1. Введение
Пирометаллургическая выплавка меди остается доминирующим методом первичного рафинированного производства меди, на который приходится более 80% мировых мощностей. В этом процессе медно-сульфидные концентраты (в основном халькопирит, CuFeS₂) преобразуются в высокочистую катодную медь (≥99,99% Cu) посредством ряда высокотемпературных металлургических операций. В данной статье подробно описана основная интегрированная технологическая схема, включающая плавку в импульсном режиме, конвертацию, анодную рафинировку и электролитическую рафинировку.
2. Приготовление и смешивание концентрата
Медные концентраты (25-35% Cu) доставляются наливными судами и хранятся в закрытых складах. Содержание влаги обычно составляет 8-12%, и его необходимо снизить до ≤0,3% с помощью вращающихся печей или сушилок с псевдоожиженным слоем, чтобы предотвратить взрывы и чрезмерное потребление энергии при последующей плавке.
Сухой концентрат смешивается с флюсами (кварц, известняк), оборотными рудами и конвертерным шлаком в точно контролируемых пропорциях. На современных заводах используются автоматизированные дисковые питатели и системы тензодатчиков, обеспечивающие точность смешивания в пределах ±0,5%.
3. Быстроплавка
Плавка в мгновенном режиме — это самая передовая технология обработки медно-сульфидных концентратов, представленная в мире плавильными печами Outotec (ныне Metso) и разработанными в Китае кислородно-поддувными печами.
3.1 Принцип процесса
Сухой концентрат впрыскивается в горячий, обогащенный кислородом воздушный поток (концентрация кислорода 75-90%) при температуре 850-950°C. Реакции (сушка, окисление, образование шлака и штейна) завершаются за 3-5 секунд, при этом теплота реакции поддерживает автотермический режим работы. Ключевые реакции включают: 4CuFeS₂ + 9O₂ → 4CuS + 2Fe₂O₃ + 8SO₂; 2FeS + 3O₂ + 2SiO₂ → 2FeO·SiO₂ + 2SO₂
3.2 Ключевое оборудование
- Реакционная шахта: высота 11-14 м, диаметр 7-9 м, облицована высококачественным магнезито-хромовым кирпичом и имеет медные водяные рубашки.
- Отстойник и приемная шахта: гравитационное разделение штейна (65-75% Cu) и шлака.
- Котел-утилизатор тепла: использует теплоемкость отходящих газов с температурой около 550 °C для выработки пара.
- Соотношение кислорода к концентрату: 1,15-1,25 Нм³ O₂/т сухого концентрата
- Температура реакционного вала: 1250-1300°C
- Матовая температура: 1180-1220°C
- Соотношение Fe/SiO₂ в шлаке: 1,1-1,4, содержание меди в шлаке ≤0,6%.
3.3 Критические параметры управления
Производительность одной плавильной печи достигает 4000-5500 т/сутки концентрата при термическом КПД >98% и почти 100% улавливании SO₂.
4. Преобразование
Штейн подается через электрически нагреваемые желоба или ковши в конвертеры Пирса-Смита или печи непрерывного действия.
4.1 Стадия шлакообразования
Для окисления сульфида железа подается воздух, обогащенный кислородом (25-35% O₂). Шлак, содержащий 2-8% Cu, удаляется и возвращается в плавильную печь.
4.2 Этап производства меди
Продолжительная продувка окисляет Cu₂S до пузырчатой меди (98,5-99,3% Cu) при температуре 1180-1230°C.
5. Огневая рафинировка в анодной печи
Пузырчатая медь загружается в стационарные или наклонно-анодные печи объемом 50-500 тонн для окислительно-восстановительной рафинировки.
5.1 Стадия окисления
Воздушные или кислородные фурмы удаляют остаточные Fe, Ni, As, Sb и Bi в виде плавающего шлака.
5.2 Этап уменьшения
Содержание кислорода снижается до 150-300 ppm с использованием природного газа, дизельного топлива или деревянных столбов. Очищенная медь отливается в аноды массой 300-450 кг (содержание меди ≥99,0%).
6. Электролитическая очистка
Аноды размещаются в электролитических ячейках с исходными свинцовыми или титановыми заготовками в качестве катодов в электролите CuSO₄-H₂SO₄.
6.1 Условия эксплуатации
- Плотность тока: 220-320 А/м²
- Напряжение элемента: 0,22–0,32 В
- Температура электролита: 60-65°C
- Cu²⁺: 40–55 г/л, свободная H₂SO₄: 150–220 г/л.
6.2 Электрохимические реакции
Растворение на аноде: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻ Более благородные элементы (Au, Ag, Se, Te) попадают в анодный шлам; менее благородные элементы переходят в раствор. Катодное осаждение обеспечивает выход меди ≥99,993%, соответствующей требованиям LME Grade A.
7. Обработка отходящих газов и контроль окружающей среды.
Газы, обогащенные SO₂, из плавильных печей, конвертеров и анодных печей охлаждаются, обеспыливаются и перерабатываются на установках двойного контакта для получения кислот, обеспечивая степень извлечения серы >99,8%. Содержание SO₂ в отходящих газах значительно ниже 100 мг/Нм³. Мышьяк, ртуть и другие тяжелые металлы удаляются с помощью специализированных процессов.
8. Заключение
Современная пирометаллургия меди достигла высокой непрерывности, автоматизации и экологической эффективности. Интегрированные технологические схемы плавки в потоке – непрерывного конвертирования – анодной рафинировки – электрорафинирования обеспечивают общий выход меди >98,5% и удельное энергопотребление 280-320 кг условного топлива/т катода, что является мировым эталоном. Продолжающиеся разработки в области обогащения кислородом, технологий непрерывного производства меди и цифрового управления технологическими процессами будут способствовать дальнейшему повышению эффективности и устойчивости.
Дата публикации: 22 декабря 2025 г.