ИТС НДТ 3-2025 Производство меди

Содержание

Введение

Краткое содержание справочника

Предисловие

VII

Область применения

Раздел 1.

Общая

информация

рассматриваемой

отрасли

промышленности

1.1 Общая информация

1.2 Производство меди

1.3 Потребление меди

1.4 Основные экологические проблемы

Раздел 2. Технологические, технические решения и системы

менеджмента, используемые в настоящее время в рассматриваемой

отрасли промышленности

2.1 Системы менеджмента

2.2 Энергетический менеджмент и энергоэффективность

2.3 Предварительная обработка, подготовка и транспортировка

сырья

2.3.1 Размораживание

2.3.2 Сушка

2.3.3 Дробление, измельчение и грохочение

2.3.4 Приготовление шихты

2.3.5 Брикетирование, гранулирование, окатывание и другие

методы компактирования

2.3.6 Снятие покрытий и обезжиривание

2.3.7 Методы сепарации

2.3.8 Системы транспортировки и загрузки

2.4 Производственные процессы

2.4.1 Пирометаллургические технологии производства меди

2.4.2 Электролитическое рафинирование меди

2.4.3 Гидрометаллургические технологии производства меди

2.4.4 Производство катанки

2.4.5 Производство полуфабрикатов из меди и медных сплавов

2.4.6 Производство слитков из меди и медных сплавов

2.4.7 Операции травления

2.4.8 Производство медных электролитических порошков

2.4.9 Производство медного купороса

2.5 Неорганизованные эмиссии

2.5.1 Источники неорганизованных эмиссий

2.5.2 Процессы и методы предупреждения неорганизованных

эмиссий при хранении и обработке исходных материалов

2.5.3 Процессы и методы предупреждения неорганизованных

выбросов и сбора отходящих газов при производстве металлов

2.6 Диоксид серы

2.7 Водопотребление и водоотведение

2.7.1 Основные источники сточных вод

2.7.2 Применяемые процессы и методы очистки сточных вод

2.8

Обращение с отходами, вторичными ресурсами,

полупродуктами и побочными продуктами

2.8.1 Процессы и методы, применяемые при обращении с

остаточными продуктами, образующимися при выплавке

металлов

2.8.2 Процессы и методы, применяемые при обращении с

остаточными продуктами, образующимися при работе

газоочистного оборудования

2.8.3 Процессы и методы, применяемые при обращении с

остаточными продуктами, образующимися при очистке стоков

2.8.4 Процессы и методы, применяемые при обращении с

остаточными продуктами, образующимися при реализации

гидрометаллургических и электролитических процессов

получения цветных металлов

Раздел 3. Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссии в

окружающую среду

3.1 Текущие уровни потребления топливно-энергетических и

материальных ресурсов при производстве меди

3.2 Эмиссии и потребление ресурсов

104

3.2.1 Входные и выходные материальные потоки при

пирометаллургической переработке медного сырья

104

3.2.2 Выбросы в атмосферу

107

3.2.3 Сбросы в водные объекты

112

3.2.4 Определение маркерных веществ при производстве меди

113

3.2.5 Обращение с отходами, вторичными ресурсами,

полупродуктами и побочными продуктами

120

Раздел 4. Определение наилучших доступных технологий

121

Раздел 5. Наилучшие доступные технологии

123

5.1 Общее повышение экологической результативности

123

5.1.1 Системы экологического менеджмента (СЭМ)

123

5.1.2 Эффективное использование энергии

123

5.1.3 Управление технологическими процессами

125

5.1.4 Использование вторичного сырья

127

5.2 Предотвращение и снижение эмиссий

127

5.2.1 Неорганизованные эмиссии

127

5.2.2 Выбросы в атмосферный воздух

134

5.2.3 Охрана почвы и подземных вод

141

5.2.4 Сбросы загрязняющих веществ в водные объекты

141

5.3

Обращение с отходами, вторичными ресурсами,

полупродуктами и побочными продуктами

143

5.4 Краткие описания применимых природоохранных технологий

144

5.4.1 Сокращение и предупреждение выбросов в атмосферу

144

5.4.2 Сокращение и предупреждение сбросов в водные объекты

.......................................................................................................................... 149

5.4.3 Прочие технологии

150

III

Раздел 6. Перспективные технологии

151

6.1 Энергоменеджмент и энергия

151

6.2 Неорганизованные эмиссии

152

6.3 Улавливание выбросов пыли

153

6.4 Выбросы органических соединений

153

6.5 Сокращение выбросов NOx

153

6.6 Охрана почвы и подземных вод

153

6.7 Сбросы сточных вод

153

Заключительные положения и рекомендации

154

Приложение А (обязательное) Основные процессы и технологическое

оборудование

155

Приложение Б (обязательное) Перечень маркерных веществ, для

которых устанавливаются технологические показатели

233

Приложение В (обязательное) Перечень технологических показателей

.................................................................................................................................... 234

Приложение Г (обязательное) Перечень НДТ

237

Приложение Д (обязательное)

Ресурсная и энергетическая

эффективность

239

Приложение Е (обязательное) Заключения по наилучшим доступным

технологиям

244

Библиография

251

Введение

Настоящий справочник НДТ представляет собой документ по

стандартизации, разработанный в результате анализа технологических,

технических и управленческих решений, применяемых при производстве меди.

Справочник НДТ разработан взамен справочника НДТ ИТС

3-2019

«Производство меди» в соответствии с Распоряжением Правительства РФ

от 10.06.2022 г. № 1537-р «Об утверждении поэтапного графика актуализации

информационно-технических

справочников

по

наилучшим

доступным

технологиям» [1].

Термин «наилучшие доступные технологии» определен в статье

Федерального закона № 7 - ФЗ [45], согласно которому «НДТ - это технология

производства продукции (товаров), выполнения работ, оказания услуг,

определяемая на основе современных достижений науки и техники и наилучшего

сочетания критериев достижения охраны окружающей среды при условии наличия

технической возможности ее применения».

Краткое содержание справочника

Введение. Во введении приводится краткое содержание справочника НДТ и

обзор законодательных документов, использованных при его разработке.

Предисловие. Указаны цель разработки справочника НДТ, его статус,

законодательный контекст, приведено краткое описание процедуры разработки в

соответствии с установленным порядком, а также взаимосвязь с аналогичными

международными документами.

Область применения. Описаны основные и дополнительные виды

деятельности, на которые распространяется действие справочника НДТ, а также

приводится информация о взаимосвязанных видах деятельности, смежных с

охватываемыми ИТС НДТ.

В разделе 1 представлена информация о состоянии и уровне развития в

Российской Федерации производства меди по основным переделам. Также в

разделе 1 приведен краткий обзор экологических аспектов производства меди.

В разделе 2 представлены сведения о технологических процессах,

применяемых при:

- пирометаллургическом производстве меди;

- гидрометаллургическом производстве меди;

- электролитическом производстве меди;

- производстве медных сплавов и полуфабрикатов;

- вспомогательных производственных процессах.

Для каждой стадии указывают входные и выходные материальные потоки,

основные энергетические потоки, условия реализации процесса или основные

операции, основные эмиссии.

В разделе 3 дана оценка текущих уровней потребления сырья, материалов,

энергетических ресурсов и эмиссий, маркерных веществ, характерных для

производства меди в Российской Федерации.

Раздел подготовлен на основе данных, представленных предприятиями

Российской Федерации в рамках разработки данного справочника НДТ, а также

различных литературных источников.

В разделе 4 описаны особенности подходов, примененных при разработке

данного справочника НДТ и в целом соответствующих Правилам определения

технологии в качестве наилучшей доступной технологии, а также разработки,

актуализации и опубликования информационно-технических справочников по

наилучшим доступным технологиям (утверждены постановлением Правительства

Российской Федерации от 23 декабря 2014 года № 1458 [46]) и Методическим

рекомендациям по определению технологии в качестве наилучшей доступной

технологии.

В разделе 5 приведено краткое описание НДТ для производства меди,

включая:

- системы экологического и энергетического менеджмента, контроля и

мониторинга технологических процессов;

- технические

технологические

решения

для

повышения

энергоэффективности, ресурсосбережения, снижения негативного воздействия на

объекты окружающей среды, методы обращения с отходами, вторичными

ресурсами, полупродуктами и побочными продуктами.

В разделе 6 приведены краткие сведения о новых технологических и

технических решениях (не применяемых в России на момент подготовки

справочника),

направленных

на

повышение

энергоэффективности,

ресурсосбережения, снижение эмиссий загрязняющих веществ, эффективное

обращение с отходами, вторичными ресурсами, полупродуктами и побочными

продуктами.

Заключительные положения и рекомендации. Приведены сведения об

источниках информации, используемых для разработки справочника. Содержатся

рекомендации предприятиям по дальнейшим исследованиям экологических

аспектов их деятельности.

Приложения. Приведены перечень маркерных загрязняющих веществ,

перечень технологических показателей, перечень НДТ, сведения о ресурсной (в

том числе, энергетической) эффективности.

Библиография.

Приведен

перечень

источников

информации,

использованных при разработке справочника НДТ.

Предисловие

Цели, основные принципы и порядок разработки информационно-

технического справочника по наилучшим доступным технологиям установлены

постановлением Правительства Российской Федерации от 23 декабря 2014 г.

№ 1458 [46]. Перечень областей применения наилучших доступных технологий

определен распоряжением Правительства Российской Федерации от 24 декабря

2014 г. № 2674-р [47].

1 Статус документа

Настоящий информационно-технический справочник по наилучшим

доступным технологиям (далее - справочник НДТ) является документом по

стандартизации.

2 Разработчик

Справочник НДТ разработан технической рабочей группой № 3 (ТРГ 3)

«Производство меди», состав которой утвержден приказом Минпромторга России

от 7 марта 2025 года № 1127 [48].

3 Краткая характеристика

Настоящий справочник НДТ содержит описание применяемых при

производстве меди технологических процессов, оборудования, технических

способов, методов, в том числе позволяющих снизить эмиссии в окружающую

среду, водопотребление, повысить энергоэффективность, обеспечить экономию

ресурсов, относящихся к областям применения НДТ, определенным

распоряжением Правительства РФ от 24 декабря 2014 г. № 2674-р [46]. Из числа

описанных технологических процессов, технических способов, методов выделены

решения, отнесенные к наилучшим доступным технологиям (НДТ). В справочнике

установлены технологические показатели, соответствующие выделенным НДТ.

Разработка справочника НДТ проводилась в соответствии с порядком

определения технологии в качестве наилучшей доступной технологии, разработки,

актуализации и опубликования информационно-технических справочников по

наилучшим

доступным

технологиям,

утвержденным

постановлением

Правительства Российской Федерации 23 декабря 2014 г. № 1458 «О порядке

определения технологии в качестве наилучшей доступной технологии, а также

разработки, актуализации и опубликования информационно-технических

справочников по наилучшим доступным технологиям» [46].

4 Взаимосвязь с международными, региональными аналогами

Справочник НДТ разработан с использованием справочника Европейского

союза (ЕС) по наилучшим доступным технологиям для предприятий цветной

металлургии (Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Non-

Ferrous Metals Industries) в части общих характеристик производства в цветной

металлургии и характеристик медной подотрасли с учетом особенностей

производства меди в Российской Федерации.

5 Сбор данных

Информация о применяемых на промышленных предприятиях

технологических процессах, оборудовании, об источниках загрязнения

окружающей среды, технологических, технических и организационных

мероприятиях, направленных на снижение загрязнения окружающей среды и

повышение энергоэффективности и ресурсосбережения, была собрана в процессе

VII

разработки справочника НДТ в соответствии с Порядком сбора данных,

необходимых для разработки информационно-технического справочника по

наилучшим доступным технологиям и анализа приоритетных проблем отрасли,

утвержденным приказом Минпромторга России от 18 декабря 2019 г. № 4841 [49].

6 Взаимосвязь с другими справочниками НДТ

Взаимосвязь настоящего справочника НДТ с другими действующими

справочниками НДТ приведена в разделе «Область применения».

7 Информация об утверждении и введении в действие

Справочник

НДТ

утвержден

приказом

Росстандарта

от 15 декабря 2025 г. № 2764.

Справочник НДТ введен в действие с 01 сентября 2026 года, официально

опубликован в информационной системе общего пользования - на официальном

сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в

сети Интернет (www.gost.ru).

VIII

ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК

ПО НАИЛУЧШИМ ДОСТУПНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ

ПРОИЗВОДСТВО МЕДИ

Manufacture of copper

Дата введения -2026-09-01

Область применения

Настоящий справочник НДТ распространяется на следующие основные виды

деятельности:

- производство меди из руд, концентратов или вторичных сырьевых

материалов посредством пирометаллургических, гидрометаллургических,

электролитических процессов;

- выплавка медных заготовок, включая производство сплавов, в том числе из

вторичных продуктов, на плавильных производствах;

- литье, прокат, волочение и прессование в случаях, когда они

интегрированы с производством меди;

- производство медного порошка и медного купороса.

Настоящий справочник НДТ распространяется на методы производства как

первичной¹, так и вторичной² меди.

Справочник НДТ распространяется на следующие процессы, в т.ч. связанные

с основными видами деятельности:

- приемка, хранение и подготовка сырья;

- производственные

процессы

(пирометаллургические,

гидрометаллургические и электролитические);

- методы предотвращения и сокращения выбросов и сбросов;

- обращение с отходами;

- обращение с вторичными ресурсами, полупродуктами и побочными

продуктами;

- хранение продукции.

Справочник НДТ не распространяется на:

- добычу и обогащение медных и полиметаллических руд на

месторождениях;

- производство меди из медно-никелевых сульфидных руд³;

- вопросы,

которые

касаются

исключительно

обеспечения

промышленной безопасности или охраны труда.

¹ Производство первичной меди - производство меди с использованием в качестве сырья руд

или концентратов, полученных обогащением руд.

² Производство вторичной меди - производство меди с использованием в качестве сырья

промежуточных и остаточных продуктов и/или ломов, включая процессы переплавки и производства

сплавов.

³ Наилучшие доступные технологии, маркерные вещества и технологические показатели для

данного вида деятельности определены в ИТС НДТ 12 «Производство никеля и кобальта» (ИТС 12).

Основанием для описания получения меди из сульфидных медно-никелевых руд в ИТС 12 являются

особенности минералогического состава данного вида сырья, обуславливающие комплексное

использование полезных ископаемых в технологии производства никеля, кобальта и меди, включающей

ряд последовательных операций в едином взаимосвязанном производственно-технологическом

процессе.

Вопросы обеспечения промышленной безопасности и охраны труда частично

рассматриваются только в тех случаях, когда оказывают влияние на виды

деятельности, включенные в область применения настоящего справочника НДТ.

Дополнительные виды деятельности при производстве меди и

соответствующие им справочники НДТ приведены в таблице 1.

Таблица

1 - Дополнительные виды деятельности при производстве меди и

соответствующие им справочники НДТ

Вид деятельности

Соответствующий справочник НДТ

Применение методов и управленческих

Повышение энергетической

решений для повышения

эффективности при осуществлении

энергоэффективности при

хозяйственной и (или) иной

осуществлении хозяйственной и (или)

деятельности

иной деятельности на предприятиях

(объектах) I категории

Методы очистки сточных вод,

Очистка сточных вод и выбросов

направленные на сокращение сбросов

загрязняющих веществ при

металлов в водные объекты

производстве продукции (товаров),

проведении работ и оказании услуг на

предприятиях

Промышленные системы охлаждения,

Промышленные системы охлаждения

например градирни, пластинчатые

теплообменники

Хранение и обработка материалов

Сокращение выбросов загрязняющих

веществ, сбросов загрязняющих

веществ при хранении и складировании

товаров (грузов)

Обращение с отходами

Обезвреживание отходов, в том числе

термическими способами. Захоронение

отходов производства и потребления

Выработка пара и электроэнергии на

Сжигание топлива на крупных

тепловых станциях

промышленных предприятиях в целях

производства энергии

Кислотное травление полуфабрикатов

Обработка поверхностей, предметов или

из меди и медных сплавов.

продукции с использованием

органических растворителей

Кислотное травление медной катанки и

Нанесение покрытий на металлы и

полуфабрикатов из меди и медных

пластмассы с использованием

сплавов

электролитических или химических

процессов

Производство меди из сульфидных

Производство никеля и кобальта

медно-никелевых руд

Сфера распространения настоящего справочника НДТ приведена в

таблице 2.

Таблица 2 - Сфера распространения ИТС НДТ

ОКПД 2

Наименование продукции

Наименование вида

ОКВЭД

по ОК 034-2014 (ОКПД)

деятельности по ОКВЭД

Производство

металлургическое

24.4

Металлы основные

Производство основных

24.4

драгоценные и цветные

драгоценных металлов и

прочие; топливо ядерное

прочих цветных

переработанное

металлов, производство

ядерного топлива

24.44

Медь

Производство меди

24.44

24.44.1

Медь необработанная;

штейн медный;

медь цементационная

(медь осажденная)

24.44.11

Штейн медный; медь

цементационная (медь

осажденная)

24.44.11.110

Штейн медный

24.44.11.120

Медь цементационная

(медь осажденная)

24.

44. 12

Медь нерафинированная;

аноды медные для

электролитического

рафинирования

24.44.12.110

Медь нерафинированная

24.44.12.120

Аноды медные для

электролитического

рафинирования

24.44.13

Медь рафинированная

необработанная и сплавы

медные; лигатуры па

основе меди

24.44.13.110

Медь рафинированная

необработанная

24.44.13.120

Сплавы медные

необработанные

24.44.13.130

Лигатуры на основе меди

24.44.2

Полуфабрикаты из меди

или медных сплавов

24.44.21

Порошки и чешуйки медные

24.44.22

Прутки и профили медные

24.44.23

Проволока медная

Раздел 1. Общая

информация

рассматриваемой

отрасли

промышленности

1.1 Общая информация

Медь имеет очень высокую тепловую и электрическую проводимость и

относительно устойчива к коррозии, а также обладает ценными механическими

свойствами - ковкостью и тягучестью. Эти свойства меди определяют ее широкое

применение.

Медь является одним из базовых металлов на Лондонской бирже металлов

(ЛБМ). В связи с этим производство меди базируется на стандарте медных катодов

класса А (содержание меди - 99,95 %), определенном терминологией ЛБМ. В

европейском стандарте на медные катоды EN 1978 [1] используется обозначение

марки Cu-CATH-1, или, в соответствии с новой европейской буквенно-цифровой

системой обозначений, CR001A. В американском стандарте ASTM B115

[2]

используется обозначение Cathode Grade

1. С подробной информацией о

химическом составе меди можно ознакомиться в документе ЛБМ [3].

В Российской Федерации требования к медным катодам и марки катодной

меди установлены в ГОСТ 546-2001 «Катоды медные. Технические условия» [50] и

ГОСТ 859-2014 «Медь. Марки» [51], соответственно. Все отечественные марки

катодной меди предусматривают чистоту металла не менее 99,95 %.

Переработку медного сырья можно производить как пиро-, так и

гидрометаллургическим способом. В мире около

85 % меди производят

пирометаллургическим способом.

Процесс производства меди состоит из нескольких переделов:

- добыча и обогащение руды - концентрат;

- производство черновой меди - черновая медь;

- производство анодной меди - анодная медь;

- рафинирование анодной меди - катодная медь.

Объем сырьевой базы России определяет ее место в числе крупнейших

мировых производителей рудничной продукции. Существующие запасы

медьсодержащих руд в России оцениваются в

100,2 млн т¹. В России

осуществляется полный производственный цикл переработки медных руд. Добыча

и переработка медной руды в России ведется преимущественно ПАО «ГМК

«Норильский никель», АО «Русская медная компания», ООО «Удоканская медь»,

ПАО «Гайский ГОК» и иными добывающими компаниями, в т.ч. теми, для которых

медь является попутным металлом процесса основного производства². Доли

производителей медных концентратов в РФ представлены на Рисунке 1.1.

¹ Медь в руде

² «Непрофильные» производители

Непрофильные

1,6%

Прочие

20,3%

Норильский

Удоканская

никель

медь

42,6%

9,0%

РМК

26,6%

Рисунок 1.1 -Структура производства медного концентрата в РФ по

производителям, 2024 г.¹ [Экспертная оценка]

Основным продуктом обогатительных фабрик, занимающихся обогащением

добытой руды, является медный концентрат. Производство медного концентрата в

2024 году превысило 1 млн т².

Таблица 1.1 - Основные месторождения меди

Запасы на

Содерж

Доля в

Месторождение

Геолого-

01.01.2024, тыс. т

ание Cu

запасах

(субъект РФ)

промышленный тип

A+B+C1

РФ,%

рудах,%

ПАО «ГМК «Норильский никель»

Октябрьское

13 300,6

4 490,5

17,4

1,6

(Красноярский край)

Сульфидный медно-

Талнахское

никелевый

7 254,8

2 452,1

9,5

1,1

(Красноярский край)

ООО «Медвежий ручей» (ПАО «ГМК «Норильский никель»); ООО «Таймырская ГМК»

(ГК «Русская платина»)

Норильск 1

Сульфидный медно-

1 958,9

582,8

2,5

0,5

(Красноярский край)

никелевый

АО «Кольская ГМК» (ПАО «ГМК «Норильский никель»)

¹ В число «прочих» включены в т.ч.: Гайский ГОК, Учалинский ГОК, Урупский ГОК, Бурибаевский

ГОК, АО «Сибирь-Полиметаллы», АО «Святогор», ООО «Башкирская медь», АО «СУМЗ»

² По содержанию меди в концентрате

Продолжение таблицы 1.1

Геолого-

Запасы на

Доля в

Содержание

Месторождение

промышленный

01.01.2024, тыс. т

запасах

Cu в рудах,

(субъект РФ)

тип

A+B+C1

РФ,%

Сульфидный

Ждановское

медно-

601,1

207,3

0,8

0,3

(Мурманская обл.)

никелевый

ООО «Удоканская медь» (USM Holding)

Удоканское

Медистые

(Забайкальский

16 776,9

3 232,0

19,6

1,5

песчаники

край)

ООО «Башкирская медь»

Юбилейное (респ.

Медноколчедан

1 158,9

34,7

1,2

1,6

Башкортостан)

ный

Подольское (Респ.

Медноколчедан

1 701,3

16,7

1,7

2,1

Башкортостан)

ный

ПАО «Гайский ГОК»

Гайское

Медноколчедан

3 726,8

478,5

4,1

1,3

(Оренбургская обл.)

ный

АО «Учалинский ГОК»

Медноколчедан

Ново-Учалинское

421,7

674,7

1,1

1,0

ный

АО «Святогор»

Волковское

Медно-железо-

727,2

52,5

0,8

0,6

(Свердловская обл.)

ванадиевый

АО «Михеевский ГОК» (АО «РМК»)

Михеевское

Медно-

857,5

807,5

1,6

0,4

(Челябинская обл.)

порфировый

АО «Томинский ГОК» (АО «РМК»)

Томинское

Медно-

1 131,0

2 356,5

3,4

0,3

(Челябинская обл.)

порфировый

ООО «Амур-Минералс» (АО «РМК)

Малмыжское

Медно-

6 180,9

2 128,0

8,1

0,4

(Хабаровский край)

порфировый

ООО «Голевская ГРК» (АО «Перспективные горнорудные проекты» (ГК «Ростех»))

Ак-Сугское (Респ.

Медно-

3 121,2

512,1

3,6

0,7

Тыва)

порфировый

ООО «ГДК «Баимская» (под упр. ЗПИФ «Северная Аврора»)

Песчанка (Чукотский

Медно-

4 825,2

1 575,0

6,3

0,5

АО)

порфировый

Окончание таблицы 1.1

Геолого-

Запасы на

Доля в

Содержание

Месторождение

промышленный

01.01.2024, тыс. т

запасах

Cu в

(субъект РФ)

тип

A+B+C1

РФ,%

рудах,%

ООО «ГРК «Быстринское» (ПАО «ГМК «Норильский никель»)

Быстринское

Скарновый

(Забайкальский

медно-

1 555,2

280,3

1,8

0,7

край)

магнетитовый

Медный концентрат

- это основное сырье для дальнейшего этапа

переработки

- выпуска черновой меди. Помимо концентратов сырьем для

производства черновой меди могут служить вторичные материалы,

медьсодержащий лом. Перечень ключевых горно-обогатительных предприятий

приведен в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Основные горно-обогатительные предприятия

Производственные

ГОК/Предприятие

Основа сырьевой базы

мощности, млн т

руды в год

«Норильский никель»

Месторождение «Октябрьское» (рудники

«Октябрьский», «Таймырский»),

Талнахская ОФ

До 10

месторождение «Талнахское» (рудник

«Комсомольский»),

Месторождение «Октябрьское» (рудники

«Октябрьский», «Таймырский»),

Норильская ОФ

месторождение «Талнахское» (рудник

До 9

«Комсомольский»), месторождение

«Норильск-1» (рудник «Заполярный»)

Месторождения «Ждановское»,

Заполярная ОФ

«Заполярное», «Котсельваара»,

До 8

фабрика

«Семилетка»

Быстринский ГОК

Месторождение «Быстринское»

До 10

РМК

Александринская

Рудники «Александринский», «Чебачье»,

горно-рудная

До 0,8

«Маукский»

компания

Рудники «Джусинский», «Еленовский»,

Ормет

До 0,82 тыс. т

«Весенний»

Михеевский ГОК

Месторождение «Михеевское»

До 31

Томинский ГОК

Месторождение «Томинское»

До 45

Малмыжский ГОК

Месторождение «Малмыжское»

Прочие

Окончание таблицы 1.2

Производственные

ГОК/Предприятие

Основа сырьевой базы

мощности, млн т

руды в год

Удоканская медь

Месторождение «Удоканское»

До 12

Гайский открытый рудник, Гайский

Гайский ГОК

До 8

подземный рудник

Учалинский подземный рудник, рудник

Учалинский ГОК

Около 6

«Узельгинский»

Месторождения «Юбилейное»,

Башкирская медь

«Дергамышское», группа Подольских

До 1,5

месторождений

Сибирь -

Месторождения «Зареченское»,

До 1,5

Полиметаллы

«Рубцовское», «Корбалихинское»

Сафьяновская

Месторождение «Сафьяновское»

До 1,5

медь

Северный медно-

«Тарньреское», «Шемурское,

цинковый рудник

До 2,5

«Ново - Шемурское»

«Святогор»

Филиал

Волковский горно-

обогатительный

Волковское месторождение

До 11

комбинат

АО «Святогор»

Месторождения «Бурибаевское»,

Бурибаевский ГОК

До 0,4

«Маканское», «Октябрьское»

Урупский ГОК

Месторождение «Урупское»

До 0,15

Медь может

быть повторно извлечена из большинства изделий, для

изготовления которых она применяется, и возвращена в процесс производства без

потери качества при вторичной переработке. Практически

100 % вновь

образующегося или технологического медного лома перерабатывается; до 40 %

медного лома старых изделий поступает на рынок и также перерабатывается. По

экспертной оценке, в Российской Федерации вторичное сырье обеспечивает

производство 10 %-12 % катодной меди. Существуют различные технологические

подходы к выбору сырья для производства меди.

Так, ЗАО «Новгородский металлургический завод» (ЗАО «НМЗ»), работает

исключительно на вторичном сырье (медных ломах). «Уралэлектромедь» и КМЭЗ

используют как черновую медь (продукцию медеплавильных заводов), так и чистые

медные лома. Предприятия «Норильского никеля» в качестве основного сырья при

производстве меди используют только первичное сырье.

1.2 Производство меди

Производство меди в России в 2024 году находилось на уровне ~ 1 млн т.

Российский рынок разделен между тремя крупнейшими производителями:

ПАО «ГМК «Норильский никель», АО «Русская медная компания» и

АО «Уралэлектромедь». До июля 2024 года НМЗ входил в состав «Русская медная

компания». Структура российского рынка катодной меди по производителям

представлена на Рисунке 1.2.

НМЗ (с июля 2024 г.)

РМК

15%

Норильский

никель

38%

Уралэлектромедь

46%

Рисунок 1.2 - Доли рынка российских производителей катодной меди в 2024 году

[Экспертная оценка]

В 2026 году можно ожидать появление ещё одного участника рынка,

способного выпускать катодную медь: ООО «Удоканская медь». Объем

производства составит до 150 тысяч тонн в год в медном эквиваленте.

Таблица 1.3 - Общие сведения о предприятиях, выпускающих черновую и катодную медь

ПроизводственнаяПроизводственная

Дата ввода в

мощность.

Компания

Предприятие

Расположение

эксплуатацию, год

Черновая медь,

Катодная медь,

тыс. т

Заполярный

Медный завод

1949

До 400

филиал

Надеждинский

Норильск

До 500

металлургический

1979

Кольская ГМК

До 50

завод ¹⁾

«Карабашмедь»

Карабаш

1910

До 240

Не производит

КМЭЗ

Кыштым

1908

Не производит

До 220

Уралгидромедь ²⁾

Полевской

2005

До 11

Верхняя Пышма

1934

Не производит

До 450

«Уралэлектромедь»

Кировград (филиал

1914

89,2

Не производит

ППМ)

СУМЗ

Ревда

1940

До 200

Не производит

Прочие

ММСК

Медногорск

1939

До 60

Не производит

«Святогор»

Красноуральск

1931

До 90

Не производит

НМЗ

Великий Новгород

2003

Не производит

До 75

НПО АВРОРА

Мценск

2020

3,2

До 30

¹⁾ Для Надеждинского металлургического завода основное производство - никелевое. В части производства меди перерабатывает медный концентрат

участка разделения файнштейна обжигового цеха никелевого завода с получением медных анодов.

²⁾ Гидрометаллургический процесс: экстракция - реэкстракция - электроэкстракция.

1.3 Потребление меди

Производственные мощности по выпуску рафинированной меди и

полуфабрикатов в Российской Федерации превышают внутренний спрос.

Российский рынок меди можно охарактеризовать как экспортноориентированный.

По данным ITC¹, экспорт катодной меди, катанки и продукции из меди (в т.ч. аноды,

прокат и порошки) в 2024 году достиг ~ 0,6 млн. т, большая часть из которого

импортировалась Китаем и Турцией. Большую часть экспорта составляют медные

катоды (см. рисунок 1.3).

Импорт достаточно стабильный и обычно находится в пределах

35 тыс. т в год. Основа импорта - трубный прокат, фитинги и комплектующие для

климатической техники и рефрижераторов.

Продукция из меди

Катанка

31%

Катоды

60%

Рисунок 1.3 - Структура экспорта меди и продукции на ее основе в 2024 году

[ITC Trademap]

Катодная медь является основным сырьем для производства медных

полуфабрикатов. Объем выпуска полуфабрикатов из меди и медных сплавов в

2024 году составил

550 тыс. т (по содержанию меди). Большая часть

производства - 88% - приходится на выпуск медной катанки, 10 % - на выпуск

цветного проката и 2 % - на медный порошок (см. рисунок 1.4).

¹ Зеркальная статистика

Производство

цветного проката

Производство

10%

медных

порошков

Производство

медной катанки

88%

Рисунок 1.4 - Структура производства медных полуфабрикатов в 2024 году

[Экспертная оценка]

Производство цветного проката в 2024 году превысило 80 тыс. т (~ 65 тыс. т

по содержанию меди). В структуре производства основная часть приходится на

выпуск латунного проката -

43 % и медного проката - 39 %. Среди типов

выпускаемого проката лидирует сплошной (сортовой), на долю которого

приходится больше 50 % от совокупного производства.

Потребителями медных полуфабрикатов являются такие отрасли и сектора,

как производство кабельной продукции, производство электрооборудования,

машиностроение, транспорт, строительство и др.

1.4 Основные экологические проблемы

В выбросах предприятий цветной металлургии в целом и медеплавильных

заводов в частности основные объемы загрязняющих веществ приходятся на такие

элементы, как диоксид серы, пыль, оксиды азота, оксид углерода, металлы и их

соединения (в зависимости от состава исходного сырья это, прежде всего, медь,

никель, свинец, кадмий, мышьяк, ртуть и др.), летучие органические соединения

(общие и органический углерод), полихлордибензодиоксины/фураны (ПХДД/Ф).

Исторически наиболее острой экологической проблемой, связанной с

производством меди, являются выбросы диоксида серы, составляющие 75 % -

80 % от общего объема загрязняющих веществ в отходящих газах, образующихся

при обжиге и плавке сульфидных концентратов. Эта проблема была эффективно

решена, например, на медеплавильных заводах ЕС, и в настоящее время в

среднем 98,9 % серы извлекается из выбросов и используется для производства

серной кислоты и жидкого диоксида серы. В Российской Федерации также

происходит постепенный рост процента улавливания диоксида серы в отходящих

газах, выбрасываемых предприятиями цветной металлургии, однако отрасль

сохраняет второе место по объемам выбросов этого загрязняющего вещества

(см. таблицу 1.4).

Таблица 1.4 - Примерное распределение выбросов диоксида серы по основным

отраслям-загрязнителям

Отрасль

Доля, %

Электроэнергетика (тепловые станции)

58,6

Окончание таблицы 1.4

Отрасль

Доля, %

Цветная металлургия

18,5

Черная металлургия

17,6

Химическая и нефтеперерабатывающая промышленность

5,3

Всего

100

По выбросам пыли цветная металлургия также является одной из основных

отраслей-загрязнителей, хотя здесь ее доля существенно меньше и составляет

2,8 %.

Все больше внимания при производстве меди уделяется неорганизованным

выбросам. Для улавливания неорганизованных выбросов технологических газов

необходимо тщательное проектирование технологических установок и процессов.

Используемая при производстве меди вода в основном циркулирует в

замкнутых циклах, и сброс промышленных стоков в водные объекты

предприятиями отрасли незначителен. В тех случаях, когда такой сброс

происходит, в стоках могут содержаться ионы таких металлов, как железо, кадмий,

медь, мышьяк, никель, олово, ртуть, свинец, сурьма, цинк. Стоки также могут

обладать повышенными значениями показателя кислотности за счет присутствия

серной и (существенно реже и в существенно меньших объемах) соляной и

плавиковой (фтористоводородной) кислот.

Качество вторичного сырья значительно варьируется, и многие источники

не позволяют прямо использовать эти материалы при производстве

полуфабрикатов. В этом смысле предприятиям отрасли для получения

отсортированного материала необходимой чистоты приходится полагаться на

ломозаготовителей, и, хотя для лома существуют согласованные спецификации,

качество и чистота лома могут меняться в широком диапазоне. В связи с этим могут

быть необходимы дополнительные системы очистки и (или) сокращения выбросов,

образующихся при плавке ломов недостаточной чистоты.

Накопленные за многие годы на ряде предприятий отрасли шлаки в

последнее время начинают все активнее перерабатываться с целью извлечения

полезных компонентов (так, в медеплавильных шлаках содержание меди может

быть сопоставимо с ее содержанием в перерабатываемых рудах). Переработка и

использование отвальных шлаков для строительной отрасли нередко

ограничиваются экономическими факторами, в частности стоимостью

транспортировки до мест конечного потребления таких материалов.

Раздел 2. Технологические, технические решения и системы

менеджмента, используемые в настоящее время в рассматриваемой отрасли

промышленности

В производстве меди используются множество технологических процессов,

разнообразное оборудование и различные методы. Для ясного представления

излагаемой информации эти процессы и различия следует рассматривать в

логическом порядке.

Методы снижения воздействия производственных установок на окружающую

среду можно условно разделить на три категории.

1) Методы управления/менеджмента - методы, связанные с системами и

процедурами управления проектированием и эксплуатацией производственного

процесса, а также с подготовкой операторов и другого персонала.

2) Методы, интегрированные в производственный процесс, - это главным

образом методы, связанные с предупреждением или снижением эмиссий,

образующихся при реализации таких видов деятельности, как хранение,

химические реакции, разделение и очистка различных материалов и веществ.

3) Методы борьбы с загрязнением - это методы «на конце трубы»,

направленные на сокращение эмиссий в воздух, водные объекты и на почву.

В настоящем разделе кратко описаны основные методы, которые

применяются при производстве меди. Там, где возможно, отдельно указываются

методы, направленные на предотвращение или снижение эмиссий применительно

к конкретным компонентам окружающей среды (воздух, вода, почва). В настоящем

разделе также рассматривается, где и на каких этапах производственного цикла

могут быть применены эти методы для совершенствования существующих

процессов.

2.1 Системы менеджмента

Эффективный менеджмент имеет существенное значение для достижения

высокой результативности природоохранной деятельности. Это важный компонент

НДТ. Практика показывает, что наблюдаются значительные различия между

экологической результативностью процесса, который управляется и реализуется

по системе менеджмента, и аналогичного процесса, который управляется и

реализуется в отсутствии системы менеджмента.

Достижение высокой результативности требует приверженности принципам

экологического менеджмента на всех уровнях управления в компании: от высшего

органа, определяющего политику компании, до руководителей объектов, участков

и непосредственных операторов. Система должна определять цели и задачи и

обеспечивать доведение до исполнителей соответствующих инструкций, а также

информации о результатах деятельности. Стандартизированные на

международном уровне (а) системы экологического менеджмента, определяемые

требованиями стандарта ISO 14001 [5]; (б) системы менеджмента в области охраны

здоровья и безопасности в соответствии с требованиями стандарта ГОСТ Р ИСО

45001-2020

[6]; (в) системы менеджмента качества, построенные на основе

требований стандарта ISO 9000

[7], позволяют формализовать системы

менеджмента компаний и предприятий.

Хотя применение этих стандартов не является обязательным требованием,

владельцам/операторам соответствующих установок следует учитывать

преимущества, которые может обеспечить их внедрение. Применяемые в рамках

соответствующих систем менеджмента методы также могут способствовать

улучшению экономических показателей за счет повышения эффективности

производства, снижения затрат на энергетические ресурсы и утилизацию отходов,

повышения выхода металла.

2.2 Энергетический менеджмент и энергоэффективность

Вопросы использования энергии при оценке НДТ в цветной металлургии в

целом и при производстве меди в частности имеют существенное значение. Так,

например, существенная доля в общем производстве меди обеспечивается за счет

вторичных ресурсов. Поскольку удельные прямые выбросы плавильных заводов,

перерабатывающих лом, в

4 раза ниже, чем выбросы плавильных заводов,

работающих на первичном сырье, изготовление медных катодов из вторичных

материалов исключает выбросы сотен тысяч тонн загрязняющих веществ и CO2.

Основным

методом

повышения

энергоэффективности

является

использование систем энергоменеджмента, описанных в международном

стандарте ISO 50001 [8] или национальном стандарте ГОСТ Р ИСО 50001 [9].

Утилизация энергии и тепла широко применяется и при производстве меди.

Пирометаллургические процессы обычно сопровождаются интенсивным

выделением тепла, содержащегося, в частности, в отходящих газах. Поэтому для

утилизации тепла используются регенеративные и рекуперативные горелки,

теплообменники и котлы. Пар или электроэнергия могут вырабатываться на заводе

как для собственного использования, так и для внешних потребителей, например,

для муниципальных систем отопления, и для подогрева материалов или

газообразного топлива. Технологии, применяемые для рекуперации тепла на

различных объектах, могут существенно различаться. Их характеристики зависят

от целого ряда факторов, таких как эксергетический КПД, возможные направления

использования тепла и электроэнергии на промплощадке или рядом с ней,

масштаба производства и способности газов или содержащихся в них компонентов

откладываться или осаждаться в теплообменниках.

Ниже приведены примеры методов, которые могут быть использованы для

применяемых технологических процессов производства меди.

Горячие газы, образующиеся при плавке или обжиге сульфидных руд, почти

всегда проходят через паровые котлы. Получаемый пар может использоваться для

производства электроэнергии или для отопления. Помимо генерации

электроэнергии, пар используется в процессе сушки концентрата, а остаточное

тепло используется для предварительного подогрева воздуха, поступающего для

поддержания горения.

Другие пирометаллургические процессы также имеют ярко выраженный

экзотермический характер, особенно при использовании дутья, обогащенного

кислородом. Многие процессы используют избыток тепла, которое образуется на

этапах плавки или конвертирования вторичных материалов без потребления

дополнительного топлива. Например, отходящее тепло конвертера Пирса - Смита

используется для плавки анодного лома. В этом случае лом используется для

снижения температуры процесса, причем состав лома тщательно контролируется.

Это позволяет избежать необходимости охлаждения конвертера другими

способами на различных этапах технологического цикла. Добавка лома для

охлаждения может применяться и во многих других типах конвертеров, а те, в

которых этот метод пока не может быть реализован, должны быть

реконструированы таким образом, чтобы обеспечить применение этого метода.

Использование в горелках обогащенного кислородом воздуха или кислорода

сокращает потребление энергии за счет возможности автогенной плавки или

полного сгорания углеродных материалов. Объемы отходящих газов существенно

сокращаются, что позволяет применять вентиляторы меньших размеров и т. п.

Материал футеровки печи может также влиять на энергетический баланс

плавки. Имеются данные о положительном эффекте применения легких

огнеупорных

материалов,

снижающих

теплопроводность

нагрев

производственного помещения. При этом необходимо сбалансировать получаемые

от этого выгоды со сроком службы футеровки, инфильтрацией металлов в

футеровку.

Раздельная сушка концентратов и сырья при низких температурах сокращает

потребность в энергии. Это связано с объемом энергии, необходимой для

перегрева пара в плавильной печи, и значительным увеличением общего объема

газа при производстве пара. Больший объем газа увеличивает количество тепла,

отводимого из печи, и, следовательно, размер вентилятора, необходимого для

работы с увеличенным объемом газа. В некоторых случаях сушка может быть

обусловлена необходимостью поддержания минимального уровня влажности для

предотвращения выбросов пыли и (или) самовозгорания.

Производство серной кислоты из диоксида серы, образующегося на стадиях

обжига и плавки, - экзотермический процесс, включающий несколько стадий

охлаждения газа. Тепло, накапливаемое в газе при конвертировании, а также

тепло, содержащееся в произведенной кислоте, может быть использовано для

производства пара и (или) горячей воды.

Тепло утилизируется путем использования горячих газов со стадий плавки

для предварительного подогрева шихты. Аналогичным образом топливный газ и

подаваемый для поддержания горения воздух могут быть предварительно

подогреты, или в печи может быть использована рекуперационная горелка.

Термоэффективность в этих случаях повышается. Например, почти все шахтные

печи для плавки катодов/медного лома используют природный газ; проектные

параметры предполагают термоэффективность (эффективность использования

топлива) от 58 % до 60 % в зависимости от диаметра и высоты печи. Потребление

газа составляет примерно 330 кВтч на тонну металла. Эффективность шахтной

печи высока, прежде всего благодаря подогреву шихты внутри печи. Отходящие

газы могут содержать остаточное тепло, которое может быть использовано для

подогрева воздуха и газа, подаваемых для поддержания горения. Устройство

аппаратного обеспечения рекуперации тепла требует отвода отходящих печных

газов через теплообменник подходящих размеров, вытяжной вентилятор и

воздуховоды. Утилизируемое тепло составляет примерно от

4 % до

6 %

потребляемого печью топлива.

Важным методом является охлаждение отходящих газов перед подачей в

рукавный фильтр, поскольку оно обеспечивает температурную защиту фильтра и

допускает более широкий выбор материалов для его изготовления. В некоторых

случаях на этой стадии возможна утилизация тепла. Например, при типичной

компоновке шахтной печи для плавки металла газы из верхней зоны печи отводятся

на первый из двух теплообменников, производящих подогрев воздуха,

используемого для поддержания горения. Температура газов после прохождения

через этот теплообменник может составлять от

200 °C до

450 °C. Второй

теплообменник уменьшает температуру газа перед подачей на рукавный фильтр

до 130 °C. После теплообменников обычно устанавливается циклон, который

удаляет крупные частицы и служит искрогасителем.

Образующаяся в электрической или шахтной печи окись углерода

улавливается и сжигается в качестве топлива в нескольких различных процессах

или используется для производства пара, например, для местного отопления, а

также на другие энергетические нужды. CO может образовываться в существенных

объемах, и можно привести целый ряд примеров, когда большая часть энергии,

используемой установкой, производится на основе СО, улавливаемого в

электродуговой печи. В других случаях CO, образующийся в электрической печи, в

ней же и сжигается, обеспечивая часть тепла, необходимого для процесса плавки.

Применимость этого метода может быть ограничена составом отходящих газов

либо типом технологического процесса (например, периодическим его характером).

Значительную экономию энергии также обеспечивает вторичное

использование загрязненных отходящих газов в кислородно-топливной горелке.

Горелка использует остаточное тепло газа, энергию содержащихся в нем примесей

и разрушает последние [4]. С помощью этого процесса можно также сократить

выбросы оксидов азота.

Часто практикуется использование тепла газов или пара для увеличения

температуры выщелачивающих растворов. В некоторых случаях часть газового

потока может отводиться на скруббер для отдачи тепла в воду, которая затем

используется для целей выщелачивания. Охлажденный газ затем возвращается в

основной поток для дальнейшей очистки.

Во время переплавки электронного либо батарейного лома горючий пластик

вносит свой вклад в энергию, которая используется в процессе плавки и сокращает

объем необходимого ископаемого топлива.

Преимущества предварительного нагрева воздуха, подаваемого для

поддержания горения, подтверждены многими документами. Если воздух

подогревается на 400 °C, рост температуры пламени составляет 200 °C, а если

предварительный подогрев составляет 500 °C, температура пламени растет на

300 °C. Такое увеличение температуры пламени обеспечивает более высокую

эффективность плавки и сокращение потребления энергии. Имеются сведения о

регенеративных горелках, подогревающих подаваемый воздух до 900 °C, что

сокращает потребление энергии на 70 %. Этот метод хорошо освоен, и достигнутый

срок окупаемости составляет менее одного года.

Альтернативой нагреву подаваемого для поддержания горения воздуха

является подогрев шихты. Теоретически каждые 100 °C предварительного нагрева

обеспечивают 8 % экономии энергии; практические данные свидетельствуют о том,

что подогрев на 400 °C ведет к экономии 25 % энергии, в то время как подогрев на

500 °C ведет к экономии 30 % энергии.

Во многих обстоятельствах предварительная сушка сырья обеспечивает

энергосбережение, потому что скрытое тепло, аккумулируемое в образующемся

паре, не теряется, кроме того, уменьшается объем газов, следовательно,

вентиляторы и газоочистки тоже могут быть меньшими по размеру и потреблять

меньше энергии.

Отходящие газы анодных печей можно использовать при сушке и на других

этапах технологического процесса. Горячие газы, улавливаемые над литейными

желобами, могут использоваться для поддержания горения.

Вторичное использование тепла и энергии - несомненно, важный фактор для

предприятий цветной металлургии, отражающий высокую долю энергозатрат в

себестоимости. Многие методы вторичного использования энергии относительно

легки для применения при модернизации существующих производств [5], однако

иногда могут возникать проблемы, связанные с отложением металлов в

теплообменниках. Поэтому в основе качественного проектирования должны лежать

достоверные знания о выбрасываемых компонентах и их поведении при различных

температурах. Для поддержания высокой термоэффективности также

используются системы очистки теплообменников.

Поскольку эти методы экономии являются примерами экономии на

отдельных компонентах установок, их применение и экономическая эффективность

зависят от специфических условий конкретной промышленной площадки и

технологического процесса.

2.3 Предварительная обработка, подготовка и транспортировка сырья

Руды, концентраты и вторичное сырье нередко поступают на производство в

такой форме, в которой они не могут быть использованы непосредственно в

основном процессе. Из соображений контроля качества и безопасности могут быть

необходимы их сушка/размораживание, радиационный и пироконтроль. Размер

фракций материала бывает необходимо увеличить или уменьшить, чтобы

интенсифицировать химические процессы или снизить окисление. Для

обеспечения металлургических процессов могут добавляться специальные

добавки, такие как уголь, кокс, флюсы и (или) другие шлакообразующие

материалы. Флюсы добавляют, чтобы оптимизировать процесс извлечения

основного металла и отделить примеси. Для того чтобы избежать проблем с

очисткой выбросов и для повышения скорости плавки может потребоваться

удаление защитных покрытий.

Все эти методы применяются для получения стабильной и надежной смеси

исходных материалов (шихты), используемой в основном технологическом

процессе.

2.3.1 Размораживание

Размораживание выполняется с целью последующей обработки смерзшихся

материалов. Его приходится проводить, например, когда руды, концентраты или

твердое ископаемое топливо (прежде всего уголь) выгружаются из

железнодорожных составов или судов в зимний период.

2.3.2 Сушка

Процессы сушки используются для обеспечения качества исходных

материалов, соответствующего требуемым характеристикам основных

технологических процессов. При выборе способов сушки необходимо учитывать

экономические аспекты, доступность, надежность и особенности источников

энергии, используемых при различных методах сушки, например, вращающихся

сушилок, паровых и других установок непрямой сушки.

Наличие избыточного количества влаги в шихте может быть нежелательным

по нескольким причинам:

- резкое (взрывное) образование больших объемов пара в горячей печи

может привести к аварии;

- вода может провоцировать переменную потребность в тепловой энергии,

что нарушает управляемость процесса и может тормозить автотермический

процесс;

- раздельная сушка при низких температурах уменьшает потребности в

энергии. Это связано с сокращением потребления энергии, необходимой для

перегрева пара в плавильной печи, который существенно увеличивает объемы и

создает проблемы с эвакуацией газов из печи и дальнейшей их утилизацией;

- может возникать химическая коррозия установки и трубопроводов;

- водяной пар при высоких температурах может реагировать с углеродом с

образованием H2 и CO или угольной кислоты;

- большие объемы пара могут вызвать неорганизованные выбросы,

поскольку объемы технологических газов могут оказаться слишком велики и

превысить мощности системы газоулавливания и газоочистки.

Сушка обычно осуществляется за счет прямого нагрева материала от

сгорания топлива либо за счет косвенного нагрева с помощью теплообменных

аппаратов, в которых циркулируют горячий пар, газ или воздух. Тепло, выделяемое

пирометаллургическими процессами, например, в анодных печах, также часто

используется для этой цели, равно как и содержащие CO отходящие газы, которые

могут сжигаться с целью сушки сырья. Используются вращающиеся печи и сушилки

с псевдоожиженным слоем. Высушенный материал, как правило, очень сильно

пылит, поэтому для улавливания и очистки газов с высоким содержанием пыли

применяются специальные системы. Собираемая пыль возвращается в

технологический процесс. Высушенные руды и концентраты также могут быть

пирофорными, что учитывается при проектировании системы улавливания и

очистки выбросов. Отходящие газы сушильной установки могут содержать SO2,

поэтому возникает необходимость в их очистке от соединений серы.

2.3.3 Дробление, измельчение и грохочение

Дробление, измельчение и грохочение применяются для уменьшения

размера частиц продуктов или сырья с целью их дальнейшей переработки.

Используются различные виды дробильных установок, такие как валковые,

щековые, молотковые дробилки и мельницы с различным типом мелющих тел.

Влажные или сухие материалы измельчают и, при необходимости, смешивают.

Выбор того или иного оборудования определяется свойствами обрабатываемых

исходных материалов. Главным потенциальным источником выбросов пыли

является сухое дробление, поэтому здесь всегда используются системы

пылеулавливания, собранная пыль из которых обычно возвращается в

технологический процесс. Измельчение влажных материалов практикуется в тех

случаях, когда образование пыли может вызвать серьезные проблемы и когда за

измельчением непосредственно следует стадия мокрой обработки.

Гранулирование используется, в частности, для отходов производства и

формирования мелких частиц шлака, которые могут применяться при

пескоструйной обработке, противоскользящей подсыпке автодорог в зимний

период времени. Расплавленный шлак подается в ванну с водой или пропускается

через поток воды. Гранулирование также используется при производстве

металлических продуктов. В процессе грануляции могут образовываться

мелкодисперсные пыли и аэрозоли, выбросы которых необходимо собирать и

возвращать в технологический цикл.

Вторичным источником целого ряда цветных металлов являются

отработанные электронные устройства, которые измельчаются для отделения

пластика и других материалов от металлических компонентов, таким образом

появляется еще этапы подготовки и обработки.

2.3.4 Приготовление шихты

Приготовление шихты предусматривает подготовку требуемых количеств

компонентов первичного и вторичного сырья различного качества, флюсов или

восстанавливающих агентов, с последующим смешиванием или без него, с целью

получения стабильного заданного состава шихты для переработки в основном

технологическом процессе.

Приготовление шихты может осуществляться на стадии измельчения,

окускования, сушки или транспортировки и хранения как с применением

смесительных установок, так и без них.

Неотъемлемой частью приготовления шихты является дозирование.

Точность дозирования достигается с помощью установок усреднения шихты,

систем дозирования, питателей, конвейерных весов или с учетом объемных

параметров погрузочной техники.

Приготовление шихты может быть связано с образованием значительных

объемов пыли, поэтому используются системы, обеспечивающие подавление

пылеобразования покрывающими или связывающими агентами, или системы

улавливания и возврата пыли в технологический процесс.

2.3.5 Брикетирование, гранулирование, окатывание и другие методы

компактирования

Для процессов, имеющих ограничения по минимальному размеру и

количеству мелкой фракции шихты, а также для повышения объемного веса шихты

используются различные методы компактирования и укрупнения. Для

компактирования проволоки, лома применяется механическое прессование. Для

обработки мелкодисперсных концентратов, пыли других вторичных материалов

применяются процессы прессования, окатывания, грануляции, как с

использованием связующих агентов, так и без них.

После добавления связующих или воды смесь подают в пресс для получения

прямоугольных брикетов или во вращающийся барабан, диск или смесительную

установку для получения гранул (окатышей). Связующий материал должен иметь

такие свойства, чтобы брикеты, с одной стороны, обладали достаточной

устойчивостью и не разрушались при подаче в печь, а с другой - легко

обрабатывались (имели хорошую газопроницаемость). Используются различные

типы связующих, например, лигносульфонат (побочный продукт целлюлозно-

бумажной промышленности), меласса и известь, силикат натрия, сульфат

алюминия или цемент. Для повышения прочности брикетов/гранул могут также

добавляться различные смолы. Грубые фракции отфильтрованной пыли с

фильтров печей и фильтров, используемых на стадии дробления и грохочения,

перед брикетированием могут смешиваться с другими материалами.

Также для уменьшения пыления на последующих стадиях технологического

процесса могут использоваться пылеподавляющие, покрывающие и связывающие

агенты.

2.3.6 Снятие покрытий и обезжиривание

Операции по снятию покрытий и обезжириванию обычно выполняются

применительно к вторичному сырью для снижения содержания органических

веществ в материалах, обрабатываемых в рамках некоторых основных процессов.

При этом используются процессы промывки и пиролиза. Извлечь масла и снизить

нагрузку на термические системы можно с помощью центрифугирования.

Существенные изменения в содержании органических веществ могут приводить в

некоторых печах к неэффективности процесса горения и образованию больших

объемов печных газов, содержащих остаточные органические соединения.

Наличие покрытий может также значительно уменьшить скорость плавки. Эти

факторы могут вызвать значительные выбросы дыма, ПХДД/Ф и металлической

пыли, если системы газоулавливания и сжигания недостаточно надежны. Могут

возникать искры или горящие частицы, что может причинить значительный ущерб

газоочистному оборудованию. Удаление покрытий из загрязненного металлолома

внутри общей печи во многих случаях менее эффективно, чем удаление покрытий

из измельченного материала в отдельной печи, поскольку в первом случае

образуется большего шлака, однако некоторые печи специально предназначены

для переработки органических примесей.

Удаление масла и некоторых покрытий осуществляется в специальных

печах, например, в сушилках для стружки. В большинстве случаев для испарения

масел и воды используется вращающаяся печь, работающая при низкой

температуре. Применяется как прямой, так и косвенный нагрев материала. Для

разрушения органических продуктов, образующихся в печи, используется

дожигательная камера, работающая при высокой температуре (более 850 °C), а

отходящие газы, как правило, подаются на рукавный фильтр.

Для удаления изоляции с проводов и покрытий с других материалов также

часто применяется механическая зачистка. В некоторых случаях применяются

криогенные методы, облегчающие удаление покрытий за счет придания им

хрупкости. Также может использоваться промывка с помощью растворителей

(иногда хлорированных) или с помощью моющих средств. Наиболее

распространенными являются системы испарения растворителей со встроенными

конденсаторами. Эти процессы также применяются для обезжиривания

производимой продукции. В этих случаях для предотвращения загрязнения воды

используются системы водоочистки.

2.3.7 Методы сепарации

Методы сепарации чаще всего применяются для подготовки вторичного

сырья. Наиболее распространенной является магнитная сепарация, позволяющая

выделять из сырья фракции и включения, как правило железосодержащих

материалов, за счет различия ферромагнитных свойств.

В процессах обогащения в водной среде применяются гидроциклоны,

отсадочные установки, позволяющие разделять сырье на фракции по удельному

весу. Первичное сырье и шлаки, как правило, подвергают флотации с целью

извлечения меди и драгметаллов.

Другие методы сепарации предусматривают использование цветовых,

ультрафиолетовых, инфракрасных, рентгеновских, лазерных и других систем

обнаружения, а также систем компьютерного зрения в сочетании с ручным,

механическим или пневматическим методом сортировки.

Подробно методы обогащения и сепарации сырья изложены в справочнике

ИТС 23-2017. «Информационно-технический справочник по наилучшим доступным

технологиям. Добыча и обогащение руд цветных металлов».

2.3.8 Системы транспортировки и загрузки

Эти системы используются для передачи сырья, полупродуктов и готовой

продукции между стадиями обработки. Применяются методы, подобные тем,

которые используются для сырья, и для них характерны те же проблемы,

связанные с образованием, улавливанием и извлечением выбросов пыли. В

основном применяются механические системы, но также большое

распространение получили пневматические системы транспортировки, где в

качестве носителя применяется воздух и которые способны наряду с

транспортировкой усреднить шихту по составу.

Предварительно подготовленные материалы могут быть еще суше, чем

сырье, и поэтому для предотвращения выбросов пыли применяются более

качественные методы сбора и очистки. Конвейеры для транспортировки пылящих

материалов, как правило, закрыты, и в этих случаях в чувствительных зонах, таких

как точки перегрузки с одного конвейера на другой, устанавливаются эффективные

системы улавливания и очистки выбросов. В качестве альтернативы используют

распыление воды. Для предотвращения разноса материала при обратном ходе

ленты на конвейерах устанавливаются нижние очищающие скребки. Для

транспортировки сыпучих материалов часто используются пневматические

системы.

Некоторые материалы поступают в бочках, мешках (биг-бегах, МКР) или в

другой упаковке. Если материал пылит, то его выгрузка из упаковки должна

осуществляться с использованием пылеулавливающих систем, например,

герметичных устройств с аспирацией, при орошении водой или в закрытых

помещениях. В некоторых случаях целесообразно смешивание этих материалов с

водой или увлажненным сырьем, при условии, что исключены нежелательные

химические реакции. В противном случае предпочтительна их раздельная

обработка в закрытых системах.

2.4 Производственные процессы

Существует несколько процессов/комбинаций процессов для производства и

плавки меди и медных сплавов. В приложении А (п. А.1, А.2 и А.3) содержатся

общие обзоры технологических процессов и оборудования, характерных для

пирометаллургических, гидрометаллургических и электролитических процессов

производства меди. В настоящем подразделе приводится характеристика

основных процессов и методов производства меди по технологическим переделам.

2.4.1 Пирометаллургические технологии производства меди

В России достаточно часто вторичное медьсодержащее сырье (лома) с

содержанием меди менее 85 - 90 % перерабатываются совместно с первичным

сырьем с получением штейна и/или черной меди и последующим

конвертированием с получением черновой меди. «Чистые» лома могут

перерабатываться отдельно с получением анодов и последующим

электролитическим рафинированием. При этом тип агрегатов и процессы

пирометаллургического производства меди зачастую идентичны с определенными

ограничениями, связанными со спецификой перерабатываемого сырья

(содержание серы, свинца, железа, цинка, мышьяка и других примесей).

Пирометаллургический способ является наиболее часто используемым для

переработки как первичного, так и вторичного медного сырья. Совместная

переработка первичного и вторичного сырья также является часто используемым

приемом.

В настоящее время основным сырьем (свыше 85 % исходного сырья) для

пирометаллургического процесса получения первичной меди являются медные и

коллективные сульфидные концентраты (содержание Cu - от 15 % до 45 %). В

меньшей степени используются оксидные/сульфидные полиметаллические руды и

еще реже - битуминозные руды. Сульфидные концентраты состоят из сложных

медно-железных сульфидов, которые получают путем флотации из руд с

содержанием меди от 0,2 % до 3 %. Дополнительно при производстве первичной

меди используют флюсы (кварциты, известь, песок и т. д.), добавки/реагенты

(железо, углерод и т. д.) и вторичное сырье (медный лом, дроссы, известковый

шлам, отработанные абразивные материалы, шлак, пыль и т. д.). Краткая

характеристика некоторых широко применяемых видов вторичного сырья

приведена в таблице 2.1

Вторичные материалы, идущие на переработку, могут содержать

органические материалы, такие как покрытие, или смазку, в связи с чем в

технологический процесс вводят этапы обезжиривания и снятия покрытия или

применяют печи и системы газоочистки соответствующей конструкции. Кроме того,

применяются установки для разделки кабеля с отделением пластика от меди. Цель

- увеличить мощность для переработки возросшего объема газа, нейтрализовать

летучие органические соединения (ЛОС) и минимизировать образование ПХДД/Ф

или разрушить их. Тип предварительной обработки или используемой печи

определяется наличием органических веществ, типом загружаемых материалов,

т. е. содержанием меди и других металлов и их состоянием (является ли материал

окисленным или металлическим).

При плавке загрязненного латунного лома в конвертере для разделения

содержащихся в нем металлов производится возгонка или ошлакование других

элементов сплава с получением черновой меди и пыли из фильтров с высоким

содержанием цинка.

Пирометаллургический способ включает ряд этапов в зависимости от типа

перерабатываемого концентрата или вторичного сырья. Большая часть первичных

концентратов сульфидные, и этапы их переработки включают обжиг, плавку,

конвертирование, огневое рафинирование и электролитическое рафинирование.

Краткая характеристика всех видов печей, упоминаемых в данном разделе,

представлена в приложении А (п. А.1), а более детальные описания приводятся в

соответствующих подразделах настоящего раздела.

Таблица 2.1 - Вторичное сырье [10] для производства меди

Тип материала

Содержание

Источник

меди, массовая

доля %

Смешанные медные шлаки

1-25

Гальванопокрытие

Электронный лом

15-20

Электронная

промышленность

Медные однородные шлаки

2-40

Гальванопокрытие

Медно-железный

материал

10-20

Электронная

(комковатый или раздробленный):

промышленность

арматура, статоры, роторы и т.д.

Латунные дроссы, зола и шлаки,

10-40

Литейное

производство,

содержащие медь

предприятия по выпуску

полуфабрикатов

Измельченный медесодержащий

30-80

Предприятия

по

материал

измельчению лома

Медно-латунные радиаторы

60-65

Автомобили

Смешанный красный латунный

70-85

Водомеры,

зубчатые

лом

колеса, клапаны, краны,

компоненты оборудования,

подшипниковый

узел,

пропеллеры, фитинги

Легкий медный лом

88-92

Медные листы, карнизы,

водосточные

желоба,

водяные

котлы,

нагреватели

Окончание таблицы 2.1

Тип материала

Содержание

Источник

меди, массовая

доля %

Тяжелый медный лом

90-98

Листы, медная штамповка,

рельсовые направляющие,

провода, трубы

Смешенный медный лом

90-95

Легкий и тяжелый медный

лом

Медные гарнулы

90-98

Измельченный кабель

Чистый медный лом

Полуфабрикаты, проволока,

обрезки, лента, кабельно-

проводниковая продукция

Схема полного процесса производства меди из первичного и вторичного

сырья в Российской Федерации представлена на рисунке 2.1.

2.4.1.1 Обжиг медных концентратов

Обжиг в металлургии меди используют при переработке высокосернистых

бедных по меди концентратов и руд. Цель обжига состоит в удалении части серы и

окислении некоторого количества железа для перевода их оксидов в шлак при

последующей плавке. В шихту, как правило, вводят флюсующие добавки (кварц,

известняк) для получения шлака выбранного состава. При обжиге решаются и

другие задачи: получение газов, пригодных для получения серной кислоты,

усреднение, разогрев шихты. Основным способом обжига медных концентратов

является обжиг в кипящем слое (КС). Сущность обжига в КС состоит в продувке

слоя шихты восходящим потоком воздуха или обогащенного кислородом дутья со

скоростью, обеспечивающей «кипение» материала. Обжиг в КС

высокопроизводительный процесс, конструкция обжиговых печей проста, процесс

легко механизируется и автоматизируется. Отходящие газы содержат 12 % - 14 %

SO2, их используют для получения серной кислоты.

Обжиговая многоподовая печь (в цветной металлургии) - вертикальная

цилиндрическая печь для обжига шихтовых материалов. Рабочее пространство

многоподовой печи разделено по высоте на несколько ярусов кирпичными подами,

каждый из которых является сводом для нижерасположенного яруса. Обжигаемый

материал перемещают вращающиеся гребки (перегребатели) по спирали от

периферии к центру на нечетных подах и от центра к периферии - на четных, где

он пересыпается ниже через пересыпные отверстия. В обжиговой механической

многоподовой печи навстречу движению шихты идет поток газов. Окислитель -

воздух - поступает снизу через отверстие для выгрузки огарка, сбоку через

специальные окна проходит по всем подам и выходит из печи сверху через газоход.

- паровые сушилки со змеевиком.

Роторная сушилка представляет собой вращающийся барабан. Горячий газ,

получаемый при сжигании природного газа, контактирует с влажным концентратом,

и содержащаяся в концентрате вода переходит в газ.

Паровые сушилки нагреваются паровыми змеевиками. Производительность

зависит от давления пара; за счет увеличения давления до

20 бар

производительность может возрастать. Для поглощения влаги из концентрата

через него продувается небольшое количество воздуха.

Обычно обжиг и плавку проводят одновременно в одной печи при высоких

температурах для получения расплава, который можно разделить на штейн (сплав

сульфидов металлов) и шлак, состоящий из оксидов. Флюсы, содержащие оксиды

кремния и кальция, обычно добавляют к расплаву для образования шлака.

Отходящие газы поступают на переработку, где служат сырьем для производства

серной кислоты, реже - жидкого SO2 или элементарной серы. Этап плавки служит

для отделения сульфида меди от других твердых примесей, присутствующих в

руде, путем образования силикатов, в частности силикатов железа. Это возможно

из-за более высокого сродства меди к сере по сравнению с другими

металлическими примесями.

При переработке медного концентрата с низким содержанием серы и

высоким содержанием органического углерода отходящие газы с высоким

энергетическим потенциалом могут быть использованы в качестве

дополнительного источника при производстве электроэнергии.

2.4.1.3 Плавка концентрата на штейн

Плавка на штейн

- это плавка, направленная на получение богатого

расплава сульфидов и отделения пустой породы в виде шлака. В процессе плавки

на штейн могут происходить как окислительные, так и восстановительные

процессы, а также сульфидирование металлов. Существует два базовых процесса

плавки: плавка в жидкой ванне и плавка в газовой среде (взвешенная плавка). В

процессе плавки в газовой среде (взвешенной плавки) применяют обогащение

дутья кислородом для получения автогенного или почти автогенного режима.

Использование кислорода также повышает концентрацию диоксида серы, что

позволяет эффективнее утилизировать отходящие газы в установках,

использующих серу (обычно для производства серной кислоты или жидкого

диоксида серы). В таблице 2.2 представлена информация о процессах плавки,

применяемых в производстве меди.

Плавку в жидкой ванне проводят в ряде специальных печей, таких как

отражательная печь, электропечь, печи Ausmelt/ISASMELT, Noranda, Mitsubishi,

El Teniente, Baiyin и Ванюкова [11], [12], [13]. Все эти технологии основаны на

процессах плавки и окисления, происходящих в расплавленной ванне, с

разделением шлака и штейна и выпуском расплава разными способами. Для

некоторых печей не требуется предварительной сушки концентрата, однако

перегретый водяной пар увеличивает объем газа и снижает энергетическую

эффективность процесса. Различия между этими процессами могут быть

значительными, например, в расположении точек подачи воздуха/кислорода или

топлива, а некоторые процессы носят циклический характер. Печи плавки в жидкой

ванне обычно эксплуатируются вместе с накопительными емкостями для

расплавов миксерами или отдельными отстойниками. Плавку вторичного медного

сырья низкого и среднего качества проводят в печах различного типа: шахтных,

плавильных мини-печах, поворотных конвертерах с верхней продувкой (TBRC),

плавильных печах Ausmenlt/ISASMELT. Типичным исходным материалом является

образующееся после плавки и рафинирования меди вторичное сырье, содержащее

медь и драгметаллы, отходы литья, металлообработки, или поставляемые

предприятиями по переработке медьсодержащих отходов электронные лома, лома

медных сплавов, богатые медью шлаки, медные дроссы, пыли из циклонов и

фильтров, шлам осаждения и шламы волочения проволоки.

Таблица 2.2 - Технологии переработки медьсодержащего сырья [14]

Технология

Характеристики применения

Применения

плавки

Применимос

Экологическа

Уровень

Комментарий

ть в

производства:

производств

результативн

возможности

ость:

или

возможности

ограничения

или

ограничения

Плавка в

Общепримен

Высокая при

Используется

Высокое

шахтной

им

сочетании с

для многих

содержание

печи

процессами

видов

углерода

рекуперации

концентратов и

усложняет

тепла и

шихтовых

применение

соединений

материалов,

других

серы из

включая

технологий из-за

отходящих

вторичное

высвобождения

газов

сырье и

тепла

окисленные

руды

Частичный

Общепримен

Высокая

Ограничение

В качестве

обжиг с

им

по

вероятного

последующ

производитель

ограничения

ей плавкой

ности

может выступать

размер

отражатель

обжиговой или

ной печи

отражательной

печи

Взвешенна

Общепримен

Высокая

В одной печи

Признан по всему

я плавка

им

достигается

миру как

Outotec

высокая

«стандарт»

скорость

производства

плавки; в

первичной меди

зависимости от

конструкции

печи и типа

концентрата

возможно

достижение

Окончание таблицы 2.2

Технология

Характеристики применения

Применения

плавки

Применимо

Экологическа

Уровень

Комментарий

сть в

производства:

производств

результативн

возможности

ость:

или

возможности

ограничения

или

ограничения

производительн

ости до

400 000т

черновой меди

в год

Плавка

Общеприме

Высокая

Верхний предел

Возможности

Ausmelt/ISAS

ним

производительн

для

MELT

ости единичной

дальнейшего

печи не

совершенствов

проверялся

ания

Плавка в

Общеприме

Высокая

Ограничено

Ограничение

агрегате СПК

ним

размерами

по содержанию

(агрегат

агрегата

О2 в дутье

совмещенной

плавки-

крнвертирова

ния)

Плавка в печи

Шесть

Высокая

Отсутствуют

Технология

Ванюкова

промышлен

перспективная,

ных печей в

есть

России и

возможность

Казахстане

совершенствов

ания

Плавка в

Широкое

Имеются

Ограничение

Наличие

отражательно

применение

серьезные

скорости плавки

большого

й печи

ограничения

в одной печи

количества

дымовых газов

с низким

содержанием

SO2

ограничивает

возможность их

утилизации в

сернокислотно

м производстве

Взвешенную (кислородно-факельную) плавку проводят в печах Outotec или

INCO. В процессе Outotec и при циклонных процессах применяется обогащение

кислородом, а в процессе INCO используется чистый кислород. При взвешенной

плавке происходит окисление и плавка сухого концентрата в форме взвешенных в

воздухе частиц. Прореагировавшие частицы падают в отстойник, в котором

происходит разделения штейна и шлака; иногда в отстойник для поддержания

температуры подается дополнительное топливо. Штейн и шлак затем сливают и

подвергают последующей переработке, а газы поступают из печи через

вертикальную камеру или шахту в теплообменник. Кислород могут подавать в

вертикальную шахту для дожигания пыли в продуктах горения и сульфатизации

оксидов металла.

Кроме технологий, перечисленных выше, могут применяться и другие

технологии плавки в жидкой ванне или взвешенной плавки. Для выплавки

первичной меди из богатой руды на комбинате «Североникель» используются

вертикальные конвертеры. Информация о применении технологий плавки в мире

представлена в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Мировое применение технологий плавки при производстве меди

Процесс

Производство

черновой меди

(1000 т/год)

Взвешенная плавка Outotec

5815

ISASMELT

2255

Ausmelt

1430

Взвешенная плавка и конвертирование Outotec

1120

Процесс Mitsubishi

990

Процесс Teniente

846

Отражательная печь

795

Прямая плавка на черновую медь Outotec

740

Шахтная печь

670

Печь КФП (Inco)

345

Процесс Ванюкова (по данным двух заводов в Российской

452,2

федерации)

2.4.1.4 Конвертирование

Для переработки первичного сырья в Российской Федерации применяются

процессы конвертирования двух типов: процесс конвертирования штейна и процесс

конвертирования черной меди. Процесс конвертирования штейна - это процесс

периодического действия (циклический).

Периодический процесс конвертирования штейна.

Периодический процесс конвертирования штейна реализуется в два этапа.

Чаще всего процесс проводят в цилиндрической бочкообразной печи-конвертере

(Пирса - Смитта) [11], [12], [13]. с добавлением кварцевого флюса. На первом этапе

происходит окисление железа и части серы и образование шлака и газообразного

диоксида серы; шлак периодически сливается и подвергается дальнейшей

переработке с целью извлечения меди. Традиционно продувка на первом этапе

осуществляется в несколько стадий с постепенным добавлением штейна. На

втором этапе, т. е. при продувке белого матта (полусернистой меди), сульфид меди

окисляется с получением черновой меди (содержание меди - 96,0 % - 99,2 %), и

дополнительно образуется диоксид серы. В конце продувки черновую медь

сливают.

Управление процессом направлено на контроль уровня остаточной серы и

кислорода в черновой меди. Диоксид серы поступает на переработку. Реакция

первого периода протекает с большим выделением тепла, а также летучих

металлических примесей, таких как свинец и цинк, которые затем улавливаются в

очистных установках в виде возгонов и пыли и направляются для последующей

переработки. Выделяемое тепло может также использоваться для плавки

холодных оборотных материалов, анодного скрапа, медного лома и т.п. без

дополнительного первичного тепла. Концентрация диоксида серы зависит от типа

печи, содержания кислорода в дутье и стадии конвертирования.

Конвертер Пирса - Смита относится к агрегатам периодического действия

(из рассматриваемых в данном разделе к ним относятся конвертеры Пирса - Смита

и похожие на них). Они представляют собой цилиндрические печи с

расположенными по боковой поверхности фурмами для подачи воздуха/кислорода.

Для периодического конвертирования медного штейна на черновую медь на

некоторых предприятиях применяются поворотные конвертеры с верхним дутьем

(TBRC).

Процесс конвертирования черной меди.

Конвертирование черной меди

- периодический процесс, при котором

расплав из плавильной печи непосредственно плавится на черновую медь. Один

цикл конвертирования длится примерно 8 ч. На первом этапе добавляют примерно

5-6 т кварцевого флюса на цикл для вывода в шлак окисленного железа и свинца.

Для удаления летучих примесей и для поддержания теплового баланса

конвертера, добавляют небольшое количество коксика (0,1-1 т). Когда содержание

свинца падает ниже 2 %, начинают продувку, и в конвертер добавляют кремнезем

для связывания PbO. Процесс завершается, когда содержание свинца становится

ниже 0,3 %. Отходящие газы конвертера отводятся на мокрую газоочистку, а шлам

со скруббера, содержащий 55 % - 65 % свинца, поступает на завод по производству

свинца. В цикл конвертирования черной меди обычно вовлекается вторичное

медьсодержащее сырье. В случае конвертирования расплавов черной меди без

добавления сульфидного расплава, окисление которого является источником

тепла, для поддержания теплового баланса конвертера используется отопление

природным газом через систему горелок, или добавление кокса.

2.4.1.5 Огневое рафинирование меди (анодная печь)

Это следующий этап очистки меди от примесей, которому подвергается

черновая медь, полученная на этапе конвертирования, а также чистый

высококачественный медный лом. Процесс рафинирования предусматривает два

этапа:

- окислительный за счет подачи воздуха;

- восстановительный за счет восстановителя (например, углеводородов) для

снижения содержания оксидов меди и более полного ее извлечения.

При пирометаллургическом (огневом) рафинировании металлов решаются

две задачи:

1) Частичное или полное удаление примесей.

2) Получение однородных по структуре плоских отливок (с минимальной

газонасыщенностью), имеющих постоянную массу, толщину и форму, удобную для

погрузочно-разгрузочных операций и соответствующих требованиям эффективного

электролитического рафинирования.

Физико-химической основой процесса являются:

- меньшее сродство к кислороду у рафинируемого металла по сравнению с

удаляемыми примесями;

- ограниченная растворимость оксидов элементов-примесей в объеме

расплава металла и меньшая их удельная плотность, чем у рафинируемого

металла;

- более быстрая и полная восстановимость оксидов основного металла до

элементного состояния.

В качестве окислителя используют газообразные (чаще всего воздух или

воздушно-кислородная смесь) и твердые (окалина, оксиды рафинируемого

металла) вещества.

При огневом рафинировании сначала через расплавленный металл

продувают воздух для окисления примесей и окончательного удаления серы

(стадия окисления). На этой стадии образуется небольшое количество шлака,

который необходимо удалить перед началом следующей стадии. На следующей

стадии (восстановление или дразнение/полинг) добавляют восстановитель,

например, природный газ, мазут, паро-мазутную смесь, сырую древесину, для

частичного удаления кислорода, растворенного в жидкой меди и восстановления

ее окислов. На некоторых печах для улучшения перемешивания и прочих

процессов используется вдувание азота через донные пробки. В качестве

восстановителя может также использоваться аммиак, но это приводит к

повышению уровня NOx. В странах ЕС при первичной и в некоторых случаях при

вторичной плавке применяют цилиндрические поворотные печи (анодные печи).

Эти печи похожи на конвертер Пирса - Смита и имеют фурмы для подачи газа.

В них загружают расплавленную медь, медный лом и отработанные медные аноды.

В некоторых процессах используют отражательные печи с погружными фурмами

для подачи воздуха, в которые загружают твердую или расплавленную медь

(конвертерную медь или медный лом). Некоторые отражательные печи являются

наклоняющимися (Maerz) и оснащены фурмами и донными пробками для подачи

азота. Горячий газ от анодных печей часто используют для сушки, получения пара

и других целей. Расплав меди иногда перемешивают путем вдувания азота через

пористые пробки в печи. Это повышает однородность металла и эффективность

плавки.

На стадии огневого рафинирования могут также использоваться поворотные

конвертеры с верхним дутьем (TBRC). В этом случае в поворотной анодной печи

реализуется лишь стадия восстановления/полинга.

Непрерывный процесс плавки и рафинирования (Contimelt) используется для

плавки и последующей обработки высококачественного медного лома и

отработанных анодов. Он сочетает стадию плавки и стадии огневого

рафинирования (окисление и восстановление) с выплавкой анодов в одном

непрерывном процессе, что позволяет обеспечить высокую энергоэффективность

на всех стадиях и сократить объемы выбросов.

Применяются комбинации шахтных печей или конвертерных (загружаемых

твердыми материалами) и поворотных печей (для процесса восстановления). Эти

системы могут использоваться для плавки первичного (черновая медь) и

вторичного (лом) материала.

Металл из анодной печи направляют на отливку анодов. Наиболее часто

применяемая технология

- карусельная литейная машина с определенным

количеством изложниц в форме анода, установленных по окружности карусели.

Дозирующее устройство определяет количество расплавленного металла,

выливаемого в изложницу, что обеспечивает постоянство толщины анодов, а в

процессе вращения карусели аноды охлаждаются водой. Аноды автоматически

извлекаются из изложниц и помещаются в охлаждающие ванны для

предотвращения окисления металла. Производительность анодоразливочных

установок может составлять до 200 т/ч.

Альтернативная технология производства медных анодов - непрерывное

литье на двухленточной литейной машине Hazelett, на которой производят медную

ленту заданной толщины анода. Из этой ленты ножницами нарезают аноды

традиционной формы или в соответствии с системой Contilanod отливают «уши»

анода на специальных боковых блоках-кристаллизаторах, расположенных на

литейной машине через определенные интервалы. Изготовленные анодные листы

разрезают плазменной горелкой или специальными ножницами. Преимущество

этой технологии - в однородности получаемых анодов; однако система требует

тщательного

технического

обслуживания

сравнительно

высоких

производственных затрат. На российских предприятиях эта технология не

применяется.

2.4.1.6 Переработка богатых медью шлаков

Шлаки, образующиеся на этапе плавки первичного сырья на штейн с

содержанием меди более 30 % и на этапах конвертирования, богаты медью и

перерабатываются с применением нескольких технологий. Одним из таких

процессов является использование электропечи для отстаивания и проведения

реакции взаимодействия шлака, содержащего окислы меди, с углеродом в форме

коксовой мелочи или собственно электродами с получением медного штейна и

обедненного по меди шлака. Процесс переработки шлака в электропечи может

быть как непрерывным, так и периодическим. Конвертерный шлак также может

быть переработан в электрической печи.

Альтернативной технологией являются процессы флотации: шлак

охлаждают, измельчают и направляют на флотацию с получением флотационного

концентрата с высоким содержанием меди, который поступает на плавку. При

наличии соответствующего спроса шлаки после переработки могут применяться в

строительстве, включая дорожное, для сооружения набережных и других

аналогичных целей, а также для пескоструйной обработки, так как они часто

обладают лучшими свойствами по сравнению с альтернативными материалами.

Мелкозернистый железистый материал также используется в качестве

заполнителя при производстве цемента.

Шлаки с высоким содержанием меди, такие как конвертерные и

рафинировочные шлаки, также повторно перерабатываются на этапе плавки.

2.4.1.7 Краткая информация по печам, применяемым при производстве

меди

В таблице 2.4 содержатся обобщенные сведения о применяемых при

производстве меди печах.

Таблица 2.4 - Печи, применяемые при производстве меди

Тип печи

Используемое

Процесс

Применение

сырье

1. Печи для сушки, обжига, спекания и прокаливания

Паровая сушилка

Концентраты

Сушка

Нет данных о

(змеевик)

применении в

Кольцевая сушилка

Российской

Федерации

Вращающаяся печь

Руды, концентраты,

Сушка и

Применяется

различные виды

прокаливание

лома и остаточных

продуктов

Обжиговая

Концентраты,

Сушка и обжиг

Применяется

многоподовая печь

оборотные

материалы

Печь с кипящим слоем

Концентраты

Сушка и обжиг

Нет данных о

применении в

Российской

Федерации

2. Плавильные печи и конвертеры

Baiyin

Концентраты

Нет данных о

применении в

Contop/циклонные

Концентраты, руды

Российской

Федерации

Электропечь с

Шлак, вторичное

погруженной дугой

сырье, концентраты,

(руднотермическая)

руды

Отражательные печи

Концентраты, огарок

Плавка

Применяется

лом, электролом и

окисленного

прочее вторичное

медьсодержащего

сырье

сырья,

рафинирование

Печь Ванюкова

Концентраты,

оборотные

материалы

Ausmelt/ISASMELT

Концентраты и

вторичное сырье,

промежуточные

продукты

Продолжение таблицы 2.4

Тип печи

Используемое

Процесс

Применение

сырье

КИВЦЭТ

Концентраты и

Нет данных о

вторичное сырье

применении в

Noranda

Концентраты

Российской

El Teniente

Концентраты

Федерации

TBRC (KALDO) TROF

Большинство видов

Применяется

вторичного сырья,

включая шламы

Шахтная печь

Концентраты,

Применяется

большинство видов

вторичного сырья

Печь кислородно-

Концентраты

Нет данных о

факельной плавки

применении в

INCO

Российской

Федерации

Печь взвешенной

Концентраты

Применяется

плавки Outotec

Плавильная печь

Концентраты и

Нет данных о

Mitsubishi

анодный лом

применении в

Российской

Федерации

Конвертер Пирса -

Штейн, анодные

Применяется

Смита

остатки, медный

лом

Hoboken

Штейн и

Нет данных о

медьсодержащий

применении в

лом

Российской

Конвертер взвешенной

Штейн

Федерации

плавки Outotec

Конвертер Mitsubishi (в

Штейн

составе комплекса

Плавка -

конвертирование -

обеднение шлаков)

Шахтная

Медные катоды и

Переплав

Применяется

чистый лом

медьсодержащего

сырья

Агрегат совмещенной

Штейн, концентраты

Плавка

Применяется

плавки-

конвертирования

Окончание таблицы 2.4

Тип печи

Используемое

Процесс

Применение

сырье

3. Печи для рафинирования металла

Анодная поворотная

Расплавленная

Огневое

Применяется

печь (Кумера)

черновая медь и

рафинирование

Стационарная анодная

лом

печь

Отражательная печь

Черновая медь в

Огневое

слитках, медный

рафинирование

лом, анодные

остатки

Наклонная

Черновая медь в

Огневое

отражательная печь

слитках, медный

рафинирование

(Maerz)

лом, анодные

остатки

2.4.2 Электролитическое рафинирование меди

Электролитическое рафинирование цветных металлов, в том числе и меди,

является разновидностью процесса электролиза в водных растворах с выделением

металла. Целью данного процесса является рафинирование, т.е. очистка меди от

примесей путем электролитического растворения загрязненной примесями

анодной меди (анодный процесс) с последующим электроосаждением меди на

катоде (катодный процесс). При данной технологической обработке получается

чистая электролитическая медь в форме катодных отложений, а примеси

концентрируются либо в донном шламе, либо в электролите в растворенной

форме. Процесс электрорафинирования анодной меди может быть организован по

двум технологиям:

1. Основная технология - осаждение меди ведется на катодной основе из

меди, полученной электролизом на специальных матрицах.

2. Безосновная технология - осаждение меди ведется на постоянных катодах

(катодах многоразового использования) из нержавеющей стали или титана.

(Процесс Mount ISA, безосновная технология Outotec и система Noranda/Kidd

Creek) [11], [12], [13], [15].

Аноды и катоды помещают в электролизные ванны, располагая электроды в

ваннах вертикально, параллельно друг другу. Все аноды соединяются с

положительным, а катоды с отрицательным полюсом источника постоянного тока.

При прохождении постоянного тока через электрическую цепь происходит

электрохимическое растворение анода с переходом меди в электролит, перенос

катионов через электролит и осаждение ее на катоде. Примеси при этом в основном

распределяются между шламом (твердым осадком на дне ванн) и электролитом.

В результате электролитического рафинирования анодной меди получаются

товарные медные катоды, медеэлектролитный шлам, анодные остатки и

отработанный загрязненный металлами электролит.

В таблице 2.5 представлен пример данных по составу анода и получаемого

катода. Следует отметить, что уровень содержания примесей в аноде влияет на

качество катода, содержание примесей в аноде в свою очередь зависит от

химического состава сырья. Анодные остатки, составляющие обычно 14 % - 19 %

от первоначальной массы анодов, являются оборотным материалом и

отправляются в анодную печь на переплавку с исходным медным сырьем.

Количество и состав анодных шламов зависит от чистоты анодной меди.

Анодный шлам оседает на дне электролизных ванн, откуда периодически

удаляется на дальнейшую переработку. В шламе концентрируются благородные

металлы, такие как золото, серебро, металлы платиновой группы. Кроме

благородных металлов, в шлам переходят другие ценные элементы - селен и

теллур. В дальнейшем шлам перерабатывается аффинажным способом для

извлечения ценных компонентов.

Металлы,

которых

электрохимический

потенциал

более

электроотрицательный, чем медь (никель, железо, цинк), при электролитическом

рафинировании меди переходят в раствор. Для поддержания содержания

примесей, находящихся в электролите, в требуемых пределах, обеспечивающих

высокие качественные показатели процесса, часть электролита выводится из

процесса на переработку. На разных предприятиях применяются различные схемы

переработки

отработанного

электролита.

Современная

тенденция

техперевооружения или строительства новых производств, как правило

направлена на повышение производительности за счет интенсификации процесса

(работа на высокой плотности тока), автоматизации и механизации

производственных процессов при использовании постоянных катодов из

нержавеющей стали. Применение безосновной технологии позволяет исключить

матричный передел для получения стартовых катодных основ из

электролитической меди, обеспечивает стабильно высокий коэффициент

использования тока (97 % и выше) за счет четкой геометрии анода и катода.

Таблица

2.5

- Пример извлечения примесей при электролитическом

рафинировании

Элемент

Содержание в аноде *, г/т

Содержание в катоде,

г/т

Серебро

600 - 720

9-10

Селен

50 - 510

< 0,5

Теллур

20 - 130

< 0,5

Мышьяк

700 - 760

< 1

Сурьма

330 - 700

< 1

Висмут

< 0,5

Свинец

990 - 500

< 1

Никель

1 000 - 5 000

< 3

* Качество анода обусловлено составом сырья.

На разных предприятиях применяются различные схемы утилизации

отработанного электролита.

На предприятиях, использующих вторичное медное сырье, обычно

применяется следующая схема. Медь из отработанного электролита извлекают

методом электроэкстракции. Раствор после обезмеживания нейтрализуют с

получением гипсового никельсодержащего кека, который отправляют на

переработку на никелевые заводы.

На большинстве отечественных предприятий, использующих минеральное

сырье, применяется двухстадийная схема извлечения меди из отработанного

электролита:

- упаривание и кристаллизация электролита с получением сульфата меди;

- извлечение остаточной меди из упаренного раствора электроэкстракцией.

После извлечения меди из раствора извлекается никель в виде сернокислой

соли методом выпаривания, кристаллизации и последующего рафинирования.

Современная тенденция заключается в увеличении размера ванн, установке

большего числа электродов и использовании катодной основы из нержавеющей

стали, увеличение плотности тока до 350 - 380 А/м² [6] . Рост эффективности

заметен, когда эти факторы сочетаются с высоким уровнем контроля качества

анодов. Контроль качества необходим для обеспечения заданной геометрии,

хорошего электрического контакта и требуемой чистоты анода. Применение

безосновной технологии сокращает затраты электролиза меди (отсутствует

матричный передел для получения стартерных катодных основ из

электролитической меди), обеспечивает стабильно высокий коэффициент

использования тока

(97

% и выше). Для современных цехов электролиза

характерна высокая степень автоматизации замены катодов и анодов, сдирки

катодов с катодной основы из нержавеющей стали роботизированными

системами [11], [12], [13]. Вместо последней может применяться механически

изготовленная медная матрица.

Также процессом электролитического рафинирования происходит получение

медных порошков различных марок.

2.4.3 Гидрометаллургические технологии производства меди

Гидрометаллургия - извлечение элементов из сырья с помощью

жидкофазных растворителей и последующее выделение их из растворов в форме

металлов или моноосадков.

Этот процесс обычно применяется для переработки окисленных руд или

смешанных окисленных/сульфидных руд непосредственно на территории рудника,

где есть достаточно места для формирования участков выщелачивания и

переработки. Этот процесс особенно эффективен для руд, из которых трудно

произвести концентрат с помощью традиционных технологий, и которые

не содержат драгоценных металлов [16], [17], [18]. В мире было разработано

несколько патентованных технологий, таких как процессы Outotec L-SX-EW и Hydro

Copper, Albion [19], [20], [21].

Общая схема гидрометаллургического процесса представлена на

рисунке 2.2.

Основными стадиями гидрометаллургической технологии являются:

1) Подготовка сырья; эта операция способствует более быстрому, полному,

селективному выщелачиванию ценного металла. Известны механические способы

(дробление, измельчение) и физико-химические, связанные с изменением

фазового состава сырья (прокалка, обжиг, спекание, гидротермальное

активирование, обезжиривание вторичного сырья и др.).

2) Выщелачивание, т. е. перевод металла в раствор с последующим

отделением нерастворимого остатка методами отстаивания, фильтрации,

центрифугирования и промывкой остатка.

3) Подготовка раствора: очистка от посторонних примесей физико-

химическими методами (осаждение в форме труднорастворимых соединений,

цементация, сорбционно-экстракционное разделение), концентрирование

раствора приемами упаривания, сорбции и экстракции с последующим получением

при десорбции и реэкстрации обогащенной жидкой фазы.

4) Выделение из раствора ценного элемента в форме металла (электролиз,

автоклавное осаждение газом) или соединения (кристаллизация, химическое

осаждение, дистилляция).

Рисунок 2.2 - Обобщенная технологическая схема гидрометаллургического

процесса [20]

Выщелачивание

Эффективность выщелачивания оценивается:

- извлечением - степенью перехода извлекаемого элемента по отношению к

его содержанию в исходном сырье, %;

- скоростью процесса (масса извлекаемого элемента в единицу времени;

возрастает с увеличением температуры, концентрации реагентов, интенсивности

перемешивания, удельной поверхности, дисперсности сырья);

- селективностью - степенью извлечения ценного элемента по отношению к

сопутствующим примесям: чем меньше скорость и извлечение, тем больше

селективность выщелачиваемого элемента;

- удельным расходом реагента - расходом химиката на массовую единицу

извлекаемого металла; этот показатель зависит от фазового состава сырья,

регенерации растворителя и организации замкнутой по растворителю схемы;

- свойствами получаемых пульп, влияющих на показатели их отстаивания и

обезвоживания; они определяются дисперсностью и фазовым составом твердой

фазы, вязкостью и плотностью пульп, температурой.

Процессы выщелачивания классифицируются по:

- типу растворителя (щелочной, кислотный, солевой, органические и

комплексообразующие реагенты);

- способу

осуществления

(периодическое,

непрерывное,

одно-

многостадийное, прямоточное и противоточное);

- окислительно-восстановительным условиям среды (окислительное,

восстановительное, нейтральное);

- аппаратурному оформлению (кучное, подземное выщелачивание,

перколяционное, агитационное);

- величине давления (при атмосферном или избыточном - автоклавные

условия);

- использованию

подготовительных

операций

(прямое

или

предварительной подготовкой).

Характеристика растворителей

Эффективность действия растворителя при выщелачивании определяется

температурой, концентрацией, продолжительностью, крупностью сырья.

Вода является наиболее доступным растворителем и эффективна при

извлечении растворимых сульфатов, хлоридов металлов, в том числе и из

продуктов обжига.

Водные растворы солей (сульфаты и хлориды Fe (III)). Химия их действия

иллюстрируется нижеприведенными реакциями:

MeS + 2FeCl3 = МеСl2 + 2FeCl2 + S°;

MeS + Fe2 (SO4)3 = MeSO4 + 2FeSO4 + S°;

PbSO4 + 4NaCl = Na2PbO4 + Na2SO4.

Это достаточно эффективные растворители, обеспечивающие развитие

реакций при Т > 373 K, однако они дороги, получаемые растворы загрязняются

балластными солями, что осложняет регенерацию растворителя и извлечение

ценного компонента.

Хлорная вода - вода, насыщенная хлором:

Сl2 + Н2О ↔ НСlO + НСl.

При обычных условиях в

1 дм³ воды растворяется

2,26 дм³ CI2. В

зависимости от кислотности среды возможно предпочтительное присутствие CI2 (в

кислых средах), НСlO (pH 4 - 7,5) и СlO ^-(при pH > 7,5).

Хлорная вода активно растворяет металлы, сульфиды:

MeS + Cl2 (aq) = Ме²⁺ + 2Сl^-+ S°;

Me + Cl2 (aq) = Ме²⁺ + 2Сl^-, в том числе с образованием комплексов типа [MeCl4]^2-

Хлорную воду используют для выщелачивания поликомпонентных сплавов,

руд благородных металлов, молибденовых концентратов.

Токсичность, дороговизна, проблемы регенерации ограничивают области

применения этого растворителя.

Кислоты. Наиболее часто используют серную кислоту: это доступный

реагент, особенно на металлургических предприятиях, перерабатывающих

серосодержащее сырье, имеет высокую вскрывающую способность и умеренно

агрессивен к материалам, используемым при создании аппаратов. При

электрохимическом или автоклавном осаждении металлов из сульфатных

растворов удается обеспечить регенерацию кислоты.

Азотная и соляная кислоты более дороги, обеспечивают меньшую

селективность, осложняют выбор аппаратурного процесса. Использование соляной

кислоты вследствие повышенной ее способности к комплексообразованию

интересно в схемах, включающих сорбционно-экстракционную технологию

разделения металлов.

Для сырья с повышенным содержанием кислотовмещающих пород

кислотное вскрытие нецелесообразно из-за повышенного расхода кислоты,

интенсивного пенообразования.

Способы и схемы выщелачивания

Выщелачивание осуществляют в периодическом и непрерывном режимах. В

первом случае исходное сырье и реагенты загружают в реактор, обеспечивая

перемешивание при заданных параметрах, и обрабатывают пульпу до тех пор, пока

не будут достигнуты требуемые показатели (извлечение, селективность). Затем

содержимое реактора выгружают, а его готовят к следующей операции, которую

повторяют при тех же параметрах и условиях.

Непрерывный режим выщелачивания осуществляется в серии реакторов;

пульпа из расходной емкости с помощью насоса закачивается в первый реактор, а

затем непрерывно, один за другим, перетекает в последующие реакторы. Число

реакторов и время пребывания пульпы в них выбирают с таким условием, чтобы в

последнем реакторе были достигнуты требуемые показатели выщелачивания.

Подобные схемы эффективны при большом масштабе производства, поскольку

рационально используется аппарат во времени (нет потерь его на загрузку и

выгрузку, нагрев и охлаждение, подачу и сброс давления), проще автоматизация и

механизация, меньше эксплуатационные затраты (меньше потерь тепла,

трудозатраты), но капитальные затраты больше (насосное хозяйство, расходные и

приемные емкости, обвязка и арматура).

В зависимости от числа стадий различают одно- и многостадийное (двух-,

трех-) выщелачивание. При прямоточном выщелачивании исходная пульпа

непрерывно проходит все аппараты каскада и выгружается из последнего.

Противоточное выщелачивание реализуют тогда, когда необходимо достичь более

полного извлечения ценного металла (даже в ущерб селективности). С этой целью

остатки от первой стадии обрабатываются исходным растворителем (выше

концентрация и сильнее вскрывающая способность), получаемый вторичный кек

считают отвальным для данного процесса, а раствор возвращают на первую

стадию, т. е. обрабатываемое сырье и растворитель перемещают по встречным

маршрутам.

Это более рациональная схема, однако при этом неизбежно накопление

сопутствующих примесей в оборотном растворе, что ухудшает показатели

выщелачивания и сортность извлекаемого металла. Для поддержания

оптимального состава раствора часть его выводят на отдельную переработку

(глубокое выпаривание, нейтрализация, сорбционно-экстракционная очистка и др.).

Окислительно-восстановительное выщелачивание

При растворении благородных металлов, сульфидов, арсенидов, селенидов,

теллуридов необходимо применять окислители - реагенты, способные отдавать

кислород или присоединять электроны. Типичными окислителями, используемыми

при выщелачивании, являются кислород, хлор, гипохлорит, азотная кислота, соли

Fe(III), Cr(VI), Mn(VII) и др.

Выщелачивание в присутствии восстановителя

Ряд оксидов и гидроксидов ионов металлов высшей валентности плохо

растворимы в растворах кислоты. Для их выщелачивания используют реагенты-

восстановители.

В присутствии восстановителей образуются более устойчивые в растворе

ионы металлов меньшей валентности, что обеспечивает большую равновесную их

концентрацию и более полное растворение исходного материала.

Бактериальное выщелачивание. Для ускорения окислительных процессов

интересно использование бактерий - мельчайших (0,5 - 2,0 мкм) одноклеточных

организмов, размножающихся двойным делением. В неорганической среде живут

автотрофные, в органической - гетеротрофные бактерии. Особый интерес

представляют культуры, которые черпают энергию за счет окисления серы и ее

соединений (SO2, S^2-, S2O32-) до сульфат-иона и за счет окисления иона Fe(II) до

иона Fe(III). Наибольшая активность их жизнедеятельности проявляется при 303 -

308 К. Для бактерий губительны высокие концентрации солей меди, цинка и других

металлов; однако их адаптацию можно достигнуть путем последовательного

пересева культуры в среды с возрастающим содержанием солей металлов.

Микроорганизмы в десятки раз ускоряют окисление серосодержащих

соединений или образование сульфата Fe (lll); последний в кислой среде активно

окисляет большинство сульфидов металлов.

Приемы

бактериального

окисления

используют

при

вскрытии

труднообогатимых

золотосодержащих

руд,

при

окислении

пирита,

присутствующего в урансодержащих рудах, для окисления арсенидов.

Электрохимическое растворение

Суть процесса заключается в переводе в раствор элементов из

токопроводящих материалов (сплавов, штейнов, сульфидных концентратов) при

наложении электрического тока.

Закономерности и химизм процесса подобны теоретическим положениям

электролиза. Скорость растворения возрастает с увеличением плотности тока,

интенсивности

гидродинамического

режима,

замедляется

вследствие

пассивирующего влияния нерастворимых продуктов (оксиды, сульфаты свинца,

олова, элементная сера). Осуществляется в кислых (сульфатная, хлоридная) или

щелочных (гидроксидная, аммиачно-карбонатная) средах. Исходное сырье

отливают в форме анодов, гранул, брикетируют или подают в виде пульпы.

Хлорное выщелачивание

При использовании хлорсодержащих растворителей проявляется

окислительное и химическое воздействие, что интересно при обработке сплавов,

сульфидных материалов; при обработке последних образуется попутно

элементная сера:

MeS + Сl2(aq) = МеСl2 + S°;

и далее - хлористая сера (S2CI2), которая также активно вскрывает

сульфиды:

MeS + S2Cl2 → MeCl2 + 3S°.

Процесс протекает при

390-420 K; элементная сера растворяется в

хлористой сере в любых соотношениях. В ней также растворимы хлориды

мышьяка, сурьмы, олова, селена, теллура, молибдена, вольфрама; эти элементы

по мере накопления можно выделить путем дистилляции расплава. Оксиды,

хлориды многих других металлов нерастворимы в хлористой сере. При избытке

хлора в хлористой сере упрощается хлорирование золота, платины, благородных

металлов.

Способы выщелачивания и типы аппаратурного оформления

Выбор места и приема выщелачивания определяется условиями

обеспечения экологически выдержанного рентабельного производства. При этом

учитывают химический и вещественный составы сырья, стоимость и условия

реализации извлекаемых компонентов, затраты на природоохранные мероприятия,

масштаб переработки сырья.

Кучное и подземное выщелачивание

Этот способ применяют для извлечения металлов из забалансового сырья (с

низким содержанием ценного металла, большими затратами на добычу и

транспортировку, малым объемом сырья). В промышленной практике способ

используют для извлечения меди, золота, урана; отрабатывается технология для

извлечения цинка, свинца.

Сущность технологии заключается в равномерном орошении сырья

растворителем, обеспечении условий для растворения извлекаемого металла,

количественном сборе продукционного раствора и извлечении из него металла в

форме товарного продукта. Реализация технологии осложняется единовременной

обработкой огромных масс сырья большими объемами бедных растворов,

отдаленностью от промышленных зон и проблемами энергообеспечения,

обеспечения рабочей силой, а также влиянием метеорологических факторов

(дожди, засуха, паводки).

Принципиальное отличие кучного и подземного выщелачивания состоит в

типе перерабатываемого сырья и способе его подготовки. Приемы орошения,

сбора раствора и его обработки во многом сопоставимы.

Методом кучного выщелачивания обрабатывают отвалы пустой породы,

образуемые при разработке месторождения открытым способом, или специально

создаваемые кучи из более богатого, равномерного по крупности сырья.

Подземное выщелачивание осуществляют в заброшенных горных

выработках, а также для обработки небольших рудных тел. В первом случае

наиболее удобны рудники, в которых применяли системы обрушения и

магазинирования. При обработке рудного тела предпочтительны залежи с крутым

падением. Учитывают наличие и расположение водоупорных слоев с целью

сокращения потерь раствора.

Перколяционное выщелачивание. Способ применяют для обработки богатых

руд, содержащих медь, или кускового вторичного сырья в металлургии меди.

Исходный материал загружают в емкость с ложным днищем и обеспечивают

принудительную

циркуляцию

раствора через образовавшийся слой

обрабатываемого сырья.

Исходную руду дробят до крупности 4 - 8 мм и классифицируют для

удаления шламовых фракций.

Выщелачивание проводят в чанах емкостью

12 тыс. т, имеющих

антикоррозионную защиту. Реализуют принцип противотока; число чанов - 6 - 14.

Продолжительность обработки руды составляет

13 сут, в том числе

выщелачивание 2 - 6 сут; остальное время идет на вспомогательные операции

(загрузку, промывку и выгрузку хвостов, подготовку чана). При перколяционном

выщелачивании снижается расход растворителя, отпадает необходимость

фильтрации пульп, получаются более богатые растворы, что позволяет

использовать эффективные методы для извлечения металлов; однако требуется

внимание, тщательная промывка хвостов (противоточная, 5 - 7 циклов), поскольку

они направляются в отвал.

Агитационное выщелачивание. Способ заключается в обработке

измельченного сырья (концентрат, руда, огарок и т. п.) растворителем в аппаратах,

обеспечивающих

интенсивный

массообмен

пульпы.

Перемешивание

осуществляется с помощью мешалок с механическим приводом (аппараты

емкостью 10 - 70 м³), сжатого воздуха (пачуки емкостью до

250

- 300 м³),

совместным воздействием мешалок и воздуха, или во вращающемся барабане -

выщелачивателе. Эта цель достигается при механическом перемешивании

изменением числа оборотов и конструкции перемешивающего устройства

(лопастная, винтовая, турбинная мешалки, наличие диффузора), расходом и

давлением воздуха в пачуках, увеличением числа оборотов барабана.

Пачуки представляют собой вертикальный цилиндр (Ø ≤ 3,5 м, h ≤ 14 м) с

конусным днищем. Через соосно расположенную центральную трубу подают

энергоноситель (воздух, пар), обеспечивающий циркуляцию пульпы и ее

однородность. При использовании пара одновременно обеспечивают нагрев

пульпы.

Агитационное выщелачивание осуществляют в крупнотоннажном

производстве в непрерывном режиме, для чего используют несколько

последовательно установленных (предпочтительно каскадом) реакторов.

При агитационном выщелачивании для ускорения процесса и повышения

извлечения металлов нередко используют нагрев пульпы; при активном развитии

экзотермических окислительных реакций для поддержания заданной температуры

требуется охлаждение пульпы. Используют прямой (непосредственное введение в

пульпу пара, воды) или косвенный (с помощью встроенных холодильников,

наружных рубашек, выносных теплообменников) способы регулирования

температуры. Способ прямого нагрева или охлаждения наиболее эффективен и

прост, однако приводит к разбавлению или упариванию раствора, что не всегда

увязывается с последующей схемой извлечения металлов.

Автоклавное выщелачивание

Разновидностью агитационного выщелачивания является автоклавное,

принципиальное отличие которого в использовании повышенных температур

(> 370 K) и давлений (Р > 0,1 МПа), что обеспечивает значительную

интенсификацию процесса и селективность выщелачивания ценного металла

относительно ионов-примесей, склонных к гидролизу в кислых средах (Fe³⁺, Pb⁴⁺,

Sn⁴⁺, Mn⁴⁺ и др.).

При избытке окислителя и повышенных температурах (430 -450 K) основной

реакцией выщелачивания сульфидов становится:

MeS + 2О2 = MeSO4.

Это наиболее интенсивный процесс, достигается количественное осаждение

железа в форме хорошо фильтруемого осадка, однако требуется в 4 раза больший

расход кислорода и исключается замкнутость схемы по раствору в связи с

накоплением в нем сульфат-иона.

Корпус автоклавов изготавливают из конструкционных сталей, внутри

футеруют антикоррозионным материалом (резина, кислотоупорный кирпич на

специальной замазке, керамика, высоколегированные стали, титановые сплавы).

Емкость автоклавов - 15 - 320 м³. Горизонтальные большие автоклавы (V > 50 м³)

разделяют внутри перегородками. Длина камеры равна диаметру автоклава; в

каждой камере имеется перемешивающее устройство. Число камер не

превышает 4.

Автоклавы с механическим перемешиванием обеспечивают более

интенсивный гидродинамический режим и аэрацию; однако они дороже, возникают

трудности эксплуатации перемешивающих устройств и герметизации узлов их

ввода в корпус аппарата. При проведении безокислительного выщелачивания,

обработке пульп с повышенной плотностью целесообразнее использовать

вертикальные автоклавы, в которых перемешивание осуществляется воздухом или

паром.

Как правило, автоклавы работают в непрерывном режиме.

Вращающиеся автоклавы имеют цилиндрическую или сферическую

форму. Иногда их заполняют стальными шарами. При вращении (8 - 15 об/мин.)

достигается перемешивание пульпы, обновление реакционной поверхности и

доизмельчение твердой фазы. Подобные аппараты используют для проведения

безокислительного высокотемпературного выщелачивания и применяют для

обработки материалов с высокой удельной плотностью при небольших объемах

производства (например, при вскрытии шеелитовых, ильменитовых концентратов).

Трубчатые автоклавы. Аппараты представляют горизонтально

расположенные толстостенные (например,  = 0,3 м, L = 30 - 50 м) трубы, имеющие

наружный обогрев и теплоизоляцию. Через трубу прокачивают пульпу с помощью

насоса. Простота конструкции позволяет повышать температуру до 550 - 580 K, что

существенно ускоряет проведение безокислительного выщелачивания, например,

щелочное вскрытие бокситов. Способ характеризуется эффективным

использованием тепла, низкими капитальными затратами.

Приемы физико-химической подготовки сырья к выщелачиванию

Предварительный обжиг обеспечивает перевод извлекаемого компонента в

более растворимую форму и селективное его выщелачивание по отношению к

компонентам пустой породы. Наиболее распространены следующие виды обжига

(подробнее см. раздел 3).

Окислительный MeS + 1,5О2 = МеО + SO2 + Q, используемый для обжига

сульфидных материалов (руды, концентраты, штейны) или арсенидов

(концентраты, шпейзы).

Операцию проводят при повышенных температурах (1100 - 1400 K), с

большим избытком воздуха; неизбежно образование сложных оксидов типа

ферритов (МеО · Fe2O3), силикатов (МеО · SiО2), что уменьшает извлечение

ценного металла.

Сульфатизирующий (MeS + 2O2 = MeSO4) обжиг преследует перевод

извлекаемых металлов в растворимую форму (сульфат, частично оксид) и перевод

железа в устойчивые соединения типа оксидов. Операцию проводят при умеренных

температурах (880 - 900 K) и ограниченном избытке воздуха (α = 1,2 - 1,3). Этот

тип обжига используют в производстве меди, кобальта.

Хлорирующий обжиг проводят с использованием хлоринаторов (хлор,

хлорид натрия, сильвинит); при высокотемпературной обработке (хлоридовозгонка,

1100 - 1400 K) цветные металлы количественно возгоняются селективно от пустой

породы в форме МеCl2, улавливаются и перерабатываются по

гидрометаллургической технологии. Способ интересен для обработки сырья с

невысоким содержанием ценных элементов.

При сульфато-хлорирующем обжиге MeS + 2O2 + 2NaCl → МеСl2 + Na2SO4

извлекаемый металл переводят в растворимую форму (сульфат, хлорид).

Кальцинирующий обжиг (прокалка, спекание) протекает по реакциям:

МеСО3 = МеО + СО2.

МеSn = MeSn-m + S2↑.

МеО3 + Na2CO3 → Na2MeO4 + CO2;

используют для разрушения карбонатов (исключить вспенивание при

кислотном выщелачивании), перевода высших сульфидов в более растворимые

формы (например, FeS2 в FeS или CuFeS2 в Cu2S). При спекании с содой

образуются водорастворимые вольфраматы, молибдаты, алюминаты, ванадаты -

соединения, легко растворимые в водной среде.

Сульфатизация - обработка измельченного материала серной кислоты (60 -

90 % H2SO4) при 470 - 520 K.

При столь жестких условиях цветные металлы, присутствующие в форме

минералов (сложные оксиды, сульфиды и другие халькогениды), переводятся в

растворимые сульфаты и при последующем водном или слабокислом

выщелачивании количественно переходят в раствор.

Гидротермальная активация - обработка сырья селективным растворителем

при повышенных температурах в автоклаве, обеспечивающая перевод сложных

соединений в более простые формы; выщелачивание последних протекает более

быстро и полно, или при этом требуются менее жесткие параметры операции.

Например, при обработке халькопирита подкисленным раствором сульфата меди

при 430 - 450 K:

CuFeS2

+ CuSO4 = 2CuS

+ FeSO4, образуется более простая для

выщелачивания форма - сульфид меди (II). Подобная обработка

полиметаллических концентратов дополнительно обеспечивает их рафинирование

от сопутствующих примесей, которые селективно переходят в раствор.

Экстракционные процессы

Эти процессы используют для концентрирования разбавленных растворов,

содержащих не более 1 % извлекаемого металла, или для селективного его

выделения из поликомпонентного раствора.

Экстракция

Процесс основан на способности ряда органических веществ,

не смешивающихся с водой, селективно образовывать с ионами металлов

соединения и на извлечении их в органическую фазу.

Основные термины, используемые при описании процессов экстракции:

- экстрагент - органическое вещество, образующее с извлекаемым

металлом соль или комплекс, которые растворимы в органической и практически

нерастворимы в водных фазах;

- разбавитель - органическая жидкость, служащая для растворения

экстрагента;

- экстракт, рафинат - продукты экстракции, соответственно органическая и

водная фазы;

- реэкстракт - обогащенная водная фаза, получаемая после реэкстракции

насыщенной металлоорганической фазы.

Экстрагенты используются в смеси с разбавителями (керосин, бензол,

толуол); они нерастворимы в водной среде, имеют высокую температуру вспышки,

более

340 K, узкий интервал перегонки. Подбирая тип разбавителя, можно

подавлять или усиливать экстракцию ионов. Требования, предъявляемые к

разбавителям, во многом аналогичны требованиям, предъявляемым к

экстрагентам.

Чем больше коэффициент распределения или отношение «органическая:

водная» фаз, тем меньше требуется стадий экстракции. Разделение считается

эффективным при  > 1,6.

В металлургии меди наиболее часто на экстракцию поступают солянокислые

и сульфатные растворы.

Наибольшее применение в гидрометаллургии получили экстракторы типа

смесителей-отстойников. Каждый аппарат состоит из секций, включающих

смесительную и отстойную камеры. Растворы движутся внутри секции прямоточно,

а через аппарат - противоточно. В смесительной камере установлена турбинная

мешалка, вращающаяся со скоростью

400

600 мин.^-1; она обеспечивает

смешение водной и органической фаз, перекачивание смеси на соседнюю ступень

и поддерживает заданный уровень раствора в камерах.

Недостатком экстракции является пожароопасность и токсичность

реагентов, потери экстрагентов с водной фазой; они особенно значительны в

пульповых процессах (0,5 - 1 кг/т).

Основные затраты при экстракции приходятся на подготовку исходного

раствора, приобретение дорогого оборудования, организацию противопожарной

безопасности, поставку реагентов (экстрагент, реэкстрагент, корректоры

кислотности) и восполнение потерь экстрагента.

Выделение металлов из раствора

Выделение металла из раствора предполагает две цели: очистку от

металлов-примесей или осаждение металла в форме товарного продукта.

Для очистки растворов (разделения металла) используют осаждение в

форме труднорастворимых осадков, сорбцию, экстракцию, дробную

кристаллизацию, мембранную очистку, ионную флотацию, дистилляцию,

электрохимическое осаждение, цементацию.

При выборе способа учитывают состав исходного раствора, обеспечение

реагентами, доступность аппаратурного оформления, а в конечном счете

экономические показатели и потребности рынка.

Сульфиды. В связи с низкой растворимостью сульфидов большинства

цветных металлов осаждение их является эффективным приемом

концентрирования металлов при обработке бедных растворов или селективного их

отделения от других элементов. В качестве осадителя используют сульфиды

(гидросульфиды) щелочных металлов и аммония, сероводород (для умеренно

кислых сред процесс проводят в автоклаве при избыточном давлении газа-

осадителя).

При использовании сероводорода скорость процесса и фильтруемость

осадка возрастают в присутствии катализаторов (например, порошки одноименно

осажденного металла).

Сульфиды металлов образуются и при использовании в качестве осадителя

элементной серы, в частности при осаждении халькофильных металлов (Сu, Ni, Co,

благородных металлов) (~ 350 - 370 K):

Ме²⁺ + S^2- = MeS.

Хлориды. Ионы Сu (I) в присутствии ионов Cl^- образуют нерастворимые

хлориды; если медь присутствует в форме иона (II), осаждение ведут в присутствии

восстановителя (SO2, Сu, Zn, Fe и др.):

2Cu²⁺ + SO2 + 2H2O + 2CI^-= 2CuCl + 4Н⁺ + SO42-;

Cu²⁺ + Сu + 2Cl^-= 2CuCl ;

2Сu²⁺ + Me + 4Cl^-= 2CuCl + Ме²⁺ +2Сl^-.

Выделение металлов в форме солей

Способ основан на достижении пересыщенного состояния раствора, в

результате которого извлекаемый металл выделяется в форме соли

(кристаллизация, высаливание). К этой же группе можно отнести и дистилляцию,

при которой состав и устойчивость раствора нарушаются за счет термической

обработки с последующим образованием осадков основных солей. Несмотря на

простоту, широкое применение, недостатками этих способов являются невысокое

прямое извлечение металла, энергоемкость, громоздкость технологии.

Аппаратурное оформление операций разделения получаемых солевых пульп

аналогично описанному в разделе «Обработка пульп и осадков».

Выпарка и кристаллизация. Сначала упаривают раствор до достижения

пересыщенного состояния, после чего выделяется твердая фаза в форме,

соответствующей соли. Эту технологию используют для получения медного,

никелевого, цинкового купоросов (MeSO4· nН2О), при обработке алюминатных

растворов в схеме Байера, сточных вод для удаления балластных солей, при

разделении металлов, соли которых имеют различную растворимость, для вывода

избытка воды с целью обеспечения замкнутой по раствору технологической схемы.

Как правило, растворимость солей с повышением температуры

увеличивается; однако в автоклавных условиях (при Т = 400 - 470 K), особенно в

кислых растворах, растворимость соли уменьшается, что может служить способом

разделения соли металла и кислоты с целью регенерации последней.

Дробную кристаллизацию применяют для разделения поликомпонентных

растворов с целью получения одноименных чистых солей. Способ заключается в

многократном повторении цикла «кристаллизация - растворение ионов -

кристаллизация».

Используют две схемы выпарки - периодическую и непрерывную;

периодическая схема одностадийная, ее проводят при обогреве емкости через

паровую рубашку, а пары воды удаляют в атмосферу. Более эффективен вариант

вакуумной выпарки, которая исключает выброс пара в атмосферу, нагрев раствора

до высоких температур. Непрерывную выпарку проводят в многокорпусных

выпарных аппаратах. Свежий пар подают только на 1-ю стадию выпарки, в

последующие аппараты поступает парогазовая смесь из предшествующей стадии.

Поскольку движение раствора и греющего пара совпадает, подобная схема

является прямоточной.

Иногда используют «огневую» выпарку растворов, применяя в качестве

теплоносителя горячие газы от сжигания природного газа. Операцию проводят в

печах «кипящего слоя» или в аппаратах с погружным факелом. Это более

интенсивный процесс, при этом получают кристаллогидраты с меньшим

содержанием молекул воды (n = 0,5 - 2,0); однако в этом случае необходимы

системы пылеулавливания и обезвреживания отходящих газов.

Эффективность способа «выпарка - кристаллизация» определяется

величиной энергетических затрат, условиями реализации получаемой соли, а в

ряде случаев - утилизации и обезвреживания парогазовой смеси.

Высоливание - осаждение соли вследствие уменьшения ее растворимости,

обусловленного значительным увеличением ионной силы раствора; последнее

достигается при введении кислоты, соли, имеющих одинаковый анион с анионом

осаждаемой соли. Нередко в процессе высоливания образуются двойные соли,

например, CuSO4(NH4)2SO4 · nH2O.

Высоливание - простой способ, не требует сложного оборудования, больших

энергетических затрат. Неполное осаждение, образование комплексных осадков

извлекаемого металла, проблемы использования фильтрата - все это уменьшает

технологические достоинства высоливания.

Осаждение металлов в элементной форме

При

обработке

растворов,

гидроксидных

пульп

реагентами-

восстановителями происходит осаждение металлов в элементной форме. В

качестве восстановителя используют химические реагенты, металлы-осадители,

газы, электрический ток.

Важнейшими технологическими способами являются цементация,

автоклавное

осаждение,

электролиз

нерастворимыми

анодами

(электроэкстракция).

Цементация - осаждение металла из раствора его солей другим металлом,

имеющим более электроотрицательный потенциал. Помимо электрохимической

активности металла-осадителя (величины Е°, склонности к пассивации, кинетики

процесса) при его выборе учитывают стоимость, опасность загрязнения раствора

вводимыми примесями.

С увеличением температуры и интенсивности перемешивания, начального

содержания осаждаемого металла скорость цементации возрастает, образуется

более дисперсный осадок; в кислых растворах - чистые дисперсные осадки или

плотные пленки.

Цементацию используют (при осаждении меди из растворов от кучного и

подземного выщелачивания, при очистке никелевого, кобальтового, цинкового

электролитов от меди):

Cu²⁺ + Me = Сu + Ме²⁺.

Для цементации используют агитаторы, барабаны, конусные аппараты,

желоба.

Агитаторы эффективны при небольшом масштабе производства,

не допускается перемешивание воздухом, чтобы предотвратить растворение

осадка и осадителя. Это высокопроизводительные и компактные аппараты,

работающие на порошкообразном осадителе.

Барабанные цементаторы устанавливают с наклоном в сторону слива

отработанных растворов, опирают на ролики и вращают со скоростью 2 - 4 мин^-1.

Эти компактные, высокопроизводительные аппараты обеспечивают осаждение

не менее 94 % - 96 % извлекаемого металла. Однако за счет истирания возрастает

выход дисперсных частиц, что осложняет отстаивание осадка, а в процессе его

обезвоживания и сушки происходит дополнительное окисление порошка

осажденного металла.

В конусных аппаратах раствор под напором поступает в вершину конуса и

пронизывает слой осадителя. По мере продвижения раствора вверх скорость

потока снижается, что сокращает потери осадка с отработанным раствором.

Желоба - наиболее простые аппараты, которые широко использовали при

осаждении меди из разбавленных растворов. Желоба изготавливают из дерева,

бетона; ширина их 0,5 - 2,0 м, глубина - 0,8-1,5 м. Желоба устанавливают с

уклоном 1-3 °, прямолинейно, зигзагообразно. Скрап загружают на ложное днище,

слой его периодически разрыхляют.

По мере накопления осадок цементационной меди смывается и через

ложное днище потоком воды транспортируется в сборную емкость. На

современных установках обслуживание желобов (загрузка, ворошение скрапа,

очистка, ремонт, монтаж) механизированы. Извлечение меди превышает 90 %,

осадок получают чистым и достаточно крупнозернистым.

Автоклавное осаждение газами-восстановителями.

Способ заключается в обработке растворов при повышенной (Т > 370 K)

температуре и давлении газами-восстановителями (Н2, SO2, СО). Он отличается

высокой интенсивностью, обеспечивает селективное осаждение металла в форме

порошка, регенерацию растворителя (например, при осаждении меди из кислых

растворов), в ряде случаев (при осаждении никеля, кобальта) получение

композиционных порошков.

Способ используют в промышленном масштабе для осаждения порошков

никеля, кобальта, меди, благородных металлов.

В общем виде процесс записывают:

Меⁿ⁺ + Вгаз → Me + Вn+газ, в том числе для SO2:

SO2 + Н2O = H2SO3 → 2Н⁺ + SO32-

Ме²⁺ + SO32- + Н2О = Me + 2Н⁺ + SO42-

Ме²⁺ + SO2 + 2Н2О = Me +SO42- +4Н⁺

Примеры использования указанного процесса:

- осаждение меди из кислых растворов

Cu²⁺ + SO32- + H2O = Сu + 2Н⁺ + SO42-.

Основным газом-восстановителем является водород - достаточно активный,

доступный реагент, не вносящий в раствор примесей, однако отличающийся

повышенной взрыво- и пожароопасностью. С помощью водорода можно

восстанавливать ионы металлов, расположенные в ряду напряжений, начиная с

ионов кобальта (II), Е^о = -0,28 В:

Меⁿ⁺ + Н2 = Me + 2nH⁺.

Равновесие указанной реакции смещается в сторону прямой реакции в

присутствии нейтрализатора, лучше - растворимых щелочных реагентов типа

аммиака:

[Me (NН)3)n]²⁺ + Н2 → Me NН+4+ 2 + (n - 2) NH3↑.

Однако, с другой стороны, с увеличением концентрации аммиака возрастает

устойчивость аммиачных комплексов (а значит, снижаются скорость и полнота

осаждения металла) и общее давление в автоклаве (Σ = PH2O + РH2 + PNH3), поэтому

существует оптимальная концентрация аммиака, близкая к стехиометрии

вышеприводимой реакции, т. е. [NН3]:[Ме²⁺] = 2,1-2,3.

Наиболее важными параметрами процесса являются давление,

температура, состав раствора (содержание металла, затравка, а также ПАВ,

кислотность), интенсивность перемешивания. Температура - наиболее

интенсифицирующий фактор процесса, однако ее значение не превышает 420 -

450 K в связи с возрастающими энергозатратами, агрессивностью среды

(особенно в кислых средах), опасностью гидролиза солей, спекания дисперсных

фракций и ухудшения тем самым чистоты и качества порошка.

Поскольку в процессе ионизации водорода возрастает кислотность, для

более полного и быстрого завершения процесса необходимо или ограничивать

полноту осаждения, или вводить внешний нейтрализатор.

Для автоклавного осаждения порошков металлов используют автоклавы с

механическим перемешиванием (актуально эффективное насыщение пульпы

реакционным газом и более полное его использование); обычно их не футеруют

(опасность загрязнения порошка продуктами эрозии футеровки), а изготавливают

из высоколегированных сталей или титановых сплавов. Емкость автоклавов 5 -

15 м³, они изготовлены с большим запасом прочности и оснащены развитой схемой

приборов для контроля за ходом процесса и обеспечения безопасности.

Электроэкстракция используется для обработки растворов с повышенным

содержанием металлов

(≥

25-40 г/дм³), применяя нерастворимые аноды. В

результате на катоде восстанавливаются ионы металла:

Меⁿ⁺

+ nе

= Meк, а на аноде протекает реакция с образованием

молекулярного кислорода:

Н2O + 2е = 2Н⁺ + 0,5О2.

Этот способ используют для извлечения меди, цинка, кадмия, сурьмы,

никеля, серебра и ряда других металлов, получая компактные или

порошкообразные осадки.

В процессе осаждения растворы обедняются по извлекаемому металлу,

одновременно в эквивалентном соотношении регенерируется реагент-

растворитель (например, серная кислота при обработке сульфатных растворов),

что позволяет организовать замкнутую схему по растворителю.

Источники информации: [22], [23].

2.4.4 Производство катанки

2.4.4.1 Процесс Southwire

Медные катоды рафинированной меди плавят в шахтной печи с радиально

расположенными горелками, работающими на природном газе, пропане или

аналогичном газе. Производительность линии достигает 55 т/ч. Примерная схема

процесса Southwire приведена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Примерная схема процесса Southwire [24]

Параметры сжигания топлива строго контролируются для поддержания

восстановительной атмосферы (менее 0,5 % - 1,5 % СО или Н2) в печи с медью для

поддержания низкого содержания кислорода в меди. Это достигается за счет

автоматического поддержания соотношения топливо/воздух для каждой горелки

путем контроля содержания СО или Н2 в топочном газе каждой горелки. Отходящие

газы из печи выбрасываются в атмосферу. Расплавленная медь поступает через

летку в нижней части шахтной печи по желобу в поворотный цилиндрический

миксер. Миксер оснащен горелкой, работающей на природном газе или

аналогичном топливе, и служит в качестве резервуара, обеспечивающего

постоянный поток металла на литье и, при необходимости, для корректировки

температуры и металлургической обработки металла. Горелки на природном газе

служат для поддержания температуры расплавленной меди и восстановительной

атмосферы в миксере и желобах. Расплавленная медь при контроле скорости

потока подается из миксера через желоб в литейную машину. В литейной машине

стальная лента, охлаждаемая водой, поверх полусферы литейного колеса

образует литейную полость, внутри которой расплавленная медь затвердевает,

образуя литейную заготовку трапециевидного сечения размером с площадью от

2100 до 8300 мм². Поверхность литейного колеса и литейная лента покрывается

сажей от сжигания ацетилена в специальных горелках. После литейного колеса

литейная заготовка подается трайб-аппаратом через станок для съема фасок в

прокатный стан, включающий черновые и чистовые клети. В конце прокатного стана

заготовка приобретает свой окончательный диаметр. Для охлаждения и смазки

прокатных валков применяется синтетическая эмульсия. Далее заготовка проходит

линию осветления, где медная катанка охлаждается до 80 ^°С и восстанавливается

поверхностный слой раствором изопропилового спирта. После этого катанка

покрывается воском, сматывается в бухты и упаковывается обычно в пленку.

2.4.4.2 Процесс Contirod

Медные катоды плавятся в шахтной печи, описанной выше.

Производительность линии достигает 65 т/ч. Расплавленная медь поступает через

летку в нижней части шахтной печи по желобу в поворотный цилиндрический

миксер. Из миксера медь поступает в литейный желоб через литейный ковш, затем

в литейную машину - кристаллизатор. Подержания уровня металла в литейной

машине и скорость литья регулируется автоматически. В данном процессе

применяют двухленточную литейную машину Hazelett

[24],

[25]. Две ленты

непрерывно охлаждаются водой, образуя водяную пленку с внутренней стороны.

Две цепи боковых бронзовых блоков двигаясь с такой же скоростью, как и ленты

образуют прямоугольного сечения кристаллизатор. В зависимости от

производительности линии площадь сечения образующейся заготовки может

составлять от 5000 до 10400 мм², а производительность литейной машины - от 20

до 65 т в час. Заготовка прямоугольного сечения проходит через фрезагрегат, где

с нее удаляется фаски, и затем она поступает в прокатный стан с черновыми и

чистовыми клетями. Для охлаждения и смазки прокатных валков применяется

синтетическая эмульсия. Далее заготовка проходит линию осветления, где медная

катанка охлаждается до 80 ^°С и восстанавливается поверхностный слой раствором

изопропилового спирта. Ряд заводов используют в своем производстве кислотное

осветление. После этого катанка покрывается воском, сматывается в бухты и

упаковывается обычно в пленку. Примерная схема процесса Contirod приведена на

рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Примерная схема процесса Contirod [24]

2.4.4.3 Процесс Properzi

Непрерывный процесс Properzi с плавкой в шахтной печи и использованием

в качестве сырья высококачественных катодов, аналогичен процессу Southwire

(см. 2.4.3.1); основное отличие заключается в траектории стальной ленты на

литейной машине [26]. Параметры, описанные для процесса Southwire, также

характерны для этой технологии производства медной катанки. Компания La Farga

Lacambra SAU (Испания) совместно с компанией Continuus-Properzi (Италия)

разработали технологию получения медной катанки из 100 % медных отходов.

Высокосортный медный лом загружается в поворотную отражательную печь, где

проходят процессы окисления, восстановления. Во время окисления происходит

удаление вредных примесей до определенного содержания с помощью

загружаемых флюсов. Продувку воздухом осуществляют через фурмы,

периодически снимая шлак. По окончанию окисления приступают к восстановлению

природным газом через фурмы. Восстановление производят до содержания

кислорода 200 - 500 ppm в меди. После этого производят присадку чистого свинца

из расчета общего содержания свинца в меди 350 - 400 ppm. Свинец является

модификатором кристаллической решетки и позволяет достигать показателя

удельного электросопротивления на уровне с катанкой, изготовленной из чистой

меди. Отходящие газы из печи подвергаются дожигу и улавливанию пыли в

рукавных фильтрах. После приготовления металла жидкую медь подают в печь-

миксер, в литейную машину Properzi, получают медную заготовку, которая

прокатывается в прокатном стане до нужного диаметра. Далее осветляют в линии

осветления раствором изопропилового спирта, покрывают воском и упаковывают в

бухты медной катанки. В отличие от непрерывных процессов Southwire, Contirod,

Properzi процесс огневого рафинирования медных ломов периодический.

2.4.4.4 Процесс Upcast - получение бескислородной катанки на линии

вертикального непрерывного литья

Медные катоды плавятся в индукционной печи канального типа или в печи

сопротивления. Вертикально тянущая машина расположена над печью.

Водоохлаждаемые графитовые кристаллизаторы погружены на определенную

глубину в расплав, и расплавленная медь непрерывно затягивается в

кристаллизатор, где она затвердевает и вытягивается вверх с помощью трайб-

аппарата. Далее катанка направляется на сматывающие устройства с получением

готовых к отгрузке бухт медной катанки.

2.4.4.5 Процесс «Дип-форминг»

Разновидностью метода НЛП (непрерывное литье и прокатка) является

получение высококачественной медной катанки из бескислородной меди методом

«дип-форминг». Заготовка в виде катанки со скоростью около 100 м/мин проходит

через тигель с расплавленной медью, увеличивая свою массу примерно втрое, а

затем поступает на прокатный стан, где и доводится до нужного размера. Схема

процесса показана на рис. 2.5 Сырьем служат катодная медь и отходы катанки.

Плавильная печь индукционного типа имеет производительность 3 - 10 т/ч (обычно

около 6 т/ч), температура меди в тигле - около 1120 ^°С, содержание кислорода в

меди не более 5-10^-4% (бескислородная медь). Исходная заготовка - катанка

диаметром 12,7 мм подвергается предварительному волочению и скальпированию

до диаметра 9,6 мм и подается к литейному тиглю. На выходе из литейного тигля,

в который заготовка поступает снизу, она имеет диаметр

15,9 мм. После

предварительного охлаждения, обеспечивающего снижение температуры

поверхности до 800 ^°С, медная заготовка с производительностью до 9 т/ч подается

на прокатный стан. После горячей прокатки температура катанки составляет

около 500 ^°С. Весь процесс осуществляется в защитной атмосфере, что позволяет

получать бескислородную катанку высокой чистоты с неокисленной

высококачественной поверхностью.

Рисунок 2.6 - Общая схема процесса производства полуфабрикатов [24]

2.4.5.1 Процессы плавки

Медь и медные сплавы плавят периодической плавкой в индукционной печи

(тигельной или канального типа). Для непрерывной плавки может применятся

газовая шахтная печь, которая позволяет производить процесс литья непрерывно

с высокой производительностью, высоким качеством и минимумом отходов. Для

плавки и огневого рафинирования меди также применяют отражательные газовые

печи. Системы отвода и очистки печных газов выбирают в соответствии с составом

сырья и степенью его загрязненности. Отходящие газы электропечей обычно

подвергают последовательной очистке в циклонах, а затем в рукавных фильтрах.

В качестве сырья используются медные катоды, лом меди и сплавов цветных

металлов, обычно складируемые на открытых площадках для подбора комбинации

компонентов исходного сырья с целью получения сплава заданного состава.

Предварительная сортировка и комбинирование позволяют значительно сократить

время, необходимое для плавки, что снижает расход энергии и зависимость от

дорогой лигатуры. При этом для индукционных печей лом измельчают для

повышения эффективности плавки, упрощения использования вытяжек и т. д.

Сырье может также включать латунную или медную стружку, покрытую

смазкой. В таких случаях предусматриваются меры, препятствующие

проникновению масла за пределы площадок хранения сырья и загрязнению почвы

и поверхностных вод. Для удаления смазки и других органических загрязнений

применяют сушильные или иные печи, либо методы обезжиривания

растворителями или водой.

При плавке латуни или бронзы происходит возгонка цинка, которую можно

минимизировать, регулируя температуру. Возгоны собирают с помощью системы

газоудаления и направляют на рукавные фильтры. Пыль с рукавных фильтров

поступает на заводы по производству цинка и свинца. Образование возгона цинка

при огневом рафинировании учитывается при проектировании системы

газоотведения.

2.4.5.2 Литье заготовок

Обычно литье расплавленного металла из печи или миксера происходит

непрерывно или циклами [26]. При непрерывном процессе используют технологии

вертикального или горизонтального литья, а при циклическом процессе литье

обычно вертикальное. Также применяют восходящее литье. Полученные биллеты

и слябы подлежат последующей переработке.

Принципиальная схема непрерывного и циклического литья представлена на

рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Принципиальная схема непрерывного и циклического литья [24]

Стандартными формами литья являются:

- заготовки, изготавливаемые в основном из меди и медных сплавов для

производства труб, прутка и профилей с помощью непрерывного и циклического

литья;

- слябы из меди и медных сплавов для изготовления листа или полос с

помощью непрерывного и циклического литья.

Расплавленный металл через миксер поступает в горизонтальную или

вертикальную машину литья заготовок. Отливаемые слитки режутся на мерную

длину в линии литья (непрерывная отливка) либо на отдельно стоящих пилах

(циклическое литье). При производстве специальной продукции из меди и медных

сплавов используют специальные технологии:

- восходящее литье - при производстве проволоки и труб (как правило малых

размеров до 14 мм);

- горизонтальное непрерывное литье - при производстве лент, профиля,

трубной заготовки.

Для резки литой заготовки при вертикальном и горизонтальном непрерывном

литье используют подвижный отрезной станок, чтобы исключить прерывание

процесса литья. Для всех операций литья как правило используется охлаждение

водой кристаллизаторов с последующим непосредственным охлаждением

поверхности слитка путем подачи воды на его поверхность (вторичное охлаждение)

для окончательного затвердевания и снижения температуры металла с целью

упрощения последующей обработки. Охлаждающая вода может поступать из

системы рециркуляции, оснащенной системой водоподготовки (осаждение и

отделение твердых частиц и окалины). Если окалина не имеет примесей вредных

веществ, то она используется в качестве шихтовых материалов плавильного цеха,

в противном случае она отгружается на переработку совестно со шлаками.

Сравнение параметров процесса традиционного непрерывного

вертикального и горизонтального литья представлено в таблице 2.6.

Таблица 2.6 -

Сравнение

процессов

традиционного

непрерывного

вертикального и горизонтального литья

Вертикальное непрерывное

Горизонтальное непрерывное

Параметр

литье

Диаметр заготовки

70 - 150 мм

150 - 140 мм

Производительность

8 т/ч на одну линию

Скорость литья

80 - 800 мм/мин

80 - 200 мм/мин

Температура литья

980 - 1 200 °С

Режим работы

Одно- или многоручьевые

Цикличность

Непрерывный

Непрерывный или

циклический

Вторичное

Использование системы

охлаждение

орошения

орошения необязательно,

хотя возможно

Тип кристаллизатора

Медный, графитовый

Графитовый

2.4.5.3 Изготовление труб, профиля и прутка

Производственные линии можно разделить по двум группам продукта с

различными этапами технологического процесса:

- медные трубы прямые и в бунтах;

- трубы из меди (медных сплавов), а также катанка, пруток, проволока и

профиль из меди и медных сплавов.

В обоих случаях сырьем служат слитки из меди и медных сплавов.

В первом случае производится отливка полого слитка, который

прокатывается на прокатном стане для получения трубной заготовки.

Во втором случае слитки предварительно нагревают в электрических или

газовых печах, а затем производят трубную заготовку методом прессования.

Для производства медных труб, в зависимости от типа продукта,

применяются следующие промышленные процессы:

- экструзия труб с последующим многоступенчатым волочением до

заданного размера;

- экструзия труб с последующим прокатом и несколькими этапами волочения

до заданного размера;

- горячий прошивной стан с последующим прокатом и волочением до

заданного размера.

При экструзии или прокате слиток для получения труб с толстой стенкой на

первом этапе предпочтительно использовать обжимной прокатный стан.

Процесс производства катанки, прутка, проволоки и профиля из медных

сплавов включает экструзию в бунтах или прямую, зачистку, травление, волочение

до заданного размера (на волочильных станах или непрерывных волочильных

машинах), тепловую обработку для получения необходимых механических свойств,

выпрямление и резку.

Весь процесс, начиная с пресса, представляет собой последовательность (в

большинстве случаев) изменения формы и размера. На всех этих этапах узлы

оборудования, применяемые для изменения формы и размера, охлаждаются и

защищаются с помощью специальной среды с использованием эмульсии для

обжимного проката и смазочных веществ для волочильных устройств. Эмульсия с

обжимного стана очищается путем фильтрации, таким образом, увеличивается

время эксплуатации и снижается количество смазки для последующей обработки.

Смазка, используемая для волочения, расходуется безвозвратно.

Продукция обычно подвергается отжигу и обезжириванию перед

транспортировкой, а обрезки обезжириваются в печи или с помощью других

методов обезжиривания перед возвратом в плавильную печь. Отжиг продукта

происходит в различных печах в восстановительных условиях с применением

«экзогаза или водородно-азотной смеси» в качестве защитной атмосферы.

Масла, используемые для волочения и прокатки, нейтрализуется при

обезжиривании/травлении на участке отжига.

2.4.5.4 Изготовление листов и полос

Слябы и слитки часто служат сырьем для изготовления листов и полос.

Ключевым элементом технологического процесса производства плоского проката

является горячий и холодный прокат. Технологический процесс включает

следующие этапы:

- предварительный нагрев;

- горячий прокат и обработка;

- холодный прокат;

- промежуточный отжиг;

- травление, промывка и сушка;

- повторный прокат и отжиг заготовки;

- чистовая обработка:

- листы (раскрой по длине);

- полосы (раскрой по ширине).

Для горячего проката слябов требуется 15 - 20 проходов, количество которых

определяется окончательной формой и весом слябов. При горячем прокате нет

потери металла, и вес сляба и бунта совпадает. При горячем прокате не требуется

создания защитной среды. Уровень шума при прокате регулируется с помощью

специальных защитных мер.

Для горячего волочения обычно используют двойной прокатный стан с

участками длиной до

200 м и бунтоукладчиком. Охлаждающая ролики вода

содержит незначительное количество смазки, добавляемой для снижения

сцепляемости со стальными роликами. Образующийся в процессе пар отводится

через систему вентиляции с предварительной очисткой газа перед выпуском его в

атмосферу.

Затем следует этап холодного проката затвердевшего металла. В

большинстве случаев перед холодным прокатом продукция подвергается отжигу.

Отжиг происходит в восстановительной атмосфере экзогаза или водородно-

азотной смеси для предотвращения окисления. Экзогаз получают на

производственной площадке из природного газа в специальном реакторе

непрямого нагрева. Азот и водород приобретают и хранят на промплощадке в

специальных емкостях. Водородно-азотную смесь изготавливают путем

смешивания компонентов в заданной пропорции. Отжиг перед холодным

волочением осуществляют в печах с конусным загрузочным устройством с

электронагревом и непрямым нагревом природным газом или мазутом. Для

промежуточного отжига бунтов перед прокатом применяют печи башенного типа.

Толщина листа уменьшается при прохождении этапов холодного проката на

реверсивных прокатных станах, таких как Duo, Quarto, Sexto, Sendzimir (12 роликов).

Также используется сочетание прокатного стана, например, однониточного, с

многониточным прокатным станом. Выбор типа прокатного стана определяется

толщиной листа и заданным размером бунта.

При холодном прокате для защиты роликов применяют эмульсию или масло.

Газ, отходящий от прокатного стана, подлежит очистке на механических фильтрах,

мокрых электростатических фильтрах или скруббере. Эмульсия и масло очищают

от частичек металла, пропуская его через бумажные или тканевые фильтры.

Типичные характеристики процесса производства латунных полос

представлены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Типичные характеристики процесса производства латунных полос

[15]

Вид операций

Технологические параметры

Горячий прокат

Тип прокатного стана

В основном Duo

Начальные размеры

250 - 130 мм толщина, 450 - 1000 мм ширина

Конечные размеры

15 - 12 мм толщина, 450 - 1000 мм ширина

Температура

750 - 800 °С

Усилие проката

~ 10 -12 кН/мм по ширине листа

ИТС НДТ 3-2025 Производство меди - часть 1