Металлы и человек - Михаил Васильев

Процесс обжига — это тоже группа химических реакций, в ходе которых из медной руды выгорает сера и место соединений меди с серой занимают окислы меди — ее соединения с кислородом. Чтобы этот процесс шел интенсивнее, руду предварительно измельчают, а на подах печи непрерывно перемешивают.

А нельзя ли распылить и руду в воздухе? Нельзя ли и обжиг осуществлять так же, как производится сжигание каменноугольной пыли?

Оказывается, можно. Для этой цели строят специальные печи, в поды которых встраивают специальные сопла. Сквозь них вдувают нужный для реакций воздух, а сверху насыпают порошок руды. Струи воздуха поддерживают порошок во взвешенном состоянии. Частицы руды непрерывно перемещаются, сталкиваются друг с другом, соприкасаются с огромным количеством воздуха. И, конечно, реакция в этом случае протекает чрезвычайно быстро.

Если заглянуть в печь, в которой происходит такой обжиг, то вы увидите непрерывно волнующуюся поверхность, вроде поверхности ключом кипящей жидкости. Это и есть кипящий слой. Пылинки твердого вещества, пронизываемые потоками газа, ведут себя, как жидкость: так же перетекают через край сосуда, так же сохраняют горизонтальную поверхность, если сосуд нагнуть. Все это позволяет «вливать» подвергаемый обжигу порошок руды в одном месте печи, а «выливать» прореагировавшую шихту в другом.

Кипящий слой подобен жидкости и в других отношениях. Он, например. обладает большой теплопроводностью. В нем, как и в жидкости, происходит интенсивное перемешивание вещества. И то и другое свойства объясняются очень активным движением пылевых частиц.

Вот этот-то кипящий слой и начали применять инженеры для обжига медных руд. И оказалось, что реакция горения колчедана в кипящем слое занимает всего несколько секунд, в то время как в механической печи этот процесс длится несколько часов.

Кипящий слой молод. Лишь немногим более двадцати пяти лет назад нашел он себе первое применение для газификации твердого топлива, но он с каждым днем все шире вторгается во все отрасли промышленности, где надо интенсифицировать реакции между твердым и газообразным веществами. Вот он-то и ставит под вопрос самое существование в будущем многоподовых печей для обжига медных сульфидных руд.

Одно из волшебных свойств кипящего слоя.

От огарков к чистому металлу

После обжига концентрат медной руды вместе с флюсом — известью обычно поступает на плавку в отражательную печь. Отапливаются они пылеугольным жидким или газообразным топливом. Так как газы, уходящие из такой печи, имеют температуру около 1200 градусов, оказалось рентабельным направлять их сразу же в парокотельную установку. От 30 до 45 процентов всего тепла, выделяющегося при сжигании топлива, утилизируется в этой установке.

Из отражательной печи выходят жидкие шлаки и жидкий же продукт— штейн, содержащий около 25 процентов меди. Кроме меди, в штейне обычно находится железо (его здесь не меньше, чем меди), сера (ее почти треть), серебро, золото, никель и т. д.

Шлаки направляют в отвалы или на переработку в строительные материалы. Ковши со штейном поступают к конверторам, подобным тем, что применяются при бессемеровской переработке чугуна в сталь. Но форма их отлична. Если конверторы для переработки чугуна напоминают формой груши, то конверторы для переработки меди — это скорее положенные на бок бочонки.

И в тех и в других сквозь расплавленный полупродукт продувается воздух, и там и там происходит выгорание примесей. Но, пожалуй, на этом сходство кончается. Начинаются отличия.

Из чугуна з процессе бессемеровской переработки надо выжечь максимум 6–8 процентов различных примесей. В штейне надо удалить 70–80 процентов серы и железа. И, конечно, это нельзя сделать за несколько минут, как при переработке чугуна в сталь. Процесс конвертования штейна длится не менее десяти часов, а нередко и более суток.

Бессемеровская переработка чугуна протекает при температурах порядка 1500 градусов. Переработка штейна идет всего при 1200 градусах. При переработке чугуна шлаков почти не образуется. При переработке штейна шлаков столько, что их несколько раз приходится сливать. И т. д. и т. д.

В процессе переработки штейна содержание серы и железа уменьшается до долей процента. Полученная медь — ее называют черновой— содержит около 98–99 процентов меди и добавки (кроме железа и серы) никеля, мышьяка, свинца, золота, сурьмы, серебра.

Кроме черновой меди, после конвертования получают шлак, грубую и тонкую пыль на пылеосадительных устройствах и газы. Все это — ценные продукты, подвергающиеся дальнейшей переработке. Из газов, содержащих значительные количества окислов серы, вырабатывают серную и сернистую кислоты. Тонкая пыль, улавливаемая в электростатических пылеуловителях, содержит большое количество свинца, цинка и других ценных металлов. Они извлекаются на специальных заводах.

Грубая пыль, осаждающаяся в обычных инерционных пылеуловителях, возвращается в отражательные печи.

Шлаки, содержащие значительные количества меди — до 3 процентов, используются в отражательных печах или переплавляются в печах других типов.

Но, конечно, самым ценным остается черновая медь.

Полтора процента примесей, которые в ней еще содержатся, сильно ухудшают и механические свойства и электропроводность металла. К тому же в этих примесях значительную часть составляют драгоценные металлы. Поэтому медь подвергают сначала огневому рафинированию, затем электролизу. Первый процесс освобождает медь от примесей, второй служит для отделения драгоценных металлов.

Огневое рафинирование осуществляют в отражательных печах. Особенно интересен последний этап этого рафинирования. В ванну с расплавленной медью вводят шесты свежесрубленного дерева. Ровная поверхность металла, с которой только что перед этим удалили весь шлак, вскипает — это поднимаются, перемешивая металл, продукты сухой перегонки— углеводороды, водяной пар и т. д. Этот процесс называется дразнением меди.

После огневого рафинирования медь содержит не более 0,3–0,5 процента примесей. В некоторых случаях каждая тонна меди содержит до 3 кг серебра и 200–300 г золота. Чтобы выделить эти примеси и получить более чистую медь (а мы знаем, что малейшие примеси ухудшают ее электропроводность), медь подвергают электролизу.

Электрический ток переносит ионы меди с анода на катод. Драгоценные примеси — в их числе нередко встречается селен — оседают на дно электрической ванны. Этот осадок называют шламом.

Переработка этого шлама, имеющая целью выделить ценные содержащиеся в нем металлы, сама по себе представляет сложный, многооперационный металлургический процесс. В конце его получают так называемый металл доре — сплав золота и серебра. Разделяют два благородных металла также обычно рафинированием. При этом аноды из металла доре подвешивают в электролите в особых рамках, обтянутых материей. Материя пропускает растворяющееся серебро, но задерживает золотой шлам. Серебро осаждается на катоды — пластины из нержавеющей стали — в виде кристаллического порошка, легко отделяющегося от катода.

В золотом шламе содержится обычно от 60 до 90 процентов золота. Шлам промывают и выплавляют из него аноды для золотого электролиза.

При электролизе золота в раствор переходят еще более драгоценные металлы, содержащиеся в исходной медной руде в ничтожных процентах, в том числе платина и палладий. Осмий, иридий и серебро выпадают в осадок. Эти металлы также получают в чистом виде при дальнейшей переработке.

Редкие металлы — селен и теллур — также содержатся в значительном количестве в шламе электролизной медной ванны.

При обжиге шлама и плавке металла доре селен улетучивается с газами. Его улавливают в специальных пылеуловителях. Эту пыль подвергают специальной переработке. В ходе ее выделяется и теллур.

Очень бегло оглядели мы процессы, связанные с производством меди. И первое, что хочется отметить, — комплексный характер этого производства.

Действительно, побочным продуктом переработки сульфидных руд меди являются газообразные окислы серы — прекрасное сырье для производства серной кислоты, важнейшего химического продукта, имеющего широчайшее применение.

По молекуле перебирает электрический ток слиток рафинируемой меди.

Другим побочным продуктом является тепло отходящих газов отражательных печей. Это киловатт-часы электроэнергии, вырабатываемой из фактически бесплатного источника.

Шлаки, имеющие самое различное применение, шлаки, из которых можно изготовить множество строительных материалов, — это тоже неизбежный продукт выплавки меди.

Шлам электролизной переработки меди, содержащий драгоценные металлы, только стоимость которых полностью окупает весь процесс электролиза, ведь тоже входит в число побочных продуктов или даже, можно сказать, отходов производства меди.