Металлургия меди и никеля

Москва  2019

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА 
 
Кафедра цветных металлов и золота

А.Н. Федоров 
А.А. Комков
С.В. Быстров

МЕТАЛЛУРГИЯ МЕДИ  
И НИКЕЛЯ

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 3526

УДК 669.2/.8 
 
Ф33

Р е ц е н з е н т 
канд. техн. наук, проф. Д.В. Шехирев

Федоров А.Н.
Ф33  
Металлургия меди и никеля : лаб. практикум / А.Н. Федоров, 
А.А. Комков, С.В. Быстров. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 
2019. – 74 с.

Лабораторный практикум содержит семь работ по основным разделам 
курса «Металлургия меди и никеля», в результате выполнения которых студенты знакомятся с основными процессами технологических схем получения 
меди и никеля, видами сырья и продуктами металлургического производства, 
приобретают навыки проведения экспериментов. Практикум базируется на 
материалах лекционных и практических занятий, обеспечивает творческую 
активность и самостоятельную работу студентов на всех этапах выполнения 
лабораторных работ.
Практикум предназначен для обучающихся в бакалавриате по направлению подготовки 22.03.02 «Металлургия», профиль «Металлургия цветных, 
редких и благородных металлов».

УДК 669.2/.8

 А.Н.Федоров,  
А.А. Комков,  
С.В. Быстров, 2019
 НИТУ «МИСиС», 2019

Содержание

Предисловие .................................................................................................. 4

Лабораторная работа 1. Сырьевые материалы и продукты 
пирометаллургической технологии получения меди и никеля .............. 7

Лабораторная работа 2. Окислительный обжиг сульфидных 
концентратов ............................................................................................... 18

Лабораторная работа 3. Плавка медных концентратов на штейн ......... 24

Лабораторная работа 4. Восстановительно-сульфидирующая  
плавка окисленных никелевых руд на штейн ......................................... 30

Лабораторная работа 5. Управление печью Ванюкова  
в динамическом режиме ............................................................................ 35

Лабораторная работа 6. Конвертирование медных штейнов ................ 41

Лабораторная работа 7. Электролитическое рафинирование  
меди и никеля .............................................................................................. 46

Библиографический список ...................................................................... 56

Приложение А. Оформление титульного листа отчета ......................... 57

Приложение Б. Расчетный состав медных штейнов .............................. 58

Приложение В. Расчет операции обжига медного концентрата ........... 59

Приложение Г. Методика расчета шихты при плавке  
сульфидного медного сырья на штейн ..................................................... 61

Приложение Д. Методика расчета шихты плавки окисленной 
никелевой руды на штейн .......................................................................... 67

Приложение Е. Стандартные электрохимические потенциалы 
металлов ...................................................................................................... 73

ПРЕДИСЛОВИЕ

Лабораторный практикум по курсу «Металлургия меди и 
никеля» предназначен для детального ознакомления студентов, 
специализирующихся 
по 
направлению 
«Металлургия», 
с 
особенностями различных металлургических процессов, с целью 
приобретения навыков в постановке эксперимента, обработки 
полученных результатов и оформления отчетов.
Перед началом работы студенты знакомятся с правилами 
техники безопасности (ТБ) в лаборатории,  методами безопасного 
обслуживания используемых установок и приемами оказания первой 
медицинской помощи. За нарушение правил ТБ студент несет 
персональную ответственность.
Перед выполнением работы каждый студент получает 
индивидуальное задание. Задания могут быть дифференцированы 
с учетом уровня подготовки студента. Работы выполняются 
индивидуально или бригадой из нескольких человек.
Лабораторное занятие начинается с индивидуального допуска 
студента к работе, для чего студент обязан предъявить конспект 
лабораторной работы (который в дальнейшем становится отчетом) и 
дать ответы на вопросы теоретического и методического характера, 
связанные с выполняемой лабораторной работой.
Студент, не выполнивший этих требований, к работе не 
допускается и выполняет задание преподавателя по оформлению 
конспекта или подготовке к занятию, после чего вновь проходит допуск. 
Работа в этом случае проводится в часы отработки задолженностей.
Студент, получивший допуск, в составе бригады или 
индивидуально приступает к выполнению работы. Подготовка 
соответствующей лабораторной установки проводится учебным 
мастером. Студент проводит только экспериментальную часть 
работы, в строгом соответствии с методическими указаниями. В 
процессе выполнения работы учебный мастер оказывает помощь 
в получении практических навыков работы с экспериментальным 
оборудованием, контролирует работу студентов.
После окончания экспериментальной части работы студент 
представляет преподавателю полученные результаты, оформленные 
по предложенной форме. Преподаватель проверяет у каждого 
студента полученные данные, делает отметку в журнале и конспекте 

о выполнении работы. После этого студент получает задание к 
следующей лабораторной работе.
Обработка 
экспериментальных 
данных, 
выполнение 
необходимых расчетов, анализ, на основании которого делаются 
выводы о работе, окончательное оформление отчета проводятся в 
часы самостоятельной работы.
К защите каждый студент представляет индивидуальный отчет 
с отметкой о допуске и выполнении работы.
Отчет должен иметь титульный лист (приложение А) и 
быть оформлен в соответствии с ГОСТ 7.32–2017 «Отчет о научноисследовательской работе. Структура и правила оформления»:
 - отчет должен быть выполнен печатным способом с 
использованием компьютера и принтера на одной стороне листа 
белой бумаги формата А4 через полтора интервала. Цвет шрифта 
должен быть черным, высота букв, цифр и других знаков – не менее 
1,8 мм (кегль не менее 12);
 - разделы, 
подразделы, 
пункты 
и 
подпункты 
следует 
нумеровать арабскими цифрами и записывать с абзацного отступа;
 - страницы отчета следует нумеровать арабскими цифрами, 
соблюдая сквозную нумерацию по всему тексту отчета. Номер 
страницы проставляют в центре нижней части листа без точки;
 - иллюстрации (чертежи, графики, схемы, компьютерные 
распечатки, диаграммы, фотоснимки) следует располагать в отчете 
непосредственно после текста, в котором они упоминаются впервые, 
или на следующей странице;
 - иллюстрации могут быть в компьютерном исполнении, в 
том числе и цветные. Допускается выполнение чертежей, графиков, 
диаграмм, схем посредством использования компьютерной печати;
 - таблицы применяют для лучшей наглядности и удобства 
сравнения показателей. Наименование таблицы следует помещать 
над таблицей слева, без абзацного отступа в одну строку с ее номером 
через тире;
 - уравнения и формулы следует выделять из текста в 
отдельную строку. Выше и ниже каждой формулы или уравнения 
должно быть оставлено не менее одной свободной строки;
 - формулы 
в 
отчете 
следует 
нумеровать 
порядковой 
нумерацией в пределах всего отчета арабскими цифрами в круглых 
скобках в крайнем правом положении на строке;

- в отчете допускается выполнение формул и уравнений 
рукописным способом черными чернилами.
Оформление должно быть аккуратным. Небрежно, плохо 
оформленный конспект может служить достаточной причиной для 
отказа на получение допуска к работе.
Конспект (отчет) должен содержать: цель работы, краткие 
теоретические 
положения, 
описание 
методики 
выполнения 
экспериментальной 
части, 
необходимые 
расчеты, 
таблицы 
экспериментальных и расчетных данных, эскизы металлургического 
оборудования. Эскизы лабораторного оборудования (если этого не 
требуется в разделе «Требования к отчету») не выполняются.
На защите преподаватель проверяет правильность полученных 
данных, результаты их обработки, выводы по работе, графический 
материал, качество выполнения отчета. В случае возникновения 
замечаний по отчету, студент обязан их устранить, и только после 
этого он допускается к защите.
Во время защиты работы, проводимой индивидуально, 
студент должен дать полные, обстоятельные ответы на вопросы 
теоретического, методического и практического характера, связанные 
как с данной работой, так и с металлургическим процессом, который 
в ней моделируется. Для подготовки к защите лабораторной работы 
студентам 
рекомендуется 
пользоваться 
материалами 
лекций, 
практических занятий и учебной литературой.
Защита работ проводится на специально отводимом для 
этого занятии. Количество незащищенных работ у каждого студента 
не должно превышать двух. Если это условие не выполняется, к 
выполнению третьей работы студент не допускается до тех пор, пока 
не ликвидирует задолженность.
Отработка лабораторных работ проводится в дополнительное 
время вне расписания занятий.

Лабораторная работа 1 
СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПРОДУКТЫ 
ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ 
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДИ 
И НИКЕЛЯ

1.1 Цель работы

Закрепление и развитие знаний по физико-химическим 
характеристикам сырьевых материалов, используемых в металлургии 
меди и никеля. Ознакомление с технологическими схемами получения 
меди и никеля пирометаллургическими способами; с характеристиками 
продуктов пирометаллургических процессов, применяемых в медной и 
никелевой промышленности. Изучение предложенных преподавателем 
образцов продуктов пирометаллургических процессов.

1.2 Теоретическое введение

Основным источником получения меди и никеля являются руды 
или продукты их обогащения – концентраты. Кроме этого, частично 
эти металлы производят из вторичного сырья, представляющего собой 
отходы металлообрабатывающей промышленности, бракованные и 
отслужившие срок службы металлические изделия (амортизационный 
лом), бытовой утиль и др., а также техногенные отходы.
Рудное 
сырье 
обычно 
подвергается 
металлургической 
переработке в смеси с другими материалами – флюсами и оборотами 
собственного и смежных производств.
Смесь рудного сырья с флюсами и оборотными материалами 
называется шихтой.
Рудой называется горная порода, содержащая в своем составе 
металл или группу металлов, которые на современном уровне 
горно-обогатительной и металлургической техники могут быть 
экономически выгодно получены в виде товарной продукции. 
По мере развития металлургической техники минимальное 
содержание 
основного 
компонента 
(рентабельный 
минимум), 
позволяющего относить горную породу к категории руды, снижается. 
Рентабельный минимум содержания в руде основного извлекаемого 

металла снижается также при наличии в рудах других ценных 
элементов-спутников, как, например, благородных металлов, селена, 
теллура, рения и др. Руды и концентраты, помимо ценных минералов, 
содержат обязательно пустую породу (неизвлекаемые компоненты), к 
которой относят все минералы, не содержащие извлекаемых металлов 
и состоящую, главным образом, из оксидов железа (Fe2O3, Fe3O4), 
SiO2, CaO, Al2O3, MgO и др. в различных сочетаниях.
В современной практике обычно разрабатывают руды с 
содержанием 0,6–1,5 % меди, однако для крупных месторождений 
минимальное 
содержание, 
пригодное 
для 
разработки, 
может 
составлять 0,3–0,5 %.
Медные 
и 
никелевые 
руды 
классифицируют 
по 
минералогическому составу, количественной доле сульфидов в руде 
(только для сульфидных руд) и количеству содержащихся ценных 
компонентов.
По минералогическому составу руды делят на следующие типы:
1) сульфидные (медные, медно-цинковые, медно-никелевые);
2) окисленные (медные, никелевые);
3) смешанные, когда металл может присутствовать в форме 
разных химических соединений (медные, медно-цинковые, медноникелевые);
4) самородные (медь).
В зависимости от количественного соотношения сульфидов и 
пустой породы сульфидные руды бывают:
1) сплошные, состоящие почти полностью из сульфидных 
минералов;
2) 
вкрапленные, 
в 
которых 
сравнительно 
небольшое 
количество сульфидных минералов находится в виде вкраплений в 
основной массе пустой породы руды.
Используемое в настоящее время в медной и никелевой 
промышленности рудное сырье практически полностью является 
полиметаллическим 
(комплексным), 
т.е. 
содержащим 
помимо 
основного извлекаемого металла другие ценные элементы-спутники.
Возможными ценными спутниками меди и никеля в рудах 
являются цинк, свинец, кобальт, мышьяк, сурьма, висмут, кадмий, 
селен, теллур, молибден, рений, германий, галлий, индий, таллий, 
золото, серебро, платина, палладий, осмий, рутений, родий, иридий, 
железо и сера. Одновременное присутствие в медных и никелевых 
рудах всех перечисленных выше элементов не является обязательным. 

Однако все они в различных комбинациях могут встречаться в тех 
или иных видах руд. Характерным для многих сульфидных медных и 
никелевых руд является превышение стоимости элементов-спутников 
над стоимостью основного металла.
Комплексный характер руд и вовлечение в металлургическое 
производство все более бедных руд в большинстве случаев требует их 
предварительное обогащение. В медно-никелевой промышленности в 
основном используется флотационное обогащение по коллективной 
или селективной схемам. Конечными продуктами обогащения 
являются 
концентраты 
и 
хвосты. 
В 
процессе 
обогащения 
качественный минералогический (вещественный или фазовый) 
состав не меняется. Концентраты отличаются от исходных руд 
только крупностью и количественным соотношением минералов, 
содержащих ценные элементы, и компонентов пустой породы.
Основными исходными характеристиками рудного сырья 
(руд и концентратов) является их химический и минералогический 
(вещественный или фазовый) составы. Знание этих характеристик 
позволяет предсказать поведение всех элементов и компонентов 
данного сырья при металлургической переработке, выбрать наиболее 
рациональную технологию и, безусловно, правильно провести 
необходимые металлургические расчеты.
В таблице 1.1 приведены примерные составы различных типов 
медных, медно-никелевых и никелевых руд и концентратов.

Таблица 1.1 – Примерные составы рудного сырья, содержащего медь 
и никель, %

Тип материала
Cu
Ni
Zn
Fe
S
SiO2
CaO
Руда
Медно-никелевая  
сплошная сульфидная
0,7–4,5
0,4–3,5
–
32–36 17–28 10–25 1,0–5,0

Медно-цинковая  
сплошная сульфидная
1,3
–
0,52
40,0
45,0
5,0
0,5

Пиритная сплошная 
сульфидная
0,5
–
0,3–0,7
45,0
50,0
0,3
0,3

Медная смешанная
1,0–2,0
–
0,15
6,5
15,0
20,0
1,5
Никелевая окисленная
–
1,0
–
10–50
–
20–60 0,2–2,0
Концентрат
Медный
25,0
1,5
–
35,0
33,0
0,5
0,5
Медно-цинковый
15,0
–
4,0
30,0
35,0
1,0
0,1
Никелевый
4,0–6,0 6,0–11,0
–
35–40 25–30 14–18
0,5

Наиболее часто встречающиеся в медных и никелевых рудах и 
концентратах минералы приведены в таблице 1.2.
Таблица 1.2 – Основные металлосодержащие минералы медных и 
никелевых руд и концентратов

Наименование
Химическая формула
Наименование
Химическая формула
Халькопирит
CuFeS2
Азурит
2СuСO3∙Cu(OH)2
Халькозин
Cu2S
Хризоколла
CuSiO3∙2H2O
Ковеллин
CuS
Куприт
Cu2O
Борнит
Cu5FeS4
Пирит
FeS2
Малахит
CuCO3∙Cu(OH)2
Пирротин
Fe7S8 (Fe1–xS)
Сфалерит
ZnS
Миллерит
NiS
Марматит
nZnS∙mFeS
Гарниерит
(Mg,Ni)SiO3∙nH2O
Галенит
PbS
Линнеит
Co3S4
Пентландит
(Ni,Fe)S
Кобальтин
CoAsS

Химический и минералогический составы даже однотипного 
рудного сырья меняются в исключительно широких пределах. Каждое 
металлургическое предприятие имеет дело со специфическим сырьем.
В качестве флюсов в металлургическом производстве, как 
правило, используются природные минеральные вещества. Введение 
в шихту флюсующих добавок обеспечивает получение при плавках 
шлаков требуемого состава с оптимальными физико-химическими 
свойствами.
В металлургии меди и никеля флюсами обычно являются кварц и 
известняк. Кварцевые породы являются кислыми флюсами, состоящими 
в основном из кремнезема (85–95 % SiO2), а известняки – основными, 
содержащими 45–55 % CaO. Расход флюсов помимо технологических 
факторов определяется также их качеством. Чем чище флюс, т.е. чем 
выше в нем содержание основного флюсового компонента, тем меньше 
его требуется. На практике стремятся работать с минимальным расходом 
флюсов, а в их качестве использовать материалы, содержащие ценные 
компоненты, например золотосодержащие кварцевые породы (руды). 
При увеличении расхода флюсов снижается производительность 
металлургического агрегата по рудному сырью, и возрастает расход 
топлива или электроэнергии, а также снижается извлечение основного 
металла в целевой продукт при плавке.
При переработке окисленных никелевых руд на штейн в 
шихту плавки необходимо добавлять серосодержащий материал – 
сульфидизатор. В качестве сульфидизатора используют пирит (FeS2) 
или гипс (CaSO4∙2H2O).

Переработка медного и никелевого рудного сырья может 
осуществляться как пиро-, так и гидрометаллургическими способами. 
В настоящее время в медной и никелевой промышленности 
превалируют 
пирометаллургические 
процессы. 
На 
долю 
пирометаллургических процессов приходится примерно 80 % от 
общего выпуска меди и около 60 % никеля.

Рисунок 1.1 – Принципиальная технологическая схема 
переработки медного сульфидного сырья