биопродукт удаляется.

Растворимые примеси железа и никеля растворяются в электролите, который необходимо постоянно очищать, чтобы предотвратить чрезмерное осаждение на катоды, что уменьшит чистоту меди. Недавно катоды из нержавеющей стали заменили медными катодами. Происходят идентичные химические реакции. Периодически катоды удаляются, и очищается чистая медь. Электролитическое получение и рафинирование меди в данных условиях довольно часто встречается на заводах по переработке цветных металлов.

Электрохимический вариант очищения металла

Огневая очистка может быть названа химической, потому как в этом процессе происходит химическая реакция с другими веществами и примесями. Выше был приведен пример окислительной реакции. Все виды и способы добычи чистой меди похожи, как и электрохимическое рафинирование меди, где применяются идентичные тактики, но в разной последовательности.

Химическим вспомогательным элементом становится сам побочный продукт:

Это самый дешевый способ получить дорогое сырье, не тратясь на альтернативную систему добычи компонентов. Помимо этого, добываются ценные металлы, которые благородны по составу и ценны в промышленном изобретении электроприборов.

Печь меди – металлическая кулинария промышленности

Печь огневого рафинирования меди сконструирована по-особенному и способна обрабатывать медный лом в жидкий металл с контролируемым содержанием примесей. Она предназначена для пирометаллургической переработки лома по экономичной и экологически чистой технологии. Основная технология, предлагаемая для производства расплавленной меди, подходит для производства медной палочки, полосы, заготовки или других медных изделий с использованием лома в качестве сырья (Cu> 92 %).

Потенциал систем сжигания и очистки был рассчитан для цикла очистки (от зарядки до восстановления) в течение 16-24 часов, в зависимости от типа лома. Печи рафинирования меди обладают особой конструкцией и функциями:

Корпус печи выполнен из стальных сегментов и жестких конструкций типа сечения.
Печь облицована огнеупорным материалом изнутри.
Она оснащена гидравлической станцией, работающей в режиме опрокидывания печи с двумя скоростями: скоростью ползучести при наклоне для литья и высокой скоростью во время перемещения, которая не требует особой точности.
Операции выполняются при помощи двух гидравлических цилиндров, установленных на дне печи. Специальное устройство возвращает печь в горизонтальное положение во время аварийных отключений питания.
Загрузочный люк материала расположен в боковине печи. Он закрывается дверью, приводимой в движение от гидравлического цилиндра.
Печь оснащена охлаждаемыми копьями для операций окисления и восстановления меди.

Также есть одна универсальная горелка, потребляющая как жидкое, так и газообразное топливо.

Окислительное рафинирование в промышленности

Операция окисления меди проводится после завершения плавки исходного сырья. Процесс осуществляют путем впрыскивания сжатого воздуха в расплав через фурмы. Полученный шлак удаляют вручную с поверхности расплава при помощи специальных граблей и сбрасывают в контейнер. Шлак содержит медь, примеси, свинец, олово и т. д. Процесс восстановления должен проводиться для удаления кислорода из расплава и восстановления оксидов меди. Операция выполняется путем впрыскивания природного газа в расплав.

Из печи, отходящие газы, подаются в систему газоочистки, проходят через пылесборник, который захватывает грубую пыль. Коллектор снабжен вентиляционной трубой в случае аварийного выброса газа в атмосферу. Печь для огнеочистки работает в непрерывном режиме. Цикл работы технологического процесса включает:

загрузку сырья;
окисление, шлакообразование, восстановление;
загрузку рафинированного металла.

Весь последующий процесс называется окислительное рафинирование меди. Он не может быть отделен от общего процесса очистки, так как является частью всего метода получения чистого металла. После того как требуемые параметры будут устранены, расплав меди используется для следующего технологического процесса.

Иодидное рафинирование цветных металлов

Ионы меди (II) окисляют иодидные ионы до молекулярного йода, и в этом процессе сами сводятся к иодиду меди (I). Исходная смешанная коричневая смесь разделяется на не совсем белый осадок иодида меди (I) в растворе йода. Используют эту реакцию для определения концентрации ионов меди (II) в растворе. Если добавить в колбу установленный объем раствора, содержащего ионы меди (II), а затем добавить избыток раствора йодида калия, вы получите описанную выше реакцию.

2Cu₂ + + 4I - → 2CuI (s) + I₂ (водный раствор)

Вы можете найти количество йода, высвобождаемого титрованием раствором тиосульфата натрия.

2S₂O₂ -3 (раствор) + I₂ (раствор) → S₄O₂ -6 (водный раствор) + 2I - (водный раствор)

Когда раствор тиосульфата натрия запускается из бюретки, цвет йода исчезает. Когда это почти все исчезнет, добавьте крахмал. Вся реакция иодидного рафинирования меди будет обратимой с йодом для получения глубокого синего крахмал-йодного комплекса, который намного легче увидеть.

Добавляйте последние несколько капель раствора тиосульфата натрия до тех пор, пока синий цвет не исчезнет. Если вы проследите пропорции через два уравнения, вы обнаружите, что для каждых 2 молей ионов меди (II), с которыми вы должны были начать, вам нужно 2 моля раствора тиосульфата натрия. Если вы знаете концентрацию раствора тиосульфата натрия, легко подсчитать концентрацию ионов меди (II). Результатом этой попытки является получение простого соединения меди (I) в растворе.

Фосфористая обработка

Рафинирование меди фосфористой – это фосфорная дезоксидированная жесткая медь, которая представляет собой прочную смолу общего назначения. Она раскисляется фосфором меди, в которой остаточный фосфор поддерживается на низком уровне (0,005-0,013 %) для достижения хорошей электропроводности. Обладает хорошей теплопроводностью и отличными свойствами сварки и пайки. Оксид после рафинирования меди таким способом, оставшийся в твердой смоле меди, удаляется фосфором, который является наиболее часто используемым дезоксидантом.

В таблице показана разные показатели от отожженного (мягкого) до жесткого состояния меди.

Прочность на растяжение	220-385 Н/мм 2
Прочность на разрыв	60-325 Н/мм 2
Удлинение	55-4 %
Твердость (HV)	45-155
Электропроводность	90-98 %
Теплопроводность	350-365 Вт/см

Ведущие рамы соединяют проводку с электрическими клеммами на поверхности полупроводника и крупномасштабными схемами на электрических устройствах и печатных платах. Материал выбирается так, чтобы соответствовать требованиям процесса и быть надежным при установке и эксплуатации.

Состав меди после электролиза

В состав меди после огневого рафинирования входит 99,2 % металла. В анодах его остается гораздо меньше. Когда примеси полностью удаляются, в составе остается 130 г/л катодных основ. Водный раствор купороса становится слабым, а кислотная составляющая медных катодов достигает 140-180 г/л. Черновая медь содержит 99,5 % металла, железа насчитывается 0,10 %, цинка до 0,05 %, а золота и серебра всего лишь 1-200 г/т.

Целью данной работы, является изучение процесса электролитического рафинирования меди и его технико-экономических параметров.
Основные характерные свойства меди обусловли¬вают многочисленные области ее применения.

ВВЕДЕНИЕ 3
1 Технологическая схема 7
1.1 Описание технологической схемы 8
1.2 Плавка на штейн 8
1.3 Конвертирование медного штейна 12
1.4Рафинирование меди 15
1.4.1. Огневое рафинирование меди 15
1.4.2 Электролитическое рафинирование меди 18
2 Расчеты 25
2.1 Расчет материального баланса 25
2.2 Расчет объема электролита, выводимого на регенерацию 30
2.3 Расчет состава отработанного электролита 31
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 33

Файлы: 1 файл

Курсовая металлургия.docx

Содержание

1 Технологическая схема 7

1.1 Описание технологической схемы 8

1.2 Плавка на штейн 8

1.3 Конвертирование медного штейна 12

1.4Рафинирование меди 15

1.4.1. Огневое рафинирование меди 15

1.4.2 Электролитическое рафинирование меди 18

2.1 Расчет материального баланса 25

2.2 Расчет объема электролита, выводимого на регенерацию 30

2.3 Расчет состава отработанного электролита 31

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 33

ВВЕДЕНИЕ

Медь — мягкий, вязкий и ковкий металл красного цвета. Она легко прокатывается в тонкие листы и вытягивается в проволоку. По электропроводности медь уступает только серебру.

Электролитическое рафинирование является завершающей стадией технологии производства цветных металлов. В результате электролитического рафинирования обеспечивается не только очистка металлов от примесей, оказывающих вредное влияние на их свойства, но и извлечение благородных и некоторых редких металлов. При расчете процесса электролитического рафинирования составляют материальный, энергетический и тепловой балансы, определяют объем и скорость циркуляции электролита, а также его долю, выводимую на регенерацию (при рафинировании меди). Металлическая медь после огневого рафинирования (анодная медь) содержит ряд примесей (Fe, Sb, Ni, Fe, Se и др.), а также благородные металлы. Многие примеси ухудшают механические свойства меди и ее электропроводность. Электролитическое рафинирование обеспечивает получение меди высокой чистоты (> 99,9 %), обладающей повышенной электропроводностью и пластичностью, при этом благородные металлы, а также редкие элементы, такие, как селен и теллур, переходят в шлам.

Целью данной работы, является изучение процесса электролитического рафинирования меди и его технико-экономических параметров.

Основные характерные свойства меди обусловливают многочисленные области ее применения. Основными потребителями меди и ее соединений являются:

1) электротехника и электроника (провода, кабели, обмотки электродвигателей, токоподводящие шины, детали радиоэлектронных приборов, фольга для печатных схем и др.);

машиностроение (теплообменники, опреснительные установки и др.);
транспорт (детали и узлы железнодорожных вагонов, автомобилей, самолетов, морских и речных судов, тракторов и т. д.);
строительные материалы (кровельные листы, детали декоративных архитектурных украшений);
химическая промышленность (производство солей, красок, катализаторов);
изделия и приборы бытового назначения (детали часов, посуда, скобяные изделия, детали холодильников, стиральных машин и бытовых электроприборов, декоративные изделия и украшения и др.)

Источниками получения меди являются руды, продукты их обогащения - концентраты - и вторичное сырье. На долю вторичного сырья в настоящее время приходится около 40 % от общего выпуска меди.

Медные руды практически полностью относятся к полиметаллическим. Возможными природными спутниками меди, как и других тяжелых цветных металлов, являются большинство элементов 4—6-го периодов периодической системы Д. И. Менделеева.

Основные страны с богатыми месторождениями меди это : Чили-22%, США-12%, Китай -6%, Казахстан-5%, Польша-5%, Индонезия-4%, Россия-3%, Замбия-3%. Лидируют по добыче медной руды ( данные ICSG) : Чили-34%, США-10%, Индонезия-8%, Перу-7%, Австралия-6%, Канада-5%, Россия-4%, Польша-3% от мирового запаса.

Крупнейшие компании по добыче медной руды: Codelco-11%, Phelps Dodge-8%, Rio Tinto-7%, BHP Billiton-7%, Grupo Mexico-5%, PT Pakuafu Indah-5%, Angio American-4%, Норильский никель-3%, KGHM Polska Miedz 3% мировой добычи.[5]

К крупнейшим месторождениям относятся: Чукикамата, которое уже отрабатывается более 100 лет (26млн т) в Чили, и Эскондида (23,6млн т), которое начали отрабатывать с 1990 года в Чили, Грасберг (27,1млн т) в Индонезии, Кольяуаси (17 млн т) Чили, Октябрьское (16 млн т) Россия и Удокан (14 млн т) Россия.

В числе недавно освоенных крупных месторождений относятся: Антамина в Перу, Эль-Тесоро в Чили, Салобу и Соссегу в Бразилии, Нурказган в Казахстане. Активно разведываются Ую-Толгой в Монголии, Пэббл на Аляске, Эль-Пачон в Аргентине.

В число крупнейших медных рудников открытого типа (карьеров) входят: Эскондида (годовая мощность 1200 тыс тонн), Грасберг (годовая мощность 800 тыс тонн), Чукикамата (годовая мощность 600 тыс тонн).

Крупнейшие подземные рудники в мире: самый большой в мире чилийский Эль-Теньенте ( добыча около 450 тыс тонн) и Андина (мощность 250 тыс тонн), польские Рудна, Польковице-Серошовице и Любин суммарно – 450 тыс тонн, подземные рудники Норникеля (мощность более 400 тыс тонн).

Самые крупные месторождения в современной России находятся в Таймырском АО: Октябрьское, Талахнинское и Норильск – I, они дают две трети добычи на сегодняшний день. На одном только Октябрьском месторождении получают почти 57% российской рудничной меди.

В медном производстве используют все типы руд: сульфидные (сплошные и вкрапленные), окисленные, смешанные и самородные. Однако основным медным сырьем являются сульфидные вкрапления, запасы которых в недрах являются наибольшими. Из сульфидных руд в настоящее время выплавляют 85—90 % всей первичной меди.

Известно более 250 медных минералов. Большинство из них встречается редко. Наибольшее промышленное значение для производства меди имеет небольшая группа минералов, состав которых приведен в Таблице 1.[3]

Таблица 1 - Медные минералы

Самородная медь Си, Аu, Ag, Fe, Bi и др.

1 Технологическая схема

Плавка на штейн

Газы Штейн Шлак

В производство кварц дутье в отвал

шлак Черновая медь Газы

Огневое рафинирование В производство H2SO4

Шламы Катодная медь

На извлечение Au, Ag, Se, Te, НПГ К потребителю

Рисунок 1 – Технологическая схема переработки меди

1.1 Описание технологической схемы

Источниками получения меди являются руды, продукты их обогащения – концентраты – вторичное сырье. Переработка медных руд и концентратов на черновую медь может осуществляться несколькими способами. Но мы рассмотрим способ, приведенный в технологической схеме. Наиболее распространенная технология предусматривает использование следующих технологических процессов: плавку на штейн, конвертирование медного штейна, огневое и электролитическое рафинирование меди. В отдельных случаях перед плавкой на штейн проводят окислительный обжиг, только для высокосернистых, бедных по меди концентратов. В нашем случае мы не будем подвергать медный концентрат обжигу.

1.2 Плавка на штейн

Плавка медного штейна в отражательной печи

Целью плавки медного штейна является максимальное извлечение меди в штейн и перевод пустой породы в шлак.

Как отмечалось, основную часть штейна выплавляют из сырых (необожженных) медных концентратов. В шихту при этом вводят немного флюсов - известняка и кварца. Загружаемая шихта ложится откосами вдоль стен (при плавке огарка она растекается по поверхности шлака). Шихта и поверхность жидкой ванны нагреваются факелом, образующимся при сгорании топлива. Передача теплоты внутри слоя шихты происходит только за счет теплопроводности. Механизм плавки в отражательной печи можно представить следующим образом. Нагрев шихты, лежащей на поверхности откосов, за счет теплоты, излучаемой факелом, сопровождается сушкой материала и термической диссоциацией высших сульфидов и других неустойчивых соединений. По мере нагрева в поверхностных слоях шихтовых откосов начинают плавится легкоплавкие составляющие шихты – сульфидные оксиды и оксидные эвтектики. Образующийся при этом первичный расплав стекает по поверхности откосов, растворяет в себе более тугоплавкие компоненты и попадает в слой шихтового расплава. С этого момента фактически начинается разделение шлаковой и штейновой фаз. Капли оксидной фазы растворяются в общей массе шлака, имеющегося постоянно в печи, а капли штейна проходят через слой шлака и образуют в нижней части ванны самостоятельный штейновый слой.

Рисунок 2 – Отражательная печь с подвесным сводом

1 - лещадь, 2 – фундамент, 3 – окно для горелки, 4 - металлический каркас, 5 – запасный шпур, 6 – загрузочные отверстия, 7 – шпуры для выпуска штейна, 8 - шлаковое окно, 9 - газоход, 10 – свод, 11 - стена

В печи развиваются высокие температуры (1500-1650 °С). Когда температура на поверхности загружаемой шихты достигает примерно 915 - 950 о С, начинают плавиться сульфидные соединения, образующие штейн. Наряду с плавлением сульфидов продолжается нагрев остальных материалов и при температурах порядка 1000 °С в расплав начинают переходить оксиды, образующие шлак. Интервал температур плавления основных шлаков составляет 30-80 0 С. С увеличением степени кислотности шлака этот интервал растет и может достигать 250-300 0 С.

По мере нагрева шихта плавится и стекает с откосов в слой шлакового расплава, где протекает разделение штейновой и шлаковой фаз - капли штейна опускаются через слой шлака. Происходит это поскольку штейн и шлак нерастворимы друг в друге, а плотность штейна (4,2-5,2 г/см 3 ) заметно выше плотности шлака (2,6-3,2 г/см 3 ).

Основными химическими реакциями в ванне являются: разложение (термическая диссоциация) высших сульфидов, окисление образующейся при разложении сульфидов серы и окисление части FeS за счет реагирования с оксидами железа. При этом удаляется 45-55 % серы, содержавшейся в шихте. (При переплаве огарка, не содержащего высших сульфидов, основными реакциями являются: окисление части FeS оксидами железа и восстановление Cu₂O при этом из шихты удаляется менее 20-25 % серы.)

Благородные металлы (золото и серебро) плохо растворяются в шлаке и практически почти полностью переходят в штейн.

Штейн отражательной плавки на 80-90 % (по массе) состоит из сульфидов меди и железа Cu₂S и FeS. Остальная часть представляет собой оксиды других металлов. Штейн содержит 15-55 % Cu, 15-50 % Fe, 20-30 % S, 0,5-1,5 % SiO₂, 0,5-3,0 % Аl₂О₃, 0,5-2,0 % (СаО + MgO), около 2 % Zn и небольшие количества Au и Ag. Шлак состоит в основном из SiO₂, FeO, СаО и Аl₂О₃ и содержит 0,1-0,5 % Cu. Так же получаются газы 0,5-1,5 % SiO₂ и CO_2, которые потом идут на производство Н₂SO_4.

Извлечение меди и благородных металлов в штейн достигает 96-99,5 %. Количество шлака составляет примерно 1,1 - 1,5 т/т штейна, который поступает в отвал. Состав шлаков отражательной плавки по содержанию шлакообразующих компонентов может изменяться в широком диапазоне. Он зависит от ряда условий – состава и вида перерабатываемого сырья, наличия дешевых и доступных флюсов, ряда технологических факторов. Содержание шлакообразующих компонентах в реальных шлаках может изменяться в следующих пределах, %: Сu 0,3 – 0,8, SiO₂ 32-46, FeO 35-55, CaO 1,5-22, Al₂O₃ 3-10,Zn до 6-8, S 0,5-1,5.

Отвальные шлаки выпускают из печей через шлаковые окна, размещенные в конце печи, чаще всего на обеих сторонах печи.

Отходящие газы отражательных печей представляют собой смесь технологических и топочных газов. Технологические газы образуются в результате термического разложения неустойчивых химических соединений (высших сульфидов, карбонатов и др.) и взаимодействия сульфидов с высшими оксидами железа. Их объем невелик. Основную массу составляют топочные газы, образующиеся при сжигании топлива. Поэтому в отходящих газах содержится всего 0,5-1,5% SO₂. Наиболее распространенным топливом для отражательной печи является природный газ.

Медные аноды помещают в ванну с раствором сернокислой меди и серной кислоты. Параллельно анодам в ванне устанавливают тонкие листы из чистой меди, называемые катодными основами. Аноды соединяются с положительным, а катодные основы — с отрицательным полюсом источника постоянного электрического тока. При пропускании тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодных основах ионы меди разряжаются, образуя слой чистого металла.

Анод, показанный на рис. 100, имеет толщину 25—50 мм и вес 150—350 кг. Катодными основами служат тонкие листы из электролитной меди, получаемые электролизом на матрицах из холоднокатаной меди в специально предназначенных для этого ваннах. Поверхность матриц после тщательной зачистки смазывают жиром, чтобы осадок меди прочно не приставал к матрицам. Электролиз ведут непрерывно; матрицы после суточного пребывания в ванне вынимают и сдирают наращенный на них слой меди. Полученные таким образом листы имеют толщину 0,5—0,6 мм.

Размеры катодных основ на 30—50 мм больше соответствующих размеров анода. К узкому краю листа прикреплены медные ушки, через которые продевается медная штанга для подвешивания основы в ванне и подвода тока.

Электролитная ванна (рис. 101) представляет собой ящик из дерева или железобетона, установленный на кирпичных или бетонных столбах высотой 1,7—2,0 м (для свободного прохода под ваннами, их осмотра и ремонта), изолированных стеклянными или фарфоровыми прокладками. Внутренняя поверхность железобетонных ванн выложена кислотоупорной плиткой, а деревянных — листами винипласта, сваренными между собой. В ванне помещается 20—40 анодов и на единицу больше катодов. Аноды и катоды, чередуясь, располагаются параллельно друг другу.

Размеры ванны зависят от размеров и количества устанавливаемых в ней электродов. Длина ее обычно 3,5—5 м, ширина внутри на 120—130 мм больше ширины катодов, глубина 1—1,2 м. Для удобства питания током по 10—20 ванн соединяют в блоки; ванны каждого блока имеют общие продольные стенки. Электроды соседних ванн блока соединены последовательно, для этого концы катодных штанг наложены на плечики анодов соседней ванны. Для лучшего контакта в плечиках анодов иногда делают выемки. Схема электрической цепи блока ванн показана на рис. 102, а на рис. 103 приведен общий вид электролизного цеха.

Напряжение, необходимое для питания установки, определяется числом последовательно включенных ванн. Для компенсации падения напряжения в подводящей проводке расчетную величину напряжения увеличивают на 10—15%. Даже в больших цехах общее потребное напряжение редко превышает 500 в, поэтому электролизный цех обычно питают от машинных генераторов, имеющих больший коэффициент полезного действия, чем ртутные выпрямители.

Необходимое перемешивание электролита достигается непрерывной его циркуляцией. Из напорного бака электролит подводится к длинным сторонам блоков и подается в каждую ванну отдельно с одного из ее торцов. На торцевой стенке каждой ванны имеется карман, соединенный отверстием с внутренним ее пространством близ днища. С противоположного торца электролит, прошедший ванну, сливается через патрубок в общий для всего блока желоб. Скорость циркуляции выбирают в зависимости от условий электролиза, обычно раствор в ванне обновляется за 1— 5 час. По сливному желобу электролит стекает в сборный бак, а из последнего вновь перекачивается в напорный бак. По пути из напорного бака к ваннам электролит подогревают паром до 50—55°.
Основную часть стоимости передела составляют затраты на электроэнергию. Расход энергии — удельный показатель, исчисляемый в киловатт-часах на тонну катодной меди; величина его для цепи и одной ванны одинаковая.
Количество тока, необходимое для получения тонны катодной меди, можно вычислить по закону Фарадея. Если на выделение из раствора грамм-эквивалента, т.е. 63,57/2 = 31,78 г меди, требуется 26,8 а-ч, то на тонну ее будет израсходовано

где I — сила тока, a Tтеор — время в часах.

В действительности не весь ток используется на выделение меди, часть его теряется в результате коротких замыканий между электродами, возникновения побочных цепей и разряда ионов примесей. Коэффициент полезного использования тока (выход по току) равен отношению теоретически необходимого количества тока к фактическим его затратам:

Для определения расхода энергии количество тока следует умножить на падение напряжения между электродами:

Полученный результат убеждает нас в том, что основные условия экономичного проведения электролиза — высокий выход по току и малое падение напряжения на ванне.

Напряжение на ванне слагается из напряжения, требуемого для преодоления омического сопротивления и поляризации. Разность потенциалов, необходимая для растворения меди на аноде и осаждения ее на катоде, ничтожно мала, ее можно исключить из расчета, так как оба электрода медные, и потенциалы их в одном и том же растворе практически одинаковы. Поэтому в основном напряжение на ванне расходуется на преодоление омического сопротивления электролита.

Сопротивление электролита понижается с увеличением концентрации сернокислой меди и серной кислоты, пределом этому является совместная растворимость указанных веществ в воде. С повышением температуры сопротивление электролита уменьшается.

Составы электролита, выбранные многолетней заводской практикой, лежат в пределах 30—40 г/л Cu и около 200 г/л H2SO4.

Поляризация — другая существенная по величине слагающая падения напряжения на ванне. Ионы меди переносят ток от анода к катоду диффузией. Скорость диффузии невелика и только в некоторых пределах может быть увеличена перемешиванием электролита. При большой силе тока скорости перехода ионов меди в раствор у анода и разряда их на катоде могут оказаться больше скорости диффузии. При этом в прианодном слое концентрация меди будет выше, а в прикатодном — ниже, чем в остальной массе раствора. Потенциал анода повысится, а потенциал катода понизится по сравнению с равновесным для исходного раствора, между электродами возникнет разность потенциалов, направленная противоположно прилагаемой извне, и вызовет дополнительное падение напряжения. При постоянной силе тока величина поляризации зависит от площади электродов, поэтому поляризацию нужно сопоставлять с силой тока, приходящейся на единицу площади электрода, обычно катода (т. е. с катодной плотностью тока): чем она выше, тем больше падение напряжения на ванне за счет поляризации. Перемешивание и подогрев электролита понижают поляризацию. С повышением плотности тока существенно увеличивается и падение напряжения в омическом сопротивлении электролита.

Пример баланса напряжения на ванне приведен в табл. 14.

При растворении анода медь переходит в раствор в виде двухвалентных и частично одновалентных ионов по схемам:

однако ионы одновалентной меди в электролите неустойчивы и тотчас преобразуются в двухвалентные:

при этом на дно ванны выпадает осадок элементарной меди.

В некоторой степени растворение анода возможно и химическим путем при участии кислорода воздуха:

Примеси менее благородных, чем медь металлов: цинк, никель, свинец, мышьяк, олово, сурьма и висмут растворяются в электролите подобно меди.

Примеси благородных металлов — золото и серебро, а также примеси, присутствующие в анодах в виде химических соединений с серой, селеном и теллуром, выпадают на дно ванны в виде твердых частиц, образуя шлам. Закись меди растворяется в серной кислоте с выделением осадка меди:

Образовавшиеся при растворении анода ионы свинца связываются в нерастворимый сульфат.

Ионы мышьяка, сурьмы, олова и висмута подвергаются гидролизу с образованием мышьяковистой, сурьмянистой и оловянной кислот, а также основных сернокислых солей олова и висмута. Все эти соединения трудно растворимы в электролите и в значительной части переходят в шлам.

Шлам осаждается на дне ванны, но часть его остается на поверхности анодов в виде корочки, повышающей омическое сопротивление цепи ванны (см. табл. 14). Мельчайшие легкие частицы шлама долго остаются во взвешенном состоянии в электролите и образуют так называемый пловучий или блуждающий шлам. Состав шлама зависит от состава анодов и других причин: примерный состав его приведен в табл. 15.

Медь осаждается на катоде в результате разряда ионов по схеме:

Металлы, перешедшие из анодов в раствор вместе с медью — цинк, никель, железо и другие — имеют значительно меньшие потенциалы разряда, чем медь. Они не могут поэтому осаждаться на катоде вместе с медью и накапливаются в растворе. Далее при значительном накоплении примесей в электролите их ионы не разряжаются на катоде.

Наблюдаемое на практике загрязнение катодного осадка примесями объясняется главным образом захватом электролита и частиц блуждающего шлама растущими на катоде кристаллами меди. Поэтому степень загрязнения осадка возрастает с накоплением примесей в электролите. Для предупреждения этого часть электролита периодически выводят из циркуляции и заменяют свежим раствором серной кислоты. Практикой выработаны примерно следующие предельные нормы содержания примесей, допускаемые в электролите (г/л):

Загрязнение осадка блуждающим шламом опасно при работе с высокой плотностью тока, выгодной с точки зрения повышения производительности электролиза. При высокой плотности тока возрастает поляризация, а следовательно, возрастает напряжение на ваннах и расход энергии, поэтому для снижения поляризации приходится усиливать циркуляцию электролита, что приводит к взмучиванию шлама и загрязнению им катодов.

Медь выделяется на катодах в виде прочного осадка; однако равномерность роста его с течением времени нарушается, на поверхности осадка появляются неровности, выступы, шишкообразные наросты; выступающие части растут быстрее, так как в местах их возникновения сопротивление между анодом и катодом уменьшается. Неровный и неплотный осадок захватывает большие количества электролита и блуждающего шлама; кроме того, неравномерность отложения меди часто вызывает короткие замыкания между анодом и катодом. Небольшие добавки в электролит некоторых поверхностно-активных веществ — столярного клея, желатины, таннина, машинного масла, отходов целлюлозного производства — способствуют получению более ровных и плотных катодов, а также повышению их чистоты. Расход этих веществ составляет от десятых долей грамма до десятков граммов на тонну меди.

Все аноды загружают в ванну одновременно мостовым краном, к которому подвешена рама с крючьями, называемая бороной, так же загружают и катодные основы.

Растворение анода обычно длится 20—30 дней и зависит от его толщины.

Анодные остатки, составляющие 8—15% первоначального веса, переплавляют в новые аноды.

Катоды выгружают через 7—15 дней. Ко времени выгрузки вес каждого из них достигает 60—140 кг; более длительное наращивание катодов невыгодно из-за частых коротких замыканий, вызываемых неравномерным ростом осадка. После тщательной промывки катоды поступают на плавку.

При загрузке и выгрузке очередные ванны замыкают накоротко, не нарушая таким образом работы последовательной цепи.

Обычная сила тока в цепи ванн 10 000—15 000 а, напряжение на ванне около 0,3 в. Плотность тока выбирают в зависимости от чистоты анодов (табл. 16).

Обслуживание ванны сводится к своевременному устранению коротких замыканий и наблюдению за чистотой контактов, температурой электролита и напряжением.

Выход по току на современных заводах достигает 98%. Расход энергии на тонну катодной меди 200—300 квт-ч.

Читайте также: