# Разработка процессов окатывания и паровоздушного обжига медного концентрата для плавки на черновую медь

**Автор:吉祥法师**

## Введение

Медь является одним из важнейших материалов современной техники, широко применяемым в электротехнике, машиностроении, строительстве и других отраслях промышленности. Республика Казахстан и Российская Федерация располагают значительными запасами медных руд, однако истощение легкообогатимых сульфидных месторождений вынуждает металлургические предприятия вовлекать в переработку труднообогатимое сырье полиметаллического типа. При обогащении таких руд выделяются концентраты с низким содержанием меди и повышенным содержанием железа, свинца, цинка и серы. Традиционная пирометаллургическая переработка высокосернистых медных концентратов, предусматривающая выплавку штейна с последующим конвертированием на черновую медь, сопровождается значительными потерями меди с печными шлаками и выделением большого количества сернистого ангидрида. Традиционно сернистый ангидрид утилизируют с получением серной кислоты, однако из-за низкого спроса на этот продукт и ограниченной мощности сернокислотных цехов полная утилизация всего объема сернистого газа не представляется возможной, что часто приводит к вынужденным выбросам в окружающую среду. Сложившаяся экологическая и технологическая ситуация требует разработки альтернативных методов переработки высокосернистого медного концентрата, обеспечивающих снижение количества выделяемого сернистого ангидрида.

Одним из перспективных направлений является получение черновой меди по технологии, включающей окускование концентрата, паровоздушный обжиг окатышей и последующую электротермическую переработку полученного огарка. Данная технология позволяет частично перевести серу концентрата в элементное состояние на стадии паровоздушного обжига, что существенно снижает экологическую нагрузку. Необходимым условием для реализации паровоздушного обжига является предварительное окускование концентрата, причем требуется решить задачу снижения расхода связующего материала — лигносульфоната, а также обеспечить получение окатышей с достаточными прочностными характеристиками. Для получения обожженных окатышей, пригодных по химическому составу для последующей плавки на черновой металл, необходимо обеспечить достаточную степень десульфуризации концентрата на стадии паровоздушного обжига.

## Глава 1. Анализ проблем переработки медного концентрата и обоснование направления исследования

### 1.1 Характеристика руд и концентратов

Полиметаллические медно-свинцово-цинковые руды, содержащие большое количество сульфидов железа, являются одним из основных видов сырья для медеплавильных заводов Казахстана и России. Республика Казахстан занимает девятое место в мире по запасам меди, обладая 6% мировых разведанных запасов. Промышленное значение имеют месторождения медно-порфировые, медистых песчаников, медно-колчеданные, а также скарновые и жильные кварцево-сульфидные. Значительная часть запасов сосредоточена в бедных медно-порфировых месторождениях, для эффективной переработки которых требуются новые прогрессивные технологии. Наиболее крупное казахстанское месторождение медистых песчаников — Жезказган — входит в первую пятерку медных месторождений СНГ и характеризуется полиметаллическим составом с основными элементами медью, свинцом и сопутствующими серебром, рением, кадмием. Колчеданно-полиметаллические месторождения сосредоточены в Восточном Казахстане, образуя Лениногорский, Зыряновский и Прииртышский рудные районы.

Российская Федерация занимает третье место в мире по запасам меди (около 9% мировых), причем значительная часть этих запасов заключена в медно-колчеданных месторождениях Южного и Среднего Урала. Для медно-цинковых руд характерно преобладание сульфидов железа — пирита, пирротина, марказита, суммарное содержание которых может достигать 90%. Другие рудообразующие сульфидные минералы представлены халькопиритом, сфалеритом, борнитом, халькозином, ковеллином и галенитом, их содержание не превышает 15-20%. Минералы пустой породы включают серицит, хлорит, кварц и барит.

Полиметаллические руды являются труднообогатимым сырьем из-за необходимости многостадиального тонкого измельчения для разделения сростков сульфидов с пустой породой, быстрой окисляемости минералов при измельчении, наличия труднофлотируемых вторичных сульфидов меди и перехода части пирита в селективные концентраты. В результате обогащения получаются концентраты с низким содержанием меди (16-22%) и повышенным содержанием железа (до 35%), серы (до 36%), свинца (до 5%) и цинка (до 10%). Основными производителями меди в Казахстане являются Балхашский и Жезказганский медеплавильные заводы, где применяется пирометаллургическая технология, включающая плавку на штейн, его конвертирование, огневое и электролитическое рафинирование.

### 1.2 Особенности традиционной технологии переработки

Переработка высокосернистых медных концентратов полиметаллического типа по традиционной технологии сопряжена с рядом технологических трудностей. При плавке на штейн в печи Ванюкова медная шихта должна соответствовать строгим требованиям по содержанию серы (не менее 31%), железа (не менее 23%), диоксида кремния (не менее 15%), свинца (не более 2%) и цинка (не более 2%). Избыток цинка приводит к образованию шпинелей, увеличивающих плотность и вязкость отвального шлака, что ухудшает разделение шлака и штейна. Избыток свинца вызывает потери золота с пылью и повышение содержания свинца в штейне. Особую проблему представляет повышенное содержание магнетита (Fe3O4) в шихте Балхашского завода, достигающее 11,4%. Магнетит, являясь поверхностно-активным веществом, уменьшает межфазное натяжение на границе раздела шлак-штейн, затрудняет коалесценцию капелек штейна и повышает механические потери меди со шлаком. Накопление магнетита в печи при пониженных температурах приводит к образованию настылей на подине и шлаковой перегородке, что сокращает продолжительность отстаивания шлака и способствует получению богатых по меди шлаков. Для решения этой проблемы предлагаются различные технологические решения, включая использование печи жидкофазного восстановления железа (процесс Ромелт), применение клинкера цинкового производства для восстановления магнетита, введение боратовой руды для разрушения магнетита и снижения вязкости шлака.

Значительной экологической проблемой является образование большого количества сернистого ангидрида (SO2), который оказывает подкисляющее и атрофирующее воздействие на экосистемы. Серьезную проблему представляет также присутствие мышьяка в концентратах, который осложняет технологические процессы и ухудшает качество продукции. Основное количество мышьяка выводится с газами, отвальными шлаками и тонкими пылями электрофильтров, однако оставшаяся часть концентрируется в черновой меди и поступает на электролитическое рафинирование, где возможно образование высокотоксичного арсина (AsH3). Вывод мышьяка в виде хорошо растворимого арсената кальция требует строительства специальных хранилищ с надежной гидроизоляцией. Более перспективным является создание технологических схем, позволяющих выводить мышьяк в виде малотоксичных сульфидов, относящихся к III классу опасности и не требующих специальных сооружений для захоронения.

### 1.3 Пути утилизации сернистого ангидрида

Основным способом утилизации диоксида серы является его переработка на серную кислоту, однако в условиях низкого спроса и ограниченной мощности сернокислотных цехов полная утилизация невозможна. Распространенным методом является известковый способ, при котором образуется шлам, содержащий кальциевые соли и вывозимый в отвалы. Эффективен цинковый метод санитарной очистки с получением цинкового купороса, основанный на абсорбции сернистого ангидрида водной суспензией оксида цинка.

Наиболее целесообразным способом при отсутствии потребителей серной кислоты является переработка сернистого ангидрида на элементную серу — продукт, удобный для складирования и транспортировки. Промышленная технология получения серы из металлургических газов началась с процесса восстановления диоксида серы углеводородами. Современные методы основаны на восстановлении SO2 углеродом или восстановительными газами, причем наибольшее внимание уделяется «метановому» способу. Этот способ заключается в восстановлении диоксида серы природным газом при 1150-1250°C с последующей переработкой восстановленного газа методом Клауса в двух каталитических ступенях. Однако «метановый» способ эффективен только при содержании SO2 не менее 15-20%, что ограничивает его применение для конвертерных газов с низкой концентрацией диоксида серы (3,5-6%).

### 1.4 Альтернативные технологии переработки

Альтернативные технологии переработки медного концентрата направлены на снижение объема выделяемого сернистого ангидрида. Одним из перспективных направлений является разработка технологии, предусматривающей окускование концентрата, паровоздушный обжиг окатышей и последующую электроплавку полученного огарка на черновую медь. Ключевым преимуществом данной технологии является частичный перевод серы концентрата в элементное состояние на стадии паровоздушного обжига, что позволяет существенно сократить выбросы сернистого ангидрида. Кроме того, предлагаемая технология позволяет уменьшить количество технологических переделов с жидкими полупродуктами, что упрощает производственный процесс и снижает металлургические потери.

### 1.5 Обоснование выбора связующего для окускования

Для успешного осуществления паровоздушного обжига необходимо получить прочные окатыши из медного концентрата. Традиционным связующим для окускования является водный раствор лигносульфоната, однако его высокий расход повышает себестоимость процесса. Для снижения расхода лигносульфоната и улучшения прочностных характеристик окатышей предлагается использовать в качестве добавки к связующему медный купорос (CuSO₄·5H₂O). Медный купорос способствует образованию более прочных межчастичных связей в окатышах, что позволяет сократить расход лигносульфоната при сохранении или улучшении прочностных свойств.

### 1.6 Особенности паровоздушного обжига сульфидных материалов

Паровоздушный обжиг является ключевым процессом, обеспечивающим частичную десульфуризацию окатышей и перевод серы в элементное состояние. В основе процесса лежат химические реакции взаимодействия сульфидов с водяным паром и кислородом воздуха, протекающие при высоких температурах. При паровоздушном обжиге сульфидных материалов происходит окисление сульфидов с образованием оксидов металлов и диоксида серы. Часть диоксида серы взаимодействует с сероводородом, образующимся при взаимодействии сульфидов с водяным паром, с выделением элементной серы. Таким образом, паровоздушный обжиг позволяет связать серу в элементной форме, которая может быть легко утилизирована или захоронена.

### 1.7 Взаимодействие диоксида серы с сероводородом в водной среде

Важным аспектом процесса является взаимодействие диоксида серы с сероводородом в водной среде, которое приводит к образованию элементной серы. Реакция Клауса, протекающая по уравнению 2H₂S + SO₂ = 3S + 2H₂O, может быть эффективно реализована как в газовой фазе на катализаторах, так и в водных растворах. Проведение этой реакции в водной среде позволяет более полно улавливать серосодержащие газы и получать элементную серу в виде суспензии, которая затем может быть выделена и утилизирована.

### 1.8 Методы выделения серы из суспензионного раствора

Для выделения элементной серы из водной суспензии, образующейся при взаимодействии диоксида серы с сероводородом, применяются различные методы, включая фильтрацию, центрифугирование, отстаивание и флотацию. Выбор метода зависит от дисперсности частиц серы, требуемой степени очистки и технико-экономических показателей процесса. Наиболее распространенными являются методы фильтрации с использованием вакуум-фильтров или фильтр-прессов, а также центрифугирования для отделения тонкодисперсной серы.

### 1.9 Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное обоснование процессов окускования медного концентрата и паровоздушного обжига окатышей для последующей электроплавки на черновую медь, а также обоснование технологической схемы «окатывание — обжиг — электроплавка». Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: на основе применения энерго-стохастических моделей прочности конгломератов установлено влияние медного купороса на статическую, динамическую и термическую прочности, а также на пористость окатышей; определено влияние медного купороса на степень десульфуризации окатышей при паровоздушном обжиге; обоснованы технологические параметры процессов окатывания и паровоздушного обжига; проведены укрупненно-лабораторные испытания с последующей электроплавкой огарка на черновую медь.

## Глава 2. Окускование медного концентрата

### 2.1 Теоретические основы прочности окатышей

Процесс окускования медного концентрата основан на приложении вероятностной теории прочности к прочностным характеристикам окатышей. Прочность окатышей определяется множеством факторов, включая гранулометрический состав концентрата, влажность, тип и количество связующего, условия окатывания (частота вращения гранулятора, угол наклона чаши, продолжительность процесса). Для описания прочностных свойств окатышей используются энерго-стохастические модели, разработанные профессором Малышевым В.П., которые позволяют прогнозировать поведение конгломератов под действием различных нагрузок.

### 2.2 Методика экспериментов

Для проведения экспериментов по окатыванию применялись лабораторные грануляторы диаметром чаши 0,5 м и укрупненный гранулятор диаметром 1,2 м. В качестве связующего использовался водный раствор лигносульфоната с концентрацией 10-15%, а также водный раствор лигносульфоната с добавкой медного купороса в количестве 1-5% от массы концентрата. Определялись следующие прочностные характеристики: статическая прочность (на раздавливание), динамическая прочность (на сбрасывание) и термическая прочность (после нагрева до температуры обжига). Пористость окатышей определялась методом ртутной порометрии.

### 2.3 Влияние лигносульфоната на статическую прочность

Эксперименты показали, что статическая прочность окатышей, полученных с применением водного раствора лигносульфоната, возрастает с увеличением его расхода. При расходе лигносульфоната 1,5-2,0% от массы концентрата статическая прочность достигает 2,5-3,0 МПа, что достаточно для транспортировки и загрузки в печь. Однако дальнейшее увеличение расхода связующего приводит к неоправданному повышению себестоимости.

### 2.4 Улучшение свойств медным купоросом

Добавка медного купороса к водному раствору лигносульфоната позволяет существенно улучшить прочностные характеристики окатышей. При расходе медного купороса 2-3% от массы концентрата и лигносульфоната 1,0-1,5% статическая прочность окатышей достигает 3,5-4,0 МПа, что на 30-40% выше, чем при использовании только лигносульфоната. Это объясняется образованием дополнительных химических связей между частицами концентрата за счет ионов меди, которые взаимодействуют с функциональными группами лигносульфоната и поверхностью сульфидных минералов.

### 2.5 Динамическая прочность с лигносульфонатом

Динамическая прочность окатышей, характеризующая их устойчивость к ударным нагрузкам при транспортировке и загрузке, также возрастает с увеличением расхода лигносульфоната. При расходе 1,5-2,0% окатыши выдерживают 8-10 сбрасываний с высоты 1 м без разрушения.

### 2.6 Повышение динамической прочности медным купоросом

Добавка медного купороса повышает динамическую прочность окатышей на 40-50% по сравнению с использованием только лигносульфоната. Окатыши, полученные с добавкой 2-3% медного купороса, выдерживают 12-15 сбрасываний без разрушения, что свидетельствует о формировании более упругой и прочной структуры.

### 2.7 Термическая прочность

Термическая прочность окатышей является критически важным параметром, поскольку окатыши подвергаются нагреву до 800-1000°C в процессе паровоздушного обжига. При использовании только лигносульфоната термическая прочность снижается на 30-40% по сравнению со статической из-за выгорания органических связующих при нагреве. Добавка медного купороса позволяет сохранить термическую прочность на уровне 70-80% от статической, поскольку ионы меди образуют более термостойкие межчастичные связи.

### 2.8 Сравнительный анализ прочностей

Сравнительный анализ статической, динамической и термической прочностей окатышей, полученных с использованием двух видов связующего, показывает, что добавка медного купороса позволяет снизить расход лигносульфоната на 30-40% при сохранении или улучшении прочностных характеристик. Оптимальным является расход медного купороса 2-3% и лигносульфоната 1,0-1,5% от массы концентрата.

### 2.9 Пористость окатышей

Пористость окатышей влияет на газопроницаемость слоя при обжиге и доступ кислорода к поверхности частиц. Окатыши, полученные с использованием лигносульфоната, имеют пористость 25-30%, что обеспечивает достаточную газопроницаемость. Добавка медного купороса незначительно снижает пористость (до 22-27%), но улучшает ее равномерность по объему окатыша.

## Глава 3. Паровоздушный обжиг медного концентрата

### 3.1 Методика проведения экспериментов

Эксперименты по паровоздушному обжигу проводились на лабораторной установке и опытно-экспериментальной установке (агло-шахтная печь). Окатыши загружались в реактор, через который пропускалась парогазовая смесь с заданным соотношением водяного пара и воздуха. Температура обжига варьировалась от 700 до 1000°C, продолжительность от 30 до 90 минут. Степень десульфуризации определялась по изменению содержания серы в огарке по сравнению с исходным концентратом.

### 3.2 Влияние медного купороса на степень десульфуризации

Добавка медного купороса к связующему способствует повышению степени десульфуризации окатышей при паровоздушном обжиге в 1,4 раза по сравнению с окатышами, полученными с использованием только лигносульфоната. Это объясняется каталитическим действием ионов меди, которые ускоряют реакции окисления сульфидов и взаимодействия диоксида серы с сероводородом. При температуре 850-900°C и продолжительности 60 минут степень десульфуризации достигает 80-85% при содержании серы в огарке 3-5%.

### 3.3 Выбор агрегата для паровоздушного обжига

Для промышленной реализации паровоздушного обжига окатышей предлагается использовать агло-шахтную печь, которая обеспечивает равномерный прогрев слоя и хороший контакт парогазовой смеси с окатышами. Агло-шахтная печь позволяет проводить процесс при температурах 800-1000°C, что обеспечивает высокую степень десульфуризации при минимальных энергозатратах.

### 3.4 Химическая основа обжига

Химическая основа паровоздушного обжига в агло-шахтной печи включает следующие реакции: окисление сульфидов металлов (например, 2CuFeS₂ + 5,5O₂ = 2CuO + Fe₂O₃ + 4SO₂), взаимодействие сульфидов с водяным паром с образованием сероводорода (FeS + H₂O = FeO + H₂S), а также взаимодействие диоксида серы с сероводородом с образованием элементной серы (SO₂ + 2H₂S = 3S + 2H₂O). Управляя соотношением водяного пара и воздуха, можно регулировать количество серы, переходящей в элементное состояние.

## Глава 4. Укрупненно-лабораторные испытания

### 4.1 Окускование медной шихты

Укрупненно-лабораторные испытания проводились с использованием медного концентрата Жезказганского месторождения. Окатывание осуществлялось на грануляторе диаметром 1,2 м при влажности 10-12% и расходе лигносульфоната 1,2% и медного купороса 2,5% от массы концентрата. Полученные окатыши имели диаметр 10-15 мм, статическую прочность 3,8 МПа, динамическую прочность 14 сбрасываний.

### 4.2 Паровоздушный обжиг окатышей

Паровоздушный обжиг проводился в агло-шахтной печи при температуре 900°C и продолжительности 60 минут при соотношении пар : воздух = 1:2. Степень десульфуризации составила 83%, содержание серы в огарке 4,2%. Выход элементной серы составил 35% от общего количества удаленной серы.

### 4.3 Выплавка черновой меди

Электроплавка обожженных окатышей проводилась в рудно-термической печи мощностью 80 кВА. В результате плавки получена черновая медь с содержанием меди 96-97% и извлечением меди из концентрата в черновой металл 94-96%. Отвальный шлак содержал 0,3-0,5% меди, что свидетельствует о высокой эффективности процесса.

### 4.4 Технологическая схема переработки

На основе проведенных испытаний предложена технологическая схема переработки медного концентрата на черновой металл, включающая следующие стадии: окатывание концентрата с использованием водного раствора лигносульфоната с добавкой медного купороса; паровоздушный обжиг окатышей в агло-шахтной печи с частичным переводом серы в элементное состояние; электроплавка огарка на черновую медь. Данная схема обеспечивает снижение количества образующегося сернистого ангидрида в 2-3 раза по сравнению с традиционной технологией.

### 4.5 Выводы по испытаниям

Результаты укрупненно-лабораторных испытаний подтвердили эффективность предложенной технологической схемы. Использование медного купороса в качестве добавки к связующему позволяет сократить расход дорогостоящего лигносульфоната на 30-40%, улучшить механические свойства окатышей и повысить степень десульфуризации при обжиге. Технология может быть рекомендована для промышленного внедрения на медеплавильных заводах Казахстана и России.

## Заключение

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача разработки процессов окатывания и паровоздушного обжига медного концентрата для плавки на черновую медь. Получены следующие основные научные и практические результаты: выявлены аналитические зависимости статической, динамической и термической прочности окатышей от состава связующего; обосновано положительное влияние медного купороса на прочностные характеристики и степень десульфуризации; определена последовательность реакций при паровоздушном обжиге; предложена и испытана технологическая схема «окатывание — обжиг — электроплавка», обеспечивающая снижение выбросов сернистого ангидрида и сокращение числа технологических переделов с жидкими полупродуктами. Результаты работы могут быть использованы при реконструкции действующих и проектировании новых медеплавильных предприятий.