Процесс отражательной плавки предназначен для плавки мелкодисперсного материала (флотационный концентрат, цементационная медь, окалина, огарки, пыль) или оборотных  расплавов.

   Удельный  вес отражательной плавки в связи  с развитием автогенных процессов  снижается. В настоящее время  доля меди, полученная с ее использованием, составляет 40-50%.

   Электроплавка отличается источником энергии для  осуществления физико-химических превращений. Температура поддерживается за счет тепла, получаемого путем преобразования электрической энергии в тепловую. Используют дуговые электропечи, печи сопротивления и индукционные.

   Шахтную плавку в металлургии используют для переработки кусковых материалов (20—100 мм) в производстве меди и некоторых  других металлов.

   Шахтная печь представляет собой агрегат  с вертикальным рабочим пространством, в которой сверху загружают шихту  и топливо, а снизу через специальные  отверстия вдувают воздух. Шихта  по мере расплавления опускается вниз, а на её место загружают новые  порции. Жидкие продукты плавки непрерывно стекают во внутренний горн печи и  далее выпускаются в отстойный  горн.

   В последние годы все большее развитие получают автогенные процессы, осуществляемые за счет тепла от окисления сульфидов при использовании подогретого дутья или дутья, обогащенного кислородом. В этих процессах, являющихся окислительными плавками, в одной операции совмещаются процессы обжига и плавки на штейн.

   Процессы  переработки сульфидного сырья  в агрегатах автогенной плавки,  принято подразделять на две группы: факельные  и в  расплаве. К  первой категории, получивших наиболее широкую известность относятся: взвешенная плавка и кислородно –  факельная плавка; ко второй — плавка Ванюкова; совмещенная плавка шихты  и конвертирование штейнов в  одном агрегате; факельно-барботажная  плавка; кислородно-взвешенная циклонная  электротермическая плавка, а также  многие другие автогенные процессы.

   Медные  штейны содержат от 17 до 63% Сu, что связано с большими колебаниями содержания меди в исходных концентратах.[3]

   После этого штейн отправляют на конвертирование.

   Процесс конвертирования состоит из двух периодов: в первом периоде осуществляется окисление и ошлакование сернистого железа и большинства примесей, во втором - окисляется полусернистая медь и происходит образование металлической меди.

   Первый  период конвертирования заключается  в продувке воздуха через расплавленный  штейн в присутствии кварцевого флюса. Основная суммарная реакция  имеет вид:

   2FeS + 3O₂ + SiO₂ = 2FeO∙SiO₂ + 2SO₂ + 234кДж   (2.4)

   В зависимости от содержания меди в штейне первый период конвертирования продолжается от 5 до 20 ч. Из-за высокой экзотермичности реакций конвертирования температура в конвертере возрастает (на 2-3° за минуту продувки). Для поддержания температуры в оптимальных пределах (1180-1250 °С) в конвертер загружают холодные добавки (медьсодержащие материалы). По окончании последней продувки из конвертера сливают конвертерный шлак, после чего начинается второй период конвертирования.

   Конвертерные  шлаки первого периода конвертирования  содержат 23-27 % SiO₂; 1,5-3,0% Сu, остальное - окислы железа, в том числе, магнетит (до 20-25 %). Обычно конвертерные шлаки перерабатывают в отражательных печах или направляют на обеднение (в электропечах, флотацией).

   Второй  период состоит в продувке полусернистой  меди (белого штейна) до получения черновой меди. Черновая медь в конвертере образуется благодаря протеканию следующих реакций:

   2Cu₂S + 3O₂ = 2Cu₂O + 2SO₂ + 186кДж    (2.5)

   2Cu₂O + Cu₂S = 6Cu + SO₂ – 30кДж    (2.6) 

   Воздух  вдувают в расплав полусернистой  меди до полного ее окисления. Конец  операции определяют по пробам. Полученная черновая медь содержит значительное количество примесей (до 4 %) и направляется на огневое рафинирование.[5]

   Огневое рафинирование проводят с целью  удаления части примесей, обладающих по сравнению с медью повышенным сродством к кислороду. Такие примеси в отличие от благородных металлов, которые в этой стадии рафинирования практически не удаляются, часто называют неблагородными. Огневому рафинированию подвергают расплавленную медь.

   Процесс огневого рафинирования меди состоит  из следующих основных операций: загрузки, расплавления твердой меди и разогрева расплава, окисления примесей, съема шлака, раскисления (дразнения) меди и разливки меди в анодные слитки. Продолжительность процесса рафинирования зависит от многих факторов (состава черновой меди, вместимости печи, тепловой нагрузки, производительности загрузочных и разливочных устройств) и колеблется от 12 до 32 ч.

   Процессы  окисления меди ведут при 1150—1170°С. Увеличение температуры хотя и ускоряет процесс, но одновременно ведёт к  повышенному насыщению расплавленной  ванны Cu₂O, что удлиняет стадию раскисления и увеличивает расход дорогостоящих восстановителей.

   В настоящее время для огневого рафинирования черновой меди в основном применяют стационарные отражательные печи и наклоняющиеся печи конвертерного типа.[3]

   Металлическая медь после огневого рафинирования  содержит ряд примесей (As, Sb, Se, Ni, Co, Fe). Кроме того, при рафинировании в анодную медь переходят золото, серебро и металлы платиновой группы, содержащиеся в черновой меди.

   Электролитическое рафинирование меди применяют для  получения меди высокой чистоты, обладающей повышенной электропроводностью и пластичностью. При этом благородные металлы, а также редкие элементы, такие, как селен и теллур, переходят в шлам.

   Процесс электролитического рафинирования  заключается в растворении анода под действием электрического тока и осаждении меди в виде чистого металла на катоде.

   Аноды и катоды помещают в электролизные  ванны, располагая электроды в ваннах вертикально, параллельно друг другу. Все аноды соединяются с положительным, а катоды с отрицательным полюсами источника постоянного тока. В ванны подают электролит в виде раствора сернокислой меди, содержащего свободную серную кислоту.

   Одним из важных показателей качества процесса электролитического рафинирования меди является выход по току. Чем выше этот показатель, тем ниже расход электроэнергии и выше производительность электролитных ванн.

   В настоящее время для получения  высокого выхода по току и низкого расхода электроэнергии при электролитическом рафинировании меди на практике электролиз проводят при температуре электролита 55-60°С, плотности тока 225-300 А/м², содержании в электролите 40-50 г/л меди, 120-200 г/л свободной серной кислоты, расстоянии между центрами одноименных электродов 105-115 мм.

   При этом можно получить катодную медь чистотой 99,99 %.[5]

 

   

   3 Электролитическое рафинирование в схеме переработки медного концентрата

   Электролитическое рафинирование занимает особое место  в технологии производства меди. Анодная медь является сложным многокомпонентным сплавом. Обычно она содержит, %: 99,5-99,8 Cu; до 0,015 S; до 0,015 Fe; до 0,5 Ni; до 0,05 Pb; до 0,01 Bi; 0,2 As; 0,06 Se +Te; 0,03(300г/т) Au и 0,5 (5000г/т) Ag.

   Следует отметить, что чем выше в исходной меди содержание благородных металлов, тем ниже будет себестоимость  электролитной меди. Именно поэтому  при конвертировании медных штейнов  стремятся использовать в качестве флюса золотосодержащие кварциты.

   Для осуществления  электролитического рафинирования меди аноды, отлитые  после огневого рафинирования, помещают в электролизные ванны, заполненные  сернокислым электролитом. Между  анодов 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 катодную медь; шлам, содержащий благородные металлы; Se; Te и загрязненный электролит, часть которого иногда используют для получения медного и никелевого купоросов. Кроме того, вследствие неполного электрохимического растворения анодов получают анодные остатки (анодный скрап).

     Электролитическое рафинирование меди, получение медной фольги и порошков объединяет не только единый электрохимический метод, но и общность электродных процессов.

     В процессе электролитического рафинирования  меди решаются две основные задачи: глубокая очистка от вредных примесей и попутное извлечение ценных компонентов. Согласно ГОСТ 859-66 высшая марка меди М00 должна содержать не менее 99,99 % меди. Электролитическое рафинирование  огневой меди является заключительной и очень важной стадией в схеме  переработки медных руд и концентратов.

     3.1 Теоретические основы электролитического рафинирования меди

     Электролитическое рафинирование меди основано на различии ее электрохимических свойств и  содержащихся в ней примесей. 

     Для получения наиболее чистой меди в  виде плотного, мелкокристаллического  осадка, концентрирования благородных  металлов и редких элементов в  шламе и попутного извлечения никеля слитки анодной меди подвергают электролитическому рафинированию. В  общем, виде процесс электролиза  описывается следующей электрохимической  схемой:

     Катодная  основа CuSO₄, H₂SO₄, H₂O,примеси, добавки, анодная медь.

     Электролитическое рафинирование стараются вести  с предельной скоростью процесса при наиболее эффективном использовании  электрического тока.

     Анодный процесс

     На  медном аноде возможны следующие  электрохимические реакции:

     Cu-2e = Cu²⁺; E^o_Cu2+/Cu=0,34B  (3.1)

     Cu-e = Cu⁺; E^o_Cu+/Cu=0,51B  (3.2)

     Cu⁺-е = Cu²⁺; E^o_Cu2+/Cu=0,17B  (3.3)

     Теоретически  анодное растворение меди должно происходить с образованием Cu²⁺ и Cu⁺ в количествах, отвечающих равновесным потенциалам. В присутствии металлической меди в электролите устанавливается равновесие:

     CuSO₄+Cu=Cu₂SO₄   (3.4)

     С точки зрения электролиза развитие этого процесса желательно, так как  электрохимический эквивалент Cu⁺ (1,185), и при осаждении на катоде требуется гораздо меньше электроэнергии.

     Константа реакции образования одновалентных  ионов меди K=[Cu⁺]²/[Cu²⁺] при температуре 25^оС составляет 0,62*10^-6, поэтому концентрация Cu⁺в растворе ничтожно мала и медь с анода под действием электрического тока переходит в раствор только по реакции (3.1). [2].

     Помимо  электрохимического растворения, протекают  следующие реакции;

     Cu+H₂SO₄+0.5O₂ = CuSO₄+H₂O  (3.5)

     Cu₂O+2H₂SO₄+0.5O₂ = 2CuSO₄+H₂O (3.6)

     Скорость  химического растворения меди гораздо  меньше, чем скорость растворения  в электрохимическом процессе, однако она возрастает с увеличением температуры, концентрации кислоты, насыщения электролита кислородом.

     Особенно  обогащен кислородом верхний слой электролита  на границе с воздухом. Поэтому  аноды на границе раздела газообразной и жидкой фаз растворяются быстрее, чем в объеме электролита. Если не принимать специальных мер (периодически менять уровень электролита, покрывать  верхнюю часть анода антикоррозионной защитой), возможно разъедание анода  и обрыв его под действием  собственной тяжести.