• Текст документа
  • Статус
Оглавление
Поиск в тексте
Действующий

ИТС 3-2019


ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК ПО НАИЛУЧШИМ ДОСТУПНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ

ПРОИЗВОДСТВО МЕДИ

Manufacture of copper


Дата введения 2020-03-01


     Введение


Настоящий справочник НДТ представляет собой документ по стандартизации, разработанный в результате анализа технологических, технических и управленческих решений, применяемых при производстве меди.

Справочник НДТ разработан взамен справочника НДТ ИТС 3-2015 "Производство меди" в соответствии с распоряжением от 30.04.2019 г. N 866-р "Об утверждении поэтапного графика актуализации информационно-технических справочников по наилучшим доступным технологиям" [1].

Термин "наилучшие доступные технологии" определен в статье 1 Федерального закона N 7 ФЗ, согласно которому НДТ - это технология производства продукции (товаров), выполнения работ, оказания услуг, определяемая на основе современных достижений науки и техники и наилучшего сочетания критериев достижения охраны окружающей среды при условии наличия технической возможности ее применения.

Краткое содержание справочника


Введение. Во введении приводится краткое содержание справочника НДТ и обзор законодательных документов, использованных при его разработке.

Предисловие. Указана цель разработки справочника НДТ, его статус, законодательный контекст, краткое описание процедуры создания в соответствии с установленным порядком, а также взаимосвязь с аналогичными международными документами.

Область применения. Описаны основные и дополнительные виды деятельности, на которые распространяется действие справочника НДТ, а также приводится информация о взаимосвязанных видах деятельности, смежных с определенными в ИТС НДТ, и соответствующие виды деятельности ИТС НДТ.

В разделе 1 представлена информация о состоянии и уровне развития в Российской Федерации производства меди по основным переделам. Также в разделе 1 приведен краткий обзор экологических аспектов производства меди.

В разделе 2 представлены сведения о технологических процессах, применяемых при:

- пирометаллургическом производстве меди из первичного и вторичного сырья;

- гидрометаллургическом производстве меди;

- производстве медных сплавов и полуфабрикатов;

- вспомогательных производственных процессах.

Для каждой стадии указывают входные и выходные материальные потоки, основные энергетические потоки, условия проведения процесса или основные операции, основные эмиссии.

Также в разделе приведено описание экономических аспектов применяемых технологий, методов, решений.

В разделе 3 дана оценка текущих уровней потребления сырья, материалов, энергетических ресурсов и эмиссий, маркерных веществ, характерных для производства меди в Российской Федерации.

Также приведено описание особенностей производственного экологического контроля, в том числе особенности измерения, включая измерения системами автоматического контроля.

Раздел подготовлен на основе данных, представленных предприятиями Российской Федерации в рамках разработки справочника НДТ, а также различных литературных источников.

В разделе 4 описаны особенности подходов, примененных при разработке данного справочника НДТ и в целом соответствующих Правилам определения технологии в качестве наилучшей доступной технологии, а также разработки, актуализации и опубликование информационно-технических справочников по наилучшим доступным технологиям (утверждены постановлением Правительства Российской Федерации от 23 декабря 2014 года N 1458) и Методическим рекомендациям по определению технологии в качестве наилучшей доступной технологии.

В разделе 5 приведено краткое описание НДТ для производства меди, включая:

- системы экологического и энергетического менеджмента, контроля и мониторинга технологических процессов;

- технические и технологические решения для повышения энергоэффективности, ресурсосбережения, снижения эмиссий загрязняющих веществ, методы обращения с отходами, полупродуктами и оборотными материалами.

В разделе 6 приведены краткие сведения о новых технологических и технических решениях (не применяемых в России на момент подготовки справочника), направленных на повышение энергоэффективности, ресурсосбережения, снижение эмиссий загрязняющих веществ, эффективное обращение с отходами, промежуточными и побочными продуктами.

В разделе 7 приведены сведения о перечне измеряемых показателей эмиссий и соответствующих значениях этих показателей, непрерывном и периодическом измерении эмиссий, отчетности по эмиссиям.

Заключительные положения и рекомендации. Приведены сведения о членах технической рабочей группы, принимавших участие в разработке справочника НДТ. Рекомендации предприятиям по дальнейшим исследованиям экологических аспектов их деятельности.

Приложения. Приведены перечень маркерных загрязняющих веществ, перечень технологических показателей, перечень НДТ, сведения о ресурсной (в том числе, энергетической) эффективности, а также "Заключение по наилучшим доступным технологиям" для рассматриваемой отрасли промышленности.

"Заключения по наилучшим доступным технологиям" включает части ИТС НДТ, содержащие:

- область применения;

- описание НДТ, уровни эмиссий, соответствующие НДТ (технологические показатели), а также информацию, позволяющую оценить их применимость;

- методы производственного экологического контроля (прежде всего, подходы к организации измерений, в том числе касающиеся систем автоматического контроля).

"Заключение по наилучшим доступным технологиям" сформировано для использования заинтересованными лицами, в том числе промышленными предприятиями, при формировании заявок на комплексные экологические разрешения, а также надзорными органами при выдаче комплексных экологических разрешений и является кратким описанием основных положений ИТС НДТ, включая описание наилучших доступных технологий, информации, позволяющей оценить их применимость, уровни эмиссий и потребления ресурсов, методы производственного экологического контроля.

Библиография. Приведен перечень источников информации, использованных при разработке справочника НДТ.

Предисловие


Цели, основные принципы и порядок разработки информационно-технического справочника по наилучшим доступным технологиям установлены постановлением Правительства Российской Федерации от 23 декабря 2014 г. N 1458. Перечень областей применения наилучших доступных технологий определен распоряжением Правительства Российской Федерации от 24 декабря 2014 г. N 2674-р.

1 Статус документа

Настоящий информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям (далее - справочник НДТ) является документом по стандартизации.

2 Разработчик

Справочник НДТ разработан технической рабочей группой N 3 (ТРГ-3) "Производство меди", состав которой утвержден приказом Минпромторга России от 27 мая 2019 года N 1784.

Перечень организаций и их представителей, принимавших участие в разработке справочника НДТ, приведен в разделе "Заключительные положения и рекомендации".

3 Краткая характеристика

Настоящий справочник НДТ содержит описание применяемых при производстве меди технологических процессов, оборудования, технических способов, методов, в том числе позволяющих снизить эмиссии в окружающую среду, водопотребление, повысить энергоэффективность, обеспечить экономию ресурсов на предприятиях, относящихся к областям применения НДТ, определенным распоряжением Правительства РФ от 24.12.2014 N 2674-р. Из числа описанных технологических процессов, технических способов, методов выделены решения, отнесенные к наилучшим доступным технологиям (НДТ). В справочнике НДТ установлены технологические показатели, соответствующие выделенным НДТ.

Разработка справочника НДТ проводилась в соответствии с порядком определения технологии в качестве наилучшей доступной технологии, разработки, актуализации и опубликования информационно-технических справочников по наилучшим доступным технологиям, утвержденным постановлением Правительства Российской Федерации 23 декабря 2014 г. N 1458 "О порядке определения технологии в качестве наилучшей доступной технологии, а также разработки, актуализации и опубликования информационно-технических справочников по наилучшим доступным технологиям".

4 Взаимосвязь с международными, региональными аналогами

Справочник НДТ разработан на основе справочника Европейского союза (ЕС) по наилучшим доступным технологиям для предприятий цветной металлургии (Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Non-Ferrous Metals Industries) с учетом особенностей производства меди в Российской Федерации.

5 Сбор данных

Информация о применяемых на промышленных предприятиях технологических процессах, оборудовании, об источниках загрязнения окружающей среды, технологических, технических и организационных мероприятиях, направленных на снижение загрязнения окружающей среды и повышение энергоэффективности и ресурсосбережения, была собрана в процессе разработки справочника НДТ в соответствии с Порядком сбора данных, необходимых для разработки информационно-технического справочника по наилучшим доступным технологиям и анализа приоритетных проблем отрасли, утвержденным приказом Минпромторга России от 18 апреля 2017 г. N 1234.

6 Взаимосвязь с другими справочниками НДТ

Взаимосвязь настоящего справочника НДТ с другими справочниками НДТ, разрабатываемыми (актуализируемыми) в соответствии с распоряжением Правительства от 30.04.2019 г. N 866-р "Об утверждении поэтапного графика актуализации информационно-технических справочников по наилучшим доступным технологиям" [1].

7 Информация об утверждении и введении в действие

Справочник НДТ утвержден приказом Росстандарта от 12 декабря 2019 г. N 2982.

Справочник НДТ введен в действие с 1 марта 2020 г., официально опубликован в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru).

Область применения


Настоящий справочник НДТ распространяется на следующие основные виды деятельности:

- производство меди из руд, концентратов или вторичных сырьевых материалов посредством пирометаллургических, гидрометаллургических, электролитических процессов;

- выплавка медных заготовок, включая производство сплавов, в том числе из вторичных продуктов, на плавильных производствах;

- литье, прокат, волочение и прессование в случаях, когда они интегрированы с производством меди;

- производство медного порошка и медного купороса.

Настоящий справочник НДТ распространяется на методы производства как первичнойИТС 3-2019 Производство меди, так и вторичнойИТС 3-2019 Производство меди меди. Между производством первичной и вторичной меди есть много общего, причем нередко невозможно провести четкое различие между применяемыми методами. В некоторых случаях при производстве первичной меди в рамках общих производственных процессов с целью экономии энергии, минимизации производственных затрат и вторичного использования образующихся отходов используется вторичное сырье.
________________
ИТС 3-2019 Производство меди Производство первичной меди - производство меди с использованием в качестве сырья руд или концентратов.

ИТС 3-2019 Производство меди Производство вторичной меди - производство меди с использованием в качестве сырья промежуточных и остаточных продуктов и/или ломов, включая процессы переплавки и производства сплавов.

Справочник НДТ также распространяются на процессы, связанные с основными видами деятельности, которые могут оказать влияние на объемы эмиссий и (или) масштабы загрязнения окружающей среды:

- хранение и подготовка сырья;

- хранение и подготовка топлива;

- производственные процессы (пирометаллургические, гидрометаллургические и электролитические);

- методы предотвращения и сокращения эмиссий и образования отходов;

- хранение и подготовка продукции.

Справочник НДТ не распространяется на:

- добычу и обогащение медных и полиметаллических руд на месторождениях;

- производство меди из медно-никелевых сульфидных рудИТС 3-2019 Производство меди;
________________
ИТС 3-2019 Производство меди Наилучшие доступные технологии, маркерные вещества и технологические показатели для данного вида деятельности определены в ИТС НДТ 12 "Производство никеля и кобальта" (ИТС 12). Основанием для описания получения меди из сульфидных медно-никелевых руд в ИТС 12 являются особенности минералогического состава данного вида сырья, обуславливающие комплексное использование полезных ископаемых в технологии производства никеля, кобальта и меди, включающей ряд последовательных операций в едином взаимосвязанном производственно-технологическом процессе.

- вопросы, которые касаются исключительно обеспечения промышленной безопасности или охраны труда.

Вопросы обеспечения промышленной безопасности и охраны труда частично рассматриваются только в тех случаях, когда оказывают влияние на виды деятельности, включенные в область применения настоящего справочника НДТ.

Дополнительные виды деятельности при производстве меди и соответствующие им справочники НДТ приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Дополнительные виды деятельности при производстве меди и соответствующие им справочники НДТ

Вид деятельности

Соответствующий справочник НДТ

Применение методов и управленческих решений для повышения энергоэффективности при осуществлении хозяйственной и (или) иной деятельности на предприятиях (объектах) I категории

Повышение энергетической эффективности при осуществлении хозяйственной и (или) иной деятельности

Методы очистки сточных вод, направленные на сокращение сбросов металлов в водные объекты

Очистка сточных вод и выбросов загрязняющих веществ при производстве продукции (товаров), проведении работ и оказании услуг на предприятиях

Промышленные системы охлаждения, например градирни, пластинчатые теплообменники

Промышленные системы охлаждения

Хранение и обработка материалов

Сокращение выбросов загрязняющих веществ, сбросов загрязняющих веществ при хранении и складировании товаров (грузов)

Обращение с отходами

Обезвреживание отходов, в том числе термическими способами. Захоронение отходов производства и потребления

Выработка пара и электроэнергии на тепловых станциях

Сжигание топлива на крупных промышленных предприятиях в целях производства энергии

Бескислотное травление медной катанки и полуфабрикатов из меди и медных сплавов

Обработка поверхностей, предметов или продукции с использованием органических растворителей

Кислотное травление медной катанки и полуфабрикатов из меди и медных сплавов

Нанесение покрытий на металлы и пластмассы с использованием электролитических или химических процессов

Производство меди из сульфидных медно-никелевых руд

Производство никеля и кобальта


Сфера распространения настоящего справочника НДТ приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Сфера распространения ИТС НДТ

ОКПД 2

Наименование продукции
по ОК 034-2014 (ОКПД)

Наименование вида деятельности по ОКВЭД 2

ОКВЭД 2

Производство металлургическое

24

24.4

Металлы основные драгоценные и цветные прочие; топливо ядерное переработанное

Производство основных драгоценных металлов и прочих цветных металлов, производство ядерного топлива

24.4

24.44

Медь

Производство меди

24.44

24.44.1

Медь необработанная; штейн медный; медь цементационная (медь осажденная)

24.44.11

Штейн медный; медь цементационная (медь осажденная)

24.44.11.110

Штейн медный

24.44.11.120

Медь цементационная (медь осажденная)

24. 44. 12

Медь нерафинированная; аноды медные для электролитического рафинирования

24.44.12.110

Медь нерафинированная

24.44.12.120

Аноды медные для электролитического рафинирования

24.44.13

Медь рафинированная необработанная и сплавы медные; лигатуры на основе меди

24.44.13.110

Медь рафинированная необработанная

24.44.13.120

Сплавы медные необработанные

24.44.13.130

Лигатуры на основе меди

24.44.2

Полуфабрикаты из меди или медных сплавов

24.44.21

Порошки и чешуйки медные

24.44.22

Прутки и профили медные

24.44.23

Проволока медная

24.44.24

Плиты, листы, полосы медные и ленты из меди толщиной более 0,15 мм

24.44.25

Фольга медная толщиной не более 0,15 мм

24.44.26

Трубы, трубки и фитинги для труб и трубок медные


Раздел 1. Общая информация о рассматриваемой отрасли промышленности

1.1 Общая информация


Медь имеет очень высокую тепловую и электрическую проводимость и относительно устойчива к коррозии, а также обладает ценными механическими свойствами - ковкостью и тягучестью. Свойства меди определяют ее применение.

Медь является одним из базовых металлов на Лондонской бирже металлов (ЛБМ). В связи с этим производство меди базируется на стандарте медных катодов класса А (содержание меди - 99,95%), определенном терминологией ЛБМ. В европейском стандарте на медные катоды EN 1978* [2] используется обозначение марки Cu-CATH-1, или, в соответствии с новой европейской буквенно-цифровой системой обозначений, CR001A. В американском стандарте ASTM B115* [3] используется обозначение Cathode Grade 1. С подробной информацией о химическом составе меди можно ознакомиться в документе ЛБМ [4].

________________
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - Примечание изготовителя базы данных.


В Российской Федерации требования к медным катодам и марки катодной меди установлены в ГОСТ 546-2001 "Катоды медные. Технические условия" и ГОСТ 859-2014 "Медь. Марки" соответственно. Все отечественные марки катодной меди предусматривают чистоту металла не менее 99,95%.

Переработку медного сырья можно производить как пиро-, так и гидрометаллургическим способом. В мире около 85% меди производят пирометаллургическим способом. Процесс пирометаллургического производства меди состоит из нескольких переделов (рисунок 1.1):

- добыча и обогащение руды - концентрат;

- производство черновой меди - черновая медь;

- производство рафинированной меди - анодная медь, катодная медь.

ИТС 3-2019 Производство меди

Рисунок 1.1 - Доли отдельных компаний в добыче и производстве меди в России


Россия обладает значительной сырьевой базой и занимает 3-е место в мире по запасам после Чили и Перу. Существующие запасы медьсодержащих руд в России оцениваются в 90 млн т (медь в руде) [5].

Добыча и переработка медной руды в России ведется тремя компаниями: "Норильский никель" ("Норникель"), "Русская медная компания" (РМК) и "Уральская горно-металлургическая компания" (УГМК), - обладающими собственной сырьевой базой.

Всего на территории России в 2018 году на месторождениях трех компаний было добыто более 794 тыс.т меди (в руде), из которых 420 тыс.т - на рудниках "Норильского никеля", а 251 тыс.т - на добывающих предприятиях УГМК, остальное - на предприятиях РМК (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Основные месторождения меди [5]

Месторождение

Геолого-промышленный тип

Доля в балансовом запасе Российской Федерации

Содер-
жание меди в руде

Добыча в 2018 году (по меди), тыс.т

"Норильский никель"

Заполярный

Октябрьское

Сульфидный медно-

22,1

2,2%

380,6

филиал и

Талнахское

никелевый

11,6

Медвежий ручей

Норильск-1

1,8

Кольская ГМК

Ждановское

1,1

0,2%

15,8

Быстринское

Скарновый медно-магнетитовый

2,3

0,78

19,42

УГМК

Гайское

Медноколчеданный

5,5

1,3

107

Юбилейное

1,5

1,69

33

Подольское

1,9

2,11

0

Волковское

Ванадиево-железо-медный

1,9

0,64

5,1

РМК

Михеевское

Медно-порфировый

1,7

0,44

89,5

Томинское

Медно-порфировый

1,7

0,47

0

"Байкальская горная компания"

Удоканское

Медистые песчаники

22

1,56

0

ГДК "Баимская"

Песчанка

Медно-порфировый

4,1

0,83

0


Сырьем для производства черновой меди служат концентраты, получаемые путем обогащения медной руды на горно-обогатительных предприятиях, а также вторичные материалы. Перечень горно-обогатительных предприятий и источников, перерабатываемых на них руд приведен в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Горно-обогатительные мощности

ГОК/Предприятие

Сырьевая база

Производительность, млн т руды в год

"Норильский никель"

Талнахская обогатительная фабрика

Месторождение "Октябрьское" (рудники "Октябрьский", "Таймырский"), месторождение "Талнахское" (рудник "Комсомольский"),

10

Норильская обогатительная фабрика

Месторождение "Октябрьское" (рудники "Октябрьский", "Таймырский"), месторождение "Талнахское" (рудник "Комсомольский"), месторождение "Норильск-1" (рудник "Заполярный")

7,5

Обогатительная фабрика (Кольская ГМК)

Месторождения "Ждановское", "Заполярное", "Котсельваара", "Семилетка"

До 8,25

Быстринский ГОК

Месторождение "Быстринское"

10

РМК

Александринская горно-рудная компания

Рудники "Александринский", "Чебачье", "Маукский"

До 0,8

Ормет

Рудники "Джусинский", "Еленовский", "Весенний"

До 0,82 тыс.т

Михеевский ГОК

Месторождение "Михеевское"

До 27

Томинский ГОК

Месторождение "Томинское"

До 28

УГМК

Гайский ГОК

Гайский открытый рудник, Гайский подземный рудник

До 8

Учалинский ГОК

Учалинский подземный рудник, рудник "Узельгинский"

Около 6

Сибайский филиал Учалинского ГОКа

Месторождения "Сибайское", "Камаганское"

До 1,5

Башкирская медь

Месторождения "Юбилейное", "Дергамышское", группа Подольских месторождений

До 1,5

Сибирь - Полиметаллы

Месторождения "Зареченское", "Рубцовское", "Корбалихинское"

До 1,5

Сафьяновская медь

Месторождение "Сафьяновское": карьер - 1,2 млн т/год + подземный рудник (проектная мощность - 500 тыс.т/год)

До 1,5

Северный медно-цинковый рудник "Святогор"

Месторождения "Волковское", "Тарньреское", "Шемурское (проектная мощность рудника - 700 тыс.т/год), "Ново-Шемурское"

До 2,5

Бурибаевский ГОК

Месторождения "Бурибаевское", "Маканское", "Октябрьское"

До 0,4

Урупский ГОК

Месторождение "Урупское"

До 0,15


Важной составной частью поставляемого для рафинирования и последующей обработки меди сырья являются вторичные материалы (лом цветных металлов), содержащие медь. Медь может быть извлечена из большинства изделий, для изготовления которых она применяется, и возвращена в процесс производства без потери качества при вторичной переработке. Практически 100% вновь образующегося или технологического медного лома перерабатывается; кроме того, согласно некоторым исследованиям, до 95% медного лома старых изделий поступает на рынок и также перерабатывается.

По экспертной оценке, в Российской Федерации вторичное сырье обеспечивает производство 15%-20% (или 150-160 тыс.т) меди.

Так, ЗАО "Новгородский металлургический завод" (ЗАО "НМЗ"), принадлежащее РМК, работает исключительно на вторичном сырье. Предприятия УГМК и РМК используют как первичное, так и вторичное сырье, предприятия "Норильского никеля" в качестве основного сырья при производстве меди используют только первичное сырье (медный концентрат).

1.2 Производство меди


Территориальное размещение медеплавильных и медерафинировочных предприятий отрасли показано на рисунке 1.2. Перечень производственных предприятий с краткой характеристикой приведен в таблице 1.3.

ИТС 3-2019 Производство меди

Рисунок 1.2 - Территориальное размещение предприятий по производству меди


Таблица 1.3 - Общие сведения о предприятиях, производящих медь

Компания

Предприятие

Расположение

Дата ввода в эксплуа-
тацию, год

Произ-
водство черновой меди в 2018 году, тыс.т

Произ-
водство катодной меди в 2018 году, тыс.т

ПАО ГМК

Заполярный

Медный завод

Норильск

1949

360

353

"Норникель"

филиал

Надеждинский металлургический заводИТС 3-2019 Производство меди

1979

Кольская ГМК

"Североникель"

Мончегорск

1939

11

83

УГМК

"Уралэлектромедь"

Верхняя Пышма

1934

Не производит

401

Кировград (филиал ППМ)

Нет данных

72

Не производит

СУМЗ

Ревда

1940

151

Не производит

ММСК

Медногорск

1939

47

Не производит

"Святогор"

Красноуральск

1931

85

Не производит

РМК

"Карабашмедь"

Карабаш

Нет данных

139,35

Не производит

КМЭЗ

Кыштым

1908ИТС 3-2019 Производство меди*

Не производит

147

НМЗ

Великий Новгород

2003

Не производит

44

УралгидромедьИТС 3-2019 Производство меди

Полевской

2005

Нет данных

________________
ИТС 3-2019 Производство меди Для Надеждинского металлургического завода основное производство - никелевое. В части производства меди перерабатывает медный концентрат участка разделения файнштейна обжигового цеха никелевого завода с получением медных анодов.

ИТС 3-2019 Производство меди Завод основан Никитой Демидовым в 1757 году, многие годы выпускал железо всемирно известной марки "Два соболя". В начале XX века завод был перепрофилирован и в 1908 году первым в России приступил к электролитическому рафинированию меди.

ИТС 3-2019 Производство меди Гидрометаллургический процесс: экстракция - реэкстракция - электроэкстракция.

1.3 Потребление меди


Производственные мощности по выпуску рафинированной меди и полуфабрикатов в Российской Федерации превышают внутренний спрос. Об этом свидетельствуют данные экспорта меди за 2018 год: поставки медных катодов на внешние рынки составили 638 тыс.т, а медной катанки - 161 тыс.т (см. рисунок 1.3). Импорт меди присутствует в качестве готовой медной продукции, которой в 2018 году в Российской Федерации было поставлено порядка 40 тыс.т.

ИТС 3-2019 Производство меди

Рисунок 1.3 - Импорт/экспорт меди и продукции на ее основе, тыс.т [ФТС]


Рафинированная медь является основным сырьем для производства медных полуфабрикатов. Объем выпуска полуфабрикатов из меди и медных сплавов в 2018 году составил 450 тыс.т (по содержанию меди). Большая часть производства - 88% - приходится на выпуск медной катанки, 10% - на выпуск цветного проката и 2% - на медный порошок (см. рисунок 1.4).

ИТС 3-2019 Производство меди

Рисунок 1.4 - Производство полуфабрикатов [ЗАО "Цветметобработка"]


Производство цветного прокатаИТС 3-2019 Производство меди в 2018 году составило 54 тыс.т (или 46 тыс.т по содержанию меди). В структуре производства основная часть приходится на выпуск латунного проката - 48% и на медный прокат - 41%. В структуре медного проката преобладает круглый, на его долю приходится 51% производства.
________________
ИТС 3-2019 Производство меди Объемы производства учитываются по пяти основным предприятиям, входящим в сбытовую ассоциацию на базе ЗАО "Цветметобработка": ОАО "Каменск-Уральский завод ОЦМ", ОАО "Кировский завод ОЦМ", ОАО "Ревдинский завод ОЦМ", ООО "Гайский завод ОЦМ".

Потребителями медных полуфабрикатов являются такие отрасли и сектора, как производство кабельной продукции, производство электрооборудования, машиностроение, транспорт, строительство и др.

1.4 Основные экологические проблемы


В выбросах предприятий цветной металлургии в целом и медеплавильных заводов в частности основные объемы загрязняющих веществ приходятся на такие элементы, как диоксид серы, пыль, оксиды азота, оксид углерода, металлы и их соединения (в зависимости от состава исходного сырья это, прежде всего, кадмий, медь, мышьяк, ртуть, свинец и др.), летучие органические соединения (общие и органический углерод), полихлордибензодиоксины/фураны (ПХДД/Ф).

Исторически наиболее острой экологической проблемой, связанной с производством меди из первичного сырья, являются выбросы диоксида серы, составляющие 75%-80% от общего объема загрязняющих веществ в отходящих газах, образующихся при обжиге и плавке сульфидных концентратов. Эта проблема была эффективно решена, например, на медеплавильных заводах ЕС, и в настоящее время в среднем 98,9% серы извлекается из выбросов и используется для производства серной кислоты и жидкого диоксида серы. В Российской Федерации также происходит постепенный рост процента улавливания диоксида серы в отходящих газах, выбрасываемых предприятиями цветной металлургии, однако отрасль сохраняет второе место по объемам выбросов этого загрязняющего вещества (см. таблицу 1.4).

Таблица 1.4 - Примерное распределение выбросов диоксида серы по основным отраслям-загрязнителям [6]

Отрасль

Доля, %

Электроэнергетика (тепловые станции)

58,6

Цветная металлургия

18,5

Черная металлургия

17,6

Химическая и нефтеперерабатывающая промышленность

5,3

Всего

100


По выбросам пыли цветная металлургия также является одной из основных отраслей-загрязнителей, хотя здесь ее доля существенно меньше и составляет 2,8%.

Основные экологические проблемы при производстве вторичной меди также связаны с отходящими газами, образующимися при работе различного типа печей. Например, при наличии небольших количеств хлора во вторичном сырье имеется вероятность образования ПХДД/Ф, в связи с чем предпринимаются усилия по решению вопроса об уничтожении этих опасных соединений.

Все больше внимания как при первичном, так и при вторичном производстве меди уделяется неорганизованным выбросам. Для улавливания неорганизованных выбросов технологических газов необходимо тщательное проектирование технологических установок и процессов.

Используемая при производстве меди вода в основном циркулирует в замкнутых циклах, и сброс промышленных стоков в водные объекты предприятиями отрасли незначителен. В тех случаях, когда такой сброс происходит, в стоках могут содержаться ионы таких металлов, как железо, кадмий, медь, мышьяк, никель, олово, ртуть, свинец, сурьма, цинк. Стоки также могут обладать повышенными значениями показателя кислотности за счет присутствия серной и (существенно реже и в существенно меньших объемах) соляной и плавиковой (фтористоводородной) кислот.

Качество вторичного сырья значительно варьируется, и многие источники не позволяют прямо использовать эти материалы при производстве полуфабрикатов. В этом смысле предприятиям отрасли для получения отсортированного материала необходимой чистоты приходится полагаться на ломозаготовителей, и, хотя для лома существуют согласованные спецификации, качество и чистота лома могут меняться в широком диапазоне. В связи с этим могут быть необходимы дополнительные системы очистки и (или) сокращения выбросов, образующихся при плавке ломов недостаточной чистоты.

Накопленные за многие годы на ряде предприятий отрасли шлаки в последнее время начинают все активнее перерабатываться с целью извлечения полезных компонентов (так, в медеплавильных шлаках содержанием меди может быть сопоставимо с ее содержанием в перерабатываемых рудах). Переработка и использование отвальных шлаков для строительной отрасли нередко ограничиваются экономическими факторами, в частности стоимостью транспортировки до мест конечного потребления таких материалов.

Раздел 2. Описание технологических процессов и методов, применяемых при производстве меди и ее сплавов из первичного и вторичного сырья


В производстве меди используются множество технологических процессов, разнообразное оборудование и различные методы. Для ясного представления излагаемой информации эти процессы и различия необходимо рассматривать в логическом порядке.

Методы снижения воздействия производственных установок на окружающую среду можно условно разделить на три категории:

1) Методы управления/менеджмента - методы, связанные с системами и процедурами управления проектированием и эксплуатацией производственного процесса, а также с подготовкой операторов и другого персонала.

2) Методы, интегрированные в производственный процесс, - это главным образом методы, связанные с предупреждением или снижением эмиссий, образующихся при реализации таких видов деятельности, как хранение, химические реакции, разделение и очистка различных материалов и веществ.

3) Методы борьбы с загрязнением - это методы "на конце трубы", направленные на сокращение эмиссий в воздух, водные объекты и на почву.

В настоящем разделе кратко описаны основные методы, которые применяются при производстве меди. Там, где возможно, отдельно указываются методы, направленные на предотвращение или снижение эмиссий применительно к конкретным компонентам окружающей среды (воздух, вода, почва). В настоящем разделе также рассматривается, где и на каких этапах производственного цикла могут быть применены эти методы для совершенствования существующих процессов.

2.1 Системы менеджмента


Эффективный менеджмент имеет существенное значение для достижения высокой результативности природоохранной деятельности. Это важный компонент НДТ. Практика показывает, что наблюдаются значительные различия между экологической результативностью процесса, который управляется и реализуется хорошо, и аналогичного процесса, который управляется и реализуется плохо. Наиболее значимыми факторами, определяющими эту разницу, являются системы менеджмента и информационного взаимодействия.

Достижение высокой результативности требует приверженности принципам экологического менеджмента на всех уровнях менеджмента в компании: от правления или иного органа, определяющего политику компании, до руководителей объектов, участков и непосредственных операторов. Система должна определять цели и задачи и обеспечивать доведение до исполнителей соответствующих инструкций, а также информации о результатах деятельности. Стандартизированные на международном уровне (а) системы экологического менеджмента, определяемые требованиями стандарта ISO 14001 [7]; (б) системы менеджмента в области охраны здоровья и безопасности в соответствии с требованиями стандарта OHSAS 18001 [8]; (в) системы менеджмента качества, построенные на основе требований стандарта ISO 9000 [9], позволяют формализовать системы менеджмента компаний и предприятий.

Хотя применение этих стандартов не является обязательным требованием, владельцам/операторам соответствующих установок следует учитывать преимущества, которые может обеспечить их внедрение. Применяемые в рамках соответствующих систем менеджмента методы также могут способствовать улучшению экономических показателей за счет повышения эффективности производства, снижения затрат на энергетические ресурсы и утилизацию отходов, повышения выхода металла. Таким образом, применение этих методов является важным фактором повышения результативности работы современной установки.

2.2 Энергетический менеджмент и энергоэффективность


Вопросы использования энергии при оценке НДТ в цветной металлургии в целом и при производстве меди в частности имеют существенное значение. Так, например, существенная доля в общем производстве меди обеспечивается за счет вторичных ресурсов. Поскольку удельные прямые выбросы плавильных заводов, перерабатывающих лом, в 4 раза ниже, чем выбросы плавильных заводов, работающих на первичном сырье, изготовление медных катодов из вторичных материалов исключает выбросы сотен тысяч тонн загрязняющих веществ и ИТС 3-2019 Производство меди.

Основным методом повышения энергоэффективности является использование систем энергоменеджмента, описанных в международном стандарте ISO 50001 [10] или национальном стандарте ГОСТ Р ИСО 50001 [11].

Утилизация энергии и тепла широко применяется и при производстве меди. Пирометаллургические процессы обычно сопровождаются интенсивным выделением тепла, содержащегося, в частности, в отходящих газах. Поэтому для утилизации тепла используются регенеративные и рекуперативные горелки, теплообменники и котлы. Пар или электроэнергия могут вырабатываться на заводе как для собственного использования, так и для внешних потребителей, например для муниципальных систем отопления, и для подогрева материалов или газообразного топлива [12]. Технологии, применяемые для рекуперации тепла на различных объектах, могут существенно различаться. Их характеристики зависят от целого ряда факторов, таких как эксергетический КПД, возможные направления использования тепла и электроэнергии на промплощадке или рядом с ней, масштаба производства и способности газов или содержащихся в них компонентов откладываться или осаждаться в теплообменниках.

Ниже приведены примеры методов, которые могут быть использованы для применяемых технологических процессов производства меди [12].

Горячие газы, образующиеся при плавке или обжиге сульфидных руд, почти всегда проходят через паровые котлы. Получаемый пар может использоваться для производства электроэнергии или для отопления. Помимо генерации электроэнергии, пар используется в процессе сушки концентрата, а остаточное тепло используется для предварительного подогрева воздуха, поступающего для поддержания горения.

Другие пирометаллургические процессы также имеют ярко выраженный экзотермический характер, особенно при использовании дутья, обогащенного кислородом. Многие процессы используют избыток тепла, которое образуется на этапах плавки или конвертирования вторичных материалов без потребления дополнительного топлива. Например, отходящее тепло конвертера Пирса-Смита используется для плавки анодного лома. В этом случае лом используется для снижения температуры процесса, причем состав лома тщательно контролируется. Это позволяет избежать необходимости охлаждения конвертера другими способами на различных этапах технологического цикла. Добавка лома для охлаждения может применяться и во многих других типах конвертеров, а те, в которых этот метод пока не может быть реализован, должны быть реконструированы таким образом, чтобы обеспечить применение этого метода.

Использование в горелках обогащенного кислородом воздуха или кислорода сокращает потребление энергии за счет возможности автогенной плавки или полного сгорания углеродных материалов. Объемы отходящих газов существенно сокращаются, что позволяет применять вентиляторы меньших размеров и т.п.

Материал футеровки печи может также влиять на энергетический баланс плавки. Имеются данные о положительном эффекте применения легких огнеупорных материалов, снижающих теплопроводность и нагрев производственного помещения [13]. При этом необходимо сбалансировать получаемые от этого выгоды со сроком службы футеровки, инфильтрацией металлов в футеровку.

Раздельная сушка концентратов и сырья при низких температурах сокращает потребность в энергии. Это связано с объемом энергии, необходимой для перегрева пара в плавильной печи, и значительным увеличением общего объема газа при производстве пара. Больший объем газа увеличивает количество тепла, отводимого из печи, и, следовательно, размер вентилятора, необходимого для работы с увеличенным объемом газа. В некоторых случаях сушка может быть обусловлена необходимостью поддержания минимального уровня влажности для предотвращения выбросов пыли и (или) самовозгорания.

Производство серной кислоты из диоксида серы, образующегося на стадиях обжига и плавки, - экзотермический процесс, включающий несколько стадий охлаждения газа. Тепло, накапливаемое в газе при конвертировании, а также тепло, содержащееся в произведенной кислоте, может быть использовано для производства пара и (или) горячей воды.

Тепло утилизируется путем использования горячих газов со стадий плавки для предварительного подогрева шихты. Аналогичным образом топливный газ и подаваемый для поддержания горения воздух могут быть предварительно подогреты, или в печи может быть использована рекуперационная горелка. Термоэффективность в этих случаях повышается. Например, почти все шахтные печи для плавки катодов/медного лома используют природный газ; проектные параметры предполагают термоэффективность (эффективность использования топлива) от 58% до 60% в зависимости от диаметра и высоты печи. Потребление газа составляет примерно 330 кВт·ч на тонну металла. Эффективность шахтной печи высока, прежде всего благодаря подогреву шихты внутри печи. Отходящие газы могут содержать остаточное тепло, которое может быть использовано для подогрева воздуха и газа, подаваемых для поддержания горения. Устройство аппаратного обеспечения рекуперации тепла требует отвода отходящих печных газов через теплообменник подходящих размеров, вытяжной вентилятор и воздуховоды. Утилизируемое тепло составляет примерно от 4% до 6% потребляемого печью топлива.

Важным методом является охлаждение отходящих газов перед подачей в рукавный фильтр, поскольку оно обеспечивает температурную защиту фильтра и допускает более широкий выбор материалов для его изготовления. В некоторых случаях на этой стадии возможна утилизация тепла. Например, при типичной компоновке шахтной печи для плавки металла газы из верхней зоны печи отводятся на первый из двух теплообменников, производящих подогрев воздуха, используемого для поддержания горения. Температура газов после прохождения через этот теплообменник может составлять от 200°C до 450°C. Второй теплообменник уменьшает температуру газа перед подачей на рукавный фильтр до 130°C. После теплообменников обычно устанавливается циклон, который удаляет крупные частицы и служит искрогасителем.

Образующаяся в электрической или шахтной печи окись углерода улавливается и сжигается в качестве топлива в нескольких различных процессах или используется для производства пара, например для местного отопления, а также на другие энергетические нужды. CO может образовываться в существенных объемах, и можно привести целый ряд примеров, когда большая часть энергии, используемой установкой, производится на основе СО, улавливаемого в электродуговой печи. В других случаях CO, образующийся в электрической печи, в ней же и сжигается, обеспечивая часть тепла, необходимого для процесса плавки. Применимость этого метода может быть ограничена составом отходящих газов либо типом технологического процесса (например, периодическим его характером).

Значительную экономию энергии также обеспечивает вторичное использование загрязненных отходящих газов в кислородно-топливной горелке. Горелка использует остаточное тепло газа, энергию содержащихся в нем примесей и разрушает последние [14]. С помощью этого процесса можно также сократить выбросы оксидов азота.

Часто практикуется использование тепла газов или пара для увеличения температуры выщелачивающих растворов. В некоторых случаях часть газового потока может отводиться на скруббер для отдачи тепла в воду, которая затем используется для целей выщелачивания. Охлажденный газ затем возвращается в основной поток для дальнейшей очистки.

Во время переплавки электронного либо батарейного лома горючий пластик вносит свой вклад в энергию, которая используется в процессе плавки и сокращает объем необходимого ископаемого топлива.

Преимущества предварительного нагрева воздуха, подаваемого для поддержания горения, подтверждены многими документами. Если воздух подогревается на 400°C, рост температуры пламени составляет 200°C, а если предварительный подогрев составляет 500°C, температура пламени растет на 300°C. Такое увеличение температуры пламени обеспечивает более высокую эффективность плавки и сокращение потребления энергии. Имеются сведения о регенеративных горелках, подогревающих подаваемый воздух до 900°C, что сокращает потребление энергии на 70%. Этот метод хорошо освоен, и достигнутый срок окупаемости составляет менее одного года.

Альтернативой нагреву подаваемого для поддержания горения воздуха является подогрев шихты. Теоретически каждые 100°C предварительного нагрева обеспечивают 8% экономии энергии; практические данные свидетельствуют, что подогрев на 400°C ведет к экономии 25% энергии, в то время как подогрев на 500°C ведет к экономии 30% энергии.

Во многих обстоятельствах предварительная сушка сырья обеспечивает энергосбережение, потому что скрытое тепло, аккумулируемое в образующемся паре, не теряется, кроме того, уменьшается объем газов, следовательно, вентиляторы и газоочистки тоже могут быть меньшими по размеру и потреблять меньше энергии.

Отходящие газы анодных печей можно использовать при сушке и на других этапах технологического процесса. Горячие газы, улавливаемые над литейными желобами, могут использоваться для поддержания горения.

Вторичное использование тепла и энергии - несомненно, важный фактор для предприятий цветной металлургии, отражающий высокую долю энергозатрат в себестоимости. Многие методы вторичного использования энергии относительно легки для применения при модернизации существующих производств [12], однако иногда могут возникать проблемы, связанные с отложением металлов в теплообменниках. Поэтому в основе качественного проектирования должны лежать достоверные знания о выбрасываемых компонентах и их поведении при различных температурах. Для поддержания высокой термоэффективности также используются системы очистки теплообменников.

Поскольку эти методы экономии являются примерами экономии на отдельных компонентах установок, их применение и экономическая эффективность зависят от специфических условий конкретной промышленной площадки и технологического процесса.

2.3 Предварительная обработка, подготовка и транспортировка сырья


Руды, концентраты и вторичное сырье нередко поступают на производство в такой форме, в которой они не могут быть использованы непосредственно в основном процессе. Из соображений контроля качества и безопасности могут быть необходимы их сушка/размораживание, радиационный и пироконтроль. Размер фракций материала бывает необходимо увеличить или уменьшить, чтобы интенсифицировать химические процессы или снизить окисление. Для обеспечения металлургических процессов могут добавляться специальные добавки, такие как уголь, кокс, флюсы и (или) другие шлакообразующие материалы. Флюсы добавляют, чтобы оптимизировать процесс извлечения основного металла и отделить примеси. Для того чтобы избежать проблем с очисткой выбросов и для повышения скорости плавки может потребоваться удаление защитных покрытий.

Все эти методы применяются для получения стабильной и надежной смеси исходных материалов (шихты), используемой в основном технологическом процессе.

2.3.1 Размораживание


Размораживание выполняется с целью последующей обработки смерзшихся материалов. Его приходится проводить, например, когда руды, концентраты или твердое ископаемое топливо (прежде всего уголь) выгружаются из железнодорожных составов или судов в зимний период.

2.3.2 Сушка


Процессы сушки используются для обеспечения качества исходных материалов, соответствующего требуемым характеристикам основных технологических процессов. При выборе способов сушки необходимо учитывать экономические аспекты, доступность, надежность и особенности источников энергии, используемых при различных методах сушки, например, вращающихся сушилок, паровых и других установок непрямой сушки.

Наличие избыточного количества влаги в шихте может быть нежелательным по нескольким причинам:

- резкое (взрывное) образование больших объемов пара в горячей печи может привести к аварии;

- вода может провоцировать переменную потребность в тепловой энергии, что нарушает управляемость процесса и может тормозить автотермический процесс;

- раздельная сушка при низких температурах уменьшает потребности в энергии. Это связано с сокращением потребления энергии, необходимой для перегрева пара в плавильной печи, который существенно увеличивает объемы и создает проблемы с эвакуацией газов из печи и дальнейшей их утилизацией;

- может возникать химическая коррозия установки и трубопроводов;

- водяной пар при высоких температурах может реагировать с углеродом с образованием ИТС 3-2019 Производство меди и ИТС 3-2019 Производство меди или угольной кислоты;

- большие объемы пара могут вызвать неорганизованные выбросы, поскольку объемы технологических газов могут оказаться слишком велики и превысить мощности системы газоулавливания и газоочистки.

Сушка обычно осуществляется за счет прямого нагрева материала от сгорания топлива либо за счет косвенного нагрева с помощью теплообменных аппаратов, в которых циркулируют горячий пар, газ или воздух. Тепло, выделяемое пирометаллургическими процессами, например, в анодных печах, также часто используется для этой цели, равно как и содержащие ИТС 3-2019 Производство меди отходящие газы, которые могут сжигаться с целью сушки сырья. Используются вращающиеся печи и сушилки с псевдосжиженным слоем. Высушенный материал, как правило, очень сильно пылит, поэтому для улавливания и очистки газов с высоким содержанием пыли применяются специальные системы. Собираемая пыль возвращается в технологический процесс. Высушенные руды и концентраты также могут быть пирофорными, что учитывается при проектировании системы улавливания и очистки выбросов. Отходящие газы сушильной установки могут содержать ИТС 3-2019 Производство меди, поэтому возникает необходимость в их очистке от соединений серы.

2.3.3 Дробление, измельчение и грохочение


Дробление, измельчение и грохочение применяются для уменьшения размера частиц продуктов или сырья с целью их дальнейшей переработки. Используются различные виды дробильных установок, такие как валковые, щековые, молотковые дробилки и мельницы с различным типом мелющих тел. Влажные или сухие материалы измельчают и, при необходимости, смешивают. Выбор того или иного оборудования определяется свойствами обрабатываемых исходных материалов. Главным потенциальным источником выбросов пыли является сухое дробление, поэтому здесь всегда используются системы пылеулавливания, собранная пыль из которых обычно возвращается в технологический процесс. Измельчение влажных материалов практикуется в тех случаях, когда образование пыли может вызвать серьезные проблемы и когда за измельчением непосредственно следует стадия мокрой обработки.

Гранулирование используется, в частности, для отходов производства и формирования мелких частиц шлака, которые могут применяться при пескоструйной обработке, противоскользящей подсыпке автодорог в зимний период времени. Расплавленный шлак подается в ванну с водой или пропускается через поток воды. Гранулирование также используется при производстве металлических продуктов. В процессе грануляции могут образовываться мелкодисперсные пыли и аэрозоли, выбросы которых необходимо собирать и возвращать в технологический цикл.

Вторичным источником целого ряда цветных металлов являются отработанные электронные устройства, которые измельчаются для отделения пластика и других материалов от металлических компонентов, таким образом появляется еще и этап разделки.

2.3.4 Приготовление шихты


Приготовление шихты предусматривает собственно смешивание руд или концентратов различного качества и введение в состав образующихся смесей флюсов или восстанавливающих агентов в определенных пропорциях с целью получения стабильного заданного состава смеси (шихты) для переработки в основном технологическом процессе. Приготовление шихты может осуществляться на собственных смесительных установках на стадии измельчения или во время транспортировки, хранения и сушки. Точность требуемого состава смеси достигается с помощью установок для усреднения шихты, систем дозирования, конвейерных весов или с учетом объемных параметров погрузочной техники. Приготовление шихтовой смеси может быть связано с образованием значительных объемов пыли, поэтому используются системы, обеспечивающие высокую степень улавливания, фильтрации и возврата пыли. Собранная пыль, как правило, возвращается в технологический процесс. С целью уменьшения пылеобразования иногда применяется приготовление влажных шихт. Для этой цели также могут также использоваться покрывающие и связывающие агенты. В зависимости от характера технологического процесса перед дальнейшей обработкой, например, перед спеканием, может потребоваться брикетирование/гранулирование.

2.3.5 Брикетирование, гранулирование, окатывание и другие методы компактирования


Для обработки мелкодисперсных концентратов, пыли и других вторичных материалов используются различные методы компактирования и укрупнения, включающие прессование проволоки или мелкоразмерного лома, изготовление брикетов, окатывание, гранулирование (как упоминалось выше).

После добавления связующих или воды смесь подают в пресс для получения прямоугольных брикетов или во вращающийся барабан, диск или смесительную установку для получения гранул (окатышей). Связующий материал должен иметь такие свойства, чтобы брикеты, с одной стороны, обладали достаточной устойчивостью и не разрушались при подаче в печь, а с другой - легко обрабатывались (имели хорошую газопроницаемость). Используются различные типы связующих, например, лигносульфонат (побочный продукт целлюлозно-бумажной промышленности), меласса и известь, силикат натрия, сульфат алюминия или цемент. Для повышения прочности брикетов/гранул могут также добавляться различные смолы. Грубые фракции отфильтрованной пыли с фильтров печей и фильтров, используемых на стадии дробления и грохочения, перед брикетированием могут смешиваться с другими материалами.

Также для уменьшения пыления на последующих стадиях технологического процесса могут использоваться пылеподавляющие, покрывающие и связывающие агенты.

2.3.6 Снятие покрытий и обезжиривание


Операции по снятию покрытий и обезжириванию обычно выполняются применительно к вторичному сырью для снижения содержания органических веществ в материалах, обрабатываемых в рамках некоторых основных процессов. При этом используются процессы промывки и пиролиза. Извлечь масла и снизить нагрузку на термические системы можно с помощью центрифугирования. Существенные изменения в содержании органических веществ могут приводить в некоторых печах к неэффективности процесса горения и образованию больших объемов печных газов, содержащих остаточные органические соединения. Наличие покрытий может также значительно уменьшить скорость плавки [15], [16]. Эти факторы могут вызвать значительные выбросы дыма, ПХДД/Ф и металлической пыли, если системы газоулавливания и сжигания недостаточно надежны. Могут возникать искры или горящие частицы, что может причинить значительный ущерб газоочистному оборудованию. Удаление покрытий из загрязненного металлолома внутри общей печи во многих случаях менее эффективно, чем удаление покрытий из измельченного материала в отдельной печи, поскольку в первом случае образуется большего шлака [15], однако некоторые печи специально предназначены для переработки органических примесей.

Удаление масла и некоторых покрытий осуществляется в специальных печах, например, в сушилках для стружки. В большинстве случаев для испарения масел и воды используется вращающаяся печь, работающая при низкой температуре. Применяется как прямой, так и косвенный нагрев материала. Для разрушения органических продуктов, образующихся в печи, используется дожигательная камера, работающая при высокой температуре (более 850°C), а отходящие газы, как правило, подаются на рукавный фильтр.

Для удаления изоляции с проводов и покрытий с других материалов также часто применяется механическая зачистка. В некоторых случаях применяются криогенные методы, облегчающие удаление покрытий за счет придания им хрупкости. Также может использоваться промывка с помощью растворителей (иногда хлорированных) или с помощью моющих средств. Наиболее распространенными являются системы испарения растворителей со встроенными конденсаторами. Эти процессы также применяются для обезжиривания производимой продукции. В этих случаях для предотвращения загрязнения воды используются системы водоочистки.

2.3.7 Методы сепарации


Эти процессы применяются для удаления примесей из сырья перед его использованием.

Методы сепарации чаще всего применяются для обработки вторичного сырья, а наиболее распространенной является магнитная сепарация, позволяющая удалять железные предметы. Для предварительной обработки потоков отходов, такой как удаление батарей, контактировавших с ртутью элементов и других частей электронного оборудования, применяются ручные и механические методы сепарации. Сепарация позволяет извлечь с помощью специальных процессов больший объем металлов. Для обогащения использованных выщелачивающих растворов и извлечения меди из печных шлаков также используется флотация. Для отделения тяжелых частиц применяются отсадочные установки [17].

Магнитная сепарация применяется для удаления кусков железа, чтобы уменьшить загрязнение сплавов. Обычно используемые для сепарации магниты устанавливаются над конвейерами.

Другие методы сепарации предусматривают использование цветовых, ультрафиолетовых, инфракрасных, рентгеновских, лазерных и других систем обнаружения в сочетании с механическими или пневматическими сортировщиками.

2.3.8 Системы транспортировки и загрузки


Эти системы используются для передачи сырья, полупродуктов и готовой продукции между стадиями обработки. Применяются методы, подобные тем, которые используются для сырья, и для них характерны те же проблемы, связанные с образованием, улавливанием и извлечением выбросов пыли. В основном применяются механические системы, но также большое распространение получили пневматические системы транспортировки, где в качестве носителя применяется воздух и которые способны наряду с транспортировкой выровнять различия в составе шихты.

Предварительно подготовленные материалы могут быть еще суше, чем сырье, и поэтому для предотвращения выбросов пыли применяются более качественные методы сбора и очистки. Конвейеры для транспортировки пылящих материалов, как правило, закрыты, и в этих случаях в чувствительных зонах, таких как точки перегрузки с одного конвейера на другой, устанавливаются эффективные системы улавливания и очистки выбросов. В качестве альтернативы используют распыление воды. Для предотвращения разноса материала при обратном ходе ленты на конвейерах устанавливаются нижние очищающие скребки. Для транспортировки сыпучих материалов часто используются пневматические системы.

Некоторые материалы поступают в бочках, мешках (биг-бегах, МКР) или в другой упаковке. Если материал пылит, то его выгрузка из упаковки должна осуществляться с использованием пылеулавливающих систем, например герметичных устройств с аспирацией, при орошении водой или в закрытых помещениях. В некоторых случаях целесообразно смешивание этих материалов с водой или увлажненным сырьем, при условии, что исключены нежелательные химические реакции. В противном случае предпочтительна их раздельная обработка в закрытых системах.

2.4 Производственные процессы


Существует несколько процессов/комбинаций процессов для производства и плавки меди и медных сплавов. В приложении А (А.1, А.2 и А.3) содержатся общие обзоры технологических процессов и оборудования, характерных для пирометаллургических, гидрометаллургических и электролитических процессов производства меди. В настоящем подразделе приводится характеристика основных процессов и методов производства меди по технологическим переделам.

2.4.1 Производство первичной меди


Первичную медь (из рудного первичного сырья) можно получать с помощью пирометаллургических и гидрометаллургических процессов. В настоящее время основным сырьем (свыше 85% исходного сырья) для пирометаллургического процесса получения первичной меди являются медные и коллективные сульфидные концентраты (содержание Cu - от 15% до 45%). В меньшей степени используются оксидные/сульфидные полиметаллические руды и еще реже - битуминозные руды. Сульфидные концентраты состоят из сложных медно-железных сульфидов, которые получают путем флотации из руд с содержанием меди от 0,2% до 3%. Дополнительно при производстве первичной меди используют флюсы (кварциты, известь, песок и т.д.), добавки/реагенты (железо, углерод и т.д.) и вторичное сырье (медный лом, дроссы, известковый шлам, отработанные абразивные материалы, шлак, пыль и т.д.) [18]. Описание общих процессов приведено ниже.

2.4.1.1 Пирометаллургический способ

Пирометаллургический способ включает ряд этапов в зависимости от типа перерабатываемого концентрата. Большая часть концентратов сульфидные, и этапы их переработки включают обжиг, плавку, конвертирование, рафинирование и электролитическое рафинирование. Краткая характеристика всех видов печей, упоминаемых в данном разделе, представлена в Б.1, а более детальные описания приводятся в соответствующих подразделах настоящего раздела [19].

2.4.1.1.1 Обжиг медных концентратов

Обжиг в металлургии меди используют при переработке высокосернистых бедных по меди концентратов и руд. Цель обжига состоит в удалении части серы и окислении некоторого количества железа для перевода их оксидов в шлак при последующей плавке. В шихту, как правило, вводят флюсующие добавки (кварц, известняк) для получения шлака выбранного состава. При обжиге решаются и другие задачи: получение газов, пригодных для получения серной кислоты, усреднение, разогрев шихты.

Основным способом обжига медных концентратов является обжиг в кипящем слое (КС). Сущность обжига в КС состоит в продувке слоя шихты восходящим потоком воздуха или обогащенного кислородом дутья со скоростью, обеспечивающей "кипение" материала. Обжиг в КС - высокопроизводительный процесс, конструкция обжиговых печей проста, процесс легко механизируется и автоматизируется. Отходящие газы содержат 12%-14% ИТС 3-2019 Производство меди, их используют для получения серной кислоты.

Обжиговая многоподовая печь (в цветной металлургии) - вертикальная цилиндрическая печь для обжига шихтовых материалов. Рабочее пространство многоподовой печи разделено по высоте на несколько ярусов кирпичными подами, каждый из которых является сводом для нижерасположенного яруса. Обжигаемый материал перемещают вращающиеся гребки (перегребатели) по спирали от периферии к центру на нечетных подах и от центра к периферии - на четных, где он пересыпается ниже через пересыпные отверстия. В обжиговой механической многоподовой печи навстречу движению шихты идет поток газов. Окислитель - воздух - поступает снизу через отверстие для выгрузки огарка, сбоку через специальные окна проходит по всем подам и выходит из печи сверху через газоход.

2.4.1.1.2 Плавка концентрата на штейн

Перед плавкой концентратов в печах взвешенной плавки, чтобы снизить содержание в них влаги с 7%-8%, их сушат до примерно 0,2%. Для плавки в шахтных печах концентрат высушивается до 3,5%-4% и брикетируется.

Для сушки медных концентратов используется два типа сушилок:

- роторные сушилки, обогреваемые горячими отходящими газами, образующимися при сгорании топлива;

- паровые сушилки со змеевиком.

Роторная сушилка представляет собой вращающийся барабан. Горячий газ, получаемый при сжигании природного газа, контактирует с влажным концентратом, и содержащаяся в концентрате вода переходит в газ.

Паровые сушилки нагреваются паровыми змеевиками. Производительность зависит от давления пара; за счет увеличения давления до 18-20 бар производительность может возрастать. Для поглощения влаги из концентрата через него продувается небольшое количество воздуха.

Обычно обжиг и плавку проводят одновременно в одной печи при высоких температурах для получения расплава, который можно разделить на штейн (сплав сульфидов металлов) и шлак, состоящий из оксидов. Флюсы, содержащие оксиды кремния и кальция, обычно добавляют к расплаву для образования шлака. Отходящие газы поступают на переработку, где служат сырьем для производства серной кислоты, реже - жидкого ИТС 3-2019 Производство меди или элементарной серы. Этап плавки служит для отделения сульфида меди от других твердых примесей, присутствующих в руде, путем образования силикатов, в частности силикатов железа. Это возможно из-за более высокого сродства меди к сере по сравнению с другими металлическими примесями.

При переработке медного концентрата с низким содержанием серы и высоким содержанием органического углерода отходящие газы с высоким энергетическим потенциалом могут быть использованы в качестве дополнительного источника при производстве электроэнергии.

Существует два базовых процесса плавки: плавка в жидкой ванне и плавка в газовой среде (взвешенная плавка). В процессе плавки в газовой среде (взвешенной плавки) применяют обогащение дутья кислородом для получения автогенного или почти автогенного режима. Использование кислорода также повышает концентрацию диоксида серы, что позволяет эффективнее утилизировать отходящие газы в установках, использующих серу (обычно для производства серной кислоты или жидкого диоксида серы). В таблице 2.1 представлена информация о процессах плавки, применяемых в производстве первичной меди.

Таблица 2.1 - Технологии выплавки первичной меди [20]

Технология

Характеристики применения

Примечания

плавки

Применимость в производстве

Экологическая результа-
тивность:
возможности или ограничения

Уровень производства: возможности и (или) ограничения

Комментарий

Шахтная печь

Общеприменим

Высокая при сочетании с процессами рекуперации тепла и соединений серы из отходящих газов

Используется для многих видов концентратов и шихтовых материалов, включая вторичное сырье и окисленные руды

Высокое содержание углерода усложняет применение других технологий из-за высвобождения тепла

Частичный обжиг с последующей плавкой в отражательной печи

Общеприменим

Высокая

Ограничение по производительности

В качестве вероятного ограничения может выступать размер обжиговой или отражательной печи

Взвешенная плавка Outotec

Общеприменим

Высокая

В одной печи достигается высокая скорость плавки; в зависимости от конструкции печи и типа концентрата возможно достижение производительности до 400000 т черновой меди в год

Признан по всему миру как "стандарт" производства первичной меди

Плавка Ausmelt/ISAS MELT

Общеприменим

Высокая

Верхний предел производительности единичной печи не проверялся

Возможности для дальнейшего совершенствования

Агрегат совмещенной плавки-
конвертирования

Общеприменим

Высокая

Ограничено размерами агрегата

Ограничение по содержанию ИТС 3-2019 Производство меди в дутье

Процесс Ванюкова

Шесть промышленных печей в России и Казахстане

высокая

Отсутствуют

Технология перспективная, есть возможность совершенствования

Плавка в отражательной печи

Широкое применение

Имеются серьезные ограничения

Ограничение скорости плавки в одной печи

Наличие большого количества дымовых газов с низким содержанием ИТС 3-2019 Производство меди ограничивает возможность их утилизации в сернокислотном производстве


Плавку в жидкой ванне проводят в ряде специальных печей, таких как отражательная печь, электропечь, печи Asmelt/ISASMELT, Noranda, Mitsubishi, El Teniente, Baiyin и Ванюкова [21], [22]. Все эти технологии основаны на процессах плавки и окисления, происходящих в расплавленной ванне, с разделением шлака и штейна и выпуском металла разными способами. Для некоторых печей не требуется предварительной сушки концентрата, однако перегретый водяной пар увеличивает объем газа и снижает энергетическую эффективность процесса. Различия между этими процессами могут быть значительными, например, в расположении точек подачи воздуха/кислорода или топлива, а некоторые процессы носят циклический характер. Печи плавки в жидкой ванне обычно эксплуатируются вместе с накопительными емкостями для расплавов миксерами или отдельными отстойниками.

Взвешенную (кислородно-факельную) плавку проводят в печах Outotec или INCO [21], [22]ИТС 3-2019 Производство меди. В процессе Outotec и при циклонных процессах применяется обогащение кислородом, а в процессе INCO используется чистый кислород. При взвешенной плавке происходит окисление и плавка сухого концентрата в форме взвешенных в воздухе частиц. Прореагировавшие частицы падают в отстойник, в котором происходит разделения штейна и шлака; иногда в отстойник для поддержания температуры подается дополнительное топливо. Штейн и шлак затем сливают и подвергают последующей переработке, а газы поступают из печи через вертикальную камеру или шахту в теплообменник. Кислород могут подавать в вертикальную шахту для дожигания пыли в продуктах горения и сульфатизации оксидов металла.
________________
ИТС 3-2019 Производство меди На Алмалыкском ГМК (Узбекистан) используется аналогичный процесс КФП.

Кроме технологий, перечисленных выше, могут применяться и другие технологии плавки в жидкой ванне или взвешенной плавки [23].

Для выплавки первичной меди из богатой руды на комбинате "Североникель" используются вертикальные конверторы.

Информация о применении технологий плавки в мире представлена в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Мировое применение технологий плавки при производстве первичной меди [24]

Процесс

Производство черновой меди
(1000 т/год)

Взвешенная плавка Outotec

5815

ISASMELT

2255

Ausmelt

1430

Взвешенная плавка и конвертирование Outotec

1120

Процесс Mitsubishi

990

Процесс Teniente

846

Отражательная печь

795

Прямая плавка на черновую медь Outotec

740

Шахтная печь

670

Печь КФП (Inco)

345

Процесс Ванюкова (по данным двух заводов в Российской Федерации)

452,2


Схема полного процесса производства меди из первичного сырья в Российской Федерации представлена на рисунке 2.1.

ИТС 3-2019 Производство меди

Рисунок 2.1 - Схема процесса производства меди

2.4.1.1.3 Конвертирование

Для переработки первичного сырья в Российской Федерации применяются процессы конвертирования двух типов: процесс конвертирования штейна и процесс конвертирования черной меди. Процесс конвертирования штейна - это процесс периодического действия (циклический).

Периодический процесс конвертирования штейна

Периодический процесс конвертирования штейна реализуется в два этапа. Чаще всего процесс проводят в цилиндрической бочкообразной печи-конвертере (Пирса-Смитта) [21], [22] с добавлением кварцевого флюса. На первом этапе происходит окисление железа и части серы и образование шлака и газообразного диоксида серы; шлак периодически сливается и подвергается дальнейшей переработке с целью извлечения меди. Традиционно продувка на первом этапе осуществляется в несколько стадий с постепенным добавлением штейна. На втором этапе, т.е. при продувке меди, сульфид меди окисляется до черновой меди (содержание меди - 96,0%-99,2%), и дополнительно образуется диоксид серы. В конце продувки черновую медь сливают. Управление процессом направлено на контроль уровня остаточной серы и кислорода в черновой меди. Диоксид серы поступает на переработку.

Реакция первого периода протекает с большим выделением тепла, а также летучих металлических примесей, таких как свинец и цинк, которые затем улавливаются в очистных установках в виде возгонов и пыли и направляются для последующей переработки. Выделяемое тепло может также использоваться для плавки анодного скрапа и другого медного лома без дополнительного первичного тепла. Концентрация диоксида серы зависит от типа печи, содержания кислорода в дутье и стадии конвертирования.

Конвертер Пирса-Смита относится к агрегатам периодического действия (из рассматриваемых в данном разделе к ним относятся конвертеры Пирса-Смита и похожие на них). Они представляют собой цилиндрические печи с расположенными по боковой поверхности фурмами для подачи воздуха/кислорода [21], [22]. Для периодического конвертирования первичного медного сырья на черновую медь на некоторых предприятиях применяются поворотные конверторы с верхним дутьем (TBRC).

Процесс конвертирования черной меди

Конвертирование черной меди - периодический процесс, при котором расплав из плавильной печи непосредственно плавится на черновую медь. Один цикл конвертирования длится примерно 8 ч. На первом этапе добавляют примерно 5-6 т кварцевого флюса на цикл для вывода в шлак окисленного железа и свинца. Для удаления летучих примесей и для поддержания теплового баланса конвертера, добавляют небольшое количество коксика (0,1-1 т). Когда содержание свинца падает ниже 2%, начинают продувку, и в конвертер добавляют кремнезем для связывания PbO. Процесс завершается, когда содержание свинца становится ниже 0,3%. Отходящие газы конвертера отводятся на мокрую газоочистку, а шлам со скруббера, содержащий 55%-65% свинца, поступает на завод по производству свинца.

2.4.1.1.4 Огневое рафинирование (анодная печь)

Это следующий этап очистки меди от примесей, которому подвергается черновая медь, полученная на этапе конвертирования. Процесс рафинирования предусматривает два этапа:

- окислительный за счет подачи воздуха;

- восстановительный за счет восстановителя (например, углеводородов) для снижения содержания оксидов меди и более полного ее извлечения [21], [22], [19].

При пирометаллургическом (огневом) рафинировании металлов решаются две задачи:

1) Частичное или полное удаление примесей.

2) Получение однородных по структуре плоских отливок (с минимальной газонасыщенностью), имеющих постоянную массу, толщину и форму, удобную для погрузочно-разгрузочных операций и соответствующие требованиям эффективного электролитического рафинирования.

Существует несколько разновидностей рафинирования в зависимости от свойств основного металла и сопутствующих примесей.

Данный метод представляет собой селективное окисление примесей кислородсодержащим реагентом и их ошлакование. Избыток кислорода удаляется путем проведения операции восстановления.

Физико-химической основой процесса являются:

- меньшее сродство к кислороду у рафинируемого металла по сравнению с удаляемыми примесями;

- ограниченная растворимость оксидов элементов-примесей в объеме расплава металла и меньшая их удельная плотность, чем у рафинируемого металла;

- более быстрая и полная восстановимость оксидов основного металла до элементного состояния.

В качестве окислителя используют газообразные (чаще всего воздух или смесь водяного пара и воздуха) и твердые (окалина, оксиды рафинируемого металла) вещества.

При огневом рафинировании сначала через расплавленный металл продувают воздух для окисления примесей и окончательного удаления серы (стадия окисления). На этой стадии образуется небольшое количество шлака, который необходимо удалить перед началом следующей стадии. На следующей стадии (восстановление или дразнение/полинг) добавляют восстановитель, например природный газ, сырую древесину, для частичного удаления кислорода, растворенного в жидкой меди и восстановления ее окислов. В качестве восстановителя может также использоваться аммиак, но это приводит к повышению уровня ИТС 3-2019 Производство меди [25]. В странах ЕС при первичной и в некоторых случаях при вторичной плавке применяют цилиндрические поворотные печи (анодные печи). Эти печи похожи на конвертер Пирса-Смита и имеют фурмы для подачи газа. В них загружают расплавленную медь, медный лом и отработанные медные аноды. В некоторых процессах используют отражательные печи с погружными фурмами для подачи воздуха, в которые загружают твердую или расплавленную медь (конвертерную медь или медный лом). Некоторые отражательные печи являются наклоняющимися (Maerz) и оснащены фурмами. Горячий газ от анодных печей часто используют для сушки, получения пара и других целей. Расплав меди иногда перемешивают путем вдувания азота через пористые пробки в печи. Это повышает однородность металла и эффективность плавки [265, AJ Rigby et alles, 1999].

На стадии огневого рафинирования могут также использоваться поворотные конверторы с верхним дутьем (TBRC). В этом случае в поворотной анодной печи реализуется лишь стадия восстановления/полинга.

Непрерывный процесс плавки и рафинирования (Contimelt) используется для плавки и последующей обработки высококачественного медного лома и отработанных анодов. Он сочетает стадию плавки и стадии огневого рафинирования (окисление и восстановление) с выплавкой анодов в одном непрерывном процессе, что позволяет обеспечить высокую энергоэффективность на всех стадиях и сократить объемы выбросов.

Применяются комбинации шахтных печей (загружаемых твердыми материалами) и поворотных печей (для процесса восстановления). Эти системы могут использоваться для плавки первичного (черновая медь) и вторичного (лом) материала.

Металл из анодной печи направляют на отливку анодов. Наиболее часто применяемая технология - карусельная литейная машина с определенным количеством изложниц в форме анода, установленных по окружности карусели. Дозирующее устройство определяет количество расплавленного металла, выливаемого в изложницу, что обеспечивает постоянство толщины анодов, а в процессе вращения карусели аноды охлаждаются водой. Аноды автоматически извлекаются из изложниц и помещаются в охлаждающие ванны для предотвращения окисления металла. Производительность анодоразливочных установок может составлять до 200 т/чИТС 3-2019 Производство меди.
________________
ИТС 3-2019 Производство меди Альтернативная технология производства медных анодов - непрерывное литье на двухленточной литейной машине Hazelett, на которой производят медную ленту заданной толщины анода. Из этой ленты ножницами нарезают аноды традиционной формы или в соответствии с системой Contilanod отливают "уши" анода на специальных боковых блоках-кристаллизаторах, расположенных на литейной машине через определенные интервалы. Изготовленные анодные листы разрезают плазменной горелкой или специальными ножницами. Преимущество этой технологии - в однородности получаемых анодов; однако система требует тщательного технического обслуживания и сравнительно высоких производственных затрат. На российских предприятиях эта технология не применяется.

2.4.1.1.5 Переработка богатых медью шлаков

Шлаки, образующиеся на этапе плавки первичного сырья на штейн с содержанием меди более 30% и на этапах конвертирования, богаты медью и перерабатываются с применением нескольких технологий [19]. Одним из таких процессов является использование электропечи для отстаивания и проведения реакции взаимодействия шлака, содержащего окислы меди, с углеродом в форме коксовой мелочи или собственно электродами с получением медного штейна и обедненного по меди шлака. Процесс переработки шлака в электропечи может быть как непрерывным, так и периодическим. Конвертерный шлак также может быть переработан в электрической печи.

Альтернативной технологией являются процессы флотации: шлак охлаждают, измельчают и направляют на флотацию с получением флотационного концентрата с высоким содержанием меди, который поступает на плавку. При наличии соответствующего спроса шлаки после переработки могут применяться в строительстве, включая дорожное, для сооружения набережных и других аналогичных целей, а также для пескоструйной обработки, так как часто обладают лучшими свойствами по сравнению с альтернативными материалами. Мелкозернистый железистый материал также используется в качестве заполнителя при производстве цемента.

Шлаки с высоким содержанием меди, такие как конвертерные и рафинировочные шлаки, также повторно перерабатываются на этапе плавки.

2.4.1.1.6 Краткая информация по печам, применяемым при производстве меди

В таблице 2.3 содержатся обобщенные сведения о применяемых при производстве меди печах.

Таблица 2.3 - Печи, применяемые при производстве меди

Тип печи

Используемое сырье

Примечания

Применение

1. Печи для сушки, обжига, спекания и прокаливания

Паровая сушилка (змеевик)

Кольцевая сушилка

Концентраты

Сушка

Нет данных о применении в Российской Федерации

Вращающаяся печь

Руды, концентраты, различные виды лома и остаточных продуктов

Сушка и прокаливание

Применяется

Печь с кипящим слоем

Концентраты

Сушка и обжиг

Нет данных о применении в Российской Федерации

2. Плавильные печи и конвертеры

Baiyin

Концентраты

Нет данных о

Contop/циклонные

Концентраты, руды

применении в

Электропечь с погруженной дугой (руднотермическая)

Шлак, вторичное сырье, концентраты, руды

Российской Федерации

Отражательные печи

Концентраты, огарок лом и прочее вторичное сырье

Плавка окисленного медьсодержащего сырья, рафинирование

Применяется

Печь Ванюкова

Концентраты

Ausmelt/ISASMELT

Концентраты и вторичное сырье, промежуточные продукты

КИВЦЭТ

Концентраты и вторичное сырье

Нет данных о

Noranda

Концентраты

применении в

El Teniente

Концентраты

Российской Федерации

TBRC (KALDO) TROF

Большинство видов вторичного сырья, включая шламы

Применяется в Норильске

Шахтная печь

Концентраты, большинство видов вторичного сырья, анодная

Применяется

Печь кислородно-факельной плавки INCO

Концентраты

Нет данных о применении в Российской Федерации

Печь взвешенной плавки Outotec

Концентраты

Применяется

Плавильная печь Mitsubishi

Концентраты и анодный лом

Нет данных о применении в Российской Федерации

Конвертер Пирса-Смита

Штейн и анодный лом, медный лом

Применяется

Хобокен

Штейн и медьсодержащий лом

Нет данных о

Конвертер взвешенной плавки Outotec

Штейн

применении в Российской

Конвертер Mitsubishi (в составе комплекса Плавка - конвертирование - обеднение шлаков)

Штейн

Федерации

Агрегат совмещенной плавки-конвертирования

Штейн

Плавка

Применяется

3. Печи для плавки металла

Анодная поворотная печь (Кумера)

Стационарная анодная печь

Расплавленная черновая медь и лом

Огневое рафинирование

Применяется

Наклонная отражательная печь (Maerz)

Черновая медь в слитках, медный лом, анодные остатки

Шахтная

Медные катоды и чистый лом

Условия восстановления


Описания и схемы устройства печей, перечисленных в таблице 2.3, приведены в приложении А.1.

2.4.1.2 Гидрометаллургические процессы

Гидрометаллургия - извлечение элементов из сырья с помощью жидкофазных растворителей и последующее выделение их из растворов в форме металлов или моноосадков.

Этот процесс обычно применяется для переработки окисленных руд или смешанных окисленных/сульфидных руд непосредственно на территории рудника, где есть достаточно места для формирования участков выщелачивания и переработки. Этот процесс особенно эффективен для руд, из которых трудно произвести концентрат с помощью традиционных технологий, и которые не содержат драгоценных металлов [27], [28], [23]. В мире было разработано несколько патентованных технологий, таких как процессы Outotec L-SX-EW и Hydro Copper, Albion [29], [21], [30].

Общая схема гидрометаллургического процесса представлена на рисунке 2.2.

Основными стадиями гидрометаллургической технологии являются:

1) Подготовка сырья; эта операция способствует более быстрому, полному, селективному выщелачиванию ценного металла. Известны механические способы (дробление, измельчение) и физико-химические, связанные с изменением фазового состава сырья (прокалка, обжиг, спекание, гидротермальное активирование, обезжиривание вторичного сырья и др.).

2) Выщелачивание, т.е. перевод металла в раствор с последующим отделением нерастворимого остатка методами отстаивания, фильтрации, центрифугирования и промывкой остатка.

3) Подготовка раствора: очистка от посторонних примесей физико-химическими методами (осаждение в форме труднорастворимых соединений, цементация, сорбционно-экстракционное разделение), концентрирование раствора приемами упаривания, сорбции и экстракции с последующим получением при десорбции и реэкстрации обогащенной жидкой фазы.

4) Выделение из раствора ценного элемента в форме металла (электролиз, автоклавное осаждение газом) или соединения (кристаллизация, химическое осаждение, дистилляция).

ИТС 3-2019 Производство меди

Рисунок 2.2 - Обобщенная технологическая схема гидрометаллургического процесса [29]


Выщелачивание

Эффективность выщелачивания оценивается:

- извлечением - степенью перехода извлекаемого элемента по отношению к его содержанию в исходном сырье, %;

- скоростью процесса (масса извлекаемого элемента в единицу времени; возрастает с увеличением температуры, концентрации реагентов, интенсивности перемешивания, удельной поверхности, дисперсности сырья);

- селективностью - степенью извлечения ценного элемента по отношению к сопутствующим примесям: чем меньше скорость и извлечение, тем больше селективность выщелачиваемого элемента;

- удельным расходом реагента - расходом химиката на массовую единицу извлекаемого металла; этот показатель зависит от фазового состава сырья, регенерации растворителя и организации замкнутой по растворителю схемы;

- свойствами получаемых пульп, влияющих на показатели их отстаивания и обезвоживания; они определяются дисперсностью и фазовым составом твердой фазы, вязкостью и плотностью пульп, температурой.

Процессы выщелачивания классифицируются по:

- типу растворителя (щелочной, кислотный, солевой, органические и комплексообразующие реагенты);

- способу осуществления (периодическое, непрерывное, одно-многостадийное, прямоточное и противоточное);

- окислительно-восстановительным условиям среды (окислительное, восстановительное, нейтральное);

- аппаратурному оформлению (кучное, подземное выщелачивание, перколяционное, агитационное);

- величине давления (при атмосферном или избыточном - автоклавные условия);

- использованию подготовительных операций (прямое или с предварительной подготовкой).

Характеристика растворителей

Эффективность действия растворителя при выщелачивании определяется температурой, концентрацией, продолжительностью, крупностью сырья.

Вода является наиболее доступным растворителем и эффективна при извлечении растворимых сульфатов, хлоридов металлов, в том числе и из продуктов обжига.

Водные растворы солей (сульфаты и хлориды Fe (III)). Химия их действия иллюстрируется нижеприведенными реакциями:

ИТС 3-2019 Производство меди;

ИТС 3-2019 Производство меди;

ИТС 3-2019 Производство меди.


Это достаточно эффективные растворители, обеспечивающие развитие реакций при T>373 K, однако они дороги, получаемые растворы загрязняются балластными солями, что осложняет регенерацию растворителя и извлечение ценного компонента.

Хлорная вода - вода, насыщенная хлором:

ИТС 3-2019 Производство меди.


При обычных условиях в 1 дмИТС 3-2019 Производство меди воды растворяется 2,26 дмИТС 3-2019 Производство меди ИТС 3-2019 Производство меди. В зависимости от кислотности среды возможно предпочтительное присутствие ИТС 3-2019 Производство меди (в кислых средах), ИТС 3-2019 Производство меди (pH 4-7,5) и ИТС 3-2019 Производство меди (при pH>7,5).

Хлорная вода активно растворяет металлы, сульфиды:

ИТС 3-2019 Производство меди;


ИТС 3-2019 Производство меди, в том числе с образованием комплексов типа ИТС 3-2019 Производство меди.

Хлорную воду используют для выщелачивания поликомпонентных сплавов, руд благородных металлов, молибденовых концентратов.

Токсичность, дороговизна, проблемы регенерации ограничивают области применения этого растворителя.

Кислоты. Наиболее часто используют серную кислоту: это доступный реагент, особенно на металлургических предприятиях, перерабатывающих серосодержащее сырье, имеет высокую вскрывающую способность и умеренно агрессивен к материалам, используемым при создании аппаратов. При электрохимическом или автоклавном осаждении металлов из сульфатных растворов удается обеспечить регенерацию кислоты.

Азотная и соляная кислоты более дороги, обеспечивают меньшую селективность, осложняют выбор аппаратурного процесса. Использование соляной кислоты вследствие повышенной ее способности к комплексообразованию интересно в схемах, включающих сорбционно-экстракционную технологию разделения металлов.

Для сырья с повышенным содержанием кислотовмещающих пород кислотное вскрытие нецелесообразно из-за повышенного расхода кислоты, интенсивного пенообразования.

Способы и схемы выщелачивания

Выщелачивание осуществляют в периодическом и непрерывном режимах. В первом случае исходное сырье и реагенты загружают в реактор, обеспечивая перемешивание при заданных параметрах, и обрабатывают пульпу до тех пор, пока не будут достигнуты требуемые показатели (извлечение, селективность). Затем содержимое реактора выгружают, а его готовят к следующей операции, которую повторяют при тех же параметрах и условиях.

Непрерывный режим выщелачивания осуществляется в серии реакторов; пульпа из расходной емкости с помощью насоса закачивается в первый реактор, а затем непрерывно, один за другим, перетекает в последующие реакторы. Число реакторов и время пребывания пульпы в них выбирают с таким условием, чтобы в последнем реакторе были достигнуты требуемые показатели выщелачивания. Подобные схемы эффективны при большом масштабе производства, поскольку рационально используется аппарат во времени (нет потерь его на загрузку и выгрузку, нагрев и охлаждение, подачу и сброс давления), проще автоматизация и механизация, меньше эксплуатационные затраты (меньше потерь тепла, трудозатраты), но капитальные затраты больше (насосное хозяйство, расходные и приемные емкости, обвязка и арматура).

В зависимости от числа стадий различают одно- и многостадийное (двух-, трех-) выщелачивание. При прямоточном выщелачивании исходная пульпа непрерывно проходит все аппараты каскада и выгружается из последнего. Противоточное выщелачивание реализуют тогда, когда необходимо достичь более полного извлечения ценного металла (даже в ущерб селективности); с этой целью остатки от первой стадии обрабатываются исходным растворителем (выше концентрация и сильнее вскрывающая способность); получаемый вторичный кек считают отвальным для данного процесса, а раствор возвращают на первую стадию, т.е. обрабатываемое сырье и растворитель перемещают по встречным маршрутам.

Это более рациональная схема, однако при этом неизбежно накопление сопутствующих примесей в оборотном растворе, что ухудшает показатели выщелачивания и сортность извлекаемого металла. Для поддержания оптимального состава раствора часть его выводят на отдельную переработку (глубокое выпаривание, нейтрализация, сорбционно-экстракционная очистка и др.).

Окислительно-восстановительное выщелачивание

При растворении благородных металлов, сульфидов, арсенидов, селенидов, теллуридов необходимо применять окислители - реагенты, способные отдавать кислород или присоединять электроны. Типичными окислителями, используемыми при выщелачивании, являются кислород, хлор, гипохлорит, азотная кислота, соли Fe(III), Cr(VI), Mn(VII) и др.

Выщелачивание в присутствии восстановителя

Ряд оксидов и гидроксидов ионов металлов высшей валентности плохо растворимы в растворах кислоты. Для их выщелачивания используют реагенты-восстановители.

В присутствии восстановителей образуются более устойчивые в растворе ионы металлов меньшей валентности, что обеспечивает большую равновесную их концентрацию и более полное растворение исходного материала.

Бактериальное выщелачивание. Для ускорения окислительных процессов интересно использование бактерий - мельчайших (0,5-2,0 мкм) одноклеточных организмов, размножающихся двойным делением. В неорганической среде живут автотрофные, в органической - гетеротрофные бактерии. Особый интерес представляют культуры, которые черпают энергию за счет окисления серы и ее соединений (ИТС 3-2019 Производство меди, ИТС 3-2019 Производство меди, ИТС 3-2019 Производство меди) до сульфат-иона и за счет окисления иона Fe(II) до иона Fe(III). Наибольшая активность их жизнедеятельности проявляется при 303-308К. Для бактерий губительны высокие концентрации солей меди, цинка и других металлов; однако их адаптацию можно достигнуть путем последовательного пересева культуры в среды с возрастающим содержанием солей металлов.

Микроорганизмы в десятки раз ускоряют окисление серосодержащих соединений или образование сульфата Fe (lll); последний в кислой среде активно окисляет большинство сульфидов металлов.

Приемы бактериального окисления используют при вскрытии труднообогатимых золотосодержащих руд, при окислении пирита, присутствующего в урансодержащих рудах, для окисления арсенидов.

Электрохимическое растворение

Суть процесса заключается в переводе в раствор элементов из токопроводящих материалов (сплавов, штейнов, сульфидных концентратов) при наложении электрического тока.

Закономерности и химизм процесса подобны теоретическим положениям электролиза. Скорость растворения возрастает с увеличением плотности тока, интенсивности гидродинамического режима, замедляется вследствие пассивирующего влияния нерастворимых продуктов (оксиды, сульфаты свинца, олова, элементная сера). Осуществляется в кислых (сульфатная, хлоридная) или щелочных (гидроксидная, аммиачно-карбонатная) средах. Исходное сырье отливают в форме анодов, гранул, брикетируют или подают в виде пульпы.

Хлорное выщелачивание

При использовании хлорсодержащих растворителей проявляется окислительное и химическое воздействие, что интересно при обработке сплавов, сульфидных материалов; при обработке последних образуется попутно элементная сера:

ИТС 3-2019 Производство меди;


и далее - хлористая сера (ИТС 3-2019 Производство меди), которая также активно вскрывает сульфиды:

ИТС 3-2019 Производство меди.


Процесс протекает при 390-420 K; элементная сера растворяется в хлористой сере в любых соотношениях. В ней также растворимы хлориды мышьяка, сурьмы, олова, селена, теллура, молибдена, вольфрама; эти элементы по мере накопления можно выделить путем дистилляции расплава. Оксиды, хлориды многих других металлов нерастворимы в хлористой сере. При избытке хлора в хлористой сере упрощается хлорирование золота, платины, благородных металлов.

Способы выщелачивания и типы аппаратурного оформления

Выбор места и приема выщелачивания определяется условиями обеспечения экологически выдержанного рентабельного производства. При этом учитывают химический и вещественный составы сырья, стоимость и условия реализации извлекаемых компонентов, затраты на природоохранные мероприятия, масштаб переработки сырья.

Кучное и подземное выщелачивание

Этот способ применяют для извлечения металлов из забалансового сырья (с низким содержанием ценного металла, большими затратами на добычу и транспортировку, малым объемом сырья). В промышленной практике способ используют для извлечения меди, золота, урана; отрабатывается технология для извлечения цинка, свинца.

Сущность технологии заключается в равномерном орошении сырья растворителем, обеспечении условий для растворения извлекаемого металла, количественном сборе продукционного раствора и извлечении из него металла в форме товарного продукта. Реализация технологии осложняется единовременной обработкой огромных масс сырья большими объемами бедных растворов, отдаленностью от промышленных зон и проблемами энергообеспечения, обеспечения рабочей силой, а также влиянием метеорологических факторов (дожди, засуха, паводки).

Принципиальное отличие кучного и подземного выщелачивания состоит в типе перерабатываемого сырья и способе его подготовки. Приемы орошения, сбора раствора и его обработки во многом сопоставимы.

Методом кучного выщелачивания обрабатывают отвалы пустой породы, образуемые при разработке месторождения открытым способом, или специально создаваемые кучи из более богатого, равномерного по крупности сырья.

Подземное выщелачивание осуществляют в заброшенных горных выработках, а также для обработки небольших рудных тел. В первом случае наиболее удобны рудники, в которых применяли системы обрушения и магазинирования. При обработке рудного тела предпочтительны залежи с крутым падением. Учитывают наличие и расположение водоупорных слоев с целью сокращения потерь раствора.

Перколяционное выщелачивание. Способ применяют для обработки богатых руд, содержащих медь, или кускового вторичного сырья в металлургии меди. Исходный материал загружают в емкость с ложным днищем и обеспечивают принудительную циркуляцию раствора через образовавшийся слой обрабатываемого сырья.

Исходную руду дробят до крупности 4-8 мкм и классифицируют для удаления шламовых фракций.

Выщелачивание проводят в чанах емкостью 8-12 тыс.т, имеющих антикоррозионную защиту. Реализуют принцип противотока; число чанов - 6-14. Продолжительность обработки руды составляет 8-13 сут, в том числе выщелачивание 2-6 сут; остальное время идет на вспомогательные операции (загрузку, промывку и выгрузку хвостов, подготовку чана). При перколяционном выщелачивании снижается расход растворителя, отпадает необходимость фильтрации пульп, получаются более богатые растворы, что позволяет использовать эффективные методы для извлечения металлов; однако требуется внимание, тщательная промывка хвостов (противоточная, 5-7 циклов), поскольку они направляются в отвал.

Агитационное выщелачивание. Способ заключается в обработке измельченного сырья (концентрат, руда, огарок и т.п.) растворителем в аппаратах, обеспечивающих интенсивный массообмен пульпы. Перемешивание осуществляется с помощью мешалок с механическим приводом (аппараты емкостью 10-70 мИТС 3-2019 Производство меди), сжатого воздуха (пачуки емкостью до 250-300 мИТС 3-2019 Производство меди), совместным воздействием мешалок и воздуха, или во вращающемся барабане - выщелачивателе. Эта цель достигается при механическом перемешивании изменением числа оборотов и конструкции перемешивающего устройства (лопастная, винтовая, турбинная мешалки, наличие диффузора), расходом и давлением воздуха в пачуках, увеличением числа оборотов барабана.

Пачуки представляют собой вертикальный цилиндр (ИТС 3-2019 Производство меди3,5 м, hИТС 3-2019 Производство меди14 м) с конусным днищем. Через соосно расположенную центральную трубу подают энергоноситель (воздух, пар), обеспечивающий циркуляцию пульпы и ее однородность. При использовании пара одновременно обеспечивают нагрев пульпы.

Агитационное выщелачивание осуществляют в крупнотоннажном производстве в непрерывном режиме, для чего используют несколько последовательно установленных (предпочтительно каскадом) реакторов.

При агитационном выщелачивании для ускорения процесса и повышения извлечения металлов нередко используют нагрев пульпы; при активном развитии экзотермических окислительных реакций для поддержания заданной температуры требуется охлаждение пульпы. Используют прямой (непосредственное введение в пульпу пара, воды) или косвенный (с помощью встроенных холодильников, наружных рубашек, выносных теплообменников) способы регулирования температуры. Способ прямого нагрева или охлаждения наиболее эффективен и прост, однако приводит к разбавлению или упариванию раствора, что не всегда увязывается с последующей схемой извлечения металлов.

Автоклавное выщелачивание

Разновидностью агитационного выщелачивания является автоклавное, принципиальное отличие которого в использовании повышенных температур (>370 K) и давлений (P>0,1 МПа), что обеспечивает значительную интенсификацию процесса и селективность выщелачивания ценного металла относительно ионов-примесей, склонных к гидролизу в кислых средах (ИТС 3-2019 Производство меди, ИТС 3-2019 Производство меди, ИТС 3-2019 Производство меди, ИТС 3-2019 Производство меди и др.).

Автоклавное выщелачивание осуществляется без окислителя.

При избытке окислителя и повышенных температурах (430-450 K) основной реакцией выщелачивания сульфидов становится:

ИТС 3-2019 Производство меди.


Это наиболее интенсивный процесс, достигается количественное осаждение железа в форме хорошо фильтруемого осадка, однако требуется в 4 раза больший расход кислорода и исключается замкнутость схемы по раствору в связи с накоплением в нем сульфат-иона.

Корпус автоклавов изготавливают из конструкционных сталей, внутри футеруют антикоррозионным материалом (резина, кислотоупорный кирпич на специальной замазке, керамика, высоколегированные стали, титановые сплавы). Емкость автоклавов - 15-320 мИТС 3-2019 Производство меди Горизонтальные большие автоклавы (V>50 мИТС 3-2019 Производство меди) разделяют внутри перегородками. Длина камеры равна диаметру автоклава; в каждой камере имеется перемешивающее устройство. Число камер не превышает 4.

Автоклавы с механическим перемешиванием обеспечивают более интенсивный гидродинамический режим и аэрацию; однако они дороже, возникают трудности эксплуатации перемешивающих устройств и герметизации узлов их ввода в корпус аппарата. При проведении безокислительного выщелачивания, обработке пульп с повышенной плотностью целесообразнее использовать вертикальные автоклавы, в которых перемешивание осуществляется воздухом или паром.

Как правило, автоклавы работают в непрерывном режиме.

Вращающиеся автоклавы имеют цилиндрическую или сферическую форму. Иногда их заполняют стальными шарами. При вращении (8-15 об/мин) достигается перемешивание пульпы, обновление реакционной поверхности и доизмельчение твердой фазы. Подобные аппараты используют для проведения безокислительного высокотемпературного выщелачивания и применяют для обработки материалов с высокой удельной плотностью при небольших объемах производства (например, при вскрытии шеелитовых, ильменитовых концентратов).

Трубчатые автоклавы. Аппараты представляют горизонтально расположенные толстостенные (например, ИТС 3-2019 Производство меди=0,3 м, L=30-50 м) трубы, имеющие наружный обогрев и теплоизоляцию. Через трубу прокачивают пульпу с помощью насоса. Простота конструкции позволяет повышать температуру до 550-580 K, что существенно ускоряет проведение безокислительного выщелачивания, например, щелочное вскрытие бокситов. Способ характеризуется эффективным использованием тепла, низкими капитальными затратами.

Приемы физико-химической подготовки сырья к выщелачиванию

Предварительный обжиг обеспечивает перевод извлекаемого компонента в более растворимую форму и селективное его выщелачивание по отношению к компонентам пустой породы. Наиболее распространены следующие виды обжига (подробнее см. раздел 3).

Окислительный ИТС 3-2019 Производство меди, используемый для обжига сульфидных материалов (руды, концентраты, штейны) или арсенидов (концентраты, шпейзы).

Операцию проводят при повышенных температурах (1100-1400 K), с большим избытком воздуха; неизбежно образование сложных оксидов типа ферритов (ИТС 3-2019 Производство меди), силикатов (ИТС 3-2019 Производство меди), что уменьшает извлечение ценного металла.

Сульфатизирующий (ИТС 3-2019 Производство меди) обжиг преследует перевод извлекаемых металлов в растворимую форму (сульфат, частично оксид) и перевод железа в устойчивые соединения типа оксидов. Операцию проводят при умеренных температурах (880-900 K) и ограниченном избытке воздуха (ИТС 3-2019 Производство меди=1,2-1,3). Этот тип обжига используют в производстве меди, кобальта.

Хлорирующий обжиг проводят с использованием хлоринаторов (хлор, хлорид натрия, сильвинит); при высокотемпературной обработке (хлоридовозгонка, 1100-1400 K) цветные металлы количественно возгоняются селективно от пустой породы в форме ИТС 3-2019 Производство меди, улавливаются и перерабатываются по гидрометаллургической технологии. Способ интересен для обработки сырья с невысоким содержанием ценных элементов.

При сульфато-хлорирующем обжиге ИТС 3-2019 Производство меди извлекаемый металл переводят в растворимую форму (сульфат, хлорид).

Кальцинирующий обжиг (прокалка, спекание) протекает по реакциям:

ИТС 3-2019 Производство меди.

ИТС 3-2019 Производство меди.

ИТС 3-2019 Производство меди;


используют для разрушения карбонатов (исключить вспенивание при кислотном выщелачивании), перевода высших сульфидов в более растворимые формы (например, ИТС 3-2019 Производство меди в ИТС 3-2019 Производство меди или ИТС 3-2019 Производство меди в ИТС 3-2019 Производство меди). При спекании с содой образуются водорастворимые вольфраматы, молибдаты, алюминаты, ванадаты - соединения, легко растворимые в водной среде.

Сульфатизация - обработка измельченного материала серной кислоты (60-90% ИТС 3-2019 Производство меди) при 470-520 K.

При столь жестких условиях цветные металлы, присутствующие в форме минералов (сложные оксиды, сульфиды и другие халькогениды), переводятся в растворимые сульфаты и при последующем водном или слабокислом выщелачивании количественно переходят в раствор.

Гидротермальная активация - обработка сырья селективным растворителем при повышенных температурах в автоклаве, обеспечивающая перевод сложных соединений в более простые формы; выщелачивание последних протекает более быстро и полно, или при этом требуются менее жесткие параметры операции. Например, при обработке халькопирита подкисленным раствором сульфата меди при 430-450 K:

ИТС 3-2019 Производство меди, образуется более простая для выщелачивания форма - сульфид меди (II). Подобная обработка полиметаллических концентратов дополнительно обеспечивает их рафинирование от сопутствующих примесей, которые селективно переходят в раствор.

Экстракционные процессы

Эти процессы используют для концентрирования разбавленных растворов, содержащих не более 1% извлекаемого металла, или для селективного его выделения из поликомпонентного раствора.

Экстракция

Процесс основан на способности ряда органических веществ, не смешивающихся с водой, селективно образовывать с ионами металлов соединения и на извлечении их в органическую фазу.

Основные термины, используемые при описании процессов экстракции:

- экстрагент - органическое вещество, образующее с извлекаемым металлом соль или комплекс, которые растворимы в органической и практически нерастворимы в водной фазах;

- разбавитель - органическая жидкость, служащая для растворения экстрагента;

- экстракт, рафинат - продукты экстракции, соответственно органическая и водная фазы;

- реэкстракт - обогащенная водная фаза, получаемая после реэкстракции насыщенной металлоорганической фазы.

Экстрагенты используются в смеси с разбавителями (керосин, бензол, толуол); они нерастворимы в водной среде, имеют высокую температуру вспышки, более 340 K, узкий интервал перегонки. Подбирая тип разбавителя, можно подавлять или усиливать экстракцию ионов. Требования, предъявляемые к разбавителям, во многом аналогичны требованиям, предъявляемым к экстрагентам.

Чем больше коэффициент распределения или отношение "органическая:водная" фаз, тем меньше требуется стадий экстракции. Разделение считается эффективным при ИТС 3-2019 Производство меди>1,6.

В металлургии меди наиболее часто на экстракцию поступают солянокислые и сульфатные растворы.

Наибольшее применение в гидрометаллургии получили экстракторы типа смесителей-отстойников. Каждый аппарат состоит из секций, включающих смесительную и отстойную камеры. Растворы движутся внутри секции прямоточно, а через аппарат - противоточно. В смесительной камере установлена турбинная мешалка, вращающаяся со скоростью 400-600 минИТС 3-2019 Производство меди; она обеспечивает смешение водной и органической фаз, перекачивание смеси на соседнюю ступень и поддерживает заданный уровень раствора в камерах.

Недостатком экстракции является пожароопасность и токсичность реагентов, потери экстрагентов с водной фазой; они особенно значительны в пульповых процессах (0,5-1 кг/т).

Основные затраты при экстракции приходятся на подготовку исходного раствора, приобретение дорогого оборудования, организацию противопожарной безопасности, поставку реагентов (экстрагент, реэкстрагент, корректоры кислотности) и восполнение потерь экстрагента.

Выделение металлов из раствора

Выделение металла из раствора предполагает две цели: очистку от металлов-примесей или осаждение металла в форме товарного продукта.

Для очистки растворов (разделения металла) используют осаждение в форме труднорастворимых осадков, сорбцию, экстракцию, дробную кристаллизацию, мембранную очистку, ионную флотацию, дистилляцию, электрохимическое осаждение, цементацию.

При выборе способа учитывают состав исходного раствора, обеспечение реагентами, доступность аппаратурного оформления, а в конечном счете - экономические показатели и потребности рынка.

Сульфиды. В связи с низкой растворимостью сульфидов большинства цветных металлов осаждение их является эффективным приемом концентрирования металлов при обработке бедных растворов или селективного их отделения от других элементов. В качестве осадителя используют сульфиды (гидросульфиды) щелочных металлов и аммония, сероводород (для умеренно кислых сред процесс проводят в автоклаве при избыточном давлении газа-осадителя).

При использовании сероводорода скорость процесса и фильтруемость осадка возрастают в присутствии катализаторов (например, порошки одноименно осажденного металла).

Сульфиды металлов образуются и при использовании в качестве осадителя элементной серы, в частности при осаждении халькофильных металлов (ИТС 3-2019 Производство меди, ИТС 3-2019 Производство меди, ИТС 3-2019 Производство меди, благородных металлов) (~350-370 K):

ИТС 3-2019 Производство меди.


Хлориды. Ионы ИТС 3-2019 Производство меди (I) в присутствии ионов ИТС 3-2019 Производство меди образуют нерастворимые хлориды; если медь присутствует в форме иона (II), осаждение ведут в присутствии восстановителя (ИТС 3-2019 Производство меди,ИТС 3-2019 Производство меди, ИТС 3-2019 Производство меди, ИТС 3-2019 Производство меди и др.):

ИТС 3-2019 Производство меди;

ИТС 3-2019 Производство меди;

ИТС 3-2019 Производство меди.


Выделение металлов в форме солей

Способ основан на достижении пересыщенного состояния раствора, в результате которого извлекаемый металл выделяется в форме соли (кристаллизация, высаливание). К этой же группе можно отнести и дистилляцию, при которой состав и устойчивость раствора нарушаются за счет термической обработки с последующим образованием осадков основных солей. Несмотря на простоту, широкое применение, недостатками этих способов являются невысокое прямое извлечение металла, энергоемкость, громоздкость технологии. Аппаратурное оформление операций разделения получаемых солевых пульп аналогично описанному в разделе "Обработка пульп и осадков".

Выпарка и кристаллизация. Сначала упаривают раствор до достижения пересыщенного состояния, после чего выделяется твердая фаза в форме, соответствующей соли. Эту технологию используют для получения медного, никелевого, цинкового купоросов (ИТС 3-2019 Производство меди), при обработке алюминатных растворов в схеме Байера, сточных вод для удаления балластных солей, при разделении металлов, соли которых имеют различную растворимость, для вывода избытка воды с целью обеспечения замкнутой по раствору технологической схемы.

Как правило, растворимость солей с повышением температуры увеличивается; однако в автоклавных условиях (при T=400-470 K), особенно в кислых растворах, растворимость соли уменьшается, что может служить способом разделения соли металла и кислоты с целью регенерации последней.

Дробную кристаллизацию применяют для разделения поликомпонентных растворов с целью получения одноименных чистых солей. Способ заключается в многократном повторении цикла "кристаллизация - растворение ионов - кристаллизация".

Используют две схемы выпарки - периодическую и непрерывную; периодическая схема одностадийная, ее проводят при обогреве емкости через паровую рубашку, а пары воды удаляют в атмосферу. Более эффективен вариант вакуумной выпарки, которая исключает выброс пара в атмосферу, нагрев раствора до высоких температур. Непрерывную выпарку проводят в многокорпусных выпарных аппаратах (см. 7.39). Свежий пар подают только на 1-ю стадию выпарки, в последующие аппараты поступает парогазовая смесь из предшествующей стадии. Поскольку движение раствора и греющего пара совпадает, подобная схема является прямоточной.

Иногда используют "огневую" выпарку растворов, применяя в качестве теплоносителя горячие газы от сжигания природного газа. Операцию проводят в печах "кипящего слоя" или в аппаратах с погружным факелом. Это более интенсивный процесс, при этом получают кристаллогидраты с меньшим содержанием молекул воды (n=0,5-2,0); однако в этом случае необходимы системы пылеулавливания и обезвреживания отходящих газов.

Эффективность способа "выпарка - кристаллизация" определяется величиной энергетических затрат, условиями реализации получаемой соли, а в ряде случаев - утилизации и обезвреживания парогазовой смеси.

Высоливание - осаждение соли вследствие уменьшения ее растворимости, обусловленного значительным увеличением ионной силы раствора; последнее достигается при введении кислоты, соли, имеющих одинаковый анион с анионом осаждаемой соли. Нередко в процессе высоливания образуются двойные соли, например ИТС 3-2019 Производство меди.

Высоливание - простой способ, не требует сложного оборудования, больших энергетических затрат. Неполное осаждение, образование комплексных осадков извлекаемого металла, проблемы использования фильтрата - все это уменьшает технологические достоинства высоливания.

Осаждение металлов в элементной форме

При обработке растворов, гидроксидных пульп реагентами-восстановителями происходит осаждение металлов в элементной форме. В качестве восстановителя используют химические реагенты, металлы-осадители, газы, электрический ток.

Важнейшими технологическими способами являются цементация, автоклавное осаждение, электролиз с нерастворимыми анодами (электроэкстракция).

Цементация - осаждение металла из раствора его солей другим металлом, имеющим более электроотрицательный потенциал. Помимо электрохимической активности металла-осадителя (величины Е°, склонности к пассивации, кинетики процесса) при его выборе учитывают стоимость, опасность загрязнения раствора вводимыми примесями.

С увеличением температуры и интенсивности перемешивания, начального содержания осаждаемого металла скорость цементации возрастает, образуется более дисперсный осадок; в кислых растворах - чистые дисперсные осадки или плотные пленки.

Цементацию используют (при осаждении меди из растворов от кучного и подземного выщелачивания, при очистке никелевого, кобальтового, цинкового электролитов от меди):

ИТС 3-2019 Производство меди.


Для цементации используют агитаторы, барабаны, конусные аппараты, желоба.

Агитаторы эффективны при небольшом масштабе производства, не допускается перемешивание воздухом, чтобы предотвратить растворение осадка и осадителя. Это высокопроизводительные и компактные аппараты, работающие на порошкообразном осадителе.

Барабанные цементаторы устанавливают с наклоном в сторону слива отработанных растворов, опирают на ролики и вращают со скоростью 2-4 минИТС 3-2019 Производство меди. Эти компактные, высокопроизводительные аппараты обеспечивают осаждение не менее 94%-96% извлекаемого металла. Однако за счет истирания возрастает выход дисперсных частиц, что осложняет отстаивание осадка, а в процессе его обезвоживания и сушки происходит дополнительное окисление порошка осажденного металла.

В конусных аппаратах раствор под напором поступает в вершину конуса и пронизывает слой осадителя. По мере продвижения раствора вверх скорость потока снижается, что сокращает потери осадка с отработанным раствором.

Желоба - наиболее простые аппараты, которые широко использовали при осаждении меди из разбавленных растворов. Желоба изготавливают из дерева, бетона; ширина их 0,5-2,0 м, глубина - 0,8-1,5 м. Желоба устанавливают с уклоном 1-3°, прямолинейно, зигзагообразно. Скрап загружают на ложное днище, слой его периодически разрыхляют.

По мере накопления осадок цементационной меди смывается и через ложное днище потоком воды транспортируется в сборную емкость. На современных установках обслуживание желобов (загрузка, ворошение скрапа, очистка, ремонт, монтаж) механизированы. Извлечение меди превышает 90%, осадок получают чистым и достаточно крупнозернистым.

Автоклавное осаждение газами-восстановителями. Способ заключается в обработке растворов при повышенной (T>370 K) температуре и давлении газами-восстановителями (ИТС 3-2019 Производство меди, ИТС 3-2019 Производство меди, ИТС 3-2019 Производство меди). Он отличается высокой интенсивностью, обеспечивает селективное осаждение металла в форме порошка, регенерацию растворителя (например, при осаждении меди из кислых растворов), в ряде случаев (при осаждении никеля, кобальта) получение композиционных порошков.

Способ используют в промышленном масштабе для осаждения порошков никеля, кобальта, меди, благородных металлов.

В общем виде процесс записывают:

ИТС 3-2019 Производство меди, в том числе для ИТС 3-2019 Производство меди:

ИТС 3-2019 Производство меди

ИТС 3-2019 Производство меди

ИТС 3-2019 Производство меди


Примеры использования указанного процесса:

- осаждение меди из кислых растворов

ИТС 3-2019 Производство меди.


Основным газом-восстановителем является водород - достаточно активный, доступный реагент, не вносящий в раствор примесей, однако отличающийся повышенной взрыво- и пожароопасностью. С помощью водорода можно восстанавливать ионы металлов, расположенные в ряду напряжений, начиная с ионов кобальта (II), E°=-0,28 В:

ИТС 3-2019 Производство меди.


Равновесие указанной реакции смещается в сторону прямой реакции в присутствии нейтрализатора, лучше - растворимых щелочных реагентов типа аммиака:

ИТС 3-2019 Производство меди.


Однако, с другой стороны, с увеличением концентрации аммиака возрастает устойчивость аммиачных комплексов (а значит, снижаются скорость и полнота осаждения металла) и общее давление в автоклаве (ИТС 3-2019 Производство меди), поэтому существует оптимальная концентрация аммиака, близкая к стехиометрии вышеприводимой реакции, т.е. ИТС 3-2019 Производство меди=2,1-2,3.

Наиболее важными параметрами процесса являются давление, температура, состав раствора (содержание металла, затравка, а также ПАВ, кислотность), интенсивность перемешивания. Температура - наиболее интенсифицирующий фактор процесса, однако ее значение не превышает 420-450 K в связи с возрастающими энергозатратами, агрессивностью среды (особенно в кислых средах), опасностью гидролиза солей, спекания дисперсных фракций и ухудшения тем самым чистоты и качества порошка.

Поскольку в процессе ионизации водорода возрастает кислотность, для более полного и быстрого завершения процесса необходимо или ограничивать полноту осаждения, или вводить внешний нейтрализатор.

Для автоклавного осаждения порошков металлов используют автоклавы с механическим перемешиванием (актуально эффективное насыщение пульпы реакционным газом и более полное его использование); обычно их не футеруют (опасность загрязнения порошка продуктами эрозии футеровки), а изготавливают из высоколегированных сталей или титановых сплавов. Емкость автоклавов 5-15 мИТС 3-2019 Производство меди, они изготовлены с большим запасом прочности и оснащены развитой схемой приборов для контроля за ходом процесса и обеспечения безопасности.

Электроэкстракция используется для обработки растворов с повышенным содержанием металлов (ИТС 3-2019 Производство меди25-40 г/дмИТС 3-2019 Производство меди), применяя нерастворимые аноды. В результате на катоде восстанавливаются ионы металла:

ИТС 3-2019 Производство меди, а на аноде протекает реакция с образованием молекулярного кислорода:

ИТС 3-2019 Производство меди.


Этот способ используют для извлечения меди, цинка, кадмия, сурьмы, никеля, серебра и ряда других металлов, получая компактные или порошкообразные осадки.

В процессе осаждения растворы обедняются по извлекаемому металлу, одновременно в эквивалентном соотношении регенерируется реагент-растворитель (например, серная кислота при обработке сульфатных растворов), что позволяет организовать замкнутую схему по растворителю.

Источники информации: [31], [32]

2.4.2 Производство вторичной меди


Для производства вторичной меди в подавляющем большинстве случаев применяют пирометаллургические процессы. Этапы процесса зависят от содержания меди во вторичном сырье, гранулометрического состава и содержания других элементов [19], [26]. Как и для первичной меди, разработано несколько этапов для удаления этих примесей и возврата металлов из получаемых отходов [33].

Вторичные материалы, идущие на переработку, могут содержать органические материалы, такие как покрытие, или смазку, в связи с чем в технологический процесс вводят этапы обезжиривания и снятия покрытия или применяют печи и системы газоочистки соответствующей конструкции. Цель - увеличить мощность для переработки возросшего объема газа, нейтрализовать летучие органические соединения (ЛОС) и минимизировать образование ПХДД/Ф или разрушить их. Тип предварительной обработки или используемой печи определяется наличием органических веществ, типом загружаемых материалов, т.е. содержанием меди и других металлов и их состоянием (является ли материал окисленным или металлическим).

При плавке загрязненного латунного лома в конвертере для разделения содержащихся в нем металлов производится возгонка или ошлакование других элементов сплава с получением черновой меди и пыли из фильтров с высоким содержанием цинка.

В таблице 2.4 приведена краткая характеристика некоторых широко применяемых видов вторичного сырья.

Таблица 2.4 - Вторичное сырье для производства меди [26]

Тип материала

Содержание меди, массовая доля, %

Источник

Смешанные медные шлаки

1-25

Гальванопокрытие

Электронный лом

15-20

Электронная промышленность

Медные однородные шлаки

2-40

Гальванопокрытие

Медно-железный материал (комковатый или раздробленный): арматура, статоры, роторы и т.д.

10-20

Электротехническая промышленность

Латунные дроссы, зола и шлаки, содержащие медь

10-40

Литейное производство, предприятия по выпуску полуфабрикатов

Измельченный медесодержащий материал

30-80

Предприятия по измельчению лома

Медно-латунные радиаторы

60-65

Автомобили

Смешанный красный латунный лом

70-85

Водомеры, зубчатые колеса, клапаны, краны, компоненты оборудования, подшипниковый узел, пропеллеры, фитинги

Легкий медный лом

88-92

Медные листы, карнизы, водосточные желоба, водяные котлы, нагреватели

Тяжелый медный лом

90-98

Листы, медная штамповка, рельсовые направляющие, провода, трубы

Смешенный медный лом

90-95

Легкий и тяжелый медный лом

Медные гранулы

90-98

Измельченный кабель

Чистый медный лом

99

Полуфабрикаты, проволока, обрезки, лента, кабельно-проводниковая продукция


Этапы производства меди из вторичного сырья в целом аналогичны этапам производства первичной меди, но в качестве сырья обычно используются окисленные или металлические материалы, что, соответственно, определяет иные производственные условия. Плавка вторичного сырья происходит в нейтральных или восстановительных условиях.

2.4.2.1 Этап вторичной плавки

Плавку сырья низкого и среднего качества проводят в печах различного типа: шахтных, плавильных мини-печах, поворотных конвертерах с верхней продувкой (TBRC), плавильных печах Ausmenlt/ISASMELT, в отражательных и наклонных печах [30], [19], [26]. Для плавки лома высокого качества (>99% Cu) используются системы Contimelt.

Тип печи и этапы производственного процесса зависят от содержания сырья, его размерных и других характеристик. Таким образом, плавка и рафинирование вторичной меди является комплексным процессом, и тип вторичного материала, который можно перерабатывать, зависит от конкретного имеющегося оборудования и печи [19]. Описание печей представлено в Б.1. Схема технологического процесса производства вторичной меди представлена на рисунке 2.3.

Железо (в виде железистой меди, обычного железного лома и т.д.), углерод (в виде кокса или природного газа) и флюс добавляют по мере необходимости для восстановления оксидов металла, и процессы ведутся в соответствии с используемым типом шихты. В результате восстанавливающей плавки происходит возгонка, в первую очередь, цинка, олова и свинца, которые выделяются в форме оксидов вместе с отходящими газами и собираются в системе сбора пыли. Содержание пыли, диоксида серы, ПХДД/Ф и ЛОС в отходящих газах печей зависит от состава сырья. Для последующей очистки после отделения пыли отходящие газы направляются на мокрую пылегазоочистку [33]. Собранная пыль поступает на дальнейшую переработку для восстановления металлов, извлеченных из шихты.

ИТС 3-2019 Производство меди

Рисунок 2.3 - Общая технологическая схема производства меди [19]


В плавильной мини-печи осуществляют плавку лома, содержащего железо и олово, для получения вторичной меди. В данном случае на первом этапе железо выступает как восстанавливающий элемент для получения металлической меди. Затем в расплав для окисления железа и других присутствующих металлов (свинца и олова), которые выходят в шлак, вдувают кислород. Окисление железа обеспечивает необходимую температуру процесса, а избыточное тепло рекуперируется.

Процесс KRS проводят в печи Ausmelt/ISASMELT [18]. Эта передовая технология заменяет традиционную технологию восстановления цветных металлов из вторичного сырья путем плавки в шахтной печи/конвертере. Типичным исходным материалом является образующееся после плавки и рафинирования меди вторичное сырье, содержащее медь и драгметаллы, отходы литья, металлообработки, или поставляемые предприятиями по переработке медьсодержащих отходов электронные лома, лома медных сплавов, богатые медью шлаки, медные дроссы, пыли из циклонов и фильтров, шлам осаждения и шламы волочения проволоки.

В целом, в электрических печах перерабатывают тот же материал, что и в KRS или в шахтных печах. Загрузка электрической печи на одну тонну получаемой черновой меди меньше, чем для шахтной печи, которая, в отличие от электрической печи, не может работать без оборотного шлака.

2.4.2.2 Конвертирование, огневое рафинирование, переработка шлака и электролитическое рафинирование, переработка чистого лома сплавов

Печи для конвертирования и рафинирования аналогичны печам для переработки первичной меди; системы переработки шлака и электрорафинирования также похожи. Главное различие в том, что в конвертерах, применяемых во вторичном производстве, производится плавка металла или черной меди, а не штейна. В качестве топлива для поддержания температуры плавки в них добавляют кокс или природный газ, а в первичных конвертерах необходимая температура обеспечивается штейном [19]. Во вторичных конвертерах элементы, присутствующие в небольших количествах, такие как железо, окисляются и переходят в шлак, а другие металлы, такие как цинк или олово, возгоняются. В них получают черновую медь, которая затем поступает на огневое рафинирование. Теплота реакции окисления, выделяющаяся при продувке конвертера, служит для возгонки металлических компонентов, а подача шлакообразующих добавок позволяет сформировать слой шлака и перевести в него железо и часть свинца. Поскольку тепловой баланс конвертеров, работающих на металле, достаточно напряжен (тепла экзотермических реакций, как правило, не хватает), в конвертер добавляют коксик или подогревают природным газом. Чистый высококачественный медный лом напрямую загружается для плавки в печи огневого рафинирования.

Шламы электрорафинирования и отработанные растворы также служат источником драгметаллов и таких металлов как никель. Для их извлечения применяют технологии, аналогичные тем, которые используются при первичном процессе.

Медные сплавы, такие как бронзы и латуни, также используются в качестве вторичного сырья в ряде процессов. Если они загрязнены или смешаны с другими сплавами, то они перерабатываются в процессе вторичной плавки и рафинирования как описано выше в 2.4.2.1 [33].

Чистый сплав применяется непосредственно для производства полуфабрикатов. Чистый материал плавят в индукционных печах, после чего разливают в формы для последующих этапов производства. Производство сплава заданной марки обеспечивается путем анализа и контроля состава шихты без значительных добавок первичного металла. Оксид цинка получают из пыли, оседающей на фильтрах.

На некоторых предприятиях в зависимости от типа загружаемого материала на первом этапе получают летучую пыль с высоким содержанием свинца и цинка, например, в процессе плавки в шахтной печи низкосортного материала. Эти пыли содержат до 65% цинка и свинца и служат в качестве сырья для получения свинца и цинка.

Для извлечения меди из растворов сульфата меди, образующихся при выщелачивании "грязной" меди, или в гидрометаллургическом процессе извлечения раствором используется метод электроэкстракции. В процессе электроэкстракции здесь используются инертные аноды, например свинцовые или титановые, а в качестве катодов - матрицы из нержавеющей стали или медные пластины. Ионы меди извлекаются из раствора и оседают на катодах также как при электрорафинировании. Сдирка катодов происходит так же, как и при использовании постоянной катодной основы. Электролит циркулирует по серии ванн до тех пор, пока из него будет извлечена вся медь. После этого электролит возвращается в цикл экстракции растворителем. Часть электролита выводят из циркуляции для контроля примесей на этапе экстракции растворителем.

Процесс электроэкстракции обычно реализуется в две стадии. На первой из электролита извлекают медь до уровня, при котором еще можно получить товарные медные катоды. На второй стадии электроэкстракции (обезмеживания) из электролита в катоды извлекают медь до уровня 1-2 г/л. Напряжение в экстракционных ваннах приблизительно в пять раз выше, чем в ваннах для электролиза меди с растворимыми медными анодами. Периодически из оборота "растворение - электроэкстракция" выводят часть обезмеженного электролита из-за обогащения раствора металлами - примесями, такими как никель, мышьяк, цинк, железо.

Процесс электролитического рафинирования анодной меди осуществляется в водном растворе серной кислоты и сульфата меди с использованием тонких катодных основ из электролитной меди, нержавеющей стали или титана. Нержавеющие или титановые матрицы, на которых происходит наращивания медного осадка, являются катодными основами многоразового использования (процесс Mount ISA, безосновная технология Outotec и система Noranda/Kidd Creek) [21], [22], [19]. Аноды и катоды помещают в электролизные ванны, располагая электроды в ваннах вертикально, параллельно друг другу. Все аноды соединяются с положительным, а катоды - с отрицательным полюсом источника постоянного тока. При включении ванн в сеть постоянного тока происходит электрохимическое растворение меди из анода в электролит, перенос катионов через электролит и осаждение ее на катоде. Примеси при этом в основном распределяются между шламом (твердым осадком на дне ванн) и электролитом.

В результате электролитического рафинирования анодной меди получаются товарные медные катоды, медеэлектролитный шлам, анодные остатки и отработанный загрязненный металлами электролит.

Удаление примесей в процессе электролитического рафинирования анодной меди направлено на производство катодной меди, чистотой равной или лучше, чем "Марка А" по стандарту Лондонской биржи металлов. В таблице 2.5 представлен пример данных по составу анода и качеству получаемого катода. Следует отметить, что уровень содержания примесей в аноде влияет на качество катода; содержание примесей в аноде в свою очередь зависит от химического состава концентрата или вторичного сырья и технологии, по которой получена черновая и анодная медь.

Таблица 2.5 - Пример извлечения примесей при электролитическом рафинировании [26]

Элемент

Содержание в аноде*, г/т

Содержание в катоде, г/т

Серебро

600-720

9-10

Селен

50-510

<0,5

Теллур

20-130

<0,5

Мышьяк

700-760

<1

Сурьма

330-700

<1

Висмут

60

<0,5

Свинец

990-500

<1

Никель

1000-5000

<3

* Качество анода обусловлено составом сырья.


Анодные остатки, составляющие обычно 14%-19% от первоначальной массы анодов, являются оборотным материалом и отправляются в анодную печь на переплавку с исходным медным сырьем.

Количество и состав анодных шламов зависит от чистоты анодной меди. Анодный шлам оседает на дне электролизных ванн, откуда периодически удаляется. В шламе концентрируются благородные металлы, такие как золото, серебро, металлы платиновой группы. Кроме благородных металлов, в шлам переходят другие ценные элементы - селен и теллур. В дальнейшем шлам перерабатывается аффинажным способом для извлечения ценных компонентов.

Металлы, у которых электрохимический потенциал более электроотрицательный, чем медь (никель, железо, цинк), при электролитическом рафинировании меди переходят в раствор. Поэтому расчет объема и периодичность вывода отработанного электролита производится исходя из времени накопления в электролите примесей до предельного нормированного значения.

На разных предприятиях применяются различные схемы утилизации отработанного электролита.

На предприятиях, использующих вторичное медное сырье, обычно применяется следующая схема. Медь из отработанного электролита извлекают методом электроэкстракции. Раствор после обезмеживания нейтрализуют с получением гипсового никельсодержащего кека, который отправляют на переработку на никелевые заводы.

На большинстве отечественных предприятий, использующих минеральное сырье, применяется двухстадийная схема извлечения меди из отработанного электролита:

- упаривание и кристаллизация электролита с получением сульфата меди;

- извлечение остаточной меди из упаренного раствора электроэкстракцией.

После извлечения меди из раствора извлекается никель в виде сернокислой соли методом выпаривания, кристаллизации и последующего рафинирования.

Современная тенденция заключается в увеличении размера ванн, установке большего числа электродов и использовании катодной основы из нержавеющей стали [19]. Рост эффективности заметен, когда эти факторы сочетаются с высоким уровнем контроля качества анодов. Контроль качества необходим для обеспечения заданной геометрии, хорошего электрического контакта и требуемой чистоты анода. Применение безосновной технологии сокращает затраты электролиза меди (отсутствует матричный передел для получения стартерных катодных основ из электролитической меди), обеспечивает стабильно высокий коэффициент использования тока (97% и выше). Для современных цехов электролиза характерна высокая степень автоматизации замены катодов и анодов, сдирки катодов с катодной основы из нержавеющей стали [21], [22]. Вместо последней может применяться механически изготовленная медная матрица.

Также процессом электролитического рафинирования происходит получение медных порошков различных марок.

Процесс электролитического рафинирования меди описан в приложении А (А.3).

2.4.3 Производство катанки


Катанку изготовляют из электролитических медных катодов высокой степени очистки, что позволяет минимизировать содержание примесей, влияющих на электропроводимость, отжиг и красноломкость. Особое внимание уделяется контролю параметров плавки в печи для минимизации абсорбции кислорода металлом. Ниже приведено краткое описание используемых при производстве катанки процессов [34].

2.4.3.1 Процесс Southwire

Медные катоды и лом рафинированной меди плавят в шахтных печах. Скорость плавки достигает 60 т/ч. Примерная схема процесса Southwire приведена на рисунке 2.4.

Сырье плавят в печи с радиально расположенными горелками, работающими на природном газе, пропане или аналогичном газе. Параметры сжигания топлива строго контролируются для поддержания слабо восстановительной атмосферы (менее 0,5%-1,5% ИТС 3-2019 Производство меди или ИТС 3-2019 Производство меди) в местах контакта газа с медью для уменьшения содержания кислорода в меди. Это достигается за счет независимого контроля соотношения топливо/воздух для каждой горелки путем контроля содержания ИТС 3-2019 Производство меди и ИТС 3-2019 Производство меди в топочном газе каждой горелки.

Отходящие из печи газы охлаждаются и, если это целесообразно, очищаются от пыли промышленными фильтрами. Если в газах наблюдается высокая концентрация ИТС 3-2019 Производство меди, то для снижения содержания ИТС 3-2019 Производство меди используют дожигание.

Медный расплав выпускают из нижней части шахтной печи по желобу в поворотный цилиндрический миксер. Миксер оснащен горелкой, работающей на природном газе или аналогичном топливе, и служит в качестве резервуара, обеспечивающего постоянный поток металла на литье и, при необходимости, для корректировки температуры и металлургической обработки металла. Горелки на природном газе служат для поддержания температуры расплавленной меди и восстановительной атмосферы в миксере и желобах.

ИТС 3-2019 Производство меди

Рисунок 2.4 - Примерная схема процесса Southwire [26]


Расплавленная медь при контроле скорости потока подается из миксера через желоб в литейную машину. Водоохлаждаемая стальная лента поверх полусферы литейного колеса образует литейную полость, внутри которой расплавленная медь затвердевает, образуя литейную заготовку трапециевидного сечения размером с площадью от 2100 до 8300 ммИТС 3-2019 Производство меди. Для формирования гладкой поверхности литейного колеса и стальной ленты используется сжигание смеси воздуха с ацетиленом. После выпрямления и обработки литейная заготовка подается через трайб-аппарат в прокатный стан, включающий черновые и чистовые клети. В конце прокатного стана заготовка приобретает свой окончательный диаметр. В качестве смазки роликов используют эмульсию на минеральном масле или синтетический водный раствор [33].

2.4.3.2 Процесс Contirod

Медь плавят в шахтной печи, описанной выше. Расплавленная медь из печи через желоб с гидравлическими затворами поступает в поворотный миксер, нагреваемый газом. Затем медь поступает через наливную воронку, которая автоматически регулирует скорость подачи металла в литейную машину [34]. Примерная схема процесса Contirod приведена на рисунке 2.5.

ИТС 3-2019 Производство меди

Рисунок 2.5 - Примерная схема процесса Contirod [26]


В данном процессе применяют двухленточную литейную машину Hazelett [26], [33]. Две ленты охлаждаются непрерывной водяной пленкой, которая движется с высокой скоростью по всей длине поверхности лент. Боковые блоки автоматически охлаждаются в специально сконструированной камере, расположенной на пути обратного хода кристаллизатора. В зависимости от размера линии площадь сечения образующейся заготовки может составлять от 5000 до 9100 ммИТС 3-2019 Производство меди, а производительность литейной машины - от 25 до 50 т в час. Заготовка прямоугольного сечения охлаждается, с нее удаляется облой, и затем она поступает в прокатный стан с черновыми и чистовыми клетьми, аналогичный стану Southwire за исключением первого чернового блока. В качестве смазки роликов прокатного стана используют эмульсию на минеральном масле или синтетический водный раствор.

2.4.3.3 Процессы Properzi и Secor

Непрерывные процессы Properzi и Secor аналогичны процессу Southwire (см. 2.4.3.1); основное отличие заключается в геометрии литья [34]. Параметры, описанные для процесса Southwire, также характерны и для этих двух технологий производства медной катанки.

2.4.3.4 Процесс восходящего литья

Медь плавят в индукционной печи канального типа. Расплав порциями поступает в индукционный миксер. При небольшом объеме производства достаточно использовать одну комбинированную плавильно-раздаточную печь [34].

Тянуще-правильная машина расположена над миксером. Водоохлаждаемые графитовые фильеры-охладители погружены на определенную глубину в расплав, и расплавленная медь непрерывно затягивается в фильеры, где она затвердевает и втягивается в трайб-аппарат. Затвердевшая катанка поднимается вверх с помощью трайб-аппарата.

2.4.3.5 Процесс вытягивания из расплава на затравке

Предварительно нагретое сырье загружают в индукционную печь канального типа. Расплавленная медь поступает в миксер и тигель, который соединен с миксером. Затравка диаметром 12,5 см вытягивается через входную фильеру в основании тигля. Протягивание затравки через расплав и контроль окончательного диаметра верхней фильерой формирует диаметр. Литейная заготовка проходит через ролики, регулирующие натяжение, на трехэтапный прокатный стан для изготовления катанки диаметром 8,0 и 12,5 мм [34].

2.4.4 Производство полуфабрикатов из меди и медных сплавов


С помощью непрерывного или циклического процесса медь и медные сплавы плавят и льют для производства полуфабрикатов в форме, необходимой для дальнейшего производства [33]. Продукты литья являются сырьем для производства различных материалов, таких как листы, ленты, профили, бруски, прутки, проволока и трубы. Обычно применяется несколько процессов, описание которых приведено ниже. Общая схема процесса производства полуфабрикатов приведена на рисунке 2.6.

ИТС 3-2019 Производство меди

Рисунок 2.6 - Общая схема процесса производства полуфабрикатов [26]

2.4.4.1 Процессы плавки

Медь и медные сплавы плавят периодической плавкой в электрической или индукционной печи (тигельной или канального типа). При необходимости высокой скорости плавки применяют непрерывную плавку меди в шахтной печи. Для плавки и огневого рафинирования меди также применяют отражательные печи (для плавки также применяются тигельные печи). Системы отвода и очистки печных газов выбирают в соответствии с составом сырья и степенью его загрязненности. Отходящие газы электропечей обычно подвергают последовательной очистке в циклонах, а затем в рукавных фильтрах. Для шахтных печей с газовыми горелками решающим фактором является выбор режима работы горелок для минимизации содержания CO в отходящих газах. При высоком содержании CO (например, >5% от общего объема отходящих газов) на шахтных печах устанавливают дожигающие устройства и систему рекуперации тепла, а также рукавные фильтры для улавливания пыли.

В качестве сырья используются медные катоды, лом меди и сплавов цветных металлов, обычно складируемые на открытых площадках для подбора комбинации компонентов исходного сырья с целью получения сплава заданного состава. Предварительная сортировка и комбинирование позволяют значительно сократить время, необходимое для плавки, что снижает расход энергии и зависимость от дорогой лигатуры. При этом для индукционных печей лом измельчают для повышения эффективности плавки, упрощения использования вытяжек и т.д.

Сырье может также включать латунную или медную стружку, покрытую смазкой. В таких случаях предусматриваются меры, препятствующие проникновению масла за пределы площадок хранения сырья и загрязнению почвы и поверхностных вод. Для удаления смазки и других органических загрязнений применяют сушильные или иные печи, либо методы обезжиривания растворителями или водой [33].

При плавке латуни или бронзы происходит возгонка цинка, которую можно минимизировать, регулируя температуру. Возгоны собирают с помощью системы газоудаления и направляют на рукавные фильтры. Пыль с рукавных фильтров поступает на заводы по производству цинка и свинца. Образование возгона цинка при огневом рафинировании учитывается при проектировании системы газоотведения.

2.4.4.2 Литье заготовок

Обычно литье расплавленного металла из печи или миксера происходит непрерывно или циклами [34]. При непрерывном процессе используют технологии вертикального или горизонтального литья, а при циклическом процессе литье обычно вертикальное. Также применяют восходящее литье. Полученные биллеты и слябы подлежат последующей переработке.

Принципиальная схема непрерывного и циклического литья представлена на рисунке 2.7.

ИТС 3-2019 Производство меди

Рисунок 2.7 - Принципиальная схема непрерывного и циклического литья [26]


Стандартными формами литья являются [34]:

- заготовки, изготавливаемые в основном из меди и медных сплавов для производства труб, прутка и профилей с помощью непрерывного и циклического литья;

- слябы из меди и медных сплавов для изготовления листа или полос с помощью непрерывного и циклического литья.

Расплавленный металл через миксер поступает в горизонтальную или вертикальную машину литья заготовок. Отрезки биллет опиливают для последующей обработки. При производстве специальной продукции из меди и медных сплавов используют специальные технологии:

- восходящее литье - при производстве проволоки и труб;

- горизонтальное непрерывное литье - при производстве лент и профиля;

- вертикальное литье - при производстве лент и проката для медных труб.

Для резки литой заготовки при вертикальном и горизонтальном литье используют подвижный отрезной станок. При непрерывном литье длина определятся глубиной разливочного пролета. После достижения заданной длины заготовки литье прерывается, и литые заготовки извлекаются с помощью крана или подъемника. В случае непрерывного литья процесс литья не прерывается. Для всех операций литья требуется прямое охлаждение водой, как самой добавки, так и кристаллизаторов для окончательного затвердевания, и снижения температуры металла для последующей обработки. Охлаждающая вода может поступать из системы рециркуляции, оснащенной системой водоподготовки (осаждение и отделение твердых частиц - окалины). Если окалина не имеет примесей графита или других веществ, то она возвращается в печь плавильного цеха, в противном случае она напрямую используется в литейном цеху.

Сравнение параметров процесса традиционного непрерывного вертикального и горизонтального литья представлено в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Сравнение процессов традиционного непрерывного вертикального и горизонтального литья

Параметр

Вертикальное непрерывное литье

Горизонтальное непрерывное литье

Диаметр заготовки

70-150 мм

150-140 мм

Производительность

8 т/ч на одну линию

8 т/ч на одну линию

Скорость литья

80-800 мм/мин

80-200 мм/мин

Температура литья

980-1200°С

980-1200°С

Режим работы

Одно- или многоручьевые

Одно- или многоручьевые

Цикличность

Непрерывный

Непрерывный или циклический

Вторичное охлаждение

Использование системы орошения

Использование системы орошения необязательно, хотя возможно

Тип кристаллизатора

Медный, графитовый

Графитовый

2.4.4.3 Изготовление труб, профиля и прутка

Производственные линии можно разделить по двум группам продукта с одинаковыми этапами технологического процесса:

- медные трубы прямые и в бунтах;

- трубы из меди (медных сплавов), а также катанка, пруток, проволока и профиль из меди и медных сплавов.

В обоих случаях сырьем служат биллеты из меди и медных сплавов. На первом этапе биллеты предварительно нагревают в электрических или газовых печах, а затем производят трубы на гидравлической экструзионной линии [33]. Для производства медных труб, в зависимости от типа продукта, применяются следующие промышленные процессы:

- экструзия труб с последующим многоступенчатым волочением до заданного размера;

- экструзия труб с последующим прокатом и несколькими этапами волочения до заданного размера;

- горячий прошивной стан с последующим прокатом и волочением до заданного размера.

При экструзии или прокате биллет для получения труб с толстой стенкой на первом этапе предпочтительно использовать обжимной прокатный стан.

Для изготовления методом экструзии тонкостенных труб применяют волочильные машины.

Процесс производства катанки, прутка, проволоки и профиля из медных сплавов включает экструзию в бунтах или прямую зачистку и травление, волочение до заданного размера (на волочильных станах или непрерывных волочильных машинах), тепловую обработку для определенных сплавов, выпрямление и резку.

Весь процесс, начиная с экструзионного пресса или горячего прошивного пресса, представляет собой последовательность (в большинстве случаев) этапов изменения формы и размера. На всех этих этапах узлы оборудования, применяемые для изменения формы и размера, охлаждаются и защищаются с помощью специальной среды с использованием эмульсии для обжимного проката и смазочных веществ для волочильных устройств. Эмульсия с обжимного стана очищается путем фильтрации, таким образом, увеличивается время эксплуатации и снижается количество смазки для последующей обработки. Смазка, используемая для волочения, расходуется безвозвратно.

Продукция обычно подвергается отжигу и обезжириванию перед транспортировкой, а обрезки обезжириваются в печи или с помощью других методов обезжиривания перед возвратом в плавильную печь. Отжиг продукта происходит в различных печах в восстановительных условиях с применением "экзогаза" (в качестве защитной атмосферы) или водородно-азотной смеси.

Медные трубы можно производить с использованием экструзионного пресса с прошивным оборудованием, на котором из биллетов изготавливают трубные заготовки, с последующей прокаткой на обжимном стане (пилигримовый стан) и финальным волочением до заданного диаметра на волочильном оборудовании. Для волочения используется масло (в небольшом количестве), которое нейтрализуется при обезжиривании/травлении на участке отжига.

2.4.4.4 Изготовление листов и полос

Слябы и слитки часто служат сырьем для изготовления листов и полос. Ключевым элементом технологического процесса производства плоского проката является горячий и холодный прокат. Технологический процесс включает следующие этапы:

- предварительный нагрев;

- горячий прокат и обработка;

- холодный прокат;

- промежуточный отжиг;

- травление, промывка и сушка;

- повторный прокат и отжиг заготовки;

- чистовая обработка:

- листы (раскрой по длине);

- полосы (раскрой по ширине).

Для горячего проката слябов требуется 15-20 проходов, количество которых определяется окончательной формой и весом слябов. При горячем прокате нет потери металла, и вес сляба и бунта совпадает. При горячем прокате не требуется создания защитной среды. Уровень шума при прокате регулируется с помощью специальных защитных мер [18].

Для горячего волочения обычно используют двойной прокатный стан с участками длиной до 200 м и бунтоукладчиком. Охлаждающая ролики вода содержит незначительное количество смазки, добавляемой для снижения сцепляемости со стальными роликами. Образующийся в процессе пар отводится через систему вентиляции с предварительной очисткой газа перед выпуском его в атмосферу.

Затем следует этап холодного проката затвердевшего металла. В большинстве случаев перед холодным прокатом продукция подвергается отжигу. Отжиг происходит в восстановительной атмосфере экзогаза или водородно-азотной смеси для предотвращения окисления. Экзогаз получают на производственной площадке из природного газа в специальном реакторе непрямого нагрева. Азот и водород приобретают и хранят на промплощадке в специальных емкостях. Водородно-азотную смесь изготавливают путем смешивания компонентов в заданной пропорции. Отжиг перед холодным волочением осуществляют в печах с конусным загрузочным устройством с электронагревом и непрямым нагревом природным газом или мазутом. Для промежуточного отжига бунтов перед прокатом применяют печи башенного типа.

Толщина листа уменьшается при прохождении этапов холодного проката на реверсивных прокатных станах, таких как Duo, Quarto, Sexto, Sendzimir (12 роликов). Также используется сочетание прокатного стана, например однониточного, с многониточным прокатным станом. Выбор типа прокатного стана определяется толщиной листа и заданным размером бунта.

При холодном прокате для защиты роликов применяют эмульсию или масло. Газ, отходящий от прокатного стана, подлежит очистке на механических фильтрах, мокрых электростатических фильтрах или скруббере. Эмульсия и масло очищают от частичек металла, пропуская его через бумажные или тканевые фильтры.

Типичные характеристики процесса производства латунных полос представлены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Типичные характеристики процесса производства латунных полос [26]

Вид операций

Технологические параметры

Горячий прокат

Тип прокатного стана

В основном Duo

Начальные размеры

250-130 мм толщина, 450-1000 мм ширина

Конечные размеры

15-12 мм толщина, 450-1000 мм ширина

Температура

750-800°С

Усилие проката

~10-12 кН/мм по ширине листа

Обработка поверхности

0,3-0,7 мм обрезка по обеим поверхностям

Первый холодный прокат

Тип прокатного стана

В основном Quarto

Усилие проката

~15-20 кН/мм по ширине листа

Размеры уменьшения и скорость проката

Уменьшение толщины с 15 мм до 4 мм: скорость 100-200 м/мин

Коэффициент преобразования

70%-80%

Отжиг* (рекристаллизация)

Температура

550-600°С

Доступ к полной версии этого документа ограничен

Ознакомиться с документом вы можете, заказав бесплатную демонстрацию систем «Кодекс» и «Техэксперт».

Что вы получите:

После завершения процесса оплаты вы получите доступ к полному тексту документа, возможность сохранить его в формате .pdf, а также копию документа на свой e-mail. На мобильный телефон придет подтверждение оплаты.

При возникновении проблем свяжитесь с нами по адресу spp@kodeks.ru

ИТС 3-2019 Производство меди

Название документа: ИТС 3-2019 Производство меди

Номер документа: 3-2019

Вид документа: Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям

Принявший орган: Росстандарт

Статус: Действующий

Опубликован: Официальный сайт Росстандарта www.gost.ru по состоянию на 27.12.2019
Дата принятия: 12 декабря 2019

Дата начала действия: 01 марта 2020