Metalurgia Miedzi
Transkrypt
Metalurgia Miedzi
Metalurgia Miedzi Dr inż. Paweł Rokicki Politechnika Rzeszowska Katedra Materiałoznawstwa, Bud. C, pok. 204 Tel: (17) 865-1124 Literatura podstawowa: 1. Bardzik J., Kupka M., Wala A.: Technologia Metali, Wyd. Uniwersytetu Poznaoskiego, Poznao 1998 2. Gronostajski J.: Obróbka Plastyczna metali, Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1973 3. Grzesik W.: Podstawy skrawania materiałów metalowych, WNT, Warszawa 1998 4. Harasymowicz J., Wantuch.: Obróbka gładkościowa, Wyd. Politechniki Poznaoskiej, Poznao 1992 5. Praca Zbiorowa: Powłoki malarsko-lakiernicze; poradnik, WNT, Warszawa 1983 Literatura uzupełniająca: 1. Dobrzaoski L. A.: Minerały inżynierskie i projektowanie materiałowe. Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, WNT, Warszawa 2006 2. Chodkowski S.: Metalurgia metali nieżelaznych, Wyd. ŚLĄSK, Katowice 19718. 3. Służalec A.: Technologie spawania, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 1993 Występowanie miedzi Teoretyczna zawartośd miedzi [%] Miedź rodzima Rudy miedzi do 99,9 Teoretyczna zawartośd miedzi [%] Siarczkowe 0,6-3 Tlenkowe 2-12 Minerały miedzionośne Grupa minerałów Nazwa minerału Wzór chemiczny Teoretyczna zawartośd miedzi [%] Siarczkowe Chalkozyn Kowelin Chalkopiryt Bornit Cu2S CuS CuFeS2 Cu3FeS3 79,9 66,5 34,6 55,6 Tlenkowe Kupryt Tenoryt Cu2O CuO 88,8 79,9 Weglanowe Malachit Azuryt CuCO3·Cu(OH)2 2CuCO3·Cu(OH)2 57,4 55,1 Krzemianowe Chryzokol CuSiO3·2H2O 36,2 Chodkowski S.: „Metalurgia metali nieżelaznych” WGH Katowice 1962 Występowanie rud USA, Chile, Meksyk, Afryka (RPA, Zambia, Kongo) WNP (Ural, Kazachstan, Serbia, Czarnogóra, Chorwacja, kraje skandynawskie Polska (Głogów, Legnica) Polska produkcja: XVI w. Miedziana Góra i Miedzianka – do XIX w. Procesy otrzymywania miedzi Rudy miedzi (1 ÷ 4% Cu) Przeróbka mechaniczna Wzbogacanie(grawitacyjne, flotacyjne) Koncentraty (10 ÷ 50% Cu) Procesy przygotowawcze (prażenie, aglomeracja, brykietowanie) Procesy metalurgiczne PIROMETALURGICZNE Wytapianie kamienia HYDROMETALURGICZNE Redukcja tlenków Wydzielanie Cu z kamienia w konwertorach Rozpuszczanie Cu Wydzielanie Cu z roztworu Cu konwertorowa Cu czarna Rafinacja ogniowa Rafinacja elektrolityczna Cu katodowa Cu elektrolityczna Cu cementacyjna CuO CuSO4·5H2O Kamieo miedziowy – mieszanina Cu2S i FeS (zawartośd Cu 10 ÷ 50%) Wytapianie kamienia miedziowego W piecu płomiennym (długośd 30-36m, szerokośd 10-12m) Przekrój podłużny pieca płomiennego produkcji radzieckiej do wytapiania kamienia miedziowego 1 - przestrzeo robocza, 2 – kanał spalinowy, 3 – palnik, 4 – trzon, 5 – otwory do spustu kamienia, 6 – okno do spustu żużla, 7 – otwory załadowcze Nie jest potrzebna kosztowna operacja zbrylania materiałów wsadowych Przerabiany koncentrat jest miałki i może zawierad dużo wilgoci Możliwośd używania taniego paliwa – pył węglowy, gaz ziemny, mazut, ropa naftowa Oddzielenie kamienia od żużla zachodzi w piecu – nie stosuje się odstojników PIROMETALURGICZNE 1. Wytapianie kamienia miedziowego W piecu płomiennym (długośd 30-36m, szerokośd 10-12m) PIROMETALURGICZNE 1. Schemat pieca płomiennego do wytopu rudy miedzi: 1 –zasobniki z wsadem, 2 –przestrzeo robocza pieca Nie jest wykorzystywana zawartośd energetyczna siarki i żelaza w koncentracie. Technologia ta nie jest tak efektywna jak inne przedstawione technologie ze względu na spalanie paliwa kopalnego Niska zawartośd gazów siarkowych w gazach wylotowych – proces produkcji kwasu siarkowego Wytapianie kamienia miedziowego 2. fundament żelbetowy, płyta stalowa, kolumny żelbetowe, płyta stalowa lana, szyb, dysze do powietrza, rury, główny przewód powietrzny, rurociąg, dmuchawy, przewód wodny, okrężnica wodna, rury wody zimnej, rury odpływowe, rynny zlewowe, gardziel pieca, konstrukcja stalowa, szyny jezdne, zasłony okien wsadowych, płyty zsypowe, urządzenie do podnoszenia zasłon okiennych, rura gazów odpływowych PIROMETALURGICZNE 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 W piecu szybowym – przerabia się surowe rudy kawałkowe bez uprzedniego wzbogacania i prażenia Piec szybowy do wytapiania kamienia miedziowego Wytapianie kamienia miedziowego 3. 4. 5. W piecu zawiesinowym W piecu cyklonowym W piecu elektrycznym Wytapianie zawiesinowe unoszących się w powietrzu. Cząsteczki, które weszły w reakcję opadają do odstojnika, w którym następuje oddzielenie kamienia i żużlu. Piece zawiesinowe typu Outokumpu,INCO - wyżarzanie tlenem lub cyklonowe Contop – tlen techniczny PIROMETALURGICZNE Polega na prażeniu i przetapianiu suchego koncentratu w postaci cząsteczek stałych Konwertorowanie kamienia miedziowego Proces przedmuchiwania kamienia miedziowego powietrzem/tlenem w celu utlenienia żelaza i siarki oraz otrzymania miedzi metalicznej. Na drugim etapie przedmuchiwania miedzi, siarczek miedzi jest utleniony na miedź konwertorową (98,5% Cu) i wytwarza się więcej dwutlenku siarki. Miedź konwertorowa jest spuszczona na koocu świeżenia miedzi. Proces ten jest prowadzony w sposób regulujący zawartośd koocową siarki i tlenu w miedzi konwertorowej. Reakcja jest silnie egzotermiczna i ulatniają się podczas niej zanieczyszczenia metaliczne w postaci ołowiu i cynku, które są następnie wychwytywane w instalacji ograniczającej emisję i odzyskiwane. Proces ciągłego konwertorowania PIROMETALURGICZNE Na pierwszym etapie utleniane jest żelazo oraz częśd siarki i wytwarzany jest żużel oraz dwutlenek siarki. PIROMETALURGICZNE Konwertorowanie kamienia miedziowego Cylindryczny piec kąpielowy 1 – płaszcz, 2- dennica, 3 – rolka oporowa, 4 – pierścieo uzębiony, 5 – podstawa rolki, 6 – fundament, 7 – gardziel, 8 – silnik, 9 – rura rozdzielcza powietrza, 10 - dysza Konwertorowanie kamienia miedziowego Produkty konwertorowania: Miedź surowa – 98 – 99,2 % Cu + domieszki: S, Fe, O2, Ni Sb, Bi Pył konwertorowy: drobne cząstki SiO2 żużla i Cumet (pyły bogate w Cu zwraca się do ponownej przeróbki w konwertorze, uboższe kieruje się do przetopu na kamieo) PIROMETALURGICZNE Żużle konwertorowe: mieszanina 2FeSiO2 + Fe3O4 Rafinacja ogniowa Cusur - Poprzedza rafinację elektrolityczną. - Ma na celu otrzymanie anod do elektrolizy i usunięcie szkodliwych domieszek dla Przebieg rafinacji ogniowej (16-24h) 1. roztopienie Cusur 2. utlenianie ciekłej Cu przez przedmuchiwanie powietrza, powstaje żużel, który należy usunąd przed następną operacją, 3. usuwanie Cu2O=2Cu+0,5 O2, wskutek żerdziowania (wprowadza się żerdzie ze świeżego drewna brzozowego; proces redukcji zachodzi pomiędzy Cu a produktami suchej destylacji węgla: 4Cu2O+ C2Hm=8Cu+2CO=0,5(m-2) H2 + CO2; można stosowad gaz ziemny lub amoniak, 4. odlewanie anod lub wlewków (odlew kokilowy, ciągły lub półciągły) PIROMETALURGICZNE procesu elektrolizy. Elektrolityczna rafinacja miedzi Ma na celu usunięcie domieszek, których nie można usunąd podczas rafinacji ogniowej: Ag, Au, As, Sb, Bi, Se, Te, Reakcje na miedzianej anodzie: Reakcje na katodzie: Cu-2e=Cu2+, Cu-e=Cu+, Cu+-e=Cu2+. Cu2++2e=Cu Cu++e=Cu, Domieszki, w zależności od potencjału elektrycznego w stosunku do Cu, przechodzą do roztworu lub do szlamu. Przetapianie katod – piece płomienne lub elektryczne - odlewanie Curaf elektol. PIROMETALURGICZNE Urządzenie: wanna z wyłożeniem kwasoodpornym, do której z określoną prędkością dopływa elektrolit: wodny roztwór siarczanu miedziowego i kwasu siarkowego PIROMETALURGICZNE Elektrolityczna rafinacja miedzi Schemat wanny do elektrolitycznej rafinacji miedzi: 1 –żelazobetonowa wanna, 2 –płyty z winiduru, 3 –otwór spustowy, 4 –płyty z miedzi z rafinacji ogniowej, 5 –cienkie arkusze z miedzi elektrolitycznej, 6 –szlam, 7 –elektrolit Przykład usuwania zanieczyszczeo podczas rafinacji elektrolitycznej ⇒ Piece do wytapiania zawiesinowego ⇒ Prażenie + Piec elektryczny ⇒ Piec do wytapiania Kąpielowego żużel KAMIEO Złom anodowy Złom miedziany Wewnętrzne zawracanie do obiegu: żużle, pył, itp.. Złom miedziany Piec elektryczny, oczyszczanie żużlu metodą Teniente SO2 Proces konwertorowy Oczyszczenie żużlu – wolne chłodzenie i flotacja Produkcja ciekłego SO2, kwasu siarkowego, oleum ⇒ Konwertor P.S. ⇒ Inne konwertory MIEDŹ KONWERTOROWA Rafinacja ogniowa i Odlewanie anod ⇒ Obrotowy piec do wytapiania anod ⇒ Trzonowy piec szybowy / Contimelt ANODY MIEDZIOWE Rafinacja elektrolityczna ⇒ Proces konwencjonalny ⇒ Technologia stałej katody, np. proces ISA KATODY MIEDZIOWE Katody miedziane Czysty złom miedziowy Wytapianie, Odlewanie kształtowników, walcówki ⇒ Piece szybowe ⇒ Elektryczne piece indukcyjne ⇒ Piece obrotowe PIROMETALURGICZNE Wytapianie kamienia miedziowego z Koncentratu Cykl produkcyjny miedzi hutniczej Koncentraty Topniki Wewnętrzne zawracanie do obiegu: żużle, pyły piecowe, itp.. Wtórny materiał Cu Proces hydrometalurgiczny Stosuje się kruszenie rud, po którym następuje ługowanie kwasem siarkowym, czasami w obecności gatunków biologicznych, przez zastosowanie procesów zwałowych, kadziowych i mieszania. Roztwór wytwarzany podczas ługowania jest następnie klarowany i oczyszczany oraz stężany przez ekstrakcję rozpuszczalnikową. Miedź jest następnie usuwana w procesie elektrolitycznego otrzymywania metali. (Różni się od procesu pirometalurgicznego – anoda obojętna np. ołowiowa lub tytanowa) HYDROMETALURGICZNE Technologię tę stosuje się zwykle dla rud tlenkowych oraz dla rud mieszanych tlenkowo/siarczkowych na terenie kopalni, gdzie jest wystarczająca przestrzeo dla tworzenia powierzchni ługowania i obróbki. Urobek z kopalni rudy Wstępne kruszenie Kwas siarkowy Ługowanie zwałowe Basen roztworu matki Ekstrakcja rozpuszczalnikowa Usuwanie Elektrolityczne otrzymanie metali KATODY Basen roztworu rafinatu HYDROMETALURGICZNE Kruszenie drugie i trzecie