Способ электрического получения меди

Способ электролитического получения меди

Владельцы патента RU 2541237:

Изобретение относится к металлургической отрасли, в частности к способу получения меди. Способ электролитического получения меди включает электролитическое анодное растворение медьсодержащего сырья в сернокислом медьсодержащем электролите с осаждением меди на катоде. При этом электролит предварительно дегазируют. Образующийся в процессе электролиза водород эвакуируют. Медьсодержащее сырье, загруженное в кассету, в процессе электролитического растворения периодически подвергают кратковременному в течение 5 с ультразвуковому воздействию с плотностью мощности 2-4 Вт/см 3 . Техническим результатом является ускорение процесса, снижение удельного расхода электроэнергии и повышение качества конечного продукта за счет механоактивации и очистки медьсодержащего сырья. 1 табл., 2 пр.

Изобретение относится к металлургической отрасли, в частности получению высококачественной меди методом электролиза, и предназначено для ускорения процесса электролитического получения меди из медьсодержащего сырья растворением анода в электролите и переходом ионов меди на катод, с повышением качества конечного продукта.

Известен способ получения высококачественной меди, имеющей чистоту порядка 99,97±0,02%, основанный на электролитическом рафинировании анодных пластин [Кнорозов Б.В. Технология металлов. / Б.В. Кнорозов [и др.]. — М.: Металлургия, 1978. С.903] в электролите, содержащем серную кислоту и сернокислую медь (CuSO₄).

Существенными недостатками указанного способа являются:

— большая продолжительность растворения анодов (20÷30 суток);

— значительный удельный расход электроэнергии (на 1 т катодной меди составляет 200÷400 кВт·ч).

Известен также способ получения высококачественной меди [RU 2455374, опубл. 10.07.2012], при реализации которого электролитическое рафинирование ускоряют путем установки между анодом и катодом решетки с отрицательным потенциалом, увеличивающим (как полагают авторы) скорость движения ионов металла, и ускоряющим процесс электролиза. Кроме того, для более быстрого растворения анода на его торцевые поверхности (сверху, снизу, слева, справа) подается ультразвук. Ультразвуковые колебания, возбуждаемые магнитострикционными преобразователями, (по мнению авторов) ослабляют связи между ионами, что способствует более быстрому растворению анода.

Существенные недостатки указанного метода, обусловленные (по нашему мнению) недостаточно ясными представлениями авторов о процессах, протекающих в акустических полях в жидких средах, а также о влиянии ультразвука на поверхность твердого тела в жидкости, заключаются в следующем:

— давно известно, что непрерывное действие ультразвука на жидкости сопровождаются смыванием с поверхности твердых тел, контактирующих с этими жидкостями (в данном случае, по крайней мере, с поверхности анодов), частиц основных тел и частиц загрязняющих их поверхность веществ, последующее диспергирование смытых частиц в жидкости [Бергман Л., Ультразвук и его применение в науке и технике. М., 1956, 1250 с., RU 2090662, опубл. 20.09.1997], а применительно к рассматриваемому случаю — ультразвуковое воздействие приводит к загрязнению электролита посторонними веществами;

— установленная между анодом и катодом металлическая решетка, к которой «подводится параллельно катоду напряжение», в соответствии с наблюдениями Х.К. Эрстеда еще в 1820 году, не может создать магнитное поле [Савельев И.В., Курс общей физики в 3-х томах, 2011], а следовательно, за счет магнитного поля не «увеличивает скорость движения ионов металла, тем самым ускоряя процесс электролиза».

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения высококачественной меди [RU 2455374, опубл. 10.07.2012] с ускорением электролитического рафинирования путем установки между анодом и катодом решетки с отрицательным потенциалом, ускоряющим процесс электролиза, и воздействием на торцевые поверхности анодных пластин ультразвука.

Технический результат достигается тем, что электролит предварительно дегазируют, образующийся в процессе электролиза водород эвакуируют, а медьсодержащее сырье, загруженное в кассету, в процессе электролитического растворения периодически подвергают кратковременному ультразвуковому воздействию.

Предлагаемый способ позволяет стабилизировать расход электроэнергии в процессе электролитического анодного растворения за счет ультразвукового воздействия, которое способствует очистке поверхности гранул медьсодержащего сырья, и улучшить качество конечного продукта.

Поставленная в заявленном изобретении задача решается способом, включающим последовательно следующие действия:

— сернокислый медьсодержащий электролит дегазируют, подвергая воздействию ультразвука кавитационных интенсивностей, и вводят в электролизер;

— образец медьсодержащего сырья, включающего около 90% меди, а также

1,5% железа и 1% свинца, помещают в токопроводящую кассету, подключенную к анодной клемме источника напряжения, а пластинчатые катоды помещают по сторонам от кассеты;

— действуют ультразвуком с частотой 18÷44 кГц с плотностью энергии 3 Вт/см в течение 5÷15 с на кассету через электролит, в результате чего поверхность гранул очищается, и начинают процесс электролитического растворения, включая электрический ток и выдерживая разность потенциалов между анодом и катодом в пределах 0,5±0,2 В;

— проводят процесс электролитического растворения, постоянно эвакуируя образующийся газообразный водород, а также контролируя разность потенциалов между анодом и катодом, и при повышении этой разности до

0,8÷0,9 В, (как правило, через 25-35 мин после начала цикла), свидетельствующей о снижении электропроводности системы за счет загрязнения поверхности гранул сырья в анодной кассете, на 6±2 с включают ультразвук, в результате поверхность гранул вновь очищается, после чего разность потенциалов вновь падает до 0,35±0,1 В и следующий цикл продолжается еще примерно 30 мин, и циклы повторяются 8 раз в течение 4 часов;

— катоды вынимаются из электролизера (при необходимости) и слой меди анализируется (либо следующий четырехчасовый цикл проводится с теми же электродами).

Настоящее изобретение направлено на повышение эффективности процесса электролитического получения меди из медьсодержащего сырья, в частности на стабилизацию процесса, его ускорение и повышение качества конечного продукта. Для осуществления заявленного способа, в качестве источника ультразвука кавитационных параметров для дегазации электролизного раствора в равной степени могут быть использованы как пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи, так и (предпочтительно) гидроакустические преобразователи непрерывного широкого спектра частот, среди которых всегда существуют частоты, резонансные собственным частотам газовых кавитационных пузырьков различных размеров, а для периодической очистки и механоактивации поверхности гранул медьсодержащего сырья предпочтительно использовать магнитострикционный излучатель, расположенный на расстоянии, кратном половине длины волны от центра анодной кассеты так, чтобы кассета оказалась в пучности стоячей волны, возникающей при наложении волн от излучателя и отраженной от кассеты.

Техническая реализация предлагаемого изобретения поясняется следующими примерами, не носящими, однако, ограничивающего характера.

Пример 1 (по прототипу, в оптимальном варианте)

Гранулированное медьсодержащее сырье в количестве 100 г, содержащее 90% меди,

1,5% железа и 1% свинца, помещают в электролизер, вливают в электролизер 3 литра подогретого до 54°С сернокислого медьсодержащего электролита, содержащего 15% серной кислоты и 3% сернокислой меди, вставляют в электролизер заранее взвешенные катоды, включают ток от источника, устанавливая напряжение в 0,5 В, и продолжают процесс в течение 4 часов. Электролизер отключают, оценивают качество слоя на катоде визуально и, взвешивая, оценивают количество меди, осажденное на катоде за время электролиза (4 часа), оценивают чистоту меди ААС методом. Визуальный контроль свидетельствует, что поверхность на катодах неровная, пупырчатая с редкими вкраплениями, прибыль массы катода составляет 380,9 г/м 2 ·ч, чистота осажденной меди — 99,90%.

Пример 2 (по предлагаемому способу в оптимальном варианте)

Гранулированное медьсодержащее сырье в количестве 100 г, содержащее 90% меди,

1,5% железа и 1% свинца, помещают в электролизер, вливают в электролизер 3 литра подогретого до 54°С, предварительного подвергнутого дегазации в ультразвуковом поле гидроакустического преобразователя сернокислого медьсодержащего электролита, содержащего 15% серной кислоты и 3% сернокислой меди, вставляют в электролизер заранее взвешенные катоды, включают ток от источника, выдерживая напряжение в 0,5 В, каждые 0,5 часа, когда разность потенциалов на электродах повышается до 0,7÷0,8 В, анодную кассету с медьсодержащим сырьем подвергают кратковременному (5 с) ультразвуковому воздействию с плотностью мощности 2÷4 Вт/см 3 и продолжают этот периодический процесс в течение 4 часов. Электролизер отключают, оценивают качество слоя на катоде визуально и, взвешивая, оценивают количество меди, осажденное на катоде за полное время электролиза (4 часа), оценивают чистоту меди ААС методом. Визуальный контроль свидетельствует, что поверхность на катодах зеркально гладкая, без посторонних вкраплений, прибыль массы катода составляет 453,0 г/м 2 ·ч, чистота осажденной меди — 99,99%.

Результаты, полученные при электролизе по прототипу и предлагаемому способу, представлены в таблице 1.

Из анализа результатов, приведенных в таблице, следует, что количество и качество осажденной по предлагаемому способу меди существенно выше качества меди, полученной по прототипу, при снижении удельного расхода электроэнергии.

Проведенные нами дополнительные исследования по варьированию различных физических параметров процесса (плотности энергии ультразвука, частоты, степени разрежения, импульсного режима, температуры), при поиске оптимальных режимов электролиза, показали, что изменение каждого из указанных параметров как в сторону увеличения, так и уменьшения (при постоянстве остальных параметров) снижало показатели эффективности электролитического анодного растворения на 15÷45%.

Исследования показали, что параметры заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, близки к оптимальным и способ может быть осуществлен с помощью описанных в заявке средств и методов.

Способ электролитического получения меди, включающий электролитическое анодное растворение медьсодержащего сырья в сернокислом медьсодержащем электролите с осаждением меди на катоде, отличающийся тем, что электролит предварительно дегазируют, образующийся в процессе электролиза водород эвакуируют, а медьсодержащее сырье, загруженное в кассету, в процессе электролитического растворения периодически подвергают кратковременному в течение 5 с ультразвуковому воздействию с плотностью мощности 2-4 Вт/см 3 .

Источник

Производство меди

Применение меди в качестве материала для производства орудий труда и оружия известно человечеству многие столетия. Развитие электротехники и электроники явилось дальнейшим стимулом разработки совершенных методов добычи и переработки сырья, в котором присутствует этот металл. Современное производство меди – это хорошо отработанный процесс.Одной из проблем получения этого дефицитного металла является низкий процент содержания меди в добываемой руде. Он не превышает пять процентов от общего числа добываемой породы.

Способы производства меди

В настоящее время разработано несколько способов получения меди. Основными являются:

• пирометаллургия;
• гидрометаллургия;
• электролиз.

Наибольшее количество производится с применением первого способа. С его помощью получают практически 90% всего металла. Он достаточно трудоёмкий и продолжительный. Технология производства меди этим способом включает несколько этапов, которые осуществляют обогащение поступающего материала, последовательное получение готового материала. Каждый из этапов содержит строгую последовательность технологических задач. Обычно завод по производству меди выполняет весь комплекс операций.

Для получения так называемой катодной меди используется третий способ. Полностью этот способ называется – электролитическое рафинирование с последующим осаждением готового продукта на поверхности металлических пластин.

Стадии пирометаллургического производства меди

Данный способ эффективно применяется для переработки руды с различным содержанием меди. Он состоит из следующей последовательности действий:

• подготовки (обогащения)добытого сырья;
• непосредственной плавки на штейн;
• конвертирования полученного штейна;
• окончательного рафинирования.

Каждый технологический процесс осуществляется с применением необходимых методов обработки.Для выделения черновой меди производят так называемую продувку. Далее медь помещают в формы или разливают на плиты. Она остаётся загрязнённой различными примесями и не обладает свойствами чистой меди.

Сущность процесса заключается в подаче под давлением воздуха через жидкий расплав медного штейна. Она производится в специальных конвертерах, которые могут располагаться вертикально или горизонтально. В дальнейшем обогащённые концентраты медных руд поступают на конечную переработку.

Обогащение

Первоначально в добытой руде содержание меди не превышает шести процентов. Для производства меди с наилучшей эффективностью необходимо произвести обогащение добытой руды.Это производство предназначено для получения концентрата, в котором будет содержаться меди более 10%. В отдельных случаях его удаётся довести до 35%.

Основным способом обогащения сульфидных медно-никелевых руд является флотация. Для повышения эффективности обогащения предварительно проводят операцию магнитной сепарации. Она способствует выделению пирротина в самостоятельный концентрат. Возможность проведения магнитной сепарации обусловлена относительно высокой магнитной восприимчивостью пирротина.

Сам процесс включает следующие операции:

• предварительное дробление и последующий размол на мелкие частицы (он проводится до момента получения зерен не более 0,05÷0,5 мм);
• флотационное обогащение, которое основано на обработке несмачивающихся частиц руды совместно с пузырьками продуваемого воздуха при подъёме их вверх в виде пены (для эффективности процесса добавляется масло), пустая порода, смачиваясь опускается вниз.

После получения обогащённого материала приступают к следующему этапу.

Обжиг

Пирометаллургия определяет два типа обжигового процесса. Первый заключается в так называемом окислительном обжиге. В нём производят частичное окисление сульфидов медных концентратов. Данный процесс протекает в одном из трёх режимов: кинетическом, диффузионном и промежуточном. Каждый из них характеризуется величиной скорости протекания кристаллохимического превращения и значением коэффициента диффузии.

Правильный выбор этих параметров позволяет значительно понизить содержание серы, получить штейн требуемой концентрации. Такой обжиг производят в специальных агрегатах. Они называются обжиговые печи. С их помощью удаётся понизить содержание влаги до пяти процентов и одновременно уменьшить содержание серы. Современная схема этого процесса предполагает проводить его в кипящем слое или во взвешенном состоянии.

Второй способ предполагает проведение нагрева до температуры, активирующей окисление сульфида серы. Высшие фракции проходят стадию диссоциации. Низшие фракции подвергаются окислению незначительно.

Выбор оптимальной температуры для этого процесса зависит от следующих условий:

• параметров процесса сжигания топлива;
• характеристик теплообмена;
• качества изоляционных свойств печи (её стойкость футеровки);
• характеристик теплообмена самого перерабатываемого материала.

Наиболее популярным считается метод обжига медного концентрата в многоподовых печах. В них одновременно осуществляется механическое перемешивание загруженной смеси. Наибольшая эффективность технологического процесса проявляется в печах десятиподовой конструкции. В таких печах не только наиболее эффективно удаляется сера, но и качественно перемешивается концентрат введёнными добавками и флюсами. В этом случае такая печь исполняет роль смесительного аппарата. В печи поддерживается температура в интервале от 450 до 500 градусов. Состав загружаемой смеси и качество обжига (десульфуризации) зависит от оптимальности выбранных параметров.

Кроме этого метода существует обжиг готовых концентратов в кипящем слое. Для его реализации используются специальные агрегаты способные создавать такие условия. Их сложная и дорогостоящая конструкция существенно ограничивает их применение.

Плавка на штейн

Основными составляющими в сырье для получения штейна являются сульфиды двух металлов: железа и меди. В его составе присутствуют оксиды различных металлов, например, алюминия, кальция. Проведение процесса плавки позволяет получить два продукта в жидком виде. Одним является штейн, в котором концентрируется медь. Она переходит туда из оксидов шихты. Вторым получается шлак. В нём сохраняются остальные соединения.

Сырьём для выплавки служит подготовленный концентрат. Его смешивают с флюсом. Они должны стимулировать протекание этого процесса. Такими добавками служат известняк или кварц. Сплав штейн получают несколькими способами. Для этого используют отражательные, шахтные и электродуговые печи.

Наибольшую популярность получил технологический процесс плавки в отражательных печах.Они имеют следующие геометрические размеры: длиной до сорока метров, ширина не превышает десяти метров и максимальная высота от пода до свода должна быть не более четырёх с половиной метров. Под печи, опирается на оборудованный фундамент. Его изготавливают несколькими способами. Может применяться специальный динасовый кирпич, или наваривают из кварцевого песка. Наиболее оптимальной толщиной пода считается размер от 0,6 метра до 1,5 метров. Стены изнутри выкладывают магнезитохромитовым кирпичом. Свод изготавливают арочным распорно-трапециевидной формы. Для извлечения готового штейна готовят специальные шпуры. После завершения операции выгрузки они закрываются глиняной пробкой. В некоторых конструкциях для выгрузки устанавливают специальные сифонные устройства.

Рафинирование с использованием катодной меди

Процесс рафинирования предназначен для выделения чистой меди из различных добавок и примесей. В современной промышленности экономически целесообразным считается проведение этого процесса в два этапа. Первый заключается в температурном рафинировании, второй в электролитическом. Второй способ осуществляется с применением катодной меди.

Проведение электролитического рафинирования позволяет решить две задачи:

1. Глубокую очистку от примесей.
2. Обеспечение высокой электропроводности.

В зависимости от состава сырья в отдельных случаях удаётся получить сопутствующие металлы (серебро, селен и даже золото). Сам технологический процесс протекает в специальных ваннах длиной до 5 метров и глубиной до 1,5 метров. Стенки таких ванн обработаны кислотостойкими материалами. Над ванной создаётся система крепления, к которой закрепляют катоды. В качестве катодов используют плоские пластины, изготовленные из чистой меди. Одна пластина исполняет роль катода, вторая – анода. Ванна заполняется электролитом. В качестве электролита применяется серная кислота (H₂SO₄)в которой растворён сульфат меди(CuSO₄). К этим катодам подаётся невысокое напряжение величиной 0,4 В. После замыкания цепи начинается процесс электролитического растворения анода. Под воздействием разности потенциалов ионы меди с анода переходят на катод, оседая на нём в виде чистой меди. Электролит периодически обновляют. Это необходимо, так как в его составе образуются растворы металлов, замедляющие процесс электролиза. Кроме этого на дне ванны накапливается осадок называемый шлам. Его также периодически выгружают. На современных предприятиях полное растворение анода происходит в течение 30 суток.

Последовательность выгрузки производится с интервалом от шести до двенадцати суток. Процесс электролиза достаточно электрозатратен. Для получения одной тонны чистой меди необходимо обеспечить мощность до 350 кВт.

Полученные катоды направляются для дальнейшей переработки. В итоге получают отдельные слитки или заготовки заданной формы. Плавка катодов производится в отражательных или печах шахтного типа. Создание температуры при которой плавятся катоды осуществляется сжиганием природного газа, с использованием электродуговых или индукционных установок. Полученная медь разливается по готовым формам. Для получения проволоки её помещают в так называемые вайербасы. Весь процесс происходит на установках непрерывной или полунепрерывной разливки.

Производство меди в России и мире

По данным аналитических агентств Российская Федерация уверенно занимает пятую позицию среди стран, занимающихся добычей и получением чистой меди. Производство меди в России в среднем за год составляет 860 тысяч тонн. Основу современной структуры производства меди составляют три крупных холдинга: ОАО «ГМК» Норильский никель» («Норникель»), ООО «УГМКХолдинг» (УГМК) и ЗАО «Русская медная компания» (РМК). Эти компании осуществляют полный цикл производства от добычи руды до изготовления готовых слитков, проката и проволоки. В каждый холдинг входит несколько предприятий, оснащённых самыми совершенными технологиями производства. Благодаря динамическому развитию в прошлом году удалось повысить производство меди на семь процентов.

Мировое производство меди достаточно консолидировано. Почти 35% этого металла производиться пятью крупнейшими компаниями. К ним относятся:

• Codelco (Чили).
• Freeport-McMoRan (США).
• Glencore (Швейцария).
• BHP Billiton (Австралия).
• Southern Copper (Мексика).

Эти компании почти 80% меди получают из первичного сырья (то есть осуществляют полный цикл переработки) и 20% производят в результате переработки поступающего лома. В Европе наиболее крупными производителями меди являются: Польша, Португалия и Болгария. Каждый завод способен осуществлять выпуск широкого ассортимента медной продукции. Несмотря на современный кризис, медь по-прежнему остаётся востребованным металлом. Одним из серьёзных недостатков, присущих этому производству являются экологические проблемы. Оценка выбросов на медеплавильных заводах показали высокий уровень загрязнения окружающего воздуха. В его составе присутствует большое количество вредных для здоровья химических соединений (кадмия, ртути, мышьяка, свинца, оксидов азота и углерода).

Источник