٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢١جلسه

1

:منابع درسي •• 1‐ Non ferrous extractive metallurgy, By: C.B. Gill• 2‐ Principles of extractive metallurgy, by: Terkel Rosenquist• 3‐ Extractive Metallurgy of Copper, By: BISWAS, DAVENPORT, 

KING, SCHLESINGER• 4‐ Chemical metallurgy, By: J.J. Moore• 5‐Principles of pyrometallurgy, By: C.B. Alcock• 6‐A textbook of hydrometallurgy, by: F. Habashi• 7‐Extractive Metallurgy, Alain Vignes

 ، دكتر قاسم زاده  استخراج فلزات‐ ٨•

2

:ارزيابی•حضور در کالس •نمره، ۵٠: نمره ، پايان ترم ۵٠: امتحان ميان ترم•

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٢جلسه

Extraction of metals

• Definitions:• Definitions:• Ore = Metal mineral+Gangue• Minerals: Oxides, Sulphides, Oxysalts,

Elemental or Arsenides• Gangues: Silicates Oxides, Sulphides

• Ore = Metal mineral+Gangue• Minerals: Oxides, Sulphides, Oxysalts,

Elemental or Arsenides• Gangues: Silicates Oxides, Sulphides

Concentration of ores why?

Facilitate the subsequent extraction process3

Major steps in extraction of metal

• Ore concentrationOre is purified and concentrated unwanted rocks– Ore is purified and concentrated, unwanted rocks removed

• Reduction to crude metal– Metal oxides to be reduced to metals, resulting in a

mixture of metals collected• Refining to obtain pure metalRefining to obtain pure metal

– To obtain a specific metal, purify and remove unwanted metal impurities

4

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٣جلسه

Concentration تغليظ

Scope: produce a mineral concentrate with approx. 25wt% of metal or more

Steps:Comminution :(خرد کردن )

crushingi di

pp

grindingScreening الک کردن Separation process

5

ComminutionCrushing ore into fine particles

Reduction ratio(= entry size/exit size)= 3:1Reduction ratio(= entry size/exit size)= 3:1 to 4:1

Grinding /milling: finer particle (6 mm for sintering)Screening between each crusher to remove fine particle and avoid further size reduction

6

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۴جلسه

Separation processClassification process: separation different particles based on different travelling rates through a fluid.

Separation: Froth flotationBased of surface energy differenceIntroducing air bubbles into cells containing different minerals particles in waterAdsorption metal-bearing particles onto air bubbles

7

Rising bubbles results in separation from gangue particles

8

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۵جلسه

Agglomeration

If particles are too fineVery dense oreAgglomeration routes:

High temperature methods:Sintering

9

NodulisingRoom temperature:

Pelletising and briquetting

Ways of Extraction• Potassium K• Sodium Na

C l i C

Extracted by Extracted by electrolysis of electrolysis of • Calcium Ca

• Magnesium Mg• Aluminium Al• Zinc Zn• Iron Fe• Tin Sn• Lead Pb• Copper Cu

yymolten chloridesmolten chlorides

Extraction by Extraction by PyrometallurgyPyrometallurgy

Extraction by Extraction by electrolysis of electrolysis of molten Almolten Al22OO33dissolved in dissolved in cryolitecryolite

Copper Cu• Mercury Hg• Silver Ag• Gold Au• Platinum Pt

Roasting ore by Roasting ore by heating aloneheating alone

10

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۶جلسه

the extraction of metalsthe extraction of metalsMetals at the top of the reactivity series are very reactive:

bonds in their compounds are very strong

must be extracted by decomposing their compounds withmust be extracted by decomposing their compounds with electricity in an expensive process called electrolysis

aluminium is extracted from aluminium oxide by passing an electric current through it

2Al2O3 4Al + 3O2

11

Minerals of metalsIron• Hematite Fe2O3 آھن% ٧٠در حدود• Magnetite Fe3O4 آھن%٧٢حدوددر

• Aluminium:• Bauxite Al2O3.XH2O

G O O

3 4• Limonite Fe2O3.XH2O آھن% ۶٣-۵٩در حدود• Siderite FeC03 آھن% ۴٨در حدود

• Gibbsite Al2O3.3H2O • Diaspor Al2O3. H2O• Corundum Al2O3

12

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٧جلسه

• Copper (Sulphide and Oxide)

Chalcopyrite:CuFeS2Chalcocite:Cu2S

Malachite: CuCo3.Cu(OH)2

Azurite:

• Lead

Covellite: CuSBornite: Cu3FeS3Enargite: Cu3AsS4

2CuCo3.Cu(OH)2Cuprite: Cu2OTenorite: CUO

•PbS دارای رنگ خاکستری و براق •Cerussite PbCo3

•Zinc: Splalerite Zns•Manganese: Pyrolusite MnO2(40%Mn) 13

• Magnesium: • Dolomite MgCo3.CaCO3• Magnesite MgCO3• Olivene (green) (Mg,Fe)2SiO4

• Titanium:• Rutile TiO2• Ilmenite Feo.TiO2

14

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٨جلسه

Metal extraction methodsPyrometallurgy: high temperature process (500-2000 C) near MP

Smelting, converting and fire refiningSmelting, converting and fire refiningHydrometallurgy: extraction from aqueous solutions

Putting the metal values into solution (leaching)Recovering the metal from solution (precipitation)

Electrometallurgy : uses electrical energy for chemical reaction (electrowinning, electrorefining)

15

Electrometallurgy• Electrowinning : extraction of metals from an

electrolyte)ھيدرومتالورژی(استخراج فلز از يک الکتروليت: الکتروينينگ•

• Electrorefining: refining of the impure metals from anode

تصفيه ناخالصی ھای فلزی از : الکتروريفاينينگ•)پيرومتالورژی(آند

16

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٩جلسه

Pyrometallurgy characteristicHigh temperature process(500-2000°C) (thermodynamic and kinetic)( y )

Accelerate reaction Increase production rate( every 10°C double the rate of process)Ability to change reaction direction (equilibrium) with Te g At 25°C Zn+CO ZnO+Ce.g. At 25 C Zn+CO ZnO+CAt 1200°C ZnO+C Zn+Co i.e. Carbon can not reduce ZnO except at elevated TIodide refining of refractory metals(Zr, Ti)

17

• Suitable for reactive metals like Ti and Zr• Reaching equilibrium at High T • Need to suitable purity ores Ore

dressingdressing

18

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢١٠جلسه

Low temperature process more safe and low energy consumption

Hydrometallurgy characteristic

Slow reaction time consumingEnvironmental effect ( gas contamination, dust, water, heavy metal like Hg)Thermal contamination is lower Cut off contaminationHigh price solventRecover precious metals as by-product

19

20

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢١١جلسه

Preliminary process

• Convert metal bearing compounds into f th t il dform that easily processed

Sulfides Oxides, Sulfates and chloridesOxides Sulfates and chloridesCarbonates oxidesU it ti b t diff t

21

Unit process: connection between different processes for overall extraction and refining

Method selectionKind of ore:

oxides and sulfates leachingSulfides difficult to solve

grade of purity reqiuredE.g. Zinc produced by Pyrometallurgy from ZnScontains impurity like As, Fe, Pb useful for galvanizing and brass producingHigh pure Zn by electrolytically precipitation from a leach solution for Zinc alloys manufacturingleach solution for Zinc alloys manufacturing

presence of precious metalsE.g. Blister copper without precious metals processed by inexpensive fire refiningWith precious metals electrorefining 22

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢١٢جلسه

Nonferrous Extractive Reactive metals: Al, Ti, Mg, Zn, U

oxidation problem or Impossible to electrowiningffrom an aqueous

need special equipment keep them exclude from Air atmosphere like Vacuum or inert gas sealed furnaces

Nonreactive metals: Cu, Ni, Pb, Co, Au, AgSimply processed in an air atmosphere without p y p pany problem of oxidation during reduction of metals oxides by Carbon or precipitation from an aqueous solution

23

Nonferrous Extractive Reactive metals: Al, Ti, Mg, Zn, U

Pyrometallurgy treatments: Roast, Smelt, RefineHydrometallurgy treatments: Roast, Leach, Concentrate, purify, precipitate, refine

Nonreactive metals: Cu, Ni, Pb, Co, Au, AgPyrometallurgy treatments: Roast, Smelt, convert, Refineco e t, e eHydrometallurgy treatments: Roast, Leach, precipitate, refine

24

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢١٣جلسه

Nonreactive metals PyrometallurgyOldest and most frequently used method.

Roast

Cu, Ni, Pb, CoDrying and calcination

Roastتشويه

Smelt

convert

تشويه

گداز

تبديل

25

convert

Fire refining Electrolytic refining chemical refining

تصفيه آتشی تصفيه الکتروليتی تصفيه شيميايی

Nonreactive metals Hydrometallurgy

Roast

Cu, Ni, Pb, Co

Leach

Electrolytic i it t

Concentrate

Chemical precipitate

26

precipitate

Metal Electrolytic refiningchemical refining

precipitate

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢١۴جلسه

reactive metals, Pyrometallurgy

RoastAl, Mg,Ni,Zn,U

Drying and calcination

Roast

Smelt

Fi fi i El t l ti fi i

27

Fire refining Electrolytic refining

Metal

Reactive metals Hydrometallurgy

Roast

Al, Mg,Ni,Zn,U

Leach

Electrolytic precipitate

Purify

Chemical precipitate

Concentrate

28Metal

Fire refining

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢١۵جلسه

Drying

Drying: removing water from ores, concentrates and cokes at high T / room T(decrease pressure of atmosphere below partial pressure

پيش فرآيندھا

(of water)

29

Calcination• Calcination: Removal of chemically

bound gasses: CO2(carbonates) and H2O, (hydrates)2 ( y )

• CaCO3 CaO+CO2 (at T=825°C ∆G°=0)- ∆H°=161 kJ/mol

• +(H2O) گرماگير∆H°=46 kJ/mol• Decomposition T: MgCO3( 417°C),MnCO3(377°C),Decomposition T: MgCO3( 417 C),MnCO3(377 C),

FeCO3(400°C)

30

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢١۶جلسه

Calcination

Rotary kiln

31

calcination

Pre heatingکوره عمودی استوانه ایzone(800°C)

CaCO3+Coke

( )

Reaction zone (1000°C)

Cooling zone

Air+25%extra air

CaO 32

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢١٧جلسه

PyrometallurgyRoastingChange metallic compounds into forms

Easily treated by following treatment

Oxidation of metal sulfides to give metal oxides and sulfur deoxide

y y gRemove some volatile impurities in gas stream

Oxides reduced better than sulphidessulphates and chlorides by leaching

Roasting Vs. Calcination

: انواع تشويهاکسيدان، کلريدی، سولفاته، تبخيری، مغناطيسی، زينتر شدن و احيائی

33

Examples

Roasting :1-below smelting Temperature of the sulfides and oxides involved, usually below 900-1000°C. 2-on the other hand for kinetics of reaction temperature has to

34

2 on the other hand for kinetics of reaction temperature has to be above 500-600 °C. Thus the temp range of interest is between 500-1000°C.

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢١٨جلسه

Roastingتشويه

اطالق سنتی از تشويه حذف عناصری چون گوگرد، آرسنيک •و تلوريم

در گستره وسيعتر تشويه آماده سازی محصوالت برای عمليات •سولفاته و , بعدی در فرآيند استخراج فلزات از طريق احياء

کلرينه کردن در درجه حرارتھای کمتر از نقطه ذوب اجزاء

35

فرآيند پيرومتالورژي :Roastingتشويه •:Oxidizing roastingتشويه اكسيدان•) به شكل سولفيد(حذف ناقص يا كامل گوگرد موجود در سنگ معدن •

واكنش گرمازا بوده و گاهي اوقات براي كنترل دما، از . توسط اكسيژنكنند مي استفاده مرطوب كنسانتره مرطوب استفاده مي كنندكنسانتره

• +(3/2O2)=+(SO2)وجود چند جزء سولفيدي در : partial roastingتشويه ناقص •

. كنسانتره، ناخالصي هاي فلزي اكسيده شده و كاهش مقدار گوگرد موجوداكسيدهاي فلزي در مرحله ذوب جدا شده و در سرباره جداگانه جمع

ميل تركيبي (لذا اين نوع تشويه بر روي سولفيد فلزات نجيب .گردند مياك ا اك)ك ا ل ا ال ا ا ا ا انجام مي شود تا ناخالصي هاي سولفيدي براحتي اكسيد )كمتر با اكسيژن

.شونداحياء شود، ابتدا سولفيد آن كامل به اكسيد تبديل شده و سپس آن را احياء H2يا Cهنگامي كه قرار است اكسيد فلز با : Dead roastتشويه كامل•

.مي كنند 36

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢١٩جلسه

Chloridisingتشويه كلريدي• roasting:تبديل تركيبات خاصي از فلزات به كلريد آنها در شرايط احيائي يا اكسيدي •

)U,Nb,Zr,Ti فلزاتي هستند كه از كلريدشان تهيه مي شوند.(• 2NaCl+MS+2O2=Na2SO4+MCl2 گرمازا• 4NaCl+2MO+S2=2Na2SO4+2MCl22 2 4 2• TiO2+C+2Cl2=TiCl4+CO2 (500C)

علت افزودن كربن منفي كردن انرژي آزاد واكنش است، چون از نظر •.است TiO2 از ناپايدارتر TiCl4ترموديناميكي

Sulphatingتشويه سولفاته • roasting:تبديل سولفيد فلزات به سولفات كه محصول به دست آمده در فرآيندهاي •

.هيدرومتالورژي در اسيد سولفوريك حل مي شودا• MS(s)+2O2(g)=MSO4

-Ni3S2تشويه سولفاتي انتخابي هم امكان پذير است، مثال در خصوص •FeS درجه فقط 850كه در دمايFeS تجزيه مي شود. 37

: Volatizing roastingتشويه تبخيريصورت دود از كنسانتره خارج كرده و در جاي ديگري به صورت ذرات را مي توان با اين روش به As2O3,Sb2O3,ZnOاكسيدهائي نظير •

.فشرده جمع آوري نمودMagnetisingتشويه مغناطيسي • roasting: ي ي gوي g gدر محيط FeCO3و سيدريت FeS2، پيريت Fe2O3تبديل هماتيت • .مغناطيسي آن را از گانگ جدا نموداست كه مي توان با توجه به خاصيت Fe3O4كنترل شده به مگنتيت

• 6Fe2O3+C 4Fe3O4+CO2 (at 400-500C, time=15 min)

38

: Reduction roastingتشويه احيائي. مي شوداحيا در اين نوع تشويه تركيبات فلزي مستقيما به فلز مربوطه

معموال به ندرت انجام مي شود چون بايستي در فشار اكسيژن بسيار كم و . براي تركيبات داراي آرسنيك كاربرد دارد. درجه حرارت باال انجام شود

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٢٠جلسه

: Sinter roastingتشويه زينترذرات نرم سنگ معدن و كنسانتره را قبل از افزودن به كوره بلند بايد •

بصورت توده اي زينتر شده درآورد، در غير اين صورت مقادير زيادي از اين نوع تشويه در . آن به شكل گردغبار از كوره بيرون ريخته ميشود

ماشينهاي مخصوصي انجام مي شود كه تشويه و زينتر همزمان انجام د .ميگيردگ

. در مورد سنگ معدن سرب و گاهي هم روي از اين روش استفاده مي شود•ذرات بسيار نرم . نا م دارد Dwight-Lioydماشين مورد استفاده سانتيمتر بر روي تسمه نقاله ريخته مي گردد 50- 15كنسانتره به ضخامت

و كنسانتره توسط مشعل گرم شده و با توجه به سيستم مكش هوا در وسط خذوب سطحي در مواد رخ داده و زينتر شدن مواد .نوار محترق مي شود

با . پس از سرد شده مواد زينتر شده دانه بندي مي شوند.انجام مي پذيردتوجه به وجود گوگرد در مواد شارژي اين نوع تشويه نيازي به سوخت

بايد ) سنگ آهن(اضافي ندارد، البته در مورد سنگ معدنهاي اكسيدي.سوخت اضافه كرد

براي تشويه سولفيد روي هم مي توان از اين دستگاه و هم دستگاه تشويه •.چند طبقه استفاده كرد

39

40

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٢١جلسه

Roasting Objectives:Conversion to Oxides (for Pyrometallurgy)Formation of Sulphates (Hydrometallurgy)

Thermodynamics of Roasting represent which one can be attained (اجزای اصلی در فرآيند تشويه اکسيژن، گوگرد و فلز)Duration of roasting depends on KineticsPredominance area diagrams(Stability Diagrams):Isothermal diagrams ( ranges of gas composition that each phase can exist singly or in equilibrium with others)

دياگرامھای پايداری به ما نشان می دھند که در يک دمای خاص چه فاز جامدی با . در تعادل قرار دارد) و با ترکيب مشخص از اکسيژن و گوگرد(فاز گازی

In Metal-Sulphur-Oxygen system maximum 5 phasesat given T and fixed total pressure 3 condensed

phases and one gas phase( mixture of gases is one phase)

41

This diagram shows the ranges of gas compositions (partialpressures of sulfur dioxide and oxygen) over which each phase (M, MS, MO, MSO4) exists singly, or in equilibrium with another phase or phases.

Application of the phase rule to the three-component (ternary) system M–S–O shows that at a fixed temperature and a given total pressure of the gas phase, a maximum of three condensed phases can co-existThis situation is indicated by the point of co-existence of y pM, MO and MS, as well as by the point at which MS, MO and MSO4 co-exist in the figure.

42

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٢٢جلسه

How to draw a diagram:1- knowing phases (solid phases: MS, MO, MSO4, M) gas phases( O2, SO2,S2,SO3) ھر جامد يک فاز و مخلوط گازھا ھم يک فاز2- writing possible reactions:3- correlation between variables in equilibrium constant4 draw in appropriate coordination4- draw in appropriate coordination

In Metal-Sulphur-Oxygen system maximum 5 phasesat given T and fixed total pressure 3 condensed

phases and one gas phase( mixture of gases is one phase) possible reactions:

43

44

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٢٣جلسه

Line with slope 1

45

MS

3 MSO4MS

MSO4

1

2 4

5

MS

M

MO

MO

46

Constant Temperature

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٢۴جلسه

3

MS

MSO4

1

2 4

5

MS

M

MO

MO

47

Constant Temperature

Application:1- at different temperature and different kind of metalssame shape of diagram only different slope of line and area2- to attain proper phase change T and Partial pressure of O and SOO2 and SO2

in practical. Instead of oxygen, air used for Roasting in industrial furnaces PO2=0.2 atm PSO2=0.2As a result, in roasting the best controlling factor is T3- effect of activity:Pure materials a=1, impure a

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٢۵جلسه

از آنجايي كه مناطق پايداري فلزات مختلف داراي موقعيتهاي متفاوتي هستند، در نتيجه واكنشها در سنگ معدن سولفيدي چند فلز مختلط براي تمام آن

فلزها همزمان رخ نخواهد داد و و برخي از واكنشها ممكن است اصال رخ ن

كاربرد دياگرام هاي پايداري

. ندهند، در ابتدا اكسيد شدن سولفيد آهن Fe-Cuدر مورد مخلوط سولفيدي مثال

تشكيل مي شود و مس بصورت تركيب سولفيدي Fe3O4رخ داده و فاز Cu2S باقي مي ماند .

و Cu2Oبه Cu2Sو Fe2O3بهFe3O4بيشتر سبب تبديلاكسيداسيون

49

CuO در دماهاي زير.مي شودC750 و در فشارهاي تقريبا يكسانممكن است به ) CuO(مسگوگرد، اكسيد اكسيژن و دي اكسيد

CuO.CuSO4 وCuSO4 تبديل شود، در حاليكهFe2O3 در اين شرايط .سولفات تشكيل نخواهد داد

Fe O

Cu2O و CuO

50

Fe3O4

Fe2O3

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٢۶جلسه

) SO2 P=ثابت (مي توانند همزمان وجود MeOو MeSاين شكل در دماهاي متوسط هر دو فاز طبق

حاصل خواهد SO2و Meداشته باشند، در حاليكه در دماهاي باالتر با انجام واكنش اين دما برا ي فلزات مختلف متفاوت خواهد بود براي نمونه در مورد فلزاتي همانند . شد

زي دما ب ، م1000م وقوع به تشويه ايط ش تحت واكنش يعن بود، خواهد درجه

تاثير دما

درجه خواهد بود، يعني واكنش تحت شرايط تشويه به وقوع مي 1000مس، سرب دما زيرپپيوندد و در مورد فلزاتي چون نيكل، روي و آهن دماي واكنش بسيار باالتر خواهد

.بود كه از نقطه نظر عملي واكنش غير ممكن خواهد بوددر شكل دو مسير ممكن براي فرآيند تشويه رسم شده است كه مسير معمول تشويه خط چين

طبق اين مسير عمده عمل تشويه از طريق تبديل سولفيد به . مي باشد aمشخص شده با حرف دهد م خ دما افزايش با د مقدااك ل تشك و دما افت با آيند ف پايان ت به فت ش پ با

/ 1و SO2 1(بر حسب عكس دماي مطلق و براي دو فشار جزئي logpO2در نمودار ، ديگر واكنشهاي متاثر از 7و 4اتمسفر مشاهده مي شود كه به غير از واكنشهاي ) 0. هستند و با تغيير اين مقدار به سمت باال يا پائين منتقل مي شوندPSO2تغيير

با پيشرفت به سمت پايان فرآيند با افت دما و تشكيل مقداري .اكسيد با افزايش دما رخ ميدهدبا . ابتدا سولفات در دماي پائين شكل مي گيرد bطبق خط چين مسير . سولفات همراه هستيم

.ورود حرارت بيشتر، دما افزايش يافته و سولفات تجزيه مي شود

اثر دما

52

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٢٧جلسه

Kinetic of Roasting Roasting is gas reduction of oxides ( Solid+gas Solid+gas)Gas(O2) should reach inner layer of ore to react.e.g.: possibility of CuSO4 presence in the core of ore

SO 1- transfer O2 to surface of particle1- transfer O2 to surface of particle

Problems: 1 size of particles: un reacted parts in the core

MeSMeOO2 O2

SO2

SO2

SO2

1 transfer O2 to surface of particle2- penetration of O2 into oxide layer3- reaction between sulphide and O24- leaving SO2 the oxide layer5- removing SO2 the surface

1 transfer O2 to surface of particle2- penetration of O2 into oxide layer3- reaction between sulphide and O24- leaving SO2 the oxide layer5- removing SO2 the surface

53

Problems: 1- size of particles: un-reacted parts in the coreDifficultly for Oxygen to reach the inner layer and for SO2 to leaveIncrease temperature ( technical limitations)2- Saturation of atmosphere with produced gas (SO2): injection fresh air

سينتيک تشويهعمل تشويه عبارتست از واكنش يك جامد با يك فاز گازي و تشكيل يك جامد و گاز

). به عبارتي احياء گازي اكسيدها (ديگرخواهد بود و در Fe3O4و Fe2O3اليه هاي مركزي از اكسيد آهن شامل FeSتشويه در

و حتي CuOو Cu2Oمورد تشويه سولفيد مس اين اليه ها متشكل از اليه هاي CuSO4 بنابراين در در يك سنگ معدن كه بخشي از آن تشويه شده است، .خواهد بود بو4 ويو ن ز ي ب ن ي ر ر ين بر ب

در عمل . امكان حضور سولفيدهاي واكنش نداده و به فرم سولفات هنوز وجود داشته باشدپس . تشويه اكسيژن بايستي به ماده اوليه رسيده و گاز حاصله بايستي از محيط تخليه شود

هر چه ضخامت بيشتر باشد، . ضخامت مواد فاكتور موثري بر اين فرآيند خواهد بودمشكل تر خواهد بود و در نتيجه كاهش در SO2رسيدن اكسيژن به مواد و همچنين خروج

.سرعت انجام واكنش رخ مي دهدراه حل براي اين مورد ريزدانه كردن مواد براي تماس بيشتر و آسانتر مواد با اكسيژن

54

در اطراف SO2از محيط كاري است، زيرا با وجود SO2راه دوم خارج كردن. استپس با دميدن اكسيژن و هواي تازه مي . محصوالت فرآيند، سرعت واكنش كاهش مي يابد

.توان غلظت دي اكسيد گوگرد را كاهش داده و سرعت واكنش را باال ببريمدرجه حرارت هم عامل موثري بر سرعت واكنش بوده، به نحوي كه با افزايش

.دما سرعت افزايش مي يابد

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٢٨جلسه

تشويههايروشبوده كه در اين روش heap roastingساده ترين روش تشويه و قديمي ترين آنها -1•

مواد سولفيدي را به صورت تپه اي درآورده و زير اين توده با دادن انرژي روشن شده .طي چند روز تشويه صورت مي گرفته است

Klinتشويه اجاقي -2• roasting : در اين روش مواد روي صفحات مشبكي قرارند گ ا ق ا ت د اد با د ش د د ات صف اين زي از م گ ا ه فته بهگ به . گرفته و هواي گرم از زير اين صفحات دميده شوده و با مواد در تماس قرار مي گيرند

علت گرمازا بودن واكنشهاي تشويه مي توان با شروع واكنش دمش هوا را متوقف نمود، اين كوره ها تكبار بوده و مواد شارژ شده به آن درشت . البته سرعت واكنش كم خواهد بود

batchمي باشد به همين دليل مغز مواد تشويه نمي شود و حسن اين روش سادگي آن است roasting

در اين نوع كوره ها در حاليكه مواد از باالي ):(Rotary klinكوره هاي دوار-3• ر و ي yور ي( ب ز و ي ر ور وع ين رچرخش .استوانه وارد شده با هواي گرم حاصل از مشعل از پائين استوانه برخورد مي كند

. استوانه به حول محورش و شيبدار بودن آن به حركت مواد به سمت پائين كمك مي كندكار كوره پيوسته بوده و مشكل اصلي .اين نوع كوره ها در پخت سيمان هم كاربرد دارند

خروج مواد به صورت گرد و غبار و همچنين سائيده شدن جداره استوانه دراثر تماس با .مواد است و مزيت آن پيوسته بوده آن و سرعت توليد باال مي باشد 55

متشكل از يك استوانه عمودي:دستگاه تشويه چند طبقه -بوده كه حاوي طبقات مختلف و يك محور چرخش كننده مي

طبقه ها درون اين استوانه قرار گرفته و كنسانتره . باشدبا حركت بازو و چرخش آن . از باالي كوره شارژ مي شود

. حركت مواد را در طبقات و به سمت پائين خواهيم داشت. هوا هم از پائين كوره و يا طبقات به داخل دميده مي شود

سرعت تشويه بستگي به سرعت نفوذ گازهاي اكسيد كننده

از بسيار زيادي در اين دستگاه مي توان مقادير سرعت گازها . كنسانتره ريز و درشت را قرار داد

در اين سيستم بسيار كم بوده و خطر پاشيدن ذرات ت ا پائين خيل خار به ه انت اينكن اشكال

ي ي ز و ر ب ي ب وي ربه داخل و خروج گازهاي ناشي از تشويه از درون توده به

.خارج آن دارد

56

اشكال اين.كنسانتره به خارج خيلي پائين استروش در تماس كم ذرات كنسانتره و گازهاي

اكسيد كننده است كه با كاهش تعداد طبقات و در نتيجه افزايش فاصله سقوط ذرات از يك طبقه به

. طبقه ديگر سعي در رفع اين مشكل نموده اند.سرعت كم از ديگر محدوديتهاي اين روش است

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٢٩جلسه

تشويه دستگاههاي:تشويه با بستر شناور دستگاه

در اين دستگاه مواد پودري از دريچه د اد م ن پائ از ا ه دمش با شد د وارد شده و با دمش هوا از پائين مواد درا

فضاي داخلي دستگاه معلق شده و تشويه . سرعت تشويه باالست. انجام مي شود

ذرات درشت تر از بخش پائيني كوره شوند مي غبارگير.خارج از استفاده

57

استفاده از غبارگير.خارج مي شوندو 0/005اندازه ذرات بين . الزم است

.سانتي متر است 0/05

استگرمازا عمل تشويه واكنشي الزم است واكنش شروع براي و

كه انرژي اوليه به سيستم داده شود احتراق آغاز شده و بعد به صورتتا

خودبخودي واكنش ادامه يافته ودرجه . گرما هم آزاد مي كند

از پاره اي حرارت احتراق براي مواد معدني سولفيدي در جدول

اين درجه حرارت.آورده شده است

58

تا حد زيادي مبين درجه حرارتدر بستر سيال تشويه الزم براي

.است

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٣٠جلسه

• Melting and Separation of the charge into 2 immiscible liquid layers

Smelting گداز

Matte

SlagMatte / MetalSlag

Matte: Mixture of molten sulphides of heavy metals and produced on smelting of metal sulphide concentrates

است مذاب سولفيدهاي بصورت د گوگ و سنگين فلزات از مخلوط مات

59

مات مخلوطي از فلزات سنگين و گوگرد بصورت سولفيدهاي مذاب است مات از ذوب كردن سنگهاي . كه معموال به همراه مقداري اكسيد مي باشد

معدني سولفوري حاصل ميشود و نه در سرباره حل ميشوند و نه در فلز مذاب بلكه با هردو تبادل گوگرد دارند

Smeltingگدازسنگ ) گانگ(در حين ذوب مواد ناخواسته . حرارت دهي جهت توليد فلز يا مات فلز•

، در نتيجه با افزودن فالكس مناسب به )نقطه ذوب باال( معدن كمتر ذوب مي گردند آن توليد سرباره انجام مي شود كه نقطه ذوب كمتري داشته و گانگ وارد آن مي

. شود ونامي عمومي براي مشخص كردن تركيبات معيني است كه در فرآيند گداز به سرباره •

مي سيليكاتها، فسفاتها و يا بورات فلزات و مخلوطي از اكسيدهادست مي آيد و شامل .تواند باشد

: در فرآيند ذوب و استخراج فلزات مي توان رابطه زير را نوشت•ن كنن+گانگ+ا ا ا گاز+ا+ات/فل>--فالك+ا گاز+سرباره+مات/فلز>--فالكس+مواد احيا كننده+گانگ+مواد معدني

( از اين فرآيند معموال براي جدايش دو مايع غير قابل حل درهم•. استفاده مي شود) مات/فلز مذاب، سرباره/سرباره

60

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٣١جلسه

جمع آوري مينرالهاي -1: از ماتها به دو منظور استفاده مي شود•جمع آوري -Ni 2و Cuباارزش در فرآيندهاي گداز مانند

ناخالصي هايعمليات ذوب مات در شرايط خنثي و برخي اوقات اكسيدي انجام مي • م ج ي ي و ي بر و ي يط ر ر وب ي

فاز سومي در Sbو Asدر صورت حضور عناصري چون . پذيرداشپايس ). Speiss(نام دارد شپايساثر ذوب حاصل مي شود كه ا

مخلوطي از آرسنيك، آنتيموان و فلزات مذاب مانند آهن، كبالت و .نيكل است

61

گدازفرآيندهايانواعReduction smeltingگداز احيائي * Matte smeltingگداز مات* گداز هالوژنه كننده*گ

گداز جانشيني*ذوب احيائي معموال دركوره بلند و ذوب مات در كوره انعكاسي •

Reverberatoryو يا در كوره آتشيSmelting Flash انجام yي ور ر ي مgو ج. كوره الكتريكي توانايي انجام هر دو فرآيند را دارا مي باشد.مي شود

كوره بلند توليد آهن و كوره قائم براي توليد سرب دو مثال از اين نوع .كوره هاي مورد استفاده در گداز احيائي هستند

62

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٣٢جلسه

.بر روي اكسيدهاي حاصل از تشويه انجام مي شودگدازاحيائي•مي Mgو Si ،Alو موادي مانند CO ،H2عوامل احياكننده كربن، • ).احيا بوسيله اكسيد فلز پايدارتر از فلز مورد نظر (باشنددر كوره بلند ذوب آهن سوخت مورد استفاده كك بوده و مواد از باالي •

آغا ا ش اك اال ش ا ا فا ا ا ژ شا كوره شارژ و با استفاده از هواي دميده شده در باالي بوته واكنشها آغاز مي ك. شود

حاصل را با كك در PbOسنگ معدن سرب در كوره قائم تشويه شده و •معموال كك مورد استفاده در اين كوره ها كيفيت پائين . كوره شارژ مي شود

عمل . تري از كوره بلند ذوب آهن دارد چون دماي مورد نياز كمتر است ر ز ي ور ي چون ر ن وب ب ور ز لريتوسط خود كربن ) منطقه مياني(و در بخشي از كوره COاحياء توسط درجه است 700در بخش پائيني كوره كه دما د رحدود . انجام مي شود

. سولفيد سرب توسط آهن احياء شده و توليد مات مي كند63

اساس گداز مات بر پايه . گداز مات در خصوص مس و نيكل مهم است: گداز ماتدر مورد مس مات . تشكيل فازهاي مذاب قابل تفكيك از هم استوار است

Cu2Sو FeSدرصد مس بوده كه مخلوطي از 70تا 30حاصله داراي با تشكيل مات مس در حقيقت عمل پرعيار كردن سنگ معدن انجام . است

.ميگيرد.ميگيرد) حاوي سيليكات آهن و كلسيم( فاز دوم در فرآيند استخراج مس، سرباره

دستيابي به مات مس مناسب مستلزم . است كه روي مات قرار مي گيردو دياگرام سه Cu-S,Fe-S,Cu2S-FeSبررسي دياگرامهاي تعادلي

مي باشد كه با اين بررسي مي توانيم دريابيم چه فازهايي Cu-Fe-Sتايي در جه دمايي پايدار هستند تا بهترين فاز را در بهترين نقطه ذوب داشته

. باشيمتهيه مات مس در كوره هاي شعله اي انجام مي گيرد و با توجه به گرد و غبار

. حاصله استفاده از غبارگير الزاميست64

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٣٣جلسه

: گداز جانشينياين نوع گداز از قديميترين روشهاي استخراج فلز است كه در آن عنصري جانشين عنصر ديگر

جانشين فلز ما در Siو Al, Mgدر اين فرآيند فلزاتي مانند . در تركيب سنگ معدن مي شودنيازي به حرارت Al , Mgاستفاده از . به اين روشها متالوترمي هم مي گويند. تركيب مي شوند

نياز به حرارت داشته و در كوره هاي Siدادن نيست و خودشان حرارت كافي توليد مي كنند ولي . قوس الكتريك عمل گداز جانشيني انجام مي پذيرد ير پ ي م ج ي ي ج ز ل ري وس

:گداز هالوژنهبوسيله كربن ( و استخراج فلز مورد نظر از هالوژن حاصله Cl2تركيب با يكي از هالوژنها مانند

,Ti. Mgبا اين روش امكان استخراج فلزات ديرگداز و همچنين فلزاتي چون ). و يا ئيدروژنAl وجود دارد .

دن ك هالوژنه :علت

65

: علت هالوژنه كردن. مي كندبا تقطير را فراهم خالص سازي فشار بخار باالي هالوژنها امكان - 1.هالوژنها انحالل كمي در فلزات دارند و مي توان فلز با خلوص باال به دست آورد - 2. با كريستاليزاسيون را مي دهدخالص سازي حالليت آنها در محلولهاي آبي امكان -3.نقطه ذوب كمي دارند و مي توان احياي الكتروليتي را بكار برد -4

Reduction smelting: reduction of Metal oxide concentrates under highly reducing conditions with carbon or some other suitable reducing agent

Matte smelting: smelting metal sulphide concentrates under neutral or slightly reducing conditions

liquid slag-liquid metal separation.

li id l li id tt ti

Slags: 1-collecting unwanted materials 2-formation of layer over the metal meltSlag characteristics:

Enough difference between slag and metal density

liquid slag-liquid matte separation.

liquid –liquid separation process

66

Enough difference between slag and metal densityGood fluidity to separate easilyProper composition to lower gangue and inclusion activity and to

give the optimum balance of basicity and fluidity is extremely important so that maximum removal of impurities takes place

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٣۴جلسه

Adding Fluxes: Decrease melting point and Increase

fl idit f l

How to make slag

fluidity of slagBasic flux for Si gangues CaOUsing flux as a coating layer over the

melt potassium and sodium carbonatesFor precious metal oxidant flux(Na O

67

For precious metal oxidant flux(Na2O2 ،NaNO3 ،KNO3) and reducing flux(NaCN)

lower melting points of Metal sulphides than metal oxides matte smelting at lower temperaturesReverberatory furnaces: neutral or only a slightly

Smelting furnacesدر اين نوع كوره ها شعله . كوره هاي شعله اي در اندازه ها ي مختلف وجود دارند

از كناره هاي كوره وارد شده و با سقف برخورد مي كند و سبب گرم شدن آجرها در اين كوره ها مي توان از شارژ ريز و گرد وغبار جمع آوري شده در . مي شود

فيلترها استفاده كرد و مواد كم عيار را هم مي توان در اين نوع كوره ها شارژ .reducing conditionك

کوره انعکاسی

. كرد

68

1-reflected or reverberated of combustion products of the fuel from inclined furnace roof2- The long, wide hearth allows good slag-matte separation, but the process tends to be slow.

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٣۵جلسه

Electric arc furnaces:for higher temperatures (>1500°C)

Main application :production of ferro-alloys, Ni3S2 smelting, and in ironmaking areas where electricity is cheap and production requirements are too low for the use of a blast furnace process.requirements are too low for the use of a blast furnace process.

69کوره قوس الکتريک

1-Higher production rate (incorporating the principles of flash roasting with melting.)2-Injection of finely ground ore(high areas of contact between the roasting gas, flux and concentrate) + oxygen/preheated air +flux. 3- settlement of oxidized product and formation of a liquid slag-liquid matte separation.

modern flash smelting

4- it is an autogenous process

70

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٣۶جلسه

blast furnaceFor lumpy form and/or when a high reduction potential is required

Charge: metal oxide smelting with coke and flux

MO + CO M + CO2

Circular blast furnace forCircular blast furnace for high melting point oxides

The CO/CO2 ratio is used as a major control parameter in blast furnace smelting of metal oxides.

71

Rectangular blast furnace for lower boiling point metals such as Pb and ZnLower temperature decrease the danger of metal loss through volatilization of the low boiling point metals

for matte smelting of metal sulphides only sufficient coke is charged toprovide the necessary furnace atmosphere and heat since a reduction p y preaction is not required.

fall and grade of matte

The success of the matte smelting operation is judged by the:

72

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٣٧جلسه

Copper:present in the earth’s crust as copper-iron-

sulfide and copper sulfide minerals, e.g. chalcopyrite (CuFeS2), bornite (Cu5FeS4) and h l i (C S)chalcocite (Cu2S). Typical copper ores contain from

0.5% Cu (open pit mines) to 1 or 2% Cu (underground mines).

73

Pure copper metal is produced from these ores by pyrometallurgicalmethods(concentration, smelting and refining)

Copper also occurs in oxidized minerals (carbonates, oxides, hydroxy-silicates, sulfates), but to a lesser extent. Copper metal is usually produced fromCopper metal is usually produced from these minerals by hydrometallurgicalmethods, Hydrometallurgy is also used to produce copper metal from chalcocite, Cu2S.

74

, 2

Scrap copper and copper alloys is 10 or 15% of mine production.

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٣٨جلسه

گدازتبديل

تصفيه

75

76

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢٣٩جلسه

مينرال ھای اصلی مسpyrom

etaallurgyH

ydro

77

ometallurgy

Extracting Copper from Copper-Iron-Sulfide Ores

About 80% of the world’s copper-from-ore originates in Cu-Fe-S ores(about 1% Cu).Cu Fe S minerals are not easily dissolved byCu-Fe-S minerals are not easily dissolved by aqueous solutions, so the vast majority of copper extraction from these minerals is pyrometallurgical.

The extraction entails:• Concentration by froth flotation (isolating an ore's Cu-Fe-S

(and Cu-S) mineral particles)- 20-30%Cu• Roasting of sulfides• Smelting the concentrate to molten high-Cu matte(50-70%)• Converting the molten matte to impure molten copper (99%)• Fire- and electrorefining impure copper to ultra-pure copper.

78

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۴٠جلسه

Roasting of sulfides:توليد فلزات از سولفيد آنھا

، اين سولفيدھا COSو CS2 ,H2Sبا توجه به انرژي آزاد تشكيل سولفيدھايي چون ناپايدار بوده و در نتيجه نمي توان از كربن، ئيدروژن و يا مونو اكسيد كربن به

پس راه حل حذف . عنوان عامل احيائي براي احيايي تركيبات سولفيدي استفاده كردت؟ د لف نگھا از د گ گ

Roasting: decrease sulfur content to an optimum levelگوگرد از سنگھاي سولفيدي چيست؟

79

Cu2S+O2 Cu2O+SO2

FeS+3/2O2 FeO+SO23FeS2+8O2 Fe3O4+6SO2

Possible reactions during roasting :

Cu S more stable than FeS O affinity for Fe higher than for CuCu2S more stable than FeS O2 affinity for Fe higher than for Cu

Control of PO2 to oxidize only Fe

Cu remains as sulfide

80

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۴١جلسه

Smelting of Copper OresConcentrates :• Sulfide minerals• Gangue oxides (AI2O3, CaO, MgO, SiO2)• Metallic impurities (Lead, Zinc)• Precious metals( Au, Ag, Cd, Ni, Mo)

E th i

Theoretically, this material could be directly reacted to produce metallic Cu by oxidizing the sulfides to elemental copper and ferrous oxide:

81

Exothermic

Smelting products should be: molten copper

Molten slag(flux oxides, gangue oxides and FeO)

Smelting of copper oresUnder oxidizing conditions:

Slag (0.2 – 1%Cu)

More slag More Cu lost

Decreasing Fe in roasting step is one solution

The most important equilibrium

More Fe in concentrate

82

Fayalite ( Ferrous silicate)Adding Silica

Slag

Molten FeS reduce more oxides

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۴٢جلسه

adding SiO2 to an oxy-sulfide liquid causes it to split into matte and slag.

Lines a, b, c and d represent the equilibrium compositions of the

what happens when a mixture of FeO, FeS, and SiO2 is heated to1200 C?

83

q ptwo liquids.

فلزات . عنصر ديگر بايستی با فرآيندھای بعدی از مات مس جداسازی شوند ٢٠در حدود •جمع شده در طال، نقره، پالتينيوم و پاالديوم عمدتا در مات مس باارزشی چون

. مھاجرت می کنندکلسيم، منيزيم و آلومينيوم به سرباره سيليکاتی حاليکه

٨٤

طال، ppm ٠/٢٧ موليبدن % ٠/٠٣مس، % ٠/٧٨عيار :سرچشمهمعدن مس ١/١۴ ppm ،١/٢نقره ppm ٠/٩نيكل و ppmكبالت است. 84

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۴٣جلسه

Slag:These oxides include FeO from Fe oxidation, SiO2 from flux, and oxide impurities from concentrate.solution of molten oxides like FeO, Fe2O3,SiO2, AI2O3,CaO, MgO

Decrease sulfide solubility

Slags from Cu matte smelting: 30-40% Fe in the form of oxides30-40% SiO2

(Cu in matte/Cu in slag) should be between 50-100 wt%

High matte grade is not favourable why?

٨٥

high copper losses in slagCopper in slags trapped in 3 forms: suspended matte,

dissolved copper (II)sulfide, slagged copper(I) oxideSlags containing

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۴۴جلسه

Reactions During Matte Smelting

Purpose of matte smelting: turn the sulfide minerals in solid copper concentrate into three products: molten matte, molten slag and offgas.

1- large amount of O2 will oxidize more of the Fe in the concentrate.

higher matte grade

Copper loss in slag2 FeO content of the slag high activity of FeO2-FeO content of the slag high activity of FeO

SolutionLowering FeO activity by adding SiO2 87

88

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۴۵جلسه

Matte smelting is the most common way of smelting Cu-Fe-S concentrates. It entails heating, oxidizing (almost always with oxygen-enriched air) and fluxing the concentrate at high temperatures, 1250°C. The products are:

SMELTING PRODUCTS: MATTE, SLAG AND OFFGAS

are:• (a) molten Cu-Fe-S matte, 45-75% Cu, which is sent

to oxidation converting to molten metallic copper• (b) molten Fe silicate slag, which is treated to

recover Cu and then sold• (c) SO2 bearing offgas, which is cooled, cleaned and ( ) 2 g g , ,

sent to sulfuric acidmaking.

89

كوره هاي مورد استفاده در عمليات گدازمس: انواع كوره هاي مورد استفاده عبارتند از

يكي از قديمي ترين كوره هاي مورد استفاده در ): Reverbratory( كوره شعله اي - 1توليد مات مس است كه امروزه استفاده از اين كوره ها رو به كاهش است و كوره هاي شعله

اي مورد استفاده در مس سرچشمه كرمان از آخرين كوره هاي توليد مات از اين نوع مي الاش ا ل ش ك اخ االت ش1995ا ازقف ك ل ش شيلي يكي از . متوقف شد 1995در اياالت متحده اخرين كوره شعله اي در سال. باشد

. بزرگترين توليد كننده هاي مس در دنيا هنوز از اين كوره ها استفاده مي كند

٩٠

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۴۶جلسه

متر 4متر و ارتفاع 10متر ،عرض 33طول . ابعاد اين كوره ها متفاوت است•تن سرباره در روز 800تا 450/ تن مات 1000تا 500توانايي توليد •درجه سانتيگراد از احتراق 1300تا 1150منبع تامين حرارت براي نگهداري دما در محدوده •

. گازوئيل، مازوت، گاز طبيعي و يا پودر زغال نرمه تامين مي شوددارند6تا4حدود• عهده ب را شعله ايجاد و انتقال وظيفه خوردمشعل ب كوره قف گدازها دي به شعله شعله به ديرگدازهاي سقف كوره برخورد .مشعل وظيفه انتقال و ايجاد شعله را بر عهده دارند 6تا 4حدود

درجه فراتر 1500دماي سقف نبايستي از . كرده و از طريق تشعشع از سقف كوره به كنسانتره منتقل مي شود. رود چون سبب تخريب نسوزها مي شود

نوع . عمليات ذوب پيوسته بوده و مذاب مات و سرباره از مجراهاي مجزا از درون كوره تخليه مي شوند•. شارژ مورد استفاده گستره اي از مواد به صورت ريز، كلوخه اي و تر و خشك را در برمي گيرد

: دو مرحله براي ذوب دراين كوره ها در نظر گرفته مي شود•رذوب شارژ و تشكيل اليه هاي مات و سرباره - الف• رب و ي الي يل و رژ وبته نشيني مات در زير اليه سرباره - ب•. اتمسفر كروه شعله اي با توجه به نوع سوخت استفاده شده از خنثي تا اكسيدان متغير است•به علت . مس بوده كه مات با عيار پائين محسوب مي شود% 50تا 40مات حاصل از اين نوع كوره ها داراي •

عدم مخلوط شدن مناسب كنسانتره با هوا و گاز حاصل از احتراق ، واكنشها سرعت كمتري نسبت به ديگر . روشها دارند ٩١

:عمده واكنشهاي انجام پذيرفته در كوره شعله اي به صورت زير است •Cu2S+2Cu2O=6Cu+SO2

Cu2S+6CuO=4Cu2O+SO2Cu2S+2CuSO4=2Cu2O+3SO2

Cu2S+4CuSO4=6CuO+5SO2ك Fك Sك طبق واكنش زير به سولفيد مس FeSمس حاصل از واكنش اول با توجه به شرايط كوره و حضور•

:تبديل مي شود•2Cu+FeS=Cu2S+Fe

:تبديل مي شود FeOآهن حاصل از اين واكنش به ••Fe2O3+Fe=3FeO

•FeSاحياي سبب باFeOبهFe3O4وFe2O3باقيمانده كيب ت اين كه ازSiO2شده حاصل FeS باقيمانده سبب احيايFe2O3وFe3O4بهFeOشده كه اين تركيب باSiO2 حاصل ازدر كوره در يكديگر كامال Cu2Sو FeS. مواد گدازآور تشكيل سرباره فاياليتي را مي دهد . محلول بوده و فاز مات را تشكيل مي دهند

سوالي كه پيش مي آيد اين است كه تكليف اكسيدهاي مس حاصله چيست؟ زيرا هدف از توليد مات مس •. رسيدن به تركيب سولفيدي از مس است و اكسيد شدن مس مطلوب نيست

:جواب اين سوال را با بررسي تعدادي واكنش خواهيم داد• ٩٢

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۴٧جلسه

. اختالف ميل تركيبي آهن و مس با گوگرد و اكسيژن مبناي تشكيل مات مس مي باشد••Fe+1/2S2=FeS ∆G°=-15873 cal/mol•2Cu+1/2S2=Cu2S ∆G°=-19578 cal/mol

•Fe+1/2O2=FeO ∆G°=-39126 cal/mol •2CU+1/2O2=Cu2O ∆G°=-16303 cal/mol

با توجه به تغييرات انرژي آزاد استاندارد واكنشهاي ذكر شده مشخص است كه در دماي •است و اگر مس به صورت اكسيد در سرباره موجود باشد، طبق واكنش زير به سولفيد Cu2Oپايدارتر از FeOو FeSپايدارتر از Cu2Sدرجه سانتيگراد، 1250

:مس تبديل مي شود•FeS+Cu O=Cu S+FeO ∆G°= 29548 cal/mol •FeS+Cu2O=Cu2S+FeO ∆G°=-29548 cal/mol

ناپايدار بوده و Cu2Oدر محيط عمليات وجود داشته باشد، FeSبنابراين تا زماني كه • بنابراين ميل تركيبي بيشتر مس با گوگرد و ميل تركيبي .تبديل به سولفيد مس مي گردد. كمتر آن با اكسيژن مبناي تشكيل مات مس مي باشد

٩٣

: مشكالت كوره هاي شعله اي را مي توان به اين صورت نام برد كه•عدم استفاده از انرژي موجود در سنگهاي سولفيدي جهت ذوب، - 1•

ما را ناگزير به استفاده از سوخت مي نمايد كه هزينه ها را .افزايش مي دهد ي يش ز

سولفوريك استفاده شود و مقرون به صرفه نيست واز طرف ديگر توليدي به حدي نيست كه براي تهيه اسيد SO2غلظت - 2•. رها كردن آن در اتمسفر هم سبب ايجاد آلودگي مي شود

حضور مگنتيت در شارژ و يا سرباره برگشتي از كنورتور - 3•سبب مي شود كه در ته كوره ته نشين شده و ظرفيت مفيد كوره

را كاهش داده و همچنين سبب مي شود كه قرار گرفتن مگنتيت به صورت اليه اي بين سرباره و مات مانع از جدايش كامل اين دو

. شود ٩٤

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۴٨جلسه

Flash Smelting• There are two types of flash smelting: the

Outotec process (~30 furnaces in operation) and the Inco process (four furnaces inand the Inco process (four furnaces in operation).

• The Outotec process was formerly known as the Outokumpu process.

95

:روشهاي ذوب تشعشعي - 2•در اين روش كنسانتره سولفيدي . اين روش براي ذوب كنسانتره سولفيد مس و نيكل كاربرد دارد•

درجه 1230ريز و خشك، مواد گداز آور به همراه هواي غني از اكسيژن در دمايي حدود ورود اين مواد به داخل محفظه سبب واكنش كنسانتره سولفيدي با . سانتيگراد تزريق مي شوند

. اكسيژن مي گرددا ا ا آ :محصول به دست آمده شامل مواد زير است•

)مس% 65- 45(مات مذاب غني از مس - 1 •، مواد گداز آور FeSسرباره مذاب شامل گانگ و اكسيدهاي آهن حاصل از اكسيداسيون - 2 •

مس % 5اكسيدي و تا بسته به ميزان اكسيژن در هواي دميده شده %) 80تا SO2)10گاز خروجي محتوي - 3•ز:واكنشهاي انجام شده در اين نوع كوره ها عبارتند از• ر ب ور وع ين ر م ج ي ه و

•2CuFeS2+13/2O2 (Cu2S.1/2FeS)+3/2FeO+5/2SO2•FeS2+5/2O2=FeO+2SO2•2FeO+SiO2=2FeO.SiO2

تمامي واكنشهاي فوق گرمازا بوده و بخش عمده حرارت الزم براي گرم كردن، ذوب و فوق گداز •.مي باشنداوتوكمپو، اينكو انواع كوره هاي تشعشعي.مورد نياز را فراهم مي كنند ٩٦

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۴٩جلسه

:ويژگيهاي عمده اوتوكمپو عبارتنداز:كوره هاي تشعشعي اوتوكمپو•تزريق كنسانتره از طريق مشعل ها سقوط عمودي ذرات شارژ در محفظه عمودي واكنش - الف•استفاده از هواي پيشگرم شده و غني از اكسيژن براي انجام اكسيداسيون - ب•استفاده كم از سوخت فسيلي - ج•

در اين كوره ها مواد خشك با هواي غني شده از•اكسيژن از طريق مشعل هايي به درون محفظه عموديك

واكنش تزريق شده و در اثر واكنش بين كنسانتره و هواي غني از اكسيژن تشويه ، ذوب و تا حدي تبديل

عمل جدايش مات و سرباره در محفظه . انجام مي پذيردجدايش صورت پذيرفته و هر كدام از اين اجزا از

با توجه به اينكه . مجراهاي خاص خود تخليه مي شوندالز ت ا تا ا ا اك از ل ا ا گ

٩٧

گرماي حاصل از اكسيداسيون براي تامين حرارت الزمجهت ذوب، تثبيت دماي مذاب مات و سرباره در محفظه

جدايش و تسريع عمل جدايش كافي نيست، مشمعلهاي كمكي احتراق كه با سوخت فسيلي كار مي كند نصب شده

.اند

Otokumpu smelter

٩٨

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۵٠جلسه

Outotec flash furnace

99

INCO : دمش افقي كنسانتره خشك به همرا اكسيژن صنعتي به كوره در دمايي در حدوددرجه سانتيگراد سبب واكنش بين كنسانتره و اكسيژن شروع واكنش تشويه شده 1225

مس % 1مس وسرباره با حدود % 50توليد مات با عيار . وذوب جزئي رخ مي دهدحرارت الزم جهت تامين درجه حرارت از سوختن و اكسيداسيون سنگهاي سولفيدي تامين

. مي شود

١٠٠

Inco smelter

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۵١جلسه

Inco flash furnaces • At the start of 2010 there were four Inco flash

furnaces in operation: 1-Almalyk,Uzbekistan • 2-Hayden Arizona• 2-Hayden, Arizona • 3,4-Sudbury, Ontario (two furnaces)• The Almalyk and Hayden furnaces smelt

Cu-Fe-S concentrates.• The Sudbury furnaces smelt Ni-Cu-Co-Fe-S y

concentrates to produce ~45% Ni+Cu+Co matte and ~1% Ni+Cu+Co slag.

101

INCO VS. OUTOTEC FLASH SMELTING• Outotec advantages:• (a) Higher concentrate throughput rates

(double that of the Inco flash furnace)( )• (b) Single concentrate burner in place of

four Inco burners• (c) Recovery of offgas heat in a heat

recovery boiler as useful steam• (d) Dry dust recycle

102

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۵٢جلسه

•Noranda smelting furnace : ايده استفاده از اين نوع كوره ها انجام عمليات ذوب ومواد شارژ شامل كنسانتره، فالكس، قراضه ها و زغال نرمه به صورت . تبديل در يك كوره بود

دميدن هواي غني از اكسيژن از طريق . پيوسته از انتهاي كوره به داخل حمام مذاب تزريق مي شوندجدايش سرباره . تويرها به اليه مذاب مات انجام شده و گازهاي حاصل از طريق لوله ها خارج مي شود

. در اثر واكنشهاي احيائي تبديل جزئي رخ مي دهد. و مات در محفظه صورت مي پذيردمبا توجه به انجام واكنش ذوب و تبديل در يك محفظه: اشكاالت•تلفات باالي مس در سرباره - 1 •در نتيجه بايستي از كنسانتره هاي با عيار باال و سرباره غير قابل ( ناخالصي مس بليستر توليدي - 2 •

با توجه به اين اشكاالت امروزه فقط تبديل جزئي در اين كوره ها انجام شده و ). دورريز استفاده كرد. اسميت فرآوري مي شود - در كنورتور پيرس%) 75تا 70(مات پرعيار توليدي

١٠٣

•Mitsubishi process: اين فرآيند يك روش پيوسته براي انجام عملعمليات در سه . ذوب و تبديل در تهيه مات مس و مس بليستر از آن مي باشد

:محفظه انجام مي شود 3مرحله و در حقيقت در ذوب مواد خام با دمش هواي غني از اكسيژن - 1•

فظ2 ذا ا ا ش ا جدايش سرباره و مات مذاب در محفظه دوم- 2•تبديل مات پرعيار مس به مس بليستر - 3•مواد از بخش بااليي كوره اول و از طريق النسهاي دمشي به همراه هواي •

با انجام . غني از اكسيژن به داخل مذاب موجود دميده و تزريق ميشودبه توجه با شده، انجام دوم محفظه به انتقال ومات، باره س توليد و واكنشها و توليد سرباره ومات، انتقال به محفظه دوم انجام شده، با توجه به واكنشها

در نهايت با . سياليت دو اليه و چگالي انها عمل جدايش صورت مي پذيردعمل تبديل به مس Cu2O-CaO-Fe3O4توجه به سيستم سه تايي

.رخ مي دهد Blister copperبليستر ١٠٤

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۵٣جلسه

Mitsubishi process

١٠٥

Converting : Converting is oxidation of molten Cu-Fe-S matte to form molten 'blister' copper (99% Cu).

Oxidizing Fe and S from the matte with oxygen-enriched air or air 'blast'. (in the Peirce-Smith converter with submerged tuyeres)

براي انجام اين عمل . باشدآهن و گوگرد و ديگر ناخالصيها از مات مي نمودن هدف از اين مرحله خارج استوانه اين محفظه . مجهز به سيستم دمشي از كنار شارژ مي شوندكنورتورهاي مذاب تهيه شده به مات نا ب ت ف ظ باشد200تا100با م مات حدودتن در و4ابعاد قط از9مت ا اليه با كه بوده طول مت

١٠٦

متر طول بوده كه با اليه اي از 9متر قطر و 4ابعاد در حدود.تن مات مي باشد200تا100با ظرفيت بيناي .منيزيم آستر كشي شده است- مواد نسوز كرم

كه خنثي و يا كمي اكسيدان بود، كامال ) گداز(اتمسفر كوره در مقايسه با مرحله قبلتبديل، در مرحله از طريق دمنده ها هواي غني از اكسيژن به داخل مات مذاب تزريق مي شود و ماده حاصله . اكسيدان است

به نام مس بليستر معروف است كه بواسطه محبوس شدن گاز دي اكسيد گوگرد در محصول و تاول زدن .سطح آن به اين نام معروف است 106

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۵۴جلسه

The products of converting (autothermalprocess) are:(a) molten blister copper which is sent to fire-and electrorefining(b) molten iron-silicate slag to Cu recovery(b) molten iron-silicate slag to Cu recovery, then discard(c) SO2-bearing offgas cooling, dust removal and So4 manufacture.

١٠٧107

Converting takes place in two stages:(a) the Slag-forming stage when Fe and S are oxidized to FeO, Fe304 and SO2and S are oxidized to FeO, Fe304 and SO2by reactions like:

1385°CAdding silica flux1597°C

Slag formation

108

Product: white metal (75-80%Cu) and

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۵۵جلسه

(b) the copper-making stage: Blowing air and oxygen into molten ‘white metal’ creates a turbulent Cu2S copper mixture. sulfur in Cu2S is oxidized to SO2. Thus, the blister copper product of converting is low in both S and Oxygen (0.001- 0.03% S, 0.1-0.8% O). Nevertheless, if this copper were cast, the S and O would form SO2 bubbles or blisters.

Industrially, matte is charged to the converter in several steps.1-Oxidation of FeS 2-removing slag 3- adding new matte 4-1-Oxidation of FeS 2-removing slag 3- adding new matte . 4-Reaching sufficient amount of Cu in the converter (100- 250 tonnesCu as molten Cu2S) 5- reaching less than 1% Fe in the matte 6-final slag is removed .

109Sketch of Peirce-Smith converter and its two immiscible liquids

Cu2S-Cu-Cu2O gas foam/emulsion

metallic copper

Slaggingتوليد سرباره -١•در اين مرحله سولفيد آهن موجود در مات اكسيد شده و و با افزودن فالكس سيليكاتي •

). توليد فاز فاياليت(از كنورتور خارج مي شود

: تشكيل فاز مگنتيت در نزديكي لوله هاي دمش هوا رخ مي دهد•

در ابتدا با افزودن مات به كنورتور و دمش هوا . توليد سرباره در چند مرحله انجام ميشودبه آن فرآيند آغاز شده و پس از آن با كج كردن كنورتور سرباره قرار گرفته روي

ش تخل ت ا ات ل ل قا غ ك لات آ لف ش اك اكسيد شدن سولفيد آهن در مرحله . مات كه غير قابل حل در مات است، تخليه مي شودكنورتينگ حرارت الزم براي جبران تلفات حرارتي و مذاب نگهداشتن مات و سرباره

آهن، % 50- 40مس، % 9- 2سرباره توليد شده در اين مرحله داراي . را تامين ميكند20 -30 %SiO2 5- 1و %Cao+MgO با توجه وجود مس در سرباره . مي باشد .بايستي اين مس بازيابي شود) اكسيد مس ويا مات مس محبوس شده در آن(به صورت ١١٠110

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۵۶جلسه

يك راه براي بازيابي مس سرباره، برگرداندن آن به كنورتور است كه با اين عمل مس موجود •مشكلي كه بوجود مي آيد به علت اتمسفر به شدت . در سرباره احيا شده و به مات برمي گردد

وجود دارد كه مگنتيت FeOاكسيدان كنورتور احتمال حضور مگنتيت و هماتيت عالوه بر براي حل اين .به ته كوره رفته و ته نشين مي شود و سبب كاهش حجم مفيد كنورتور مي گردد

:مشكل مي توان به دو روش عمل كردمگنتيت-1• شده نشين ته از ممانعت نتيجه در و كنورتور كف از خنث گاز تزريق تزريق گاز خنثي از كف كنورتور و در نتيجه ممانعت از ته نشين شده مگنتيت 1

وبرگردانده آن به سربارهFeOبه Fe3O4افزودن مقداري كربن به همراه سرباره كنورتور و در نتيجه تبديل - 2•:مرحله تشکيل مس بليستر-٢است كه به فلز سفيد معروف Cu2Sپس از كامل شدن مرحله توليد سرباره كنورتور داراي •

ت گا ه تش ع ن از اكنشها ا خ ا اك ه ا :ا :ادامه اكسيداسيون سبب رخ دادن واكنشهايي از نوع تشويه مي گردد. است

١١١111

مذاب مات مس توليدي در مرحله ذوب عالوه بر عناصر اصلي مس، آهن و : مرحله تبديل•و عناصر قيمتي As,Bi,Zn,Pb,Sn,Niگوگرد، داراي مقادير جزئي عناصري مانند

اين مذاب به كنورتور براي انجام عمل . درجه سانتيگراد دارد 1100است كه دمايي در حدود هدف اين مرحله حذف گوگرد و آهن و ساير ناخالصي ها و به دست . تبديل شارژ مي شود

. آوردن مس بليستر مي باشد يدرجه سانتيگراد به مذاب مات آغاز شده و طي 1250- 1150فرآيند تبديل با دمش هوا در دماي •

:دو مرحله انجام مي شود. به دست مي آيد) Cu2S(در مرحله اول تمامي آهن اكسيد شده و فلز سفيد - 1 ••FeS+3/2O2=FeO+SO2 2FeO+SiO2=2FeO.SiO2 يبا افزودن سيليسيم به عنوان گدازآور دراين مرحله امكان اكسيد شدن جزئي سولفيد مس • م

.وجود دارد، كه به علت حضور اكسيد آهن دوباره به سولفيد مس تبديل مي شود. در كنار دمنده ها با توجه به وجود اكسيژن باال ممكن است رخ بدهد Fe3O4تشكيل

FeS+5O2=Fe3O4+3SO2. مي شود FeOدوباره تبديل به FeSكه با توجه به وجود

١١٢

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۵٧جلسه

. در مرحله دوم دمش هوا سبب حذف گوگرد و توليد مس بليستر مي شود -2•با حذف آهن در مرحله قبل و ادامه دمش هواي غني از اكسيژن ، واكنشهاي اكسيداسيون •

:سولفيد مس رخ مي دهد• 2Cu2S+3O2 2Cu2O+2SO2• Cu2S+2Cu2O 6Cu+SO2• Cu2S+O2 2Cu+SO2

كاهش يافته و در نهايت فاز مس مذاب حاوي يك درصد Cu2Sبا ادامه دمش هوا مقدار • مگنيتيت حاصل به صورت ذرات جامد معلق . به دست مي آيد) بليستر( گوگرد محلول در آن. در سرباره تشكيل مي شود

اسميت – يكي از معمولترين كنورتورهاي مورد استفاده در اين مرحله كنورتور پيرس •.است

١١٣

. است

steps in copper-making

molten 'blister copper' + molten 'white metal'

١١٤Cu-S equilibrium phase diagram

114

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۵٨جلسه

(a) Blowing of air and oxygen into the Cu2S removes S as SO2 to give S-deficient ‘white metal’, but no metallic copper. The reaction for this step is:

Blowing until is lowered to 19.6%(b)

(b) blowing of air and oxygen causes formation of a second liquid phase( point c): metallic Cu containing 1%S Increasing molten Cu & decreasing white

metal

Sinks to the bottom of converter

(c) Disappearing of sulfide phase: no white metal anymore, only metallic Cu containing 1%S (point d)

115

Important note: Great care is taken from c to d that copper is not overoxidized to Cu20. Because Cu2S is no longer available to reduce Cu2O back to CuBy:

In step c converter flame color from clear to green when metallic copper begins to be oxidized in front of the tuyeres.

اكسيد شده و هنگامي كه ) Cu2S(نشان مي دهد كه فلز سفيد Cu-Cu2Sدياگرام فازي مي رسد يك شكاف حالليت بوجود مي آيد كه مذاب به دو اليه % 19/5ميزان گوگرد به حدود

در باال اليه اي از سولفيد با دانسيته كم و در پائين اليه اي از مس مذاب با . تقسيم مي شودبا رسيدن به اين . گوگرد مي باشد، تشكيل مي شود% 1/2تا 1دانسيته بيشتر كه حاوي حدود

مقدار گوگرد فقط فلز مس باقي مي ماند و بايستي توجه داشت كه دمش بيشتر اكسيژن سبب انتهاي دمش را ميتوان با ريخته گري قطعه كوچكي از مس و سپس .اكسيد شدن مس مي شود

كه بايستي سطح مقطع شامل تاول شكستن قطعه و مشاهده سطح مقطع شكست مشخص نمود.اكسيژن است 0/5تا 0/2گوگرد و % 0/5تا 0/02در عمل مس بليستر داراي . باشد

براي تبديل مس استفاده شود كه به ) فوالد(در ابتدا سعي شد كه از كنوتور بسمرچون دمش در اين كنورتورها از كف انجام ميشود در نتيجه اكسيژن . شكست انجاميد

در تماس با مس خواهد بود كه با توجه به هدايت حرارتي باالي مس و دماي منطقه حدود در شود600دمشكه مي ها دمنده شدن مسدود سبب است .درجه

به همين علت كنورتورهايي با دمش از كناره ها براي مس ابداع گرديد كه •سرباره حاصل در اين مرحله . سبب دمش هوا به داخل فاز سولفيدي مي شود

مس به شكل اكسيد يا سيليكات مي باشد كه پس از % 40تا 20نيز داراي . جمع آوري دوباره به كنورتور مرحله اول برگردانده مي شود ١١٦

. درجه است سبب مسدود شدن دمنده ها مي شود6دمش كه در حدود

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۵٩جلسه

117

remove impurities during converting1)The principal removed elements from matte: Fe and S.2) Ag, Au and the Pt goes to blister copper

increasing matte grade impurity increases retention in the product

118

increasing matte grade impurity increases retention in the product blister copper less blast blown through them, and they form less slag.

recycling of impurities in offgas by returning to the smelting furnace. such recycle returns all impurities to the circuit. then, some smelters treat the dusts for impurity removal before they are recycled. Bismuth, in particular, is removed because it causes brittleness in the final copper anodes and it can be a valuable byproduct.

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۶٠جلسه

Temperature control during converting

Controlled heat by:(a) raising or lowering O2 enrichment level, which raises or lowers the rate at which N2 ‘coolant’ enters the converter(b) adjusting revert and scrap copper ‘coolant’ addition rates.

119

• Slag and Flux Control• The chief objective of creating a slag in the converter is to

liquefy newly formed solid FeO and Fe3O4.• SiO2-bearing flux (e.g. quartz, quartzite, sand) is added.• An indicator of slag composition is the mass ratio of SiO2/total

Fe. • Enough SiO2 flux is added to produce an SiO2/Fe ratio of ~0.5. • Acceptable Fe3O4 levels are typically 12-18%. • Some smelters use Au- and Ag-bearing siliceous material as

converter flux. The Au and Ag dissolve in the matte and proceed with copper to the electrorefinery where they are p pp y yprofitably recovered. These smelters tend to maximize flux input.

• Most smelters use just enough flux to obtain an appropriately fluid slag. minimizes flux cost, slag handling, and the expense of recovering Cu from the slag. 120

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۶١جلسه

End Point Determinations• Slag Blow• The slag-forming stage is terminated and slag is poured from

the converter when there is about 1% Fe left in the matte. • Further blowing causes excessive Cu and solid magnetite in

slag. • The blowing is terminated when:• (a) Metallic copper begins to appear in matte samples or

when X-ray fluorescence shows 76-79% Cu in matte.• (b) The converter flame turns green from Cu vapor in the• (b) The converter flame turns green from Cu vapor in the

converter offgas• (c) PbS vapor (from Pb in the matte feed) concentration

decreases and PbO vapor concentration increases.

121

Copper Blow• The copper making stage is terminated the instant that copper

oxide begins to appear in copper samples.• Copper oxide attacks converter refractory, so it is avoided as

much as possible.much as possible. • The copper blow is ended and metallic copper is poured

from the converter when:• (a) Copper oxide begins to appear in the samples.• (b) SO2 concentration in the offgas falls because S is nearly

gone from the matte)( ) PbO i i h ff f ll d C OH• (c) PbO concentration in the offgas falls and CuOHconcentration increases (H from moisture in the air blast).

122

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۶٢جلسه

Alternatives to Peirce-Smith Converting:• Problems with Pierce-smith:

• (a) Leak of SO2-bearing gas into the workplace

during charging and pouringg g g p g

• (b) it leaks air into its offgas between its mouth and

gas-collection hood, producing a relatively weak SO2gas

• c) Batchwise operation uneven flow of SO2 offgas

123

c) Batchwise operation uneven flow of SO2 offgas

into the sulfuric acid plant

Alternatives to Peirce-Smith Converting:

Solutions:

(a) Hoboken or siphon converter ( Peirce-Smith converter with an

improved gas-collection system), 10 units in 2002 and 4 in 2010

(b) Mitsubishi top-blown converter( blows oxygen enriched blast

onto The molten matte surface via vertical lances), 4 units in 2010

(c) Outokumpu flash converting (oxidizes solidified crushed

matte in a small Outokumpu flash furnace), 2 units in 2010

(d) Noranda continuous converting ( uses submerged tuyeres to

124

(d) Noranda continuous converting ( uses submerged tuyeres to

blow oxygen-enriched air into matte in a Noranda-type furnace), 1

unit in 2010

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۶٣جلسه

Summary of converting

The products of converting process ;• (a) molten blister copper (99%Cu, 0.02% S and 0.6% O)

fire refining for final S and O removal, then anode

casting.

• (b) molten Fe-silicate slag (4 to 8% Cu) which is sent to Cu

recovery, then Discard.

• (c) SO2-bearing offgas which is treated for heat, dust and

SO2 capture.

• All of the heat for converting comes from Fe and S oxidation

125

Copper Loss in Slag

• The Cu in smelting and converting slags is present either as( ) di l d C t tl C i (C O C S)

• Smelting furnace slag :1-2%Cu • Converter slag: 4-8% Cu (The percentage increases as

matte grade increases)

• (a) dissolved Cu, present mostly as Cu ions(Cu2O or Cu2S)• (b) entrained droplets of matte. • matte grades above 70% Cu Cu2O becomes the dominant form of

dissolved Cu (why? Because of increasing the activity of Cu2S in the matte. Higher Cu2S activity pushes the reaction, to the right.

• The solubility of sulfur in slags is also lower in contact with higher-grade mattes. As a result, dissolved Cu in converter slags is present mostly as Cu2O.

• Conversely, the dissolved Cu in smelting slags is present mostly as Cu2S. This is due to the lower matte grades and oxygen potentials in the smelting furnace. 126

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۶۴جلسه

Entrained droplets of matte The most obvious sources of entrained matte in slag are droplets of matte that have failed to settle completely through the slag layer during smelting.

• Matte droplets can become suspended in smelter slag by several other mechanisms. Some are carried upwards from the molten matte layer by gas bubbles generated by the reactiongas bubbles generated by the reaction

127

Copper Loss in Slagstrategies for minimizing the amount of Cu lost:minimizing the mass of slag generated

minimizing the percentage of Cu in the slagsprocessing the slags to recover as much Cu as p g gpossible.

pyrometallurgy

Hydrometallurgy

1- Minimizing Slag Generation:adding less flux less slag but increase the aFeO in the slag

more dissolved Cu2O by Reaction and more magnetite

128

maximizing concentrate grades means less gangue and less slag

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۶۵جلسه

2-Minimizing Cu Concentration in Slag

• Maximizing slag fluidity, principally by avoiding excessive Fe3O4 (s) in the slag and by keeping the slag hot

• Providing enough SiO2 to form distinct matte and slag phases

• Providing a large quiet zone in the smelting furnace A idi i l hi k l f l

129

• Avoiding an excessively thick layer of slag• Reduce Fe3O4(s) to FeO(l) by adding coal or

coke

3-pyrometallurgical salg settling/reduction

Conditions that encourage suspended matte droplets to settle to a matte layer are low viscosity slag, low turbulence, a long residence time, and a thin slag layer.• These conditions are difficult to obtain in a smelting vessel• These conditions are difficult to obtain in a smelting vessel,

particularly the necessary residence time.• Solution: constructed separate furnaces specifically for

cleaning smelting an• These furnaces have two purposes: (a) allowing suspended

matte droplets to finish settling to the molten matte layer, and (b) facilitating the reduction of dissolved Cu oxide to suspended(b) facilitating the reduction of dissolved Cu oxide to suspended Cu sulfide drops.

• electric slag-cleaning furnace with three carbon electrodes(to providing a reducing atmosphere, adding coke helps reduce electrode loss)

130

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۶۶جلسه

Electric slag-cleaning furnace. (1000~1500 tonnes of slag per day).

131

: Refiningتصفيه•در . تقريبا تمام مس توليد شده به روش ذوب مات و تبديل، پااليش الکتروليتی می شود•

اين مرحله مقادير بيشتری از گوگرد و اکسيژن موجود در مس بليستر بايستی زدوده . شوند تا بتوان عمليات ريخته گری آن را انجام داد

گوگرد و % ٠/٠۵دارای حدود ) پيرس اسميت(مس بليستر حاصل از مراحل قبل •ژ حضور اين عناصر به صورت محلول سبب تشکيل حبابھای .اکسيژن است% ۵/٠

SO2 ھدف اوليه پااليش . در حين ريخته گری و ايجاد حفرات گازی در قطعه می شوند: گرمايی، گوگردزدايی از مس بليستر است که در دو مرحله انجام ميشود

% ٠/٠٠٣تا ٠/٠٠١با ھوا تا اينکه ميزان گوگرد تا ) SO2به (اکسايش گوگرد -١•. برسد

١حذف اکسيژن موجود درمس در خالل تبديل و پااليش مرحله -٢•مس حاصل از اين مرحله به صورت آندھايی ريخته گری شده و برای مرحله بعدی که

پااليش گرمايی در کوره ھای دوار شبيه به . تصفيه الکتروليتی است به کار ميرود. پيرس اسميت انجام ميشود

١٣٢

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۶٧جلسه

:پااليش گرمايی در کوره ھای دوار طی مراحل زير انجام می شود•تن به کوره دوار ٣٠٠تا ١۵٠شارژ مس بليستر توليد شده درمرحله قبل به ميزان -١•که ميزان % ٠/٠٠١دمش ھوا از طريق تويرھا و کاھش گوگرد موجود تا مقدار -٢•

اکسيژن موجود در . کاھش گوگرد با ريخته گری يک نمونه کوچک مشخص می شود.می باشد% ٠/۶انتھای اين مرحله در حدود

ميزان٣• کاھش و شده توليد مس داخل به تويرھا طريق از پروپان طبيع گاز دمش دمش گاز طبيعی پروپان از طريق تويرھا به داخل مس توليد شده و کاھش ميزان -٣•در اين مرحله سطح قطعه ريخته شده صاف و مسطح خواھد %. ٠/٠۵اکسيژن را تا

سطح مذاب حاصله بوسيله کک کم گوگرد پوشانده می شود تا از اکسايش مجدد آن . بود. جلوگيری شود

١٣٣Rotary Furnace Refining

١٣٤

٠٧/٢٩/١۴٣۵

٢۶٨جلسه

:شيمی پااليش گرمايی •سيستم -١: فرآيند ھای پااليش گرمايی دارای دو دسته واکنش ھستند•

Cu-O-S )سيستم -٢) گوگردزدايیCu-H-O )اکسيژن زدايی(: واکنش اصلی به صورت زير است:گوگردزدايی-١• یی

در ھمان زمان اکسيژن بواسطه حل شدن در مذاب مس به صورت محلول •واکنش تعادلی بين گوگرد و اکسيژن به صورت زير . در آن باقی می ماند

:است:است[S]cu+2[O]cu=SO2(g)

١٣٥

where K is about 106 at 1200 C

مقدار باالی ثابت تعادل نشان می دھد حتی در پايان مرحله اين می رسد، ھنوز ھم تمايل% ٠/٠٠٢گوگردزدايی که ميزان گوگرد به

وجود دارد و اکسيژن ھم تمايل SO2به گوگردزدايی و تشکيل گاز . به حل شدن در مذاب را دارد ر ر ب ر ب

غلظت اکسيژن در پايان مرحله گوگردزدايی به : اکسيژن زدايی -٢اين اکسيژن به ھمراه مس ذرات . می رسدوزنی % ٠/۶ - ٠/٣حدودرا تشکيل می دھد که در حين ريخته گری به صورت Cu2Oجامد

توان م اکسيژن حذف با و ماند م باق قطعه در اينناخالص

136

اين ناخالصی در قطعه باقی می ماند و با حذف اکسيژن می توان عمل اکسيژن زدايی را می توان با . را نيز کاھش دادناخالصی

استفاده از ھيدروکربنھايی چون گاز طبيعی و پروپان انجام داد

٠٧/٢٩/١۴�