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