Konvertoinnin ja anodiuunien optimointi alkuainejakaumien suhteen

Abstract

Rikasteiden epäpuhtauspitoisuudet kasvavat jatkuvasti, minkä vuoksi sulattojen täytyy etsiä keinoja estää epäpuhtauksien päätyminen tuotteeseen ja vähentää haitallisten alkuaineiden prosessille aiheuttamia haittoja. Epäpuhtauksia on mahdollista vähentää muuttamalla prosessiparametreja siten, että haitalliset aineet päätyvät kuonaan, jonka mukana ne saadaan poistettua prosessista. Epäpuhtauksien määrää voidaan siis vähentää kaikissa kuonaa sisältävissä prosessin vaiheissa, jotka ovat liekkisulatus, konvertointi ja anodiuuniprosessi.

Tässä diplomityössä tutkittiin eri alkuaineiden jakautumiskäyttäytymistä hapetusajan suhteen kuparinvalmistuksen konvertointiprosessin rikkaaksipuhallusvaiheessa ja anodiuuniprosessin hapetusvaiheessa. Kummassakin prosessissa tarkasteltava systeemi koostuu kaasufaasista, kuonafaasista ja kuparifaasista. Tarkasteltavat alkuaineet olivat nikkeli, koboltti, sinkki, arseeni, antimoni, seleeni, lyijy ja vismutti. Tutkituista aineista arseenin, antimonin, seleenin ja vismutin jakautuminen kuonafaasiin tehostui rikkaaksipuhallusvaiheen pidentyessä, ja samalla kuparitappiot kuonaan lisääntyivät. Koboltin ja sinkin pitoisuudet konvertointiprosessin raakakuparissa olivat lähes jokaisessa koepisteessä alle määritysrajan, joten niiden jakautumista ei pystytty arvioimaan tarkasti.

Anodiuunin hapetusvaiheesta saatujen tulosten perusteella nikkeliä ja lyijyä päätyy enemmän kuonaan panoksen hapetusasteen kasvaessa. Antimonin puolestaan havaittiin jakautuvan hapetusasteen kasvaessa enemmän kuparifaasiin. Muiden alkuaineiden jakautumiseen panoksen hapetusastella ei näytä olevan vaikutusta. Monet seikat tuloksissa viittaavat myöskin siihen, että anodiuuniin päätyy raakakuparin seassa myös huomattava määrä konvertoinnin rikkaaksipuhallusvaiheessa muodostuvaa loppukuonaa, joka vaikuttaa merkittävästi anodiuunissa olevien alkuaineiden pitoisuuksiin.

Kokeiden aikana otetuista näytteistä pyyhkäisyelektronimikroskoopilla tehtyjen analyysien perusteella nikkeli esiintyy jäähtyneissä kuonissa pääosin nikkeliferriittinä. Lyijy sitoutuu enimmäkseen piidioksidipitoisiin faaseihin, ja sinkkiä puolestaan löydettiin sekä rautapitoisista että piidioksidipitoisista faaseista. Kupari on enimmäkseen muista faaseista erillisenä kuparioksidina ja kuparipisaroina, ja sitä esiintyy jonkin verran myös muissa kuonan faaseissa nikkeliferriittiä lukuun ottamatta. Lisäksi kuonan seassa olevien kuparipisaroiden oksidisulkeumissa on suuria pitoisuuksia seleeniä, arseenia, antimonia ja vismuttia, mutta muuten näiden aineiden pitoisuudet kuonassa ovat hyvin pieniä.

Impurity levels of concentrates are continuously increasing. Therefore, smelters must find new measures to prevent impurities from entering the product and reduce the negative impact these elements have on the process. By changing process parameters, the distribution of impurities into the slag phase can be made more efficient, which enables their disposal with the slag. Consequently, elimination of impurities can be achieved in all slag-containing process steps, specifically flash smelting, converting, and fire refining.

In this master’s thesis, the distribution behavior of different elements was studied as a function of oxidation time in the copper blow stage of copper converting, and in the oxidation stage of fire refining. The observed system in both process steps consists of a gas phase, a slag phase, and a metallic copper phase. The investigated elements were nickel, cobalt, zinc, arsenic, antimony, selenium, lead, and bismuth. Of the examined elements, arsenic, antimony, selenium, and bismuth distributed more into the slag phase as the copper blow stage was extended. Increasing the copper blow time also caused more copper to be lost into the slag. The concentrations of cobalt and zinc were below the detection limit in almost every blister copper sample, and therefore the distribution behavior of these elements could not be accurately evaluated.

The results obtained from the fire refining process indicate that more nickel and lead are transferred to the slag phase as the oxidation level of the melt increases whereas antimony was observed to favor the copper phase in the same conditions. The oxidation level of the melt does not seem to affect the distribution of the other elements under investigation. In addition, the results indicate that a significant amount of end slag formed in the copper blow stage is transported into the fire refining furnace among blister copper, which affects the element concentrations in the fire refining furnace.

The scanning electron microscopy analyses performed on the samples taken during the experimental period of the work show that nickel is present in solidified slags largely as nickel ferrite. Lead distributes for the most part to silicon dioxide-rich phases, and zinc was observed in iron-rich phases as well as in silicon dioxide-rich phases. Most of the copper is found in separate copper oxide phases and copper droplets. Some copper is also present in all the other phases of the slag apart from nickel ferrite. High concentrations of selenium, arsenic, antimony, and bismuth were found from oxide inclusions within copper droplets trapped inside the slag. However, the concentrations of these elements in other phases of the slag are very low.