Resursele si productia de metale, Tehnologii de obtinere a cuprului

CAPITOLUL I

1. Resursele si productia de metale

Descoperirea metalelor a reprezentat un pas important in istoria civilizatiei umane. De-a lungul anilor tehnologiile de extragere, rafinare si prelucrare a metalelor au cunoscut perfectionari importante reusindu-se astfel valorificarea metalelor din materii prime din ce in ce mai sarace in metal util din punct de vedere al extractiei.

In principal metalele se gasesc in minereurile din scoarta terestra, dar se gasesc si in apa de mare sau in nodulii oceanici sau marini care reprezinta resurse importante de metale pentru viitor. Spre exemplu, magneziul poate fi extras din apa de mare, iar Mn, Ca, Mo, Fe si Cu pot fi obtinute prin prelucrarea nodulilor oceanici.

Cele mai raspandite elemente din scoarta terestra sunt Al, Fe, Ca, Na, Mg si Ti in diferite proportii:Al=7, 51%;Fe=4, 7%;Ca=3, 39%;Na=2. 64%;Mg=1. 94% etc. In zacamintele naturale metalele se gasesc sub forma de sulfuri sau oxizi si mai rar in forma nativa.

1. 1. Tehnica extragerii si prelucrarii metalelor

In tehnologia de extragere a metalelor prima etapa o constituie prepararea minereurilor prin operatiile metalurgice cum sunt:concasarea, clasarea si concentrarea minereurilor prin flotatie pentru obtinerea concentratelor cu un continut ridicat de metale utile.

Minereurile cu granulatie fina sunt supuse aglomerarii, brichetarii sau politizarii in vederea cresterii mecanice si porozitatii precum si a maririi granulatiei.

A doua etapa consta in extragerea metalelor sau aliajelor din concentrate prin procedee pirometalurgice sau electrometalurgice urmata de rafinarea acestora.

A treia etapa cuprinde deformarea plastica a acestora prin laminare, forjare si extroziune, precum si turnarea in piese si tratamentul termic sau termochimic al acestora.

CAPITOLUL II

2. Tehnologii de obtinere a cuprului

2. 1. Resurse de materii prime si caracteristici

Principalele tari cu rezerve insemnate de minereuri cuprifere sunt:

S. U. A. :2600 mil tone minereu cu 0, 25-11, 5%Cu;

Canada :100 mil tone minereu cu 0, 5-9%Cu;

Chile:300 mil tone minereu cu 1, 35-3, 5%Cu;

Polonia:200 mil tone minereu cu 2%Cu.

In tara noastra rezervele importante de cupru se gasesc in bazinul Maramuresilui, in Moldova Noua, Rosia Poienii, Lesu UCrsului etc.

Cuprul este un metal care cristalizeaza in sistem cfc si care are urmatoarele proprietati:

-greutate atomica 63, 57;

-densitatea la 20^oC 8, 94 kg/dm³;

-temperatura de topire 1083^oC;

-temperatura de fierbere 2325^o

-vascozitatea la 1145^oC 0, 0341p;

-conductibilitatea termica la 20^oC 3, 87/cm∙sec∙grad^oC;

-conductibilitatea electrica la 20^oC 0, 594∙10^-6Ω^-1∙cm^-1.

2. 2. Tehnologii metalurgice de obtinere a cuprului

Cele mai raspandite tehnologii de obtinere a cuprului din minereuri sulfuroase sunt:

a. )topirea in cuptor cu reverberatie (adica in cuptoare cu vatra si flacara);

b. )topirea in suspensie (tehnologia OUTOKUMPU si INCO);

c. )lesierea acida si amoniacala.

In practica prelucrarea concentratelor sulfuroase de cupru se realizeaza conform schemei tehnologice din figura 2. 1.

La topirea pentru mata in prealabil concentratele de cupru se supun operatiei de uscare in doua trepte:dupa prima uscare rezulta un concentrat cu 5-6% apa, iar dupa treapta a doua de uscare rezulta un concentrat cu 0, 1-0, 2% apa care este apoi supus operatiei de topire cand rezulta:

-mata cu un continut de 40-70%Cu;

-zgura formata din oxizi cum sunt:FeO, SiO₂, CaO, Al₂O₃, MgO etc.

Fig. 2. 1. Fluxul tehnologic de prelucare a concentratelor de cupru

Mata este un amestec de sulfuri de Cu₂S si FeS in proportie de 80-90%, restul fiind PbS, ZnS, Ar₂S₃, Sb₂S₃ si mici cantitati de oxizi. Continutul de cupru din mata atinge 30-70%Cu.

Zgura este un amestec de oxizi de FeO, Fe₃O₄, SiO₂, CaO in proportii de 80-90% restul fiind Al₂O₃, MgO, PbO, ZnO, Cu₂O si mici cantitati de sulfuri.

Convertizarea consta in insuflarea aerului sau a oxigenului in mata lichida pentru oxidarea totala sau partiala a sulfurilor de cupru in vedera realizarii conditiilor optime a operatiei de topire cu reactie in urma careia rezulta cupru lichid sau cupru negru de convertizor .

Produsele convertizarii sunt:cupru de convertizor, zgura, gazele tehnologice si prafurile volatile.

Cuprul de convertizor contine 97. . . 98%Cu si Pb, Zn, Ar, Sb ca impuritati.

Rafinarea electrolitica are ca scop obtinerea coprului electrolitic de puritate ridicata 99, 999%Cu si recuperarea metalelor nobile si rare (Au, Ag, Se, Te, In, Pd etc).

Produsele rezultate din operatii de rafinare electrolitica sunt cuprul electrolitic si namolul anodic, acesta din urma fiind prelucrat prin operatia de afinare in vederea extragerii aurului si argintului.

2. 3. Rafinarea termica a cuprului

Cuprul negru de convertizor contine o serie de impurutati care influenteaza negativ proprietatile fizico-mecanice si electrice ale acestuia. Dintre aceste impuritati se remarca Ar, Sb, Fe, Bi, Zn, Pb precum si metale nobile si rare (Au, Ag, Se, Te, Pd, Pt, In etc).

Rafinarea termica se desfasoara in cuptoare cu vatra sau rotative si procesul are la baza doua operatii respectiv topirea oxidanta a cuprului prin insuflarea aerului tehnologic in baia metalica urmata de procesul de dezoxidare(persaj).

Schema tehnologica de rafinare termica a cuprului este redata in figura 2. 2.

Fig. 2. 2. Schema tehnologica de rafinare termica a cuprului.

Cuptoarele cu vatra pentru rafinarea termica a cuprului au capacitati de prelucrare care pot ajunge pana la 400t/zi si durate ale procesului de rafinare de 12 pana la 20 ore.

Temperatura procesului in perioada de topire poate atinge 1500^oC, iar in perioada de dezoxidare si turnare anozi este cuprinsa in intevalul 1250-1350^oC.

La insuflarea aerului in baia metalica prin intermediul lancilor de insuflare din otel au loc urmatoarele reactii:

2Cu+½O₂=Cu₂O

Cu₂O+Me=2Cu+MeO

in care:Me - reprezinta impuritatile cu afinitate mai mare fata de oxigen decat cuprul (Ar , Sb, Fe, Zn, Pb, Bi etc).

Continutul de O₂ la sfarsitul operatiei de oxidare este practic de 0, 9. . . 1%. La temperatura de 1150-1200^oC o parte din impuritati se zgurifica prin adaus de fondanti cum este cuartul sau calcarul, iar o parte trece in prafuri volatile in special Ar₂O₃ si Sb₂O_3.

Dupa evacuarea zgurii are loc operatia de dezoxidare cu lemn de mesteacan sau gaze reducatoare (CH₄, NH_3, propan, butan). Cuprul astfel obtinut este evacuat printr-un orificiu situat in peretele longitudinal al cuptorului opus peretelui in care se afla usa de alimentare a cuptorului.

Turnarea cuprului in anozi se realizeaza prin intemediul unui jgheab de turnare iar de aici pe masa de turnare tip carusel care dupa solidificare sunt preluati de un mecanism extractor si se introduc in bazinul de racire (cu apa).

Compozitia chimica a cuprului rafinat termic are la baza cuprul 99, 96%;Se 0, 05%;Te 0, 1%;Ar 0, 08%;Sb 0, 01%;Bi 0, 008%;Pb 0, 1%;Fe 0, 07%.

Anozii turnati din cupru au caracteristicile din tabelul 2. 1.

Tabelul 2. 1. Anozii turnati din cupru

Zgura de rafinare termica reprezinta 2-3% din greutatea cuprului si contine aproximativ 20. . . 40%Cu, fiind ulterior recirculata in procesul de convertizare, iar gazele care rezulta de aici sunt supuse desprafuirii in camera de desprafuire (cicloane montate in amonte de filterele electrice ), iar apoi trec in filtrele electrice iar gazele desprafuite trec mai departe la cosul de dispersie.