Медный штейн состоит в основном из сульфидов меди и желе­за (Cu2S + FeS = 80—90 %) и других сульфидов, а также оксидов железа, кремния, алюминия и кальция. Плавку на штейн или выплавку штейна осуществляют для того, чтобы путем расплавления шихты получить два жидких продукта — штейн и шлак и тем самым отделить медь, переходящую в штейн от оксидов шихты, которые образуют шлак. Выплавку штейна производят несколькими способами: в отражательных, шахтных и электродуговых печах и автогенными процессами.

Плавка в отражательных печах

Плавка в отражательных печах — наиболее распространенный процесс получения медного штейна.

Отражательные или пламенные печи делают длиной 30—40, шириной 8—10, высотой от пода до свода 3,5—4,5 м (рис. 237). Под печи, опирающийся на фундамент, выполняют из динасового кирпича либо путем наварки из кварцевого песка, толщина пода составляет 0,6—1,5 м. Стены выклады­вают из магнезитохромитового или магнезитового кирпича. Свод печи делают арочным из динасового кирпича, распорно­подвесным в форме арки или подвесным, который может быть плоским или трапециевидной формы (два последних свода — из магнезитохромитового кирпича). На рис. 237 показана печь с подвесным сводом трапециевидной формы. Для выпуска штейна служат шпуры периодического действия, которые после окончания выпуска закрывают глиняной пробкой; иног­да для выпуска штейна предусматривают сифонные устрой­ства.

Отражательная печь с подвесным сводом

Для выпуска шлака служат шлаковые окна в конце печи. Высота расположения порога шлакового окна определяет вы­соту слоя расплава в печи, она равна 0,8—1,2 м, в том числе высота слоя штейна 0,4—0,6 м.

Отапливают печь природным газом, мазутом или угольной пылью. Горелки или форсунки обычно располагают в один ряд в передней торцовой стенке. Воздух, подаваемый для горе­ния, нагревают до 200—400 °С и обогащают кислородом до 28—30 %. Газообразные продукты сгорания проходят до зад­ней стенки и через газоход уходят в боров. Температура газов на небольшом расстоянии от передней стенки достига­ет 1550—1600 °С, а в хвостовой части снижается до 1250—1300 °С. Шихту загружают через несколько отверстий в своде печи, расположенных близ боковых стен по длине печи.

Плавка. Как отмечалось, основную часть штейна выплав­ляют из сырых (необожженных) концентратов. В шихту при этом вводят немного флюсов — известняка и кварца. Загружае­мая шихта ложится (рис. 238) откосами вдоль стен (при плавке огарка она растекается по поверхности шлака). Ших­та и поверхность жидкой ванны нагреваются факелом, обра­зующимся при сгорании топлива.

Схема плавки в отражательной печи

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/см3) заметно выше плотности шлака (2,6—3,2 г/см3).

Основными химическими реакциями в ванне являются: раз­ложение (термическая диссоциация) высших сульфидов (реак­ции приведены выше при описании обжига концентратов), 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: Cu2O + FeS = Cu2S + FeО; 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 % Al2O3, 0,5-2,0 % (СаО + MgО), около 2 % Zn и небольшие количества Au и Ag. Шлак состоит в основ­ном из SiO2, FeО, СаО и Al2Oи содержит 0,1-0,5 % Cu.

Извлечение меди и благородных металлов в штейн достигает 96—99,5 %. Количество шлака составляет примерно 1,1—1,5    т/т штейна. Недостатки процесса — необходимость рас­ходования топлива и то, что не используется теплотворная способность сульфидов.

Плавка в электрических руднотермических печах

Плавка в руднотермических печах является близким аналогом отражательной плавки. Выплавку медного штейна ведут в прямоугольных закрытых сводом электрических печах с тремя или шестью расположенными в линию угольными электродами, концы электродов погружены в шлак. Шихту загружают в печь через отверстие в своде вблизи электродов. Тепло, необхо­димое для плавления шихты выделяется при прохождении тока от электродов через шлаковый расплав, толщину слоя шлака в печи поддерживают в пределах 1,4—1,8 м.

Процесс в руднотермической печи аналогичен процессу в отражательной печи — происходит плавление шихты и разде­ление расплава на штейн и шлак. Химизм электрической и отражательной плавок полностью сходен. Штейн и шлак вы­пускают из печи периодически через шпуры. Расход электро­энергии изменяется от 380 до 600 кВт • ч/т шихты. Сущест­венным недостатком процесса, как и процесса отражательной плавки, является необходимость постороннего источника тепловой энергии, и то, что не используется теплотворная способность сульфидов шихты (тепло, которое могло бы быть получено при их сжигании в печи).

Плавка в шахтных печах

Шахтная печь имеет вытянутое по вертикали рабочее прост­ранство. При плавке загружаемые сверху шихтовые материалы опускаются вниз, а им навстречу движутся горячие газы, образующиеся внизу у фурм, где происходит горение сульфи­дов шихты и топлива (кокса) и где плавится шихта, разде­ляющаяся затем на штейн и шлак. Для обеспечения газопро­ницаемости столба шихты необходимо применять кусковые материалы Крупностью 20—100 мм, поэтому мелкие концентра­ты и руды предварительно подвергают брикетированию или агломерации.

Известны четыре разновидности шахтной плавки: восста­новительная, пиритная, полупиритная и медно-серная. В восстановительной плавке, применявшейся для переработки окисленных руд, тепло для плавления шихты получалось за счет сжигания кокса. В пиритной плавке необходимое тепло выделялось при сгорании в печи сульфидов шихты; руда для такого процесса должна содержать не менее 75 % пирита FeS2. В настоящее время применяют две разновидности про­цесса: медно-серную и полупиритную плавку, при которых тепло получается как от горения в печи сульфидов шихты, так и топлива (кокса).

Медно-серная плавка. Ее особенностью является то, что помимо штейна в качестве продукта получают элементарную серу, выделяемую из отходящих газов. В качестве шихты применяют кусковые высокосернистые руды и высокосернистые окускованные концентраты.

Шахтная печь для медно-серной плавки показана на рис. 239. В поперечном (горизонтальном) сечении печь имеет прямоугольную форму. Нижнюю часть шахты (ее стены) собирают из плоских полых водоохлаждаемых коробок — кессонов. На внутренней стороне кессонов нарастает слой застывшего шлака (гарнисаж), который работает как футе­ровка. Кессонированная часть шахты сделана сужающейся книзу. В нижней ее части установлены фурмы для подачи воздуха, а ниже фурм имеется желоб с порогом для выпуска штейна и шлака.

Шахтная печь для медно-серной плавки

Верхнюю часть печи выкладывают из шамота и для герме­тизации заключают в железный кожух. В своде шахты печи находятся двухконусные загрузочные устройства, подобные засыпному аппарату доменной печи. Они обеспечивают герметизацию рабочего пространства печи в процессе загрузки шихты; при загрузке очередной порции шихты вначале опускают верхний конус при поднятом нижнем, а затем опускают нижний конус при поднятом верхнем. Это исключает попадание в печь воздуха и тем самым предотвра­щает окисление паров серы в отходящих из печи газах. Газы отводят через отверстия (рис. 239, 5) в продольной стенке и газоход.

Штейн и шлак выпускают из печи через желоб непрерывно в отстойный горн (на рис. 239 не показан). Он представ­ляет собой футерованное внутри железное корыто с двумя—четырьмя шпурами для периодического выпуска штейна и желобами для непрерывного удаления шлака.

Шихта медно-серной плавки состоит из высокосерных окускованных концентратов и кусковых медных руд, флюсов (известняка и кварца) и 10—12 % мелкого кокса. Через фур­мы вдувают воздух, иногда с добавкой кислорода, расход дутья такой, чтобы весь кислород расходовался в нижней части печи.

В нижней части шахты при медно-серной плавке форми­руется окислительная зона (среда), а в верхней — восста­новительная. В окислительной зоне, где есть кислород пос­тупающий из фурм дутья, происходит горение кокса (С + O2 = СO2) и сернистого железа (2FeS + 3O2 = 2FeО + 2SO2) с выделением тепла, благодаря чему температура в зоне составляет 1000—1100 °С, а у фурм достигает 1500 °С. При таких температурах плавятся сульфиды и остальная ших­та с образованием штейна и шлака. По мере их выпуска из печи шихта опускается навстречу потоку горячих газов.

В поднимающихся газах кислород постепенно расходуется на перечисленные реакции горения и вверху формируется восстановительная зона (зона без кислорода). Здесь проис­ходит восстановление SO2 и СO2 углеродом:

2SO2 + 2С = S2(пар) + 2СO2; СO2 + С = 2СО.

Протекают также другие побочные процессы с образованием газообразных СS2, COS, Н2S. Формирующийся из продуктов этих реакций колошниковый газ дополнительно обогащается в восстановительной зоне парами элементарной серы в резуль­тате термической диссоциации высших сульфидов CuS и FeS2. Для сохранения серы в парообразном состоянии в процессе дальнейшей обработки газа температура газа на выходе из печи должна быть не менее 450—500 °С. Из газа сначала осаждают пыль, а затем из него извлекают серу (около 80 % ее общего количества в газе).

В результате медно-серной плавки получают бедный штейн, содержащий 6—15 % меди. Чтобы повысить содержание меди этот штейн подвергают сократительной плавке. Плавку осуществляют в таких же шахтных печах. Штейн загружают кусками размером 30—100 мм вместе с кварцевым флюсом, известняком и коксом. Расход кокса составляет 7—8 % от массы шихты. При этом железо переходит в шлак, а содержа­ние меди в штейне повышается до 25—40 %. Несмотря на сложность такого двустадийного процесса он окупается за счет получения элементарной серы.

Полупиритная плавка схожа с медно-серной, но ее прово­дят без улавливания серы из отходящих газов. Шахтная печь для полупиритной плавки отличается от показанной на рис. 239 тем, что шахта по всей высоте выполнена из водо­охлаждаемых кессонов и верх печи не герметизирован, а шихту загружают через шторы (дверцы) в стенах расположен­ного над шахтой шатра (колошника), служащего для отвода газов. Шихтой служат кусковые концентраты и руды, извест­няк, кварц и 5—10 % кокса. К шихте предъявляют менее жесткие требования, руда может содержать меньше серы (пи­рита) и больше пустой породы; в шихту вводят оборотные материалы (шлак, бедный штейн). Расход дутья поддерживают таким, чтобы по всей высоте печи была окислительная атмо­сфера (был избыток кислорода).

Содержание меди в штейне в зависимости от состава перерабатываемого сырья составляет 15—50 %. Вся сера в отходящих газах находится в виде SO2.

В последние годы начали применять дутье, обогащенное кислородом (до 28—30 %), что вызывает улучшение показате­лей плавки; в частности снижается расход кокса.

Автогенные процессы

Дефицит энергетических ресурсов, неиспользование тепло­творной способности сульфидов шихты, необходимость расхо­дования дополнительного топлива при низком тепловом к.п.д. отражательной плавки и электроплавки, невозмож­ность выделения серы из отходящих газов вследствие ее низкого содержания в газах привели к тому, что начиная с 50-х годов начался постепенный переход к автогенным про­цессам выплавки штейна из медных сульфидных руд.

Автогенной называют плавку без затрат топлива, осу­ществляемую за счет тепла, получаемого при окислении сос­тавляющих шихты. При переплаве сульфидного сырья автогенность обеспечивается за счет сгорания сульфидов шихты. В последние годы в нашей стране и за рубежом разработаны, внедрены и внедряются ряд автогенных процессов переработ­ки сернистых медных руд. Сжигание сульфидов при этом мо­жет производиться в факеле или в расплаве.

Плавка в жидкой ванне (ПЖВ). Процесс плавки в жидкой ванне, разработанный А.В.Ванюковым, осуществляют в шахт­ной печи (рис. 240), стены которой выполнены из медных водоохлаждаемых плит, а под и свод из огнеупоров. Длина печи составляет 10—30, ширина 2,5—3 и высота 6—6,5 м. Фурмы для подачи дутья расположены в боковых стенах в ряд по всей длине печи на высоте 1,5—2 м от пода. Шихту заг­ружают через расположенные в своде воронки. Выпуск штейна и шлака происходит непрерывно и раздельно через сифоны, расположенные в противоположных торцах печи.

Схема устройства печи ПЖВ

Процесс малочувствителен к качеству шихтовых материа­лов, можно переплавлять как кусковые руды крупностью до 50 мм, так и мелкие концентраты без их сушки. Дутьем слу­жит обогащенный кислородом воздух, для обеспечения авто- генности процесса содержание кислорода в дутье должно составлять 40—45 % при влажности шихты 1—2 % и 55—65 % при влажности 6—8 %.

Процесс ПЖВ непрерывный. Дутье, как это видно из рис. 240, подают в объем расплава и в расплаве, что отли­чает этот процесс от других, происходит окисление сульфидов за счет реагирования с кислородом дутья. Расплав в печи условно делится на две зоны: зону выше фурм, где идет интенсивный барботаж (перемешивание поднимающимися пузырями газа) и подфурменную, где расплав находится в относительно спокойном состоянии. В верхней (надфурменной) зоне протекают процессы окисления сульфидов с выде­лением тепла, нагрева и плавления шихты за счет этого тепла, укрупнения мелкой сульфидной взвеси в шлаковом расплаве. Крупные капли сульфидов, как более тяжелые, движутся через слой шлака вниз, образуя на поду печи слой штейна.

В получаемом штейне содержание меди достигает 45—55 %. Достоинством процесса является то, что его удельная производительность (удельный проплав шихты, 60—80 т/(м2 × сут)) значительно выше, чем у других процессов выплавки штейна; так этот удельный проплав более чем в 12 раз пре­вышает проплав отражательной плавки. Процесс пригоден для плавки на штейн медно-никелевых, никелевых и других суль­фидных руд.

Плавка во взвешенном состоянии или процесс взвешенной плавки. При этом способе сульфиды шихты сгорают, двигаясь в потоке кислородосодержащего дутья, т.е. сгорают в факе­ле во взвешенном состоянии. В качестве дутья используют обогащенный кислородом воздух и иногда кислород. Шихту предварительно необходимо измельчать и просушивать. Нахо­дит применение ряд разновидностей этого процесса.

Способ фирмы «Оутокумпу» (Финляндия), применяемый в ряде стран, предусматривает использование обогащенного кислородом (до 31%) и подогретого до ~200°С воздуха. Печь имеет вертикальную плавильную шахту и расположенную под ней горизонтальную удлиненную отстойную камеру. Через специальную горелку в своде шахты в нее подают дутье и измельченную шихту. При движении вниз в факеле сгорают сульфиды шихты, обеспечивая температуру в шахте ~1400°С. Образующиеся в факеле сульфидно-оксидные капли падают на поверхность шлака в отстойной камере, и здесь происходит разделение расплава на шлак и штейн. Горячие газы из шах­ты движутся через отстойную камеру вдоль поверхности рас­плава, подогревая его. Далее газы проходят котел-утилизатор, и из них извлекают элементарную серу. Штейн содержит до 60 % меди.

Плавку во взвешенном состоянии на кислородном дутье или кислородно-факельную плавку применяют на заводах в Казахстане, Канаде и США. Печь горизонтальная, вытянутая вдоль движения факела, выполнена из огнеупоров. Стены, свод и газоотвод оборудованы водоохлаждаемыми устройства­ми. В торцевой стене печи установлены две горизонтально расположенные горелки, подающие кислород и просушенную шихту. Температура факела при сгорании сульфидов в кисло­роде достигает 1500—1600 °С, образующиеся в факеле капли сульфидно-оксидного расплава оседают в шлаковую ванну, в которой происходит отставание штейна от шлака. Штейн содержит до 50 % Cu, отходящие газы до ~ 80 % SO2, серу из газов улавливают.

Процесс «Норанда», разработанный в Канаде, является непрерывным барботажным процессом, схожим с отечественным процессом ПЖВ. Его осуществляют в горизонтальной цилинд­рической печи, вдувая через 50—60 расположенных в ряд фурм обогащенный кислородом (до 37 %) воздух в объем расплава, где происходит окисление сульфидов и разделение штейна и шлака. Шихту загружают через торцевую стенку печи, штейн выпускают периодически через шпуры.