Luyện và tái sinh kim loại - P1

Luyện và tái sinh kim loại Bao gồm: - luyện và tái sinh đồng - luyện và tái sinh nhôm - luyện titan - luyện và tái chế vàng

1LUYỆN VÀ TÁI SINH ĐỒNG 2Nguyên liệu luyện đồng4,24,9-5,45,5-5,84,63,93,7-3,85,8-6,15,8-6,32,0-2,2~8,934,655,5-69,779,968,557,455,188,879,936,299,9 CuFeS2Cu5FeS4/Cu3FeS3Cu2SCuSCuCO3.Cu(OH)22CuCO3.Cu(OH)2Cu2OCuOCuSiO3.2H2OCu CancopiritBocnitCancodinCovêlinMalakhitAzuritCupritTênorit (mêlaconit)KhơrizoconĐồng tự nhiên 12345678910 Tỷ trọng, g/cm3 Hàm lượng Cu, % Ký hiệu Tên khoáng vật STT 3Phương pháp hoả luyện sản xuất đồng thô Cơ sở lý thuyết – lưu trình công nghệ tổng quát Sten đồng là hợp kim của các sunfua kim loại, trong đó chủ yếu (chiếm 80-90%) là Cu2S và FeS. Hàm lượng trung bình của lưu huỳnh trong stên đồng là 24-26% S. Nó nóng chảy ở 900-1050oC và có trọng lượng riêng trung bình là 5. Hàm lượng trung bình của đồng trong stên là 30-40% Cu. Hàm lượng lớn nhất là 79,9% Cu (ứng với 100% Cu2S trong sten đồng). Sten đồng có một đặc tính rất qúy là có khả năng hoà tan tốt các kim loại qúy và hiếm. 4Nguyên lý hỏa luyện:•- Do ái lực hoá học của đồng với lưu huỳnh lớn hơn ái lực hoá học của sắt với lưu huỳnh nên lưu huỳnh ưu tiên kết hợp với đồng để tồn tại bền vững ở dạng Cu2S.•- Do ái lực hoá học của sắt với oxi lớn hơn của đồng với oxi mà oxi ưu tiên kết hợp với sắt để tồn tại bền vững ở dạng FeO.•- FeO kết hợp với SiO2 tạo nên thành phần cơ bản của xỉ lỏng ở dạng fai-alit 2FeO.SiO2.•- Cu2S và FeS có khả năng tạo hợp kim lỏng đồng nhất (stên đồng).•- Tỷ trọng của stên đồng (~5) lớn hơn tỷ trọng cuả xỉ (~3) và chúng không hoà tan vào nhau.•- Stên đồng có khả năng hoà tan tốt các kim loại qúy, hiếm.•- Cu2S tác dụng với Cu2O cho ra đồng kim loại:•Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + SO2 (2.1) 5 62. Thiêu oxi hóa tinh quặng đồngMục đích của quá trình thiêu oxi hoá tinh quặng đồng sunfua là:•- Khử bớt lưu huỳnh. Để đặc trưng cho khả năng khử lưu, người ta dùng khái niệm “hiệu suất khử lưu” – đó là tỷ số phần trăm giữa lượng lưu huỳnh bò khử so với tổng lượng lưu huỳnh có trong tinh quặng ban đầu. Phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu và phương pháp thiêu khác nhau, hiệu suất khử lưu dao động từ 15-20% đến 50-70%.• - Biến đổi phần lớn FeS thành FeO để chuẩn bò cho sự tạo xỉ trong lò luyện ra stên đồng về sau.•- Khử bớt các tạp chất dễ bay hơi như Cd, As, Sb.•- Trộn đảo liệu, sấy khô, nung nóng, làm tăng tương đối hàm lượng đồng và làm nhỏ hạt liệu. 7Thiêu oxi hóa tinh quặng đồng được thực hiện ở nhiệt độ 750÷900oC. Trong khoảng nhiệt độ này, sự oxi hóa sunfua chủ yếu tạo thành các oxit. Quá trình cháy sunfua được biểu thò bằng phương trình có dạng tổng quát sau:•2 MeS + 3O2 = 2MeO + 2SO2 + Q (2.2)•Trong đó, Q là hệ số tỏa nhiệt của phản ứngƠÛ nhiệt độ thấp hơn 600÷650oC, sunfat được tạo thành:•MeS + 2O2 = MeSO4 (2.3)•Không nên để tạo thành sunfat trước khi luyện sten đồng, do việc này làm giảm hiệu suất khử lưu.Khi nhiêt độ cao hơn giới hạn trên (900oC), có thể các sunfua riêng biệt và cùng tinh dễ nóng chảy nhất của chúng bắt đầu nóng chảy, dẫn đến thiêu kết phần liệu nhỏ vụn. Trong khi thiêu oxi hóa, không nên để xảy ra thiêu kết. 8Quá trình thiêu gồm các giai đoạn chủ yếu sau: Nung nóng và sấy liệu, phân ly nhiêt của các sunfua hóa trò cao, bốc cháy và cháy các sunfua.Nung nóng liệu kèm theo thoát hơi ẩm và xảy ra nhờ truyền nhiệt từ khí nóng cũng như nhờ nhiệt tỏa ra của các phản ứng oxi hóa. Sau khi nung nóng liệu đến nhiệt độ gần 350÷400oC, hầu như bắt đầu xảy ra đồng thời các quá trình phân ly nhiệt của các khoáng vật sunfua và sự bốc cháy của chúng.Phân ly nhiệt chỉ xảy ra đối với các sunfua hóa trò cao theo các phản ứng sau:•FeS2 → FeS + ½ S2 (2.4)•2CuFeS2 → Cu2S + 2FeS +½S2 (2.5)•2CuS → Cu2S + ½S2 (2.6)Hơi lưu huỳnh thoát ra cháy trong môi trường oxi hóa theo phản ứng: •S + O2 = SO2 (2.7)Khi pirit phân ly nhiệt, một nửa số lượng nguyên tử lưu huỳnh đi vào pha khí, tức là hiệu suất khử lưu của pirit do phân ly nhiệt vào khoảng 50%. Hiệu suất khử lưu do phân ly nhiệt của cancopirit và covelin tương ứng 25 và 50%.Tất cả các phản ứng phân ly nhiệt đều thu nhiệt và đòi hỏi cung cấp nhiệt để phản ứng xảy ra.Trong quá trình thiêu oxi hóa cũng có thể phân ly một phần cacbonat, ví dụ: •CaCO3 → CaO + CO2 (2.8) 9Sự oxi hóa các sunfua bắt đầu từ sự bốc cháy của chúng. Nhiệt độ bốc cháy của các sunfua kim loại là nhiệt độ mà khi đạt tới đó, phản ứng oxi hoá các sunfua các kim loại xảy ra mãnh liệt và nhiệt lượng phát ra đủ để làm cho quá trình oxi hoá tự phát và lan rộng trong toàn bộ khối liệu.Nhiệt độ bốc cháy của từng sunfua phụ thuộc vào tính chất hóa lý của chúng và độ hạt. Các sunfua dễ bốc cháy nhất là pirit, cancopirit và cancodin, với độ hạt gần 0,1 mm, chúng bắt đầu cháy ở nhiệt độ tương ứng: 325, 360, 430oC.Nhiều sunfua, ví dụ như pirit và cancopirit có thể bắt đầu oxi hóa ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bắt đầu phân ly nhiệt. Môi trường oxi hóa mạnh trong các lò thiêu và nhiệt độ đủ để các sunfua bốc cháy tạo điều kiện để thực hiện việc oxi hóa này.Khi thiêu oxi hóa tinh quặng đồng, chủ yếu là các sunfua sắt oxi hóa. Nguyên nhân la do ái lực của sắt với oxi lớn hơn so với đồng và ái lực của sắt với lưu huỳnh nhỏ hơn so với đồng. 10Các phản ứng chủ yếu của thiêu oxi hóa tinh quặng đồng là:•2FeS + 3,5O2 = Fe2O3 + 2SO2 + 921000 kJ (2.9)•2FeS2 + 5,5O2 = Fe2O3 + 4SO2 + 1655000 kJ (2.10)•2CuFeS2 + 6O2 = Fe2O3 + Cu2O + 4SO2 (2.11)•Khi thiêu cũng có thể oxi hóa sunfua đồng theo phản ứng:•Cu2S + 1½O2 = 2Cu2O + SO2 + 38435 kJ (2.12)•Nhưng do ái lực của đồng với lưu huỳnh lớn, đồng được sunfua hóa trở lại theo phản ứng trao đổi sau:•Cu2O + FeS = Cu2S + FeO + 168060 kJ (2.13)•Cu2O hầu như không có trong quặng đồng thiêu.Tất cả phản ứng oxi hóa sunfua và nguyên tố lưu huỳnh là các phản ứng tỏa nhiệt. Nhiệt tỏa ra trong điều kiện thiêu tinh quặng đồng thường cao hơn so với nhiệt cần để tự xảy ra quá trình thiêu, đó là quá trình tự sinh điển hình.Sản phẩm thiêu oxi hóa tinh quặng đồng là quặng thiêu, các chất khí và bụi.•Thành phần khoáng vật của quặng thiêu sẽ khác xa so với thành phần tinh quặng ban đầu. Quặng thiêu thu được đặc trưng bởi sự có mặt của các oxit cùng với các sunfua và hầu như không còn các sunfua hóa trò cao [...]... suất khử lưu khi nấu luyện tinh quặng thiêu của đồng không vượt quá 20÷25% • Các kim loại qúy (Au, Ag) hoà tan tốt vào stên đồng và hoà tan rất ít vào xỉ  Trợ dung cho lò phản xạ thường là khoáng có chứa vàng, bạc như quặng vàng nghèo, tinh quặng vàng hoặc những nguyên liệu chứa vàng khó xử lý riêng  Stên đồng của lò phản xạ chứa 8 0-9 0% Cu2S và FeS; còn lại là các sunfua kim loại tạp, macnetit Người... Sản phẩm gồm sten và xỉ lỏng được tháo ra liên tục từ nồi lò vào một bể lắng (lò tiền)  Người ta phân biệt hai dạng lò đứng chủ yếu:  luyện hoàn nguyên để xử lý quặng oxit và nguyên liệu thứ sinh  luyện oxi hóa đối với quặng và tinh quặng sunfua Luyện oxi hóa lại được phân ra: luyện pirit, bán pirit và đồng-lưu huỳnh 19 • Hình Sơ đồ lò đứng (quạt gió) nấu luyện stên đồng 20 • 4 Thổi luyện stên đồng... thổi luyện là thu được đồng thô nhờ sự oxi hóa sắt, lưu huỳnh và vài thành phần cộng sinh Các kim loại qúy hầu như nằm lại trong đồng thô hoàn toàn, còn selen và telu nằm lại một phần trong đồng thô Do sự tỏa nhiệt của phần lớn các phản ứng, quá trình thổi luyện không đòi hỏi cung cấp thêm nhiên liệu, đó cũng là quá trình tự sinh điển hình  Cơ sở lý thuyết của quá trình này là sự oxi hoá sunfua kim loại. .. Thiêu oxi hoá trong lò lớp sôi • Hình 2.2 Sơ đồ lò thiêu lớp sôi • 1-Buồng lò, 2Đáy lò, 3- Hộp đựng gió, 4- Thiết bò nạp liệu, • 5- Tháo sản phẩm thiêu, 6- cửa thoát khí, 7- Buồng chất liệu 11 Các quá trình luyện ra sten đồng 1 .Luyện sten đồng trong lò phản xạ  Mục đích của phương pháp lò phản xạ luyện ra đồng sten là biến đổi và giữ đồng ở dạng đồng (I) sunfua (Cu2S) nhờ tương tác của đồng oxit... quá nguội phải cho thêm stên đồng lỏng, tăng cường gió thổi vào lò và giảm lượng trợ dung nguội 23 • Hình 2.7 Lò chuyển dạng hình trụ nằm ngang • 1- Động cơ điện; 2- Hộp số; 3- Vành bánh răng; 4- Vành đai 24 tựa; 5- ng góp gió; 6- Van bi; 7- ng thổi gió; 8- Cửa lò ... nhỏ,17 không vượt quá 1-2 % và dốc liệu không được chất vào quá cao • Hình Sơ đồ lò điện nấu luyện stên đồng 18 • 3 Luyện sten đồng trong lò đứng  Về nguyên tắc hoạt động, nó tương tự như lò đứng luyện gang (lò cao), lò đứng luyện chì, kẽm Đó là một không gian thẳng đứng với chiều cao nhất đònh chứa đầy tinh quặng dạng cục, trợ dung và than cốc Ở phần dưới của lò, không khí được thổi vào qua các mắt gió... vì khi đó mất mát đồng vào xỉ do các nguyên nhân cơ học và vật lý sẽ tăng lên Trong thực tế, phẩm vò trung bình của stên đồng là 2 0-3 5% Cu  Xỉ lò phản xạ được đặc trưng bởi hàm lượng của 3 cấu tử chính là SiO2, FeO và CaO Chúng chiếm khoảng 8 0-8 5% khối lượng xỉ Trong xỉ thường còn chứa 14 Al2O3 ( 5-1 5%) và các oxit khác như MgO, BaO, ZnO … Lò phản xạ luyện sten đồng 15 16 • 2 Luyện stên đồng trong lò... 4- Vùng nóng chảy; 5- Xỉ lỏng; 6- Sten • Các mũi tên chỉ hướng bức xạ nhiệt, các đường đứt quãng 13 chỉ chuyển động của các pha nóng chảy  Cơ chế hóa học của quá trình luyện sten đồng từ tinh quặng sấy và thiêu cũng khác nhau  Khi nấu luyện tinh quặng sống, các quá trình hóa học chủ yếu là phân ly các sunfua hóa trò cao và tương tác giữa sắt sunfua và macnetit (Fe3O4) được đưa vào lò từ xỉ lò chuyển... chảy nhất và chảy lên bề mặt xỉ lỏng Từ thời điểm này, bắt đầu việc phân tách các pha xỉ và sten; các giọt lỏng của pha oxit hòa tan vào xỉ luôn có sẵn trong lò, còn các giọt sten đi qua lớp xỉ tạo thành một lớp riêng ở phần bên dưới của bể chứa 12 • Hình 2.3 Sơ đồ luyện sten đồng trong lò phản xạ với sự tạo thành dốc liệu • 1- Liệu; 2- Ngọn lửa tạo thành khi đốt cháy nhiên liệu; 3Dốc liệu; 4- Vùng nóng... hợp này, hiệu suất khử lưu vào khoảng 4 5-5 5%  Cơ chế hóa học của luyện sten từ quặng thiêu, do sự phân ly của các sunfua hóa trò cao hầu như kết thúc khi thiêu, nên tương tác hóa học giữa oxit và sunfua là chủ yếu Trong quá trình luyện này, xảy ra các phản ứng chủ yếu sau: Cu2O + FeS = Cu2S + FeO (2.15) • 10Fe2O3 + FeS = 7Fe3O4 + SO2 (2.16) • • và cả tương tác giữa FeS và Fe3O4 khi có mặt silic oxit . 1LUYỆN VÀ TÁI SINH ĐỒNG 2Nguyên liệu luyện đồng4,24, 9-5 ,45, 5-5 ,84,63,93, 7-3 ,85, 8-6 ,15, 8-6 ,32, 0-2 ,2~8,934,655, 5-6 9,779,968,557,455,188,879,936,299,9. chúng không hoà tan vào nhau. - Stên đồng có khả năng hoà tan tốt các kim loại qúy, hiếm. - Cu2S tác dụng với Cu2O cho ra đồng kim loại: •Cu2S + 2Cu2O =