Kimyasal Metalürji (II) (MET312)

Transkript

1 KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Kimyasal Metalürji (II) (MET312) Dersin Sorumlusu: Yrd. Doç. Dr. Saeid Pournaderi Eğitim Yılı Bahar Dönemi

2 Flaş-Fırın Mat İzabesi Günümüzde mat izabesi için en yaygın kullanılan yöntemdir. Hava, kuru konsantre, silika flaks ve geri dönüşüm maddeler fırına püskürtülür. Oksijen ve sülfit mineraller yüksek hızla tepkimeye girerek a) konsantredeki demir ve kükürdün kontrollü şekilde oksitlenmesini, b) büyük miktarda ısının serbest bırakılmasını ve c) katı malzemelerin erimesini sağlar. CuFeS O Cu 2S. FeS FeO + SO 2 H 298 = FeS O 2 FeO + SO 2 H 298 = FeO + SiO 2 2FeO. SiO 2 H 298 = kcal kg mol FeS kcal kg mol SiO 2 kcal kg mol CuFeS 2

3 Flaş-Fırın Mat İzabesi İşlem sürekli bir işlem olup, oksijenden zenginleştirilmiş hava üflendiğinde yakıta gerek kalmadan işlem kendiliğinden devam edebilir. İnce konsantrenin kullanılması için uygun bir prosestir. İnce malzeme kullanıldığı için, konsantre tanecikleri hızla oksitlenip eriyorlar. Oksitlenmiş bakır cürufta tekrar sülfite dönüştürülüyor. Cu 2 O + FeS = Cu 2 S + FeO Flaş fırının kapasitesi yansımalı (reverber) fırının 2-4 katı kadar olabilir.

4 Flaş-Fırın Mat İzabesi Flaş Fırının Avantajları: Enerji tüketimi düşüktür Çıkış gazındaki SO 2 oranı yüksektir. Üretim hızı yüksektir Flaş fırından elde edilen ürünler: Bakırdan zengin mat (%65 Cu) Demir silikat içeren cüruf (%1-2 Cu) Sıcak baca gazı (%10-70 SO 2 ) Flaş fırınlar iki ayrı türe ayrılıyorlar: INCO Otokumpu Bakır Matı

5 Flaş-Fırın Mat İzabesi INCO Fırını Bu fırında kuru konsantre, flaks ve oksijen yatay olarak sıcak fırına püskürtülür. Endüstriyel saflıkta oksijen kullanıldığı için çıkış gaz %70-80 oranında SO 2 içerebilir.

6 Flaş-Fırın Mat İzabesi INCO Fırını Örnek bir fırının boyutları; Uzunluk: 25 m, En: 7 m, Yükseklik: 6 m.

7 Flaş-Fırın Mat İzabesi Otokumpu Fırını Otokumpu fırın tepkime şaftı, hazne ve çıkış gazı bacasından oluşur. Fırına sıcak hava veya oksijenden zengin hava üfleniyor. İhtiyaç duyulduğunda fırının çatısından veya yan duvarlardan hidrokarbon yakıt yakılarak ekstra ısıtma yapılabilir.

8 Flaş-Fırın Mat İzabesi Otokumpu Fırını Örnek bir fırının boyutları: Hazne Uzunluk: 20 m, En: 7 m, Yükseklik: 3 m Tepkime şaftı Yükseklik: 6 m, Çap: 4,5 m çıkış gazı bacası Yükseklik: 8 m, Çap: 5 m Kapasite: 1000 ton/gün

9 Özel tasarlanmış yakıcı hava ve konsantrenin karışmasını ve homojen dağılmasını sağlıyor. Şarj malzemesi: Konsantre (-100 µm) Flaks (-1 mm) Baca gazı Flaş-Fırın Mat İzabesi Otokumpu Fırını Konverter cürufu (-1 mm)

10 Flaş-Fırın Mat İzabesi Otokumpu Fırını

11 Flaş-Fırın Mat İzabesi INCO ve Otokumpu Fırınların Karşılaştırılması INCO prosesinde oksijen gazı üflenirken Otokumpu fırınında hava üflenir. INCO prosesin Üstünlükleri: Daha az enerji tüketir. Çıkış gazların hacmi azdır. Çıkış gazı SO 2 den zengindir ve kolaylıkla sülfürik asit veya sıvı SO 2 olarak geri kazanılabilir. Baca tozu miktarı azdır. Üretimin verimliliği %30 oranda daha fazladır. Cüruf daha az Cu içerir.

12 Konverter Erimiş mat bakır, demir ve kükürt ve %3 çözülmüş oksijenden oluşur. Ayrıca az miktarlarda As, Bi, Ni, Pb, Sb, Zn ve değerli metaller içerir. Mat ın ham (blister) bakıra dönüştürülmesi konverter de yapılır. Amaç demir, kükürt ve diğer safsızlıkları elimine ederek sıvı bakır elde etmektir. Bu amaç için mat yüksek sıcaklıkta ( C) oksitlenir. Elde edilen blister bakır %98,5-99,5 bakır içerir.

13 Konverter Bakıra dönüştürme işlemi Peirce-Smith konverteri kullanılır. Sıcak mat şarj edilir ve tüyerlerden hava üflenir. Konverter ürünleri blister bakır ve cüruftur. Çıkış gazları %5-15 oranında SO 2 içerir. Tepkimeler ekzotermik olduğu için işlem otojendir.

14 Konverter Mat ın şarj edilmesi, gazların çıkışı ve cüruf ve blister bakırın tahliyesi tek bir ağızdan yapılır.

15 Konverter Konvertere giriş ve çıkış malzemelerin kimyasal analizleri

16 Konverter Dönüştürme işlemi cüruf oluşturma ve bakır oluşturma olarak iki ayrı aşamada gerçekleştirilir. Cüruf oluşturma aşaması: Bu aşamada FeS oksitlenerek FeO, Fe 3 O 4 ve SO 2 oluşur. FeO ve Fe 3 O 4 için erime sıcaklığı sırasıyla 1385 C ve 1597 C tır. Silika eklenerek erime sıcaklığı daha düşük bir cüruf oluşturulur. Mat ın FeS içeriği %1 in altına inene kadar devam eder. Cüruf belirli aralıklarla tahliye edilir. Bu aşamanın sonunda beyaz metal adlanan ve bazı safsızlıklar içeren Cu2S elde edilir. Cu 2 S

17 Konverter Bakır oluşturma aşaması: Kükürdün geri kalanı oksitlenerek bakır oluşturulur. Sülfürün hemen hemen hepsi giderilmeyene kadar bakır kayda değer miktarlarda oksitlenmez. Blister bakır az miktarda kükürt (%0,02-0,1) ve oksijen (%0,5-0,8) içerir. Matın şarj edilmesi iki veya daha fazla aşamada gerçekleştirilir. İlk aşamalarda kısmi oksitleme yapılır, cüruf tahliye edilir ve mat eklenir. Son eklemeden sonra nihai oksitleme yapılır ve blister bakır üretilir. Blister Bakır

18 Konverter Mat Cu 2 S ve FeS içerir. Dönüştürme esnasında FeS seçmeli olarak oksitlenir. Bakır oksitlenirse tekrar sülfite dönüştürülür. FeS mat + Cu 2 O cüruf = FeO cüruf + Cu 2 S(mat) K = a FeO.a Cu 2S K a FeS.a 1200 = Cu 2O Oksitleme esnasında metal bakır da oluşa bilir, fakat yeterli miktarda FeS varsa sülfite geri dönüşür. FeS mat + 2Cu sıvı O 2 = FeO cüruf + Cu 2 S(mat)

19 Konverter Blister bakır aşağıdaki tepkimelerin kombinasyonu ile oluşabilir. Cu 2 S s O 2 = Cu 2 O k + SO 2 Cu 2 S s + Cu 2 O k = 6Cu s + SO 2 Cu 2 S s + O 2 = Cu s + SO 2 Bu tepkimeler cüruf oluşturma aşamanın sonlarına doğru başlayabilir.

20 Konverter Bakırın oluşması üç aşamada gerçekleşir: İlk aşamada kükürt oksitlenir, beyaz metal oluşur ama bakır oluşmaz. Cu 2 S + xo 2 = Cu 2 S 1 x + xso 2 Bu aşama kükürdün yüzdesi 19,4 de düşene kadar devam eder. İkinci aşamada %1,2 kükürt içeren blister bakır oluşmaya başlar. Oksitleme devam ettikçe beyaz metal blister bakıra dönüştürülür. Bu aşama beyaz metal tamamen tükeninceye kadar devam eder. Son aşamada blister bakırda çözülen kükürt oksitlenir ve minimum seviyeye indirilir. Bu aşama bakır oksitlenmeye başlayana kadar devam eder.

21 Konverter Bakırın oksitlenmesi başlandığında, bakır %1,8 oksijen içerir. Blister bakırdaki oksijen ve kükürdün yüzdesi aşağıdaki tepkimeye göre belirlenebilir: S bakırdaki +2 O bakırdaki = SO 2 (gaz) P SO2 (atm) K = wt. %S wt. %O 2 K değeri 1100, 1200 ve 1300 C için sırasıyla 90, 40 ve 20 olarak ölçülmüştür. Blister bakırdaki kükürt miktarı azaldıkça çözülen oksijen miktarı artıyor. Konverterden elde edilen blister bakır %0,02 S ve %0,5 O içerir.