PIROMETALURŠKI PROCES PROIZVODNJE BAKRA U BORU

PIROMETALURŠKI PROCES PROIZVODNJE BAKRA U BORU

SADRŽAJ

I.                   UVOD

II.                ORGANIZACIONA ŠEMA RTB-a BOR

III.             LOKACIJSKA ŠEMA TOPIONICE BAKRA U BORU

IV.             TEHNOLOŠKI POSTUPAK PIROMETALURŠKE PROIZVODNJE BAKRA U BORU

IV.             1. Priprema šarže za topioničku preradu bakra

2. Prženje u Fluosolid reaktoru

3. Topljenje u Plamenoj peći

4. Dobijanje sirovog bakra u konvertoru

5. Plamena rafinacija bakra

V.       ELEKTROLITIČKA RAFINACIJA BAKRA

VI.      LITERATURA 

SLIKE

Sl. 1. Devastirana okolina borske reke 
Sl. 2. Organizacijska šema RTB-a Bor 
Sl. 3. Lokacijski prikaz topioničkih objekata 
Sl. 4. Komandna soba borske Topionice bakra 
Sl. 5. Tehnološka šema Fluosolid reaktora 
Sl. 6. Šema rada plamene peći 
Sl.7. Izgled zadnje strane konvertora 
Sl. 8. Izgled prednje strane konvertora 
Sl. 9. Sl. 9. Zagađenje radne sredine Topionice bakra u Boru 
Sl. 10. Zagađenje životne sredine u Boru 
Sl. 11. Blister bakar 
Sl. 12. Izlivanje anoda 
Sl. 13. Izgled kada napunjenih anodama i katodama

I.                   UVOD

Iz prethodnih tekstova na ovom blogu videli smo da proizvodnja i upotreba bakra ima višemilenijumsku istoriju i da je ta proizvodnja i upotreba bakra bila od presudnog značaja na razvoj ljudske civilizacije.

Sa razvojem ljudske civilizacije razvijali su se i načini proizvodnje i načini upotrebe bakra, a zbog velikih i nezamenjivih upotrebnih svojstava, eksploatacija bakra je stigla do granica kada je njegova dalja potreba proizvođenja uslovila ekonomičnost proizvodnje toliko da se bakar danas proizvodi iz rudnih nalazišta sa sadržajem bakra čak ispod 0,3 %.

U ovakvim okolnostima Srbija ima perspektivu, jer je područje borskog regiona, prema katalogu “Mineralni depoziti Srbije” apostrofirano kao područje veoma bogato mineralima bakra, koji pored ostalog, sadrže i plemenite metale, gvožđe, olovo, cink itd. Radi podsećanja navodim sledeće lokacije:

1.      Bor - koordinate: geografska dužina 22.094, geografska širina 44.095 – kataloški broj YUG – 00061 - mineralni depoziti zlata, bakra, srebra i platine),

2.      Borska reka - koordinate:  geografska dužina 22.088, georafska širina 44.082 – kataloški broj YUG - 00134  sa mineralnim depozitima zlata, bakra i srebra),

3.      Cerovo - koordinate:  geografska dužina 22.038, georafska širina 44.178 – kataloški broj YUG – 00124 - mineralni depoziti bakra i zlata),

4.      Čoka Kuruga - koordinate:  geografska dužina 21.981, georafska širina 44.230 – kataloški broj YUG – 00200 - mineralni depoziti zlata i bakra),

5.      Čoka Marin - koordinate:  geografska dužina22.013, georafska širina 44.284 – kataloški broj YUG – 00135 - mineralni depoziti zlata, olova, cinka, bakra  i srebra),

6.      Lipa - koordinate:  geografska dužina 21.962, georafska širina 44.190 – kataloški broj YUG - 00122  - mineralni depozit bakra),

7.      Majdanpek - koordinate:  geografska dužina 21.950, georafska širina 44.376 – kataloški broj YUG - 00058  - mineralni depoziti zlata, bakra, srebra, molibdena, olova, cinka i gvožđa),

8.      Novo okno - koordinate:  geografska dužina22.106, georafska širina 44.086 – kataloški broj YUG - 00150  - mineralni depozit bakra),

9.      Rudna Glava - koordinate:  geografska dužina 22.094, georafska širina 44.333 – kataloški broj YUG - 00101  -mineralni depoziti gvožđa, zlata i bakra),

10.  Tanda - koordinate:  geografska dužina 22.157, georafska širina 44.233 – kataloški broj YUG - 00198  - mineralni depozit volframa),

11.  Veliki Krivelj - koordinate:  geografska dužina 22.097, georafska širina 44.131 – kataloški broj YUG - 00076  - mineralni depoziti zlata, bakra, molibdena i srebra),

12.  Zlot – Zlaće - koordinate:  geografska dužina 22.022, georafska širina 44.086) – kataloški broj YUG - 00125  - mineralni depoziti  srebra i zlata).

U višegodišnjim uslovima ekonomske krize, Srbija ima solidnu perspektivu da nastupajuće krizne posledice ublaži većom i ekonomičnijom proizvodnjom bakra i zlata. Taj težak i odgovoran posao pripao je RTB-u Bor i građanima Bora, jer ne treba zaboraviti da su rudarska i metalurška proizvodnja skopčane sa raznim ekološkim opasnostima od emisija otrovnih materija, skladištenja tehnogenog otpada i devastacijom površina na kojima se obavljaju navedeni poslovi (kao primer u dosadašnjem načinu proizvodnje bakra - videti devastiranu okolinu borske reke - sl. 1).

Sl. 1. Devastirana okolina borske reke

 Možda osnovni razlog u devastiranju prirode pri dosadašnjim načinima proizvodnje bakra na području borskog regiona treba tražiti u činjenici sulfidnog mineraloškog karaktera bakarnih ležišta, što je dovelo do opredeljenja ka pirometalurškom načinu dobijanja bakra, ali je ovakav način pirometalurške ekstrakcije bakra do nedavno bio opšti trend u svetu, jer se oko 80 % bakra dobija kroz pirometalurške procese, dok je hidrometalurškim načinom prerade, zbog tehno – ekonomskih ograničenja, moguće obezbediti svega oko 20 % bakra od njegove ukupne zastupljenosti u rudnim ležištima.  

Iz navedenih razloga jasno je da je pirometalurška proizvodnja bakra u borskoj Topionici, s jedne strane uslovljena velikim državnim finansijskim potrebama, a sa druge strane ograničena poštovanjem ekoloških zakonitosti.

Nažalost, trenutna situacija u pirometalurškoj eksploataciji bakra u Boru nije zadovoljavajuća ni sa aspekta očekivanih potreba države ni sa ekološkog aspekta, jer se bakar u borskoj Topionici još uvek proizvodi zastarelim pirometalurskim postupkom iz sve siromašnijih sulfidnih ruda uz enormno zagađenje životne sredine.

U takvim okolnostima ohrabruje opredeljenost Vlade Republike Srbije i menadžmenta RTB – a Bor da rade na obezbeđenju uslova za promenu zastarele pirometalurške tehnologije finansiranjem izgradnje novih topioničkih kapaciteta sa novijom pirometalurškom tehnologijom.

Ali dok se u RTB-u ne izvrši zamena pirometalurške tehnologije bakar će se do tada proizvoditi na dosadašnji način, zbog čega se u ovom radu prezentira ta vrsta pirometalurške proizvodnje bakra.

II.                ORGANIZACIONA ŠEMA RTB-a BOR

Nakon teškog finansijskog perioda uslovljenog sankcijama UN, padom koncentracije bakra u rudnim ležištima, nepovoljnim tokovima na berzama metala RTB Bor je, pre, a naročito nakon 2000. godine, zapao u tešku finansijsku krizu, koja je zapretila bankrotom firme. U takvim uslovima, zbog nacionalnog značaja, pred Vladu Srbije se postavilo ozbiljno traženje rešenja za opstanak ove firme. U traženju takvih rešenja među članovima Vlade bilo je pristalica raznih opcija. U početku preovladavala je opcija rasprodaje najvrednijih i najsavremenijih pogona RTB-a (fabrika sa većim stepenom finalizacije). U takvim uslovima rasprodate su fabrike za preradu bakra (fabrike kablova u Jagodini i Zaječaru, livnica bakra u Prokuplju, fabrika cevi u Mosni, Zlatara u Majdanpeku, fabrika ventila u Boru, Lak žica u Boru, Fabrika folija u Boru, Fabrika opreme i delova u Boru, Fabrika kiseonika u Boru itd., dok je preduzećima u lancu primarne proizvodnje, pre prodaje, određena sudbina restruktuiranja.

U međuvremenu, u Vladi Srbije je preovladala opcija da je RTB Bor od neprocenjivog strateškog značaja za Republiku Srbiju i da ga ne treba dalje rasparčavati i prodavati njegove preostale pogone. Umesto toga Vlada je uložila sredstva da se u RTB-u Bor obnove tehnološka sredstva  za rudarsku proizvodnju i otpočne izgradnja Nove savremene Topionice i Fabrike sumporne kiseline. Ovakav obrt u postupanju Vlade uslovio je i Novu Organizacionu šemu RTB-a Bor – videti sl. 2.

Sl. 2. Organizacijska šema RTB-a Bor

III.             LOKACIJSKA ŠEMA TOPIONICE BAKRA U BORU

Lokacijska šema Topionice bakra u Boru, uz neke tehnološko investicione izmene sastoji se od sledećih objekata (videti lokacijski prikaz navedenih objekata na sl. 3):

1.      Skladište

2.      Beding

3.      Skladište uglja

4.      Reaktor br. 1

5.      Reaktor br. 2

6.      Plamena peć br. 1

7.      Plamena peć br. 2

8.      Električni filter za Reaktor br. 1

9.      Električni filter za Reaktor br. 2

10.  Električni filter za plamenu peć

11.  Konvertori

12.  Plamena rafinacija

13.  Električni filter za konvertore

14.  Betonski dimnjak (150 m)

15.  Dimnjak od opeke (110 m)

16.  Rezervoar za vodu

17.  Kompresorska stanica

18.  Transformatorska stanica

19.  Kantina

20.  Skladište nafte

21.  Rezervoar za vodu

22.  Kontrolna soba prženja i topljenja

23.  Upravna zgrada Topionice

24.  Ventilator reaktora

25.  Gasni ventilator plamene peći

26.  Transformatorska stanica plamene peći

27.  Gasni ventilator konvertora

28.  Toranj za mešanje D – 107

29.  Toranj za mešanje D – 108

30.  Ventilatori betonskog dimnjaka

31.  Gasni ventilator Reaktora br. 1

32.  Gasni ventilator Reaktora br. 2

33.  Ulazni magacin uglja za Plamenu peć br. 1

34.  Istovarna stanica za ugalj

35.  Dnevni rezervoar nafte

Sl. 3. Lokacijski prikaz topioničkih objekata

IV.             TEHNOLOŠKI POSTUPAK PIROMETALURŠKE PROIZVODNJE BAKRA U BORU

Osnovna sirovina za pirometaluršku preradu bakra u Boru su sulfidni domaći i uvozni koncentrati sa što većim sadržajem bakra. U vreme kada se u rudnim nalazištima na području Bora i Majdanpeka otkopavala ruda bakra sa preko 2 % bakra (nekad čak sa preko 5 %), flotacije bakra u Boru, Velikom Krivelju i Majdanpeku bile su u stanju da Topionici isporučuju koncentrate sa preko 20 % bakra.

U međuvremenu, zbog opadanja sadržaja bakra u rudi došlo je i do opadanja sadržaja bakra u domaćim koncentratima. Zbog ove činjenice pred pirometalurški postupak dobijanja bakra u Boru postavljeni su novi tehnološki izazovi, jer se od tih postupaka očekuje sada da sadržaj bakra od 15 – tak % u primarnoj sirovini (koncentratu), tokom tretmana u pirometalurškim agregatima dovede do nepromenjenog sadržaja od 99,9 % bakra u anodi – finalnom proizvodu iz pirometalurškog procesa dobijanja bakra, odnosno do 99,99 % bakra u katodi – finalnom proizvodu borske Elektrolize, što se neminovno odražava na troškove prerade bakra.

Povoljna okolnost u slučaju domaćih sirovina iz rudnih nalazišta RTB-a je rast cene bakra na svetskim berzama, kao i to što sulfidne rude bakra prate minerali pirit i halkopirit, koji su nosioci plemenitih metala, što u krajnjem slučaju podiže ekonomičnost pirometalurške prerade po dva osnova, i to:

1.    Sumpor iz pirita, halkopirita i drugih sulfidnih minerala bakra svojim sagorevanjem tokom pirometalurške prerade bakra vrši veliku uštedu energije.

2.      Plemeniti metali iz pirita i halkopirita prilikom pirometalurške ekstrakcije bakra iz koncentrata izdvajaju se zajedno sa bakrom do krajnjeg finalnog proizvoda, tako da svojim sadržajem u finalnom proizvodu povećavaju cenu vrednosti bakarne anode.

Tehnologija pirometalurške prerade bakra u Boru sastoji se iz sledećih faza:

1.      Priprema šarže,

2.      Prženje,

3.      Topljenje,

4.      Konvertovanje,

5.      Plamena rafinacija

Proces pirometalurške proizvodnje bakra u borskoj Topionici kontroliše se iz tzv. “komandne sobe” – vidi sl. 4.

Sl. 4. Komandna soba borske Topionice bakra

1.      Priprema šarže za topioničku preradu bakra 

Da bi koncentrati bakra mogli da se podvrgnu pirometalurškom tretmanu neophodno je da se izvrši njihova priprema. Priprema sirovina za pirometalurški tretman vrši se na bazi tehnoloških proračuna, tako što se isplanira vrsta i količinski sadržaj pojedinih komponenata, a zatim se izvrši njihovo mešanje radi dobijanja ujednačene sirovine za sledeći pirometalurški postupak – prženje.

Sirovina za prženje sastoji se od mešavine kvarcnog peska i koncentrata bakra. Grubo mešanje navedenih komponenata vrši se tako što se na pripremnim poljima magacinskog prostora (Bedingu), sistemom traka formiraju tzv. “šaržna polja”. To se radi tako što se šaržna polja naizmenično pune koncentratima bakra i kvarcnim peskom u proračunatim odnosima. Njihovo bolje mešanje postiže se tzv “Reklajmer mašinom”, koja uz pomoć grabulja dodatno meša skladiranu šaržu i tako izmešanu sipa na trake, koje gotovu šaržu odvoze u prijemne bunkere na prženje. Radi sprečavanja eventualnih havarija tračnog transportnog sistema na svim trakama instalirani su elektromagneti, koji uklanjaju slučajno dospele predmete od gvožđa i drugih magnetičnih metala.

2.      Prženje u Fluosolid reaktoru 

Suština procesa prženja je dobijanje koncentrovanijeg sadržaja bakra u oksidnom obliku. Proces prženja Topionice bakra u Boru odvija se u Fluosolid reaktorima – sl. 5.

Sl. 5. Tehnološka šema Fluosolid reaktora 

Kao što se vidi sa slike br. 5 osnovni delovi Fluosolid reaktora su:

-          Velika komora

-          Mala komora

-          Izlazna komora

-          Cikloni

-           Šaržirni uređaj

-          Uređaj za ubrizgavanje vode

-          Uređaj za ubacivanje vazduha

-          Uređaj za ispuštanje posteljice

-          Transport gasa, prženca i prašine

Prženje u Fluosolid reaktoru odvija se tako što se pripremljena šarža uređajem za šaržiranje ubacuje sa gornje strane velike komore reaktora. Istovremeno vazduh se ubacuje u malu komoru na donjem delu reaktora. Velika i mala komora razdvojene su tzv. “duvnicama” – diznama sa okruglim otvorima.

Pre početka procesa prženja u reaktoru vrši se priprema posteljice. Priprema se vrši tako što se preko duvnica ubacuje određena količina kvarcnog peska – posteljice, kroz šaržirni uređaj na gornjem delu velike komore, a zatim se ta masa greje brenerom do startne temperature procesa od oko 500 stepeni C. Radi postizanja kompaktnog zagrevanja posteljice vrši se njeno povremeno mešanje kratkotrajnim produvavanjem vazduhom. Uloga posteljice u procesu prženja je akumulacija i prenos toplote radi paljenja sumpora iz šarže. To znači da se pesak u šaržu dodaje radi održavanja nivoa posteljice u reaktoru, jer ako se ne bi vršilo njegovo dodavanje pritisak vazduha bi vremenom izduvao početnu količinu kvarcnog peska i reaktor bi ostao bez medijuma za akumulaciju i prenos toplote radi paljenja sumpora iz šarže, što bi dovelo do prestanka procesa prženja. Kontrola visine sloja posteljice vrši se preko uređaja za njeno pražnjenje - fluosila, tako što se višak posteljice ispušta, a pošto je posteljica izmešana sa česticama prženca sakuplja se u posebne bunkere iz kojih se kasnije, kao i prikupljeni prženac iz ostalih taložnih delova reaktora šaržira u plamenu peć radi topljenja.

Kontrola temperature u Fluosolid reaktoru vrši se sistemom termoelemenata, a održavanje toplote procesa reguliše se ujednačenom količinom vazduha i šarže, dok se ubrizgavanje vode vrši samo u slučaju naglog rasta temperature iznad 650 stepeni C, jer povećano ubacivanje vode, kao i povećanje temperature iznad optimalne vrednosti mogu dovesti do aglomeracije posteljice, čime nastaje prekid procesa prženja i vrši se zastoj radi izbacivanje aglomerata i formiranja nove posteljice.

Sam proces prženja odvija se radi razlaganja sulfidnih komponenti iz koncentrata u šarži reaktora. Reakcije razlaganja pirita su:

2FeS₂=2FeS+SO₂(g)

S+O₂(g) =SO₂(g) +209620 KJ/mol

2FeS+3O₂(g) =2FeO+SO₂(g) +937340 KJ/mol.

Kao što se vidi, prilikom razlaganja pirita oslobađaju se velike količine toplote, što je iskorišćeno za kontinuirani proces prženja bez dodavanja pomoćnih energenata ( energija sagorevanja support troši se na sušenje šarže i njenog dovođenja na temperaturu paljenja sumpora iz šarže).

Reakcije pri prženju halkopirita, koji je najviše zastupljen u sulfidnim koncentratima bakra su:

            2CuFeS₂=Cu₂S+2FeS+S

2FeS₂=2FeS+2S

2S +2O₂(g) =2SO₂(g)

Oksidacija Cu₂S kiseonikom iz gasovite faze odvija se jednom od sledećih reakcija:

2Cu₂S + 3O₂(g) = 2Cu₂O + 2SO₂(g)

Cu₂S + 2O₂(g) = 2CuO + SO₂(g)

Cu₂S + 3O₂(g) + SO₂(g) = 2CuSO₄

Obrazovani Cu₂O i SO₂ mogu dalje da se oksiduju:

2Cu₂O + O₂(g) = 4CuO

2SO₂(g) + O₂(g) = 2SO₃(g)

CuO + SO₃(g) = CuSO₄

Kao što smo videli sumpor iz šarže se prženjem oksidiše do SO₂ ili do SO₃. Pri procesu prženja koncentrata bakra nastaju dve faze i to:

-čvrsta faza (prženac i višak posteljice)

-gasovita faza (gas bogat sumporom sa sitnom prašinom)

Ubacivanje vazduha pod pritiskom u reaktor, pored sagorevanja sumpora ima i ulogu transporta prženca i gasova prženja. Prženac se od gasa grubo odvaja u ciklonima radi njegove dalje prerade u plamenim pećima, a gas se nakon hlađenja (u tzv. “rashladnoj kuli”) i filtriranja od sitne prašine (u električnim filterima) upotrebljava za proizvodnju sumporne kiseline. Sitna prašina iz električnih filtera takođe se šalje na topljenje u plamenim pećima.

I rashladna kula i električni filteri predstavljaju proširene komore u kojima gasovi sa prašinom iz reaktora gube na brzini zbog čega dolazi do gravitacionog taloženja prašine, a hlađenjem gasova pomoću vode vrši se i njihovo delimično pranje od prašine, a u elektrofilterima vrši se i dodatno taloženje čestica prašine na elektrodama elektrofiltera usled delovanja elektoststičkog naelektrisanja.

3.      Topljenje u Plamenoj peći 

Topljenje prženca i prašine iz rashladne kule i električnih filtera vrši se u plamenim pećima radi daljeg uklanjanja sumpora i koncentrisanja bakra, a topljenjem se vrši razdvajanje bakra i gvožđa na bakrenac (bakarni kamen) i šljaku. Plamena peć je vatrostalna komora dužine 35-40 m, širine 7-10 m i visine 3,5-4,5 m kapaciteta oko 1500 t na dan. Radi odvajanja gvožđa od bakra tokom šaržiranja u plamene peći se pored prženca ubacuje tzv. “topitelj” – kvarc i vazduh (poželjno je da vazduh bude obogaćen kiseonikom). Ovaj proces topljenja, zbog zaostalog sadržaja sumpora u pržencu, naziva se polupiritno topljenje, što znači da je potreban dodatak  nekog energenta za postizanje optimalne temperature procesa između 1200 i 1300 stepeni C (u borskoj Topionici jedna plamena peć se greje ugljem a druga dizel gorivom).

Ubacivanje topitelja u plamenu peć vrši se radi vezivanja oksida gvožđa, čime se stvara rastop tipa FeOxSiO₂ - šljaka, koja ima nižu specifičnu težinu (oko 3,5 gr/cm³) od oksidnog bakra – Cu₂S (oko 5 gr/cm³), čime se postiže njihovo međusobno raslojavanje, tako da se šljaka prazni iz peći na gornjim otvorima peći a bakrenac na donjim otvorima. Zbog relativno visokog sadržaja bakra u konvertorskoj šljaci ista se takođe ubacuje u plamenu peć radi boljeg iskorišćenja bakra.

Suština procesa topljenja u plamenim pećima ogleda se u sledećim hemijskim reakcijama:

4CuFeS₂ + 5O₂(g) + SiO₂ = 2(Cu₂S x FeS) + (2FeOxSiO₂ ) + 4SO₂(g) + toplota

FeS+3Fe₃O₄+5SiO₂=5(2FeOxSiO₂)+SO₂(g) 
FeS+2Cu₂O+SiO₂=2FeOxSiO₂ +Cu₂S 
2Cu₂S+3O₂(g)=2Cu₂O+2SO₂(g) 
Cu₂S+2O₂(g)=2CuO+SO₂(g) 

Kao što se vidi iz prethodnih reakcija proizvodi topljenja u plamenim pećima su: bakrenac (45-77% Cu), šljaka (sa manje od 1 % bakra i velikom količinom oksidisanog gvožđa) i izlazni gas sa nešto sumpor-dioksida.

Bakrenac se vatrostalnim posudama transportuje do konvertora na dalju preradu. Šljaka plamenih peći se ranije odbacivala ako je sadržaj bakra u njoj bio ispod 1%), a od nedavno se ohlađena prerađuje flotacijskim ili pirometalurškim putem zbog bakra i povratka plemenitih metala, a nakon toga se odbacuje.

Izlazni gas sadrži relativno nizak nivo sumpor dioksida (oko 0,5-1,5 %), zbog čega nije podoban za proizvodnju sumporne kiseline, te se nakon otprašivanja u elektrofilterima direktno emituju u atmosferu. U većini razvijenih zemalja ova praksa je zakonom zabranjena.

Šematski prikaz rada plamene peći dat je na sl. 6.

       Sl. 6. Šema rada plamene peći

17.  Dobijanje sirovog bakra u konvertoru

Proces konvertorovanja možemo smatrati takođe ključnim pirometalurškim procesom za dobijanje bakra. Konvertor predstavlja bubnjastu čeličnu posudu (vidi sl. 7) sa unutrašnje strane ozidanu vatrostalnom opekom sa otvorima na zadnjoj strani – duvnice kroz koje se tokom procesa uduvava vazduh (poželjno je da vazduh bude obogaćen kiseonikom).

Sl.7. Izgled zadnje strane konvertora

Na prednjoj strani bubnja konvertora nalazi se otvor (vidi sl. 8), koji služi za prijem šarže i izlivanje šljake i blister bakra. Na bočnoj strani konvertora nalaze se oslonci sa velikim zupčanikom na jednoj strani, koji je uzupčen sa elektromotorom velike snage radi obrtanja konvertora tokom rada. Iznad konvertora nalazi se dimna komora za prijem i transport gasova.

Sl. 8. Izgled prednje strane konvertora

Zbog zastarele tehnologije u izradi ovakve komore i nedostataka u tehnologiji transporta gasova tokom rada konvertora javlja se veliki ekološki problem, koji se manifestvuje nekontrolisanim ispuštanjem gasova sa relativno visokim sadržajem sumpor dioksida, čime se zagađuje radna sredina cele Topionice (vidi sl. 9), kao i gradska sredina (vidi sl. 10), obzirom da je lokacija borske Topionice smeštena u neposrednoj blizini centra grada.

Sl. 9. Zagađenje radne sredine Topionice bakra u Boru

Sl. 10. Zagađenje životne sredine u Boru

Pošto se proces konvertovanja odvija na povišenim temperaturama čak i do 1350 ⁰ C, pre početka rada konvertor se nakon ozidavanja vatrostalnom opekom podvrgava procesu termičke zaštite, poznatom u metalurškom žargonu kao „kalaisanje“. Postupak kalaisanja podrazumeva namerno stvaranje zaštitnog sloja od magnetita, čija je tačka topljenja preko 1600 ⁰ C.

Sam proces konvertovanja sastoji se iz dve faze:

1.Oksidacija sulfida gvožđa
2FeS+3O₂(g)=2FeO+2SO₂(g)+940.000J

2. Oksidacija sulfida bakra
2Cu₂S+3O₂(g)=2Cu₂O+2SO₂(g)+775.000J 
Cu₂S+2Cu₂O=6Cu+SO₂(g)

Najveći tehnološki problem prve faze konvertovanja predstavlja stvaranje magnetita, koji već u startu dolazi u izvesnom procentu sa unosom bakrenca iz plamene peći. Reakcijama oksidacije sulfida gvožđa u konvertoru se oslobađa velika količina toplote, što povećava temperaturu rastopa u konvertoru. Po dostizanju temperature stvaranja šljake, u konvertor se dodaje polovina potrebne količine kvarca u cilju obrazovanja fajalitne šljake FeOxSiO₂. Dodatkom kvarca rastop se hladi, ali konvertor i dalje radi sa viškom toplote, pa je neophodno dodavanje hladnog materijala (naprimer: otpad anodnog bakra iz elektrolize i zlatare, bakarni cementacioni mulj, mulj iz vodenih filtera, hladna konvertorska šljaka i sl.) kako bi se sprečilo pregrevanje konvertora. Količina dodatog hladnog materijala zavisi od sadržaja bakra u bakrencu, tj. od energetske sposobnosti konvertora. Zatim se dodaje preostala količina kvarca koja vezuje FeO u fajalit čime se sprečava dalja oksidacija gvožđa do Fe₃O₄. Ovako formirana fajalitna šljaka se izliva iz konvertora i sadrži oko 20% Fe₃O_4. Nakon izlivanja prve količine šljake ponovo se dodaje bakrenac i postupak se ponavlja sve do izlivanja poslednje šljake. Pri obrazovanju fajalitne šljake, jedan deo Fe3O4 ostaje neizredukovan, zbog čega se javlja problem, jer konvertorska šljaka sa povećanim sadržajem Fe3O4 ima veću temperaturu topljenja, veću specifičnu težinu i viskozitet, čime se povećava gubitak na bakru. Taj problem se rešava tako što se konvertorska šljaka vraća u plamenu peć na ponovnu preradu. Ovaj problem se delimično rešava i povećanjem sadržaja SiO₂ u konvertorskoj šljaci, kao i vođenje procesa na nešto višoj temperaturi (do 1300 ⁰ C) čime se sadržaj magnetita u šljaci smanjuje.

U drugoj fazi konvertorske prerade vrši se produvavanje bakrenca bez dodavanja topitelja radi oksidisanja celokupne količine bakarnog sulfida do tzv. sirovog bakra – blister bakra (vidi sl. 11), koji sadrži oko 97 % bakra i primese gvožđa, arsena, olova, cinka, plemenite metale itd.

Sl. 11. Blister bakar

Kao rezime konvertorske prerade bakra može se zaključiti da se tokom ove pirometalurške operacije stvaraju sledeći proizvodi: šljaka, blister bakar i gas bogat sumpor dioksidom (15-17 % SO₂).

Pošto šljaka ponekad sadrži čak i preko 2 % bakra ona se vraća na ponovnu preradu u plamenu peć, a njeni hladni ostaci od istresanja lonaca vraćaju se, kao hladan materjal, u konvertor.

Blister bakar, kao finalni proizvod konvertorske prerade sadrži oko 97% Cu, dok su ostatak primese, gvožđa, cinka, nikla, arsena, antimona, plemenitih metala i zaostalih količina sumpora i kiseonika, i kao takav odlazi na plamenu rafinaciju radi uklanjanja nečistoća i livenja anoda kao finalnog topioničkog bakra.

Sumpor dioksid iz konvertora meša se sa sumpor dioksidom iz reaktora i nakon pranja od prašine odlazi u fabriku sumporne kiseline a mulj iz vodenih filtera se vraća na preradu u konvertor.  

18.  Plamena rafinacija bakra 

Plamena rafinacija obavlja se u bubnjastim pećima sličnim konvertorima. Proces plamene rafinacije sastoji se iz sledećih faza:

-punjenje peći,

-oksidacija primesa,

-redukcija, i

-livenja anoda. 

Oksidacija primesa se vrši uduvavanjem vazduha pri čemu se odvijajusledeće reakcije:

4Cu + O₂(g)=2Cu₂O

Me+Cu₂O=MeO+2Cu

Me je oznaka za primese metala a MeO je ustvari šljaka koja se odstranjuje. Da bi se iz bakra odstranili rastvoreni gasovi u peći se vrši redukcija ubacivanjem drvenih oblica, pri čemu se odvija sledeća reakcija:

4Cu₂O+CH₄(g)=CO₂(g)+2H₂O(g)+8Cu

Nakon procesa redukcije dobijeni bakar je čistoće 99, 9 % Cu i vrši se njegovo izlivanje u obliku anoda sa ušicama – vidi sl. 12.

Sl. 11. Izlivanje anoda

Ovako dobijeni bakar predstavlja finalni topionički proizvod u kome su kao primese rastvoreni plemeniti metali. Da bi ovakav bakar mogao da se upotrebi za proizvodnju kablova, cevi itd. i da bi se iz njega izdvojili zlato, srebro i platina mora da se podvrgne elektrolitičkoj rafinaciji.

V.                ELEKTROLITIČKA RAFINACIJA BAKRA 

Elektrolitička rafinacija obavlja se u pogonu Elektrolize u kadama obloženim plastikom i napunjenim vrućim rastvorom (50-55 ⁰ C) bakar sulfata (30-40 gr/l) i sumporne kiseline (oko 200 gr/l) – videti sl. 13. Kade su dužine 3-5 m, širine 1 m i dubine 1,0-1,3 m. U kade se naizmenično uranjaju anode iz Topionice i tanki listovi od čistog bakra (0,2-03 mm) – katode. Anode su povezane na + pol jednosmerne struje, a katode na – pol. Propuštanjem jednosmerne struje gustine 150-250 A/m² dolazi do rastvaranja bakra sa topioničkih anoda i njegovog prelaska u rastvor iz koga se zatim taj bakar taloži na anodama prema sledećim reakcijama:

Cu=Cu2+2e

Cu2+2e=Cu

Plemeniti metali i ostale eventualne nečistoće se talože u vidu mulja na dnu kade odakle se na kraju procesa taj mulj filtrira, ispira od sumporne kiselini i šalje na preradu u pogon Zlatare. Sadržaj mulja je: oko 35 % srebra, 14-16 % bakra, 5-6 % antimona, 6 % selena, 3% telura i oko 1% zlata.

Sl. 13. Izgled kada napunjenih anodama i katodama 

Dobijeni katodni elektrolitički bakar je čistoće 99,99 % bakra i pretstavlja jedan od osnovnih finalnih proizvoda RTB-a Bor.

VI.             LITERATURA 

1.      Serbia Mineral Deposits

2.      http://www.rtb.rs/

3.      D. M. Vučurović, Č. N. Knežević - Institut za bakar, Bor, 2000. „AUTOGENI PROCESI TOPLJENJA U METALURGIJI BAKRA“

4.      Zdenka Lehard – Metalurški fakultet Sisak 2008. “METALURGIJA OBOJENIH METALA”

5.         Aleksandra Milosavljević, Branislav Čađenović, Milorad Ćirković, Aleksandra Ivanović - Institut za rudarstvo i metalurgiju Bor 2009. „STVARANJE MAGNETITA U PROCESU KONVERTOROVANJA“

Nenad Radulović