metalurgia miedzi.doc

1. Jak nazywa się substancja, której wzór podany jest poniżej i do czego służy?

Do flotacji polskich rud miedzi stosuje się etylowy ksantogenian sodu lub jego mie­szankę z ksantogenianem izobutylowym. Wzór strukturalny etylowego ksantogenianu sodu podaje rysunek 2.10. Ilość odczynnika zbierającego może się mieścić w granicach od kilku do kilkudziesięciu gramów na tonę rudy.

Rys. 2.10. Wzór strukturalny etylowego ksantogenianu sodu

2. Wyjaśnij dlaczego uzysk miedzi podczas procesu flotacji zmienia się zgodnie z poniższa zależnością:

Rysunek 2.2 ilustruje stopień odzysku miedzi w funkcji wielkości ziaren flotowanej rudy, który mierzymy ilością miedzi zawartej w otrzymanym koncentracie do tej ilości miedzi, która znajdowała się w rudzie skierowanej do wzbogacania.

Jak widać, maksymalny uzysk miedzi osiąga się wówczas, gdy rozmiary ziaren flo­towanej rudy będą się zawierać pomiędzy 50 a 100 μm. Optimum to wynika z dwóch powodów:

1)  przy zbyt dużych ziarnach minerał zawierający miedź może być otoczony skałą płonną, co sprawia, że takie ziarna są zwilżane i przechodzą do odpadów;

2)  zbyt małe ziarna tworzą muł, który osiadając na ziarnie zawierającym minerał mie­dzi, zmniejsza jego zdolność do flotacji; zjawisko to zachodzi wówczas, gdy znacz­na część ziaren rudy ma średnicę mniejszą od 10 μm

3. Objaśnij schemat przeróbki rudy ubogiej

Flotację przeprowadza się wieloetapowo. Na początku przeprowadza się flotację wstępną, po której następuje flotacja podstawowa. Flotacja wstępna daje koncentraty o znacznej ilości niepożądanych zanieczyszczeń, dlatego po niej stosuje się flotację oczyszczającą koncentrat. Operację oczyszczania prowadzi się tak długo, aż odpady z tej operacji będą miały mniej więcej ten sam skład co nadawa. Jakość koncentratu z flotacji podstawowej można podnieść przez wtórną przeróbkę. Często koncentrat z tej flotacji zawraca się do flotacji wstępnej razem z nową nadawą. Rysunek 2.12 przedsta­wia schemat przeróbki rudy ubogiej. Zastosowano tam dwukrotne mielenie między flo­tacją wstępną i główną.

Proces flotacji przeprowadza się w urządzeniach zwanych flotownikami. Flotowniki składają się z kilku jednakowych komór połączonych szeregowo. Gęstwa przechodzą kolejno przez wszystkie komory. W każdej komorze otrzymuje się koncentrat, a pozo­stałość z ostatniej komory stanowi produkt odpadowy.

4. Zaznacz odpowiednią odpowiedź

a) 63,55

b) 7,94 w 1356K

c) 1356 K

5. W którym rejonie świata znajdują się największe złoża miedzi?

Ameryka

6.  Jak wykorzystuje się w procesie flotacji własność pokazaną na poniższym wykresie?

Flotacja selektywna

Aby rozdział minerałów był skutecz­ny, działanie zbieraczy musi być selektywne w stosunku do różnych rodzajów minera­łów. Wprowadza się więc odczynniki powodujące zwiększenie działania zbieraczy (ak­tywacja) lub zmniejszenie (depresja). Przykładowo, dla chalkopirytu depresorami są cy­janki KCN, NaCN w środowisku zasadowym, dla blendy cynkowej - cyjanki z dodat­kiem ZnSO4, a dla galeny - dwuchromian sodu Na2Cr207. Przykładem aktywatora dla chalkopirytu i blendy cynkowej jest siarczan miedziowy CuSO4. Odczynniki te pozwa­lają na przeprowadzenie flotacji selektywnej i otrzymanie rożnych koncentratów.

W siarczkowych rudach miedzi bardzo często występuje piryt, który należy od­dzielić od innych minerałów miedzi. Piryt łatwo flotuje się w ośrodku kwaśnym, a siarczki miedzi na ogół flotują się w środowisku zasadowym i kwaśnym. Wykorzystuje się więc te różnice w zachowaniu się siarczków do oddzielenia pirytu. Depresorem dla pirytu i minerałów zawierających żelazo są jony CN- i SO32-. Cyjanek potasu był używany do depresji FeS2, ale jego cena jest wysoka i obecnie wykorzystuje się działanie jonu SO32-. Jony SO32 ~ wprowadza się do pulpy flotacyjnej poprzez barbotaż gazowego SO2, w wyniku, czego następuje depresja pirytu. Selektywna flotacja wymaga więc za­stosowania alkalizatora, którym najczęściej jest wapno. Podwyższenie pH (10-12) po­woduje przejście pirytu do odpadów. Dodatek Na2S polepsza flotację siarczków wsku­tek usunięcia powierzchniowego utleniania ziaren minerałów. Alkalizatory należy zali­czyć zatem do grupy regulatorów flotacyjnych.

Przy wzbogaceniu rud wielometalicznych można więc prowadzić flotację selek­tywną, która polega na kolejnym wyflotowaniu koncentratów poszczególnych minera­łów. Każdy następny koncentrat wydziela się z odpadów poprzedniej flotacji. Rysunek 2.11 przedstawia zasadę takiej flotacji. Przy stosowaniu flotacji kolektywnej otrzymuje się jeden koncentrat zawierający wszystkie metale użyteczne. Z tego koncentratu można także otrzymać koncentraty poszczególnych metali, przez zastosowanie flotacji selek­tywnej.

Dla osiągnięcia dobrych efektów procesu flotacji ważna jest także stabilność wytwarzanej piany. W tym celu do gęstwy flotacyjnej doprowadza się powietrze w stanie zdyspergowanym.

7. Napisz współczynnik podziału arsenu pomiędzy miedzią a żużlem.

Współczynnik podziału arsenu pomiędzy żużel (w skład którego wchodzi pięciotlenek arsenu i tlenek sodu oraz węglan sodu) i miedź definiujemy równaniem

gdzie:

K - stała równowagi reakcji,

Σ[n]Cu -  suma moli składników fazy metalicznej w 100 g,

Σ(n)żużel -  suma moli składników fazy żużlowej w 100 g,

γAs - współczynnik aktywności arsenu w fazie metalicznej,

γAsO2,5 - współczynnik aktywności AsO2 5 w żużlu,

aO - aktywność tlenu w rafinowanej miedzi.

Współczynnik podziału arsenu pomiędzy żużel i miedź zależy bardzo silnie od stop­nia przetlenienia rafinowanej miedzi.

W oparciu o wyniki wielu badań, można wyciągnąć wniosek, że stężenie tlenu w mie­dzi powinno się wahać w granicach 0,5-O,7% mas. Większe natlenienie nie ma już istot­nego wpływu na obniżenie zawartości arsenu w miedzi. Proces rafinacji należy poprowadzić tak, aby współczynnik podziału arsenu pomię­dzy żużel i miedź był największy, co pozwoli na obniżenie zużycia sody.

8. Objaśnij jak obliczyć położenie linii 1-2

Przykładowo, w celu wyznaczenia przebiegu linii współistnienia Cu2S i CuSO4 (linia 1-2), należy rozpatrzyć warunki równowagi reakcji:

Cu2S + 3O2 + SO2 = 2CuSO4,    ΔG0 = - 66505 + 43,9057*T J/mol                  

lub

Otrzymaliśmy zatem równanie liniowe o dwóch niewiadomych (ax + by + c = 0), którego graficzną reprezentacją jest właśnie linia 1-2.

9.  Depolimeryzacja żużli (ogólna reakcja depolimeryzacji żużli)

Krzemionka w stanie stałym składa się z komórek elementarnych połączonych ze sobą przez wspólne atomy tlenu. Te wspólne atomy tlenu (0°) nazywamy tlenem po­dwójnie związanym lub mostkami tlenowymi. Dodanie do krzemionki tlenków innych metali (Me2+, O2-) wywołuje rozrywanie tych wiązań. Tlen, który pozostaje związany tylko z jednym atomem krzemu, posiada nieskompensowany ładunek elektryczny (O-) i jest nazywany tlenem pojedynczo związanym.

Początkowa bardzo skomplikowana struktura cieczy ulega modyfikacji w tym sen­sie, że tworzące ją cząsteczki stają się coraz mniejsze w miarę dodawania większej ilo­ści tlenków metali (modyfikatorów).

Rozróżniamy dwa rodzaje tlenków metali:

1) tlenki zasadowe oddają jony O2-, np. CaO, FeO, MgO, Cu2O, Na2O, K20 itp., które

dysocjują zgodnie z reakcją

CaO = Ca2+ + O2-

2) tlenki kwaśne, akceptujące jony O2-, to SiO2, P2O5, Al2O3, które tworzą sieć prze­strzenną żużli; reakcję modyfikacji (depolimeryzacji) żużli przedstawia się często w następującej formie

O0 + O2- = 2O-

W zależności od stosunku CaO/SiO2 powstają bardziej (np. Si6O6-15) lub mniej (np. Si3O6-9) skomplikowane aniony krzemowo-tlenowe. Proces modyfikacji żużli wiąże się z silnym obniżeniem ich lepkości.

10. Podaj sposób obliczenia linii 2-3.

Cu2S + 3/2O2 = Cu2O + SO2

lub

Otrzymaliśmy zatem równanie liniowe o dwóch niewiadomych (ax + by + c = 0), którego graficzną reprezentacją jest właśnie linia 2-3.

11. Pokaż na rysunku, jaki powinien być skład żużla w temperaturze 1300C podczas topienia kamienia miedziowego. Odpowiedź uzasadnij

Układ równowag FeO-Fe2O3-SiO2 (rys. 3.6) odgrywa zasadniczą rolę w metalur­gii miedzi. Dla typowych koncentratów miedzi skład żużli zawiera się w regionie ozna­czonym literami ABCD. W temperaturze około 1200°C, przy odpowiednim ciśnieniu parcjalnym tlenu, w całym tym obszarze mamy homogeniczną ciecz, której obszar wy­stępowania ograniczony jest liniami (płaszczyznami) oddzielającymi fazy stałe od tej cieczy. Wzdłuż linii AB ciecz jest w równowadze ze stałym żelazem. Wzdłuż linii BC ciekły żużel jest w równowadze ze stałym FeO. Te sytuacje nie mają miejsca w praktyce przemysłowej. Natomiast przy typowych koncentratach żużle powinny mieć skład w po­bliżu linii AD, która wyznacza równowagę stałej krzemionki z jednorodną cieczą. Nale­ży podkreślić, że właśnie dla tych żużli (35-40% SiO2) otrzymuje się najlepszy rozdział pomiędzy kamieniem i żużlem.

W przypadku gdy żużel zawiera CaO, zawartość krzemionki powinna być wy­ższa i wynosić 40-42%. Linia DC rozgranicza ciecz od stałego magnetytu, który się wydziela, gdy ciśnienie tlenu jest wyższe od 10-8 atm. (pkt D). Gazy tworzące się w pie­cach do topienia kamienia miedziowego zawierają tlen w ilości około 1%, co odpo­wiada ciśnieniu tlenu 10-2 atm. i prowadzi do wydzielania się magnetytu. W przypad­ku, gdy żużel jest również w równowadze z kamieniem miedziowym, siarka znacząco obniża potencjał tlenu na granicy kamień/żużel, a ilość magnetytu jest redukowana w wyniku zachodzenia reakcji

3Fe3O4(s) + FeSkamień = 10FeOżużel + SO2(g) .

12. Podaj fazy współistniejące w układzie Cu-Fe-S dla składu oznaczonego literą „A”

Rzeczywisty układ Cu-Fe-S przedstawia rysunek 3.4. Charakteryzuje się on dwie­ma bardzo istotnymi cechami.

1) W miarą zmniejszania się stężenia siarki pojawia się druga faza bogata w metal. Ta cecha jest prawdziwa dla każdego stosunku Cu/Fe, włączając w to czyste siarczki.

2) Przy normalnym ciśnieniu i w temperaturze 1200°C każdy nadmiar siarki ponad to, co zawiera układ pseudopodwójny Cu2S-FeS, zostanie odpędzony. Ciśnienie siarki nad takim układem jest większe od 1 atm. Stąd rzeczywiste składy kamieni mie­dziowych mieszczą się w wąskim pasku pomiędzy obszarami, które zawierają dwie fazy, a układem pseudopodwójnym Cu2S-FeS. Kamienie miedziowe otrzymywane w praktyce charakteryzują się deficytem siarki z uwagi na wspomniane powyżej warunki utleniające w piecach do przetopu koncentratów miedzi.

13. Podaj sposób obliczenia linii 3-4.

2Cu + 0,5 O2 = Cu2O ...