Поведение сопутствующих компонентов медных штейнов в связи с повышением комплексности использования сырья

Сульфидные медные руды и концентраты, перерабатываемые на заводах медной промышленности, являются комплексным полиметаллическим сырьем. К важнейшим ценным спутникам меди в рудах относятся цинк, свинец, сера, теллур, селен, сурьма, висмут, индий, олово, никель, рений" германий, осмий, вся гамма благородных металлов и другие элементы. Стоимость меди часто составляет всего 20−30% от общей стоимости ценных компонентов руды.

Новые перспективные месторождения зачастую являются еще более сложным по составу сырьем и характеризуются трудностью разделения при обогащении на селективные концентраты.

Наблюдаемые тенденции повышения потребления меди и снижения ее содержания в рудах вызывают необходимость значительного повышения производства меди и снижения ее себестоимости за счет комплексного использования сырья. Кроме основной задачи — извлечения всех ценных составляющих руды, не менее важно максимальное использование теплотворной способности сульфидов и устранение вредных выбросов в атмосферу и водные бассейны. Существующие в настоящее время методы получения черновой меди обладают редом органических недостатков, не позволяющих удовлетворительно решить эти проблемы.

Решение этих проблем связано, превде всего, с правильным технологическим решением рудной плавки. Это привело к созданию целой группы новых процессов с использованием тепла горения сульфидов.

Созданные в последнее время способы нуждаются в более детальном изучении их физико-химических основ и аппаратурного оформления. В связи с быстрым развитием автогенных процессов пока не хватает теоретических, технологических и экономических данных о поведении ценных составляющих полиметаллических руд, что затрудняет оценку процессов с позиции повышения комплексности использования сырья.

Разработка и внедрение новых эффективных процессов требуют глубоких знаний химизма и механизма протекания реакций, строения и свойств получающихся расплавов, давлений паров и активностей основных и сопутствующих элементов. Решение вопроса комплексного использования сырья цветной металлургии такхе связано с систематическим изучением поведения сопутствующих компонентов в широком диапазоне управляемых параметров пирометаллургических процессов.

Наиболее подробно изучено поведение свинца и цинка — основных спутников меди в сульфидных медных и полиметаллических концентратах и имеются надежные данные по распределению этих металлов между продуктами плавки. Что же касается других, особенно летучих Bl у Тв 9/Ре), то это1^у вопросу было уделено значительно меньше внимания и поэтому в литературе в ряде случаев даже отсутствуют экспериментальные данные, необходимые для оценок распределения этих элементов по продуктам плавки.

В связи с этим в данной работе ставилась задача детального изучения поведения таких летучих компонентов, как сурьма, мышьяк, висмут и теллур путем изучения рада равновесных закономерностей процесса их возгонки из штейновых расплавов и распределения этих элементов в условиях опытных плавок сульфидных медных концентратов.

Экспериментальное исследование термодинамических параметров и свойств компонентов может помочь вовлечь в переработку новые типы сырья, определить оптимальное технологическое решение переработки полиметаллического оырвя, обеспечивающее высокое изв^ лечение ценных сопутствующих элементов и предотвращающее загрязнение окружающей среды.

Как известно, изучение штейновых и шлаковых расплавов связано с определенными трудностями из-за. высокой температуры плавления, химической активности и летучести некоторых составляющих компонентов. Для этой цели применяются различные методики в за-* висимости от целей исследований и свойств самих расплавов. Для исследования процесса испарения бинарных соединений и летучих компонентов сульфидных расплавов в данной работе применен метод высокотемпературной масс-опектрометрии, который отвечает возросшим требованиям к анализу паровой фазы. Метод обладает высокой чувствительностью, селективностью и универсальностью, позволяет исследовать термодинамические свойства штейновых расплавов в широком диапазоне концентраций в них летучих компонентов.

Изучение поведения указанных выше летучих элементов о опрев делением степени их возгонки из медьсодержащего сульфидного сырья проводилось в укрупненно-лабораторном масштабе в условиях циклонно-электротермической плавки шихты Балхашского горно-металлургического комбината (БГМК), на богатый штейн и черновую медь. Для этой цели была использована цшслонно-электротермичес-кая установка опытно-экспериментального металлургического цеха ИМО АН Каз.ССР.

— 7.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ ii.

1. Разработан и испытан новый источник ионного пучка с охлаждаемой ионизационной камерой, позволившей значительно снизить фоновую интенсивность таких постоянных компонентов газовой фазы, как азот, кислород, ртуть, вода, сера. Данная конструкция показала высокую стабильность и надежность в работе и может быть предложена для высокотемпературных исследований.

2. Исследованы состав и парциальные давления пара над Р£0 в интервале температур 1200−1350 К и над СсСО в интервале температур II00-I260 К и установлено, что в области низких температур наблюдается хорошее совпадение полученных экспериментально величин с литературными данными.

3. Впервые изучено испарение /в., установлен инконгру-энтный механизм испарения и показано, что в процессе испарения состав жидкой фазы обедняется по теллуру и достигает состава.

5⁷, Zs., который испаряется конгруэнтно. Определены термодинамические характеристики метастабильного соединения 7h.

4. Масс-спектрометрическим методом исследован процесс сублимации CoL/e. в интервале температур 1100−12⁰ К, впервые получен излом на зависимости + Т) — f (т), указывающий на твердофазные превращения в CctTe при / =1193+.

5 К.

5. Статическим методом закалки равновесия получено парциальное давление пара над СсСТе. при температурах выше фазового перехода и установлен инконгруэнтный характер испарения.

ГЛАВА Ш.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЛЕТУЧИХ.

КОМПОНЕНТОВ ШТЕЙНА.

Исследования термодинамических параметров летучих компонентов штейна проведены на синтетических образцах при температуре 1423 К. Ранее в работе /77/ был проведен масс-спектрометрический анализ паровой фазы над полусернистой медью, сульфидом железа и псевдобинарным расплавом при 1373 К, Показано наличие ионов S* }? + при этом интенсивность ионных токов составила менее 1% от интенсивности иона Ионов меди и железа в масс-спектре паровой фазы не обнаружено, поэтому принимаем, что газовая фаза над данными системами состоит только из паров серы, равновесное давление которой определяет ее активность в штейне. Рассчитанное в работе /77/ ориентировочное равновесное р т давление серы составляет 5-'3"I0 — 2,7. 10 Па.

Необходимо отметить, что в начальный период экспозиции при повышении температуры печи, наблюдается рост сигнала который затем несколько снижается. Синтез образцов проводился с небольшим избытком серы от эквиатомарного соотношения металл-сера, поэтому повышение фонового сигнала объясняется термической диссоциацией системы с потерей серн. При этом состав образцов смещается к составу, которому отвечает минимум ее парциального давления и ионный ток снижается. А.

3.1. Синтез образцов для исследования.

Для синтеза штейнов, исследованных в работе, использованы элементарная сера, карбонильное железо, электролитная медь, висмут, сурьма, теллур и мышьяк марки «о.с.ч.». Синтез материалов проводили сплавлением элементов в стехиометрическом соотношении с небольшим избытком серы, в двойных кварцевых ампулах, эвакуировано ных до остаточного давления 2.66*10 Па. Для предотвращения окисления металла в результате диффузии кислорода через кварц между ампулами помещали титановый геттер. Ампулы помещали в вертикальную печь сопротивления, и постепенно поднимая температуру, выдерживали 12 часов при 650 К, для полного протекания реакции сульфидирования металлов. После этого температуру поднимали до 1470 К и выдерживали образцы 6 часов для гомогенизации, а затем закаливали на воздухе.

Синтезированные образцы представляли собой поликристаллические слитки. Поверхность образцов покрывалась волосовидной медью. Выделение меди при кристаллизации сульфидных расплавов объясняется распадом метастабильного борнитного расплава, устойчивого при температуре выше 1123 К /95/. Перед загрузкой ячейки образцы измельчались с целью усреднения состава. Состав синтезированных штейнов приведен в табл.3.1.

3.2. Испарение, висмута из штейновых расплавов.

Исследования процессов испарения висмута, сурьмы и теллура из сульфидных расплавов проводились ранее описанным методом изотермической выдержки при 1423 К. При подъеме температуры и изотермической выдержке проводилась регистрация ионных токов компонентов. Остаточное содержание летучего металла определялось химическим анализом остатка от опыта.

При масс-спектрометрическом анализе паровой фазы над штейнами 1−3 (табл.3.I) были зарегистрированы следующие металлсодержащие ионы: BlS ^д* рис. 3.1. представлена характерная зависимость интенсивности ионного тока от времени экспо.