способ выплавки меди и медных сплавов

Формула изобретения

1. Способ рафинирования меди и медных сплавов, включающий расплавление шихты в печи с крышкой, подачу к поверхности постоянно перемешиваемого расплава газообразного окислителя и последующее восстановление расплава, отличающийся тем, что в качестве газообразного окислителя используют водяной пар, подаваемый через фурму со скоростью 1-2 м³/ч и с расходом 4-6 м³ на тонну расплава.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что водяной пар подают через фурму, расположенную на расстоянии не более 30-50 мм от поверхности расплава.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что поверхность крышки печи экранируют со стороны расплава такими материалами, как графит, асбест или угольный порошок.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в шихту после расплавления вводят лигатуру Cu-P.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к металлургическому способу выплавки меди и медных сплавов.

Постоянный рост цен на тяжелые цветные металлы (катодные медь, никель, цинк и т.д.) привели к тому, что в настоящее время их выплавку проводят с вовлечением в состав шихты ломов низкого качества. Это обеспечивает снижение себестоимости продукции, а также способствует утилизации металлургического лома. Однако, при этом возникает необходимость снижения концентрации содержащихся в шихте примесей, прежде всего таких, как: олово, свинец железо, никель, цинк и т.п.

Известен процесс непрерывного ведения плавки и рафинирования вторичной и/или окисленной меди в вертикальной шахтовой печи, включающий загрузку и расплавление шихты, непрерывное удаление образующегося шлака с поверхности расплава; введение в расплав флюсовых добавок, перемещение расплавленной меди в резервуар для окисления, где поверхность расплава снова освобождают от шлака, а сам расплав насыщают кислородом; подачу расплава в резервуар для восстановления, где содержание кислорода уменьшают. Затем расплав пропускают через керамические пенные фильтры и разливают в аноды пригодного качества (патент США №4315775, С 22 В 15/14, опубл. 16.02.1982).

В другом известном способе рафинирование загрязненной расплавленной меди проводят продвижением ее по конвейеру, последовательно пропуская через восстановительную и окисляющую зоны. В восстановительной зоне в направлении, противоположном потоку медного расплава, подают топливо и первый кислородосодержащий газ с содержанием кислорода меньше стехиометрического, получая горячий восстанавливающий газ. В окисляющей зоне расплав меди вначале приводят в контакт со вторым кислородосодержащим газом, который затем реагирует с негорючим топливом, поступающим в зону окисления. Особенностью способа является то, что подача второго кислородсодержащего газа на поверхность ванны производится вертикально через ускоряющее сопло со скоростью 1-3 Мах и давлением 10-20 кПа/см². При этих условиях образуется энергетически богатая вращающаяся струя тор-типа. С ее зарождением в пространстве печи образуется определенная конвективная система, имеющая размер в перпендикулярном к струе направлении 0,34-0,85 м и на глубину, значительно меньше указанного размера (патент США №4127408, С 22 В 15/00, опубл. 28.11.1978).

Данные способы позволяют существенно снизить содержание в меди примесей Sn, Pb, Fe, Ni, Zn и т.п., однако процессы проходят с образованием шлака, что требует периодического удаления его с поверхности расплава. При этом возникают потери меди, которая содержится в шлаке в виде окиси. Кроме того, способы являются многостадийными и довольно сложными в осуществлении.

Наиболее близким к заявляемому является способ очистки меди и медных сплавов, которые могут содержать в качестве примесей такие элементы, как Pb, Ni, Sb, S, Bi. As, а также Sn, Fe, Zn. Данный способ предусматривает несколько последовательных стадий. Сначала производят расплавление исходного сырья; затем проводят подачу воздуха на поверхность расплава, увеличивая концентрацию кислорода в расплаве до 500 ppm (0,05 мас.%) и выше. За счет этого происходит окисление, по крайней мере, таких примесей, как Sn, Fe, Zn и переход их в шлак. На следующем этапе в расплав вводят Fe, Мn или их окислы в количестве 10-50000 ppm (0,0001-5 мас.%) к весу расплава для окисления Pb, Ni, Sb, S, Bi и As с образованием шлака. В процессе окисления примесей расплав перемешивают. Шлак, который находится в твердой или полужидкой фазе, удаляют из расплава. Перед удалением шлака его подвергают нагреву до температуры выше точки плавления Сu₂О для восстановления меди и возврата ее в расплав. Для облегчения удаления шлака добавляют SiO₂ и Аl₂O₃, которые притягивают к себе шлак. Затем расплав подвергают восстановлению за счет добавления на поверхность древесного угля и подачи в расплав инертного газа (патент США №5364449, С 22 В 15/14, опубл. 15.11.1994).

Данный способ позволяет получить медный сплав с содержанием каждой примеси (из указанных выше) на уровне 20 ppm (0,002 мас.%). Процесс также проходит с образованием шлака, в связи с чем вводятся дополнительные операции по восстановлению из него меди и удалению шлака с поверхности расплава.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение степени очистки расплава от таких примесей, как Ni, Zn, Fe, Pb. Другим техническим результатом является обеспечение практически бесшлакового процесса, что позволяет избавиться от операций по удалению шлака, а также от дополнительных операций по восстановлению меди из шлака. Процесс является более простым и экономически эффективным.

Технический результат достигается тем, что в известном способе выплавки меди и медных сплавов, включающем расплавление шихты в печи с крышкой, подачу на поверхность постоянно перемешиваемого расплава газообразного окислителя и последующее восстановление расплава, согласно изобретению, в качестве газообразного окислителя используют водяной пар, подаваемый через фурму со скоростью 1-2 м³/ч, причем расход водяного пара составляет 4-6 м³ на тонну расплава.

В частном случае реализации изобретения водяной пар подают через фурму, расположенную на расстоянии не более 30-50 мм от поверхности расплава.

В другом частном случае реализации изобретения поверхность крышки печи экранируется со стороны расплава такими материалами, как графит, асбест или угольный порошок.

Еще в одном частном случае в шихту после ее расплавления вводят лигатуру Cu-Р.

Сущность изобретения заключается в том, что при подаче водяного пара к поверхностным слоям расплава происходит образование гидроксидов металлических примесей и молекулярного водорода. Затем гидроксиды под воздействием высокой температуры (1250-1350С) разлагаются на пары металлов и воды, которые выносятся из пространства печи в атмосферу. С другой стороны, медь и металлические примеси, частично находящиеся на поверхности расплава в виде окислов, восстанавливаются молекулярным водородом, что препятствует их переходу в шлак. При заявляемых скоростях подачи водяного пара к поверхности расплава и его удельном расходе удалось повысить степень очистки расплава от металлических примесей Ni, Zn, Fe, Pb примерно на порядок по сравнению с прототипом. Были созданы условия для осуществления практически бесшлакового процесса.

При скорости подачи водяного пара менее 1 м³/ч процесс становится мало производительным. Расход водяного пара менее 4 м³ на тонну расплава недостаточен для достижения необходимой степени очистки. В процессе плавления при этом происходит частичное окисление расплава с образованием окислов основного металла и примесей, формирующих плавильный шлак.

При скорости подачи водяного пара более 2 м³/ч происходит более глубокое его проникновение вглубь расплава, что затрудняет вывод летучих продуктов реакции со струей воздуха из пространства печи и ухудшает рафинирование расплава от примесей. Кроме того, при таких режимах обработки расплава паром образуются “всплески” и мелкие брызги жидкого металла, способствующие формированию и росту шлаковой фазы на поверхности расплава. Расход более 6 м³ экономически нецелесообразен, так как не приводит к улучшению результата.

При расстоянии фурмы над расплавом 30-50 мм обеспечивается наиболее эффективное взаимодействие водяного пара с поверхностными слоями расплава без образования “всплесков”.

Экранировка крышки асбестом, графитом или угольным порошком позволяет снизить тепловые потери за счет нагрева крышки.

В процессе эксплуатации печи время от времени в расплав шихты вводят лигатуру Cu-Р для восстановления содержащихся в расплаве оксидов примесей. Это позволяет значительно уменьшить осаждение таких окислов в каналах индукционной канальной печи в виде шлаковых отложений.

Заявляемая совокупность существенных признаков, а также ее влияние на достигаемый технический результат не известна из источников информации.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими примерами, которые, однако, не исчерпывают всех возможностей осуществления изобретения, охарактеризованного совокупностью признаков, приведенной в формуле изобретения.

Пример 1

Расплав меди готовят в индукционной канальной печи типа ИЛК-1,6. В качестве основной шихты используют слитки меди с большим содержанием примесей посторонних металлов. Контроль температуры расплава в течение всего процесса осуществляют при помощи Pt/Pt-Rh термопары. Для определения химического состава исходного и полученного металла использовались методы атомно-эмиссионной спектрометрии, рентгено-спектрального, атомно-абсорбционного и химического анализов.

Как видно из представленной на фигуре схемы, обработку расплава (1) производят при помощи специальной фурмы (2), которую устанавливают в печи (3). Фурма (2) представляет собой заваренный на концах патрубок с отверстиями (4) различного диаметра по всей его длине. Высоту установки фурмы над расплавом регулируют зажимом (5). Снижение тепловых потерь, связанных с нагревом крышки печи (6), обеспечивает изоляция ее внутренней поверхности, например, листовым асбестом (7). Контроль над процессом осуществляется через смотровое окно (8) в крышке печи.

Внешне устройство представляет собой перевернутую букву Т и выполнено из металлических трубок диаметром не менее 25 мм. В верхнюю трубку (9) ввинчивается стальной наконечник (10) для закрепления резинового шланга (11) для подачи водяного пара.

Отходы меди марки М3 массой 5 тонн с содержанием примесей (мас.%): Рb 0,2563, Sn 0,1645, Fe 0,0592, Zn 0,2563 и Ni 0,0592 расплавляют в индукционной канальной печи типа ИЛК-1,6. Затем с использованием представленного на фигуре устройства осуществляют обработку расплава водяным паром. Для этого фурму устройства устанавливают на расстоянии 50 мм над расплавом и через нее осуществляют непрерывную подачу водяного пара к поверхности расплава со скоростью примерно 1 м³/ч в течение 4 ч. Процесс (аэрация расплава) ведется при постоянном индукционном перемешивании расплава. После обработки расплава водяным паром его выдерживают под слоем древесного угля высотой около 50 мм для раскисления расплава.

Пример 2

Медные отходы марки М2 массой 5 тонн с содержанием примесей, мас.%: Рb 0,2679, Sn 0,1196, Fe 0,1439, Zn 0,1508 и Ni 0,0313 расплавляют в индукционной канальной печи типа ИЛК-1,6. Затем с использованием вышеуказанного устройства, осуществляют непрерывную подачу водяного пара через фурму, которая установлена на расстоянии 30 мм над расплавом. После установления скорости подачи водяного пара 1,2 м³/ч, расплав обрабатывают (аэрируют) паром в течение 5 ч. После аэрации расплава водяным паром проводят его раскисление под слоем древесного угля высотой около 50-60 мм.

Пример 3

Медные отходы марки М2 массой 5 тонн с содержанием примесей, мас.%: Рb 0,44, Sn 0,2456, Fe 0,23, Zn 0,9 и Ni 0,065 расплавляют в индукционной канальной печи ИЛК-1,6, крышка которой изнутри экранируется графитом, асбестом или угольным порошком. Затем с использованием вышеуказанного устройства, фурма которого установлена на расстоянии 40 мм над расплавом, осуществляют непрерывную подачу водяного пара со скоростью примерно 1,2 м³/ч в течение 4 ч. При этом с помощью индукционного перемешивания обеспечивается однонаправленное движение металла. После аэрации расплава водяным паром проводят его раскисление под слоем древесного угля высотой около 50-60 мм.

Пример 4

Отходы мельхиора марки МН-19 массой 5 тонн с содержанием примесей, мас.%: Рb 0,3252, Sn 0,1232, Fe 0,045, Zn 1,2 расплавляют в индукционной канальной печи ИЛК-1,6. Затем в расплав вводят лигатуру типа Cu-Р для уменьшения осаждения шлака в каналах печи. Используя вышеуказанное устройство, фурма которого установлена на расстоянии 35 мм над расплавом, осуществляют непрерывную подачу водяного пара со скоростью примерно 1,5 м³/ч в течение 3,5 ч. При этом обеспечивают однонаправленное движение металла с помощью индукционного перемешивания. После аэрации расплава водяным паром проводят его ракисление под слоем древесного угля высотой около 50 мм.

Состав меди и медных сплавов, полученных при различных режимах проведения процесса, представлен в таблице. Последние два примера относятся к условиям проведения процесса, не соответствующим заявляемым.

Как видно из таблицы, непрерывная обработка водяным паром расплава меди или медных сплавов при заявляемых режимах позволила получить содержание металлических примесей Ni, Zn, Fe, Pb на уровне (мас.%) не более 0,0008 каждой, по Sn 0,0015. При этом возрастает содержание меди в расплаве, которое обусловлено, по-видимому, ее восстановлением из оксидов.

Таким образом, заявляемый способ позволяет повысить степень рафинирования меди и медных ломов от примеси железа, свинца, цинка и никеля. При этом степень рафинирования расплава от олова достигается не хуже, чем в прототипе. Кроме того, процесс рафинирования проходит практически без образования шлака, что приводит к его упрощению, так как устраняет операции периодического снятия шлака и операции дополнительного восстановления меди из шлака с целью снижения ее потерь. Процесс является производительным и экономически эффективным.