8. Основы производства цветных и драгоценных металлов из сульфидных руд
Технологическая схема производства металлов на «Норильский никель»
Добыча руды
Основные технологические процессы:
Проведение (проходка) горных выработок; бурение, взрывание горных пород; проветривание, отгрузка горной массы; доставка горной массы электровозным транспортом; крепление и закладка выработанного пространства; подъем руды на поверхность.
Руда – выход 100%
Обогащение руды (концетрация)
Основные технологические процессы:
Дробление руды, измельчение руды; флотация (разделение металлов); сгущение, фильтрация, сушка концентрата.
Концентраты – выход до 45%
 |
Металлургия
Основные технологические процессы:
Плавка концентрата и руды (продукт – штейн); конвертирование (продукты – файнштейн, черновая медь); разделение файнштейна, анодная плавка (продукты – никелевые и медные аноды); электролиз (продукты – товарные никелевые и медные катоды, шламы драгоценных металлов)
Товарные металлы – выход ~6%
Добыча руды, как правило, осуществляется карьерным способом. То есть вырывается глубокий карьер несколько сот метров в диаметре и около полукилометра в глубину. Далее с его дна огромными машинами вывозится железная руда, которая затем транспортируется на металлургические и сталелитейные комбинаты, где она перерабатывается в железо или сталь (Приложение 5).
Руда
После открытия месторождения полезных ископаемых и проведения разведочных работ запасы этого месторождения подлежат утверждению в Государственной комиссии по запасам и постановке на государственный учет. Запасы подсчитываются на основе разработанного для конкретного месторождения технико-экономического обоснования кондиций на минеральное сырье (ТЭО кондиций). В ТЭО кондиций расчетами определяются бортовое и минимальное промышленное содержание металлов, а также другие параметры, на основе которых производится подсчет балансовых и забалансовых запасов руд и делается заключение о готовности месторождения к промышленному освоению.
Обогащение
Добытая руда поступает на обогатительно-металлургический передел компании, чтобы извлечь содержащиеся в ней металлы. Так, как в медно-никелевой руде содержится много других минералов. Среди них имеются цветные и драгоценные металлы, а также содержится большое количество пирротина – минерала, почти наполовину состоящего из железа и на треть – из серы. Железо является «лишним» составляющим для цветной металлургии, поэтому необходимо достичь главной цели – получить «сливки» руды – медь, никель, кобальт, платиноиды. Сера, при всей ее полезности как минерала, практически не нужна (ее переработка в кислоту в больших объемах по ряду объективных причин), а избавление от нее в процессе производства основных металлов создает значительную нагрузку на окружающую среду. Ее приходится выжигать – и в виде подходящих газов она уходит в атмосферу в значительном объеме от производительного количества.
Обогащение руды — совокупность методов разделения металлов и минералов друг от друга по разнице в их физических и/или химических свойств. Природное минеральное сырьё, которое представляет собой естественную смесь ценных компонентов и пустой породы, перерабатывается с целью получения концентратов, существенно обогащенных одним или несколькими ценными компонентами. Обогащение руды является сложным процессом, который может включать такие операции как дробление, измельчение, флотация, обезвоживание, другие физико-химические методы, и т. д.. Полученные продукты классифицируются на два и более классов отличных по качеству, более богатый продукт называют концентратом, самый бедный — хвостами, продукты со средним содержанием называют промежуточными, они обычно возвращаются на переработку. Обогащение руды как правило производится на горнообогатительных фабриках и комбинатах.
Дробление руды осуществляется в несколько стадий. Крупное дробление (размеры куска менее 400 мм), среднее дробление (менее 100 мм) и мелкое дробление (менее 20 мм). Все это происходит в системе мельниц. На обогатительных фабриках Норильска применяется метод селективной флотации, при которой полезные минералы выделяются последовательно. Руда, поступившая с подземных горизонтов, на обогатительной фабрике прошла многочисленные стадии дробления и измельчения. Из тяжелых комьев она превратилась в массу, напоминающую песок или даже пыль, состоящую из частиц различных минералов, перемешанных между собой.
Давно замечено избирательное прилипание минеральных частиц, взвешенных в пульпе, к пузырькам воздуха: плохо смачиваемые водой частицы минералов прилипают к ним и поднимаются с ними на поверхность пульпы, образуя на ней пену. В то же время хорошо смачиваемые минералы не прилипают к пузырькам и остаются в пульпе. На этом и основан процесс флотации. Она проводится во флотомашинах в аэрированной (насыщенной воздушными пузырьками) среде. Сюда подается пульпа с уже растворенными в ней реагентами. Они усиливают или понижают смачиваемость минералов. В результате увеличивается пеновыделение, а вместе с этим – и эффективность процесса.
Пена образуется механически – путем перемешивания специальными лопатками и пневматическим путем – подачей сжатого воздуха. Иногда эти способы комбинируют.
Всплывающие минералы концентрируются в пене, которая удаляется с поверхности пульпы.
Норильские руды содержат большое количество пирротина. Вывод его в отвал сразу же резко сокращает объемы непроизводительной переработки сырья.
Пирротиновый концентрат содержит значительное количество полезных минералов и драгоценные металлы. Поэтому он должен пройти через очередную стадию обогащения – пирротиновую флотацию. В результате получают два различных продукта: богатый пирротиновый концентрат (2,2% Ni и 1,2% Cu) и малоникелистый пирротиновый концентрат (меньше 0,9% Ni и меньше 0,2% Cu). [9]
Концентратом принято называть продукт обогащения с повышенным содержанием извлекаемого металла. А свое наименование он получает по преобладающему в нем металлу (медный, никелевый). Концентрат, содержащий металлы в сопоставимых количествах, называют коллективным (например, медно-никелевый).
В этих концентратах содержатся и драгоценные металлы. Традиционно их полупродукты металлурги выводят в процессе электролиза. Однако в последнее время стали получать гравиоконцентраты обогащения. Он основан на различии скоростей движения минеральных частиц, отличающихся по массе, в водной среде.
Выделение гравиоконцентратов производят на центробежных концентраторах. С помощью этих агрегатов получают продукт с содержанием металлов платиновой группы приблизительно 500 г/т при содержаниях в руде 5-15 г/т.
Далее в специальных емкостях производится сгущение. Сгустители служат для удаления из концентрата части излишков воды.
Сушка концентрата до влажности менее 9% осуществляется в специальных сушильных печах.
После фильтрации и сушки концентрат готов для металлургической переработки.
В горно-металлургической компании работают две обогатительные фабрики.
Талнахаская перерабатывает богатые руды месторождений Талнаха. У этого предприятия большая переспектива: предполагается увелечение его мощности с целью переработки здесь всей руды Талнаха.
Норильская фабрика построена более 50 лет назад. Она морально и физически устарела. Предполагается автоматизировать процесс обогащения и снизить численность производственного персонала.
На обеих фабриках предполагается оборудование автоматизированных систем контроля качества поступающего сырья и продуктов обогащения.
Металлургия
Из всего этого предстоит получить файнштейн – полупродукт, состоящий из сплава сульфидов никеля и меди.
Предварительно подготовленный никелевый концентрат, руда и цеховые обороты расплавляются в руднотермической печи при температуре °C.
Сульфиды металлов (никеля, меди, кобальта и совершенно не нужного железа) образуют сульфидный сплав (штейн).
В этом «коллективе» металлов находятся и драгоценные.
В процессе плавки оксиды железа, магния, кальция, взаимодействуя со специально добавленным в качестве флюса песчаником, образуют шлак.
Штейн (полупродукт) с содержанием суммы цветных металлов 15-25%, железа 50% и серы 20-27% направляется на конвертирование.
Главная задача этого процесса – избавиться практически от всего железа. А его в перерабатываемом полупродукте – штейне, прктически половина. «Борьба» с железом происходит в конвертере – огромной многотонной вращающейся бочке. Это достигается путем продувки расплавленного штейна воздухом, который подается через десятки специальных отверстий – фурм. Благодаря тому, что в конвертер добавляется песчаник, связывающий образующиеся оксиды железа, поучается конвертерный шлак. После слива шлака готовая продукция цеха – файнштейн.
Файнштейн предстоит разделить на медный и никелевый концентраты. Для того чтобы обеспечить последующую качественную флотацию, его подвергают медленному охлаждению в интервале температур 650-400°C. Для этого используют специальные емкости – металлические 25-тонные изложницы. Охлаждение файнштейна в таком режиме способствует образованию максимально крупных зерен минералов.
Файнштейн содержит приблизительно равное количество никеля и меди. И теперь металлы предстоит разделить.
Этот процесс вначале напоминает то, что происходит на обогатительной фабрике. Файнштейн дробят и измельчают до крупности 92-96% класса 50-55 мкм. Эта драгоценная «пыль» поступает на флотационное разделение сульфидов меди и никеля. Сам метод основан на различной способности минералов смачиваться водой.
Несмачиваемые водой медные минералы переходят в пенной продукт. Смачиваемые никелевые минералы – в камерный продукт.
После дополнительных перечисток, контрольных флотаций, сгущения и фильтрации получаются два продукта – никелевый и медный концентраты.
При этом никелевый концентрат содержит уже 64-66% Ni, до 4,8% Cu, 0,8-1% Co. Остальное – немного железа, 22-23% S, до 9% влаги.
Медный концентрат. В свою очередь, содержит до 68-69% Cu, до 5,8% Ni, до 0,12% Co. Все прочее – приблизительно в таких же объемах, как и в никелевом концентрате.[10]
Медный концентрат направляется на переработку на металлургические заводы.
9. Медно-никелевые предприятия Кольского Заполярья:
Кольская горно-металлургическая компания
Ко́льская горно-металлурги́ческая компа́ния — дочернее предприятие «Норильский Никель» созданное на базе комбинатов «Североникель» и «Печенганикель». Является единым горно-металлургическое производством по добыче сульфидных медно-никелевых руд и производству цветных металлов (Приложение 6).
АО комбинат «Североникель"
Общие сведения о предприятии
АО комбинат «Североникель» расположен на Кольском полуострове в г. Мончегорске. Комбинат работает на привозном сырье. Предприятие перерабатывает богатую медно-никелевую руду и файнштейн АО “Норильский комбинат”, ГМК «Печенганикель», а также лом, отходы, сырье отечественных и зарубежных поставщиков.
Основными цехами комбината являются плавильный цех, цех разделения файнштейна, рафинировочный и плавильный цеха анодного никеля, два цеха электролиза никеля, цех электролиза меди и карбонильного никеля, а также металлургический, медный и сернокислотный цеха (Приложение 7). Комбинат выпускает 12 видов продукции. Это никель электролитный, никелевый карбонильный порошок и никелевая карбонильная дробь, медь электролитная, концентраты драгоценных металлов, серная кислота и др.
Характеристика объектов размещения отходов
Промышленными отходами АО комбинат «Североникель» являются шлаки пирометаллургического передела и отвал вскрышных пород карьера Риж-губа. (Приложение 8)
Проектная площадь, отведенная под шлакоотвал 93,3 га. На момент инвентаризации (1995г) площадь, занимаемая шлакоотвалом, составила 68,8 га. С 1937 по 1998 год на шлакоотвале накоплено 37,7 млн. тонн металлургических шлаков, степень заполнения шлакоотвала составляет 69%.[11]
По проектной производственной программе по выпуску металлов в зависимости от набора сырья образуется порядка 850-950 тыс. тонн в год электропечных шлаков. Отвальные шлаки металлургического производства в основном состоят из двуокиси кремния и окиси железа. Плотность отвальных шлаков руднотермических печей - 2,95 т/куб. м., печей обеднения - 3,3 т/куб. м. Средневзвешенная плотность отвальных шлаков - 3,06 т/куб. м.
Агрегатное состояние шлаков твердое. Не пылящие. Не токсичные. Компонентов 1-3 класса опасности не содержат. По результатам исследований, проведенных кафедрой коммунальной гигиены Московского медицинского института им. , шлаки данного типа в гранулированном состоянии могут использоваться в качестве фильтрующей загрузки на очистных сооружениях по очистке питьевой воды. Шлаки пригодны для получения щебенки, но делать это не целесообразно в связи с наличием в шлаках цветных металлов и платиноидов.
Отвал вскрышных пород карьера Риж-губа расположен в 4,6 километрах от горы Монча. На момент инвентаризации в отвале накоплено 17100 тыс. куб. м. или 45, 828 млн. тонн породы. Степень заполнения отвала вскрышными породами составляет порядка 70,2%. Отвальные породы карьера Риж-Губа в небольших объемах используются для приготовления щебня.
Отходами лесопромышленного цеха являются отходы производства по обработке древесины - опилки (70%); щепа, рейки - (30%). Площадь территории для хранения отходов в пределах границы лесопромышленного цеха 2,85 га, за пределами границы - 2,94 га.
Хранение производственно-бытовых отходов в количестве 29800 куб. м. в год производится на организованном полигоне с левой стороны дороги от плавильного цеха к кобальтовому участку ЦЭН -1.
В 1997 году АО “Комбинат Североникель” отправил на демеркуризацию ртутьсодержащих ламп (1 класса опасности) в объеме 3,5 тонны.
На основании лимитов размещения отходов по АО Комбинат «Североникель» на 1998 г. в отвалах и хранилищах (собственных объектах комбината) будет размещено:
1. шлаки металлургического производства - 675 тыс. т;
2. вскрышные породы карьера “Риж-Губа” - 2218 тыс. т;
3. отходы лесопромышленного цеха - 0.3 тыс. т;
4. производственно-бытовые отходы - 29.8 тыс. т.
АО “ГМК Печенганикель”
Общие сведения о предприятии
АО “ГМК Печенганикель” расположен в северо-западной части Кольского полуострова у границы с Норвегией на двух промплощадках: в г. Заполярном и п. Никель (Приложение 9). В состав комбината входят 2 подземных рудника, 2 карьера, обогатительная фабрика, цех обжига, плавильный и сернокислотный цеха, автотранспортный, железнодорожный и другие цеха обеспечения производства.
Комбинат производит добычу сульфидной медно-никелевой руды, ее обогащение и металлургическую переработку до файнштейна. Технологическая схема производства показана на (Приложение 10). Ежегодно добывается около 7.5 млн. т руды. Основу запасов составляют рядовые вкрапленные руды с содержанием никеля 0.5-0.6 % (95 % всех запасов). На долю богатых руд приходится 5 % запасов руд (12.4 % запасов металла).
Руда с низким содержанием металлов подвергается переработке на обогатительной фабрике, расположенной в г. Заполярном. Ежегодный объем переработки составляет около 90 % от количества добытой руды. Получаемый концентрат в объеме 450-500 тыс. т поступает в цех обжига, также расположенный в г. Заполярном. В цехе обжига при получении обожженных окатышей образуется слабоконцентрированный по диоксиду серы газ, который после очистки от пыли выбрасывается в атмосферу.
Богатые руды направляются в плавильный цех, расположенный в п. Никель. Туда же поступают обожженные окатыши и руда Норильского ГМК. Конечным продуктом плавцеха является файнштейн, направляемый на дальнейшую переработку в АО “Североникель”.План размещения основных цехов предприятия, включая отвалы и хвостохранилище, представлен на (Приложение 11).
Качественная характеристика отходов
Производство связано с образованием большого количества отходов: вскрышных пород, хвостов ОФ, отвального гранулированного шлака, которые оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду. Блок-схема образования отходов показана на рис. 4. Для складирования промышленных отходов отведено более 9800 га. В настоящее время на прилегающих территориях накоплено и размещено вскрышных пород 1.2 млрд. т, хвостов обогащения - 200 млн. т, отвальных шлаков - 42 млн. т.
Основными загрязнителями атмосферы являются металлосодержащая пыль и сернистый ангидрид. В атмосферу г. Заполярный поступает около 70 тыс. т диоксида серы (цех обжига, ТЭЦ и др.), п. Никель - свыше 170 тыс. т SO2. С металлосодержащей пылью в атмосферу выбрасывается в год никеля - 300 т, меди - 175 т, кобальта - 11 т. В природные водоемы поступает 33 млн. м3 производственных и бытовых сточных вод.
В 1995 году внутри карьеров заскладировано 5 миллионов тонн вскрышных пород, использовано 280 тыс. т шлаков, 75 тыс. т породы. На подземных рудниках утилизируется в составе твердеющей закладки 75 тыс. т/год шлаков и 30-40 тыс. м3/год породы от проходки горных выработок. С учетом развития подземных горных работ планируется увеличение объемов использования шлака и хвостов ОФ для производства твердеющих закладочных смесей. Введена установка по переработке шлака в материал для пескоструйных аппаратов производительностью 50 т/смену. За счет строительства сернокислотного цеха, внедрения системы замкнутого водооборота обогатительного, металлургического и вспомогательных производств достигнуто устойчивое снижение выбросов в атмосферу и сброса загрязняющих сточных вод. Для дальнейшего сокращения уровня загрязнения окружающей среды необходимо обеспечить снижение объемов образования отходов за счет рациональных технологических решений, повышения уровня использования вторичного сырья и утилизации промышленных отходов в техногенных пустотах рудников.
Характеристика объектов размещения отходов
Основными техногенными отходами комбината Печенганикель являются:
1. Гранулированные магнезиально-железистые шлаки медно-никелевого производства. Годовое приращение запасов шлака в отвалах - 1.35 млн. т, общие запасы - 42 млн. т.[12]
Шлаки содержат, %: никель - до 0.11; медь - 0.1; кобальт - 0.045. Используется для строительных и закладочных работ около 180 тыс. т/год. Шлаковый отвал занимает площадь 86 га.
2. Текущие и отвальные флотационные хвосты обогащения фабрик ОФ-1 и ОФ-2. Годовое приращение запасов хвостов составляет 7.1 млн. т, общие запасы - около 160 млн. т. Хвосты содержат, %: никель - 0.16; медь - 0.08; кобальт - 0.008. Материал не используется. Хвостохранилища занимают площадь 1033 га.
3. Породы от вскрышных и проходческих работ. Годовое приращение запасов составляет 43 млн. т, суммарные запасы - 1057 млн. т. Породы содержат, %: никель - 0.15; медь - 0.05. Ежегодно используется около 6 млн. т. Площадь отвалов составляет 2248 га.
4. Кек нейтрализации промывной серной кислоты.
5. Вода шахтного водоотлива и флотационного процесса. Расход воды составляет: водоотлив рудника "Центральный" - 284-514 м3/ч; водоотлив рудника "Западный" - 92-126 м3/ч; водоотлив рудника "Северный" - 294-342 м3/ч; водоотлив рудника "Каула-Котсельваара" - 511 м3/ч. Годовой расход водооборотной системы на обогатительной фабрике ОФ-1 (ОФ-2 в настоящее время не работает) достигает 27.5 млн. м3.
Объемы техногенных пустот распределены следующим образом:
Центральный карьер:
- общий объем пустот к моменту отработки (2006 г.) достигнет примерно 400 млн. м3, глубина - 400 м;
Западный карьер:
- общий объем пустот к моменту отработки (2002 г.) составит 120-150 млн. м3;
Подземный рудник Каула-Котсельваара:
- ежегодно образуется 100-130 тыс. м3 камерных пустот, объем единичных незакрепленных камер м3. Пустоты частично заполняются твердеющей и породной закладкой;
Подземный рудник Северный:
- ежегодно образуется 150-170 тыс. м3 камерных пустот, объем единичных незакрепленных камер м3. Пустоты заполняются твердеющей и породной закладкой;
Проектируемый подземный рудник Центральный (ввод в 2001 году):
- при выходе на проектные показатели будет образовываться от 300 до 500 тыс. м3/год камерных пустот, объем единичных незакрепленных камер м3 (70х20 м при наклонной высоте 3-40м).
По плану производства на 1998г объем вскрышных пород составит около 10 млн. т. Из них 1,5 млн. м3 вскрыши планируется разместить на внутреннем отвале карьера “Западный”. Хвосты обогащения ОФ-1 составят 6780 тыс. т.
Обработанный ванадиевый катализатор сернокислотного цеха планируется разместить на шлакоотвале плавильного цеха в объеме 40 тонн (4 класс опасности).
По плану производства серной кислоты объем образования селенового шлама (1 класс опасности) на 1998 год составит 3,0 тонны. Весь шлам хранится на складе цеха до момента отправки его на переработку. Отработанные ртутьсодержащие лампы (1 класс опасности) в объеме - 1,2 тонны хранятся на складе АО “ГПК Печенганикель”.
Планируемое количество образования и складирования в 1998 году нефтешламов определено по достигнутому уровню и составит 35 тонн. Захоронение нефтешламов осуществляется на отработанных полях хвостохранилищ обогатительных фабрик № 1,2.
Нефтесодержащие отходы (отработанные масла, 2 класс опасности) в количестве 500 тонн направляются в энергоцехи №1, 2, где сжигаются в котлах пос. Никель и ТЭЦ г. Заполярный.
Промышленный мусор, изношенные автошины, отходы камнеобрабатывающего производства и т. д.
Объемы отходов определены, исходя из планов производства цеха добычи и обработки природного камня, и по достигнутому уровню образования промышленных отходов, износа автошин и т. п. Общее планируемое на 1998 год количество образования отходов составляет 12000 тонн. Указанные отходы хранятся на полигоне автомобильного отвала вскрышных пород рудника “Западный”.
Объемы образования металлолома цветных и черных металлов, 35 и 8000 тонн соответственно, отправляются на переработку в соответствии с заключенными договорами (г. Таганрог).
10. Влияние металлургической отрасли на окружающую среду (Мурманская область)
Природа не храм и не мастерская, А дом, в котором мы живем.
Антропогенное воздействие на почву
Проблема промышленного загрязнения почв чрезвычайно актуальна для Мурманской области. Сегодня вопрос о загрязнении почвы из сугубо научного перешел в разряд практических, непосредственно связанных с нашим здоровьем. Общая площадь пахотных земель в области составляет около 20 тысяч гектар, их которых значительная часть расположена в зонах воздействия предприятий цветной металлургии, выбрасывающих в атмосферу сернистый газ и тяжелые металлы. Все это оседает на почву и растительность в виде сухих влажных атмосферных выпадений (пыли, дождя, снега).
Сернистый газ, попадая в атмосферу, участвует в происходящих в ней химических процессах, переносится на значительные расстояния и несет «ответственность» за кислотные, выжигающие растительность.
Тяжелые металлы оседают на почву в относительной близости от источника выбросов, попадают в систему почва – растение и через сельскохозяйственную продукцию могут попасть организм человека.
На основе проведенных научных исследований установлено, именно тяжелые металлы являются приоритетными загрязнителями почвы в нашей области. Тяжелые металлы являются протоплазматическими ядами, токсичность которых возрастает по мере увеличения относительной атомной массы металла. К очень токсичным относятся серебро, ртуть, олово, свинец, кадмий.
Усиливающийся процесс техногенного загрязнения почв превзошел по мощности естественные почвенные процессы, влияющие на распределение тяжелых металлов по профилю почвы. В районах сразвитым горнопромышленным комплексом образовались геохимические аномалии техногенного происхождения. В эпицентре загрязнения в поверхностном слое почвы (0-2см) количество никеля достигло 2,2% , меди-1,1%, кобальта-0,1%, что превысило фоновый уровень для меди и никеля более чем в 350 раз. Для сравнения следует отметить, что среднее содержание никеля в руде Печенгского месторождения составляет 0,7%.[13]
Уровень загрязнения почв металлами резко снижается мере удаления от источника выбросов. В таблице представлены результаты многолетних исследований содержания тяжелых металлов в целинных почвах к югу от промышленной площадки КГМК г. Мончегорска по направлению господствующих в этом районе ветров. Виден не только высокий уровень тяжелых металлов в лесных почвах, но и снижение его по мере удаления от комбината.
Среднее содержание меди, никеля и кобальта в органогенном горизонте целинных почв к югу от комбината «Североникель»
Расстояние от комбината, км | Медь, мг/кг | Никель, мг/кг | Кобальт, мг/кг |
0.0 | 5036 | 10733 | 420 |
0.5 | 4249 | 8992 | 400 |
3.0 | 1988 | 3280 | 169 |
5.0 | 1190 | 2434 | 206 |
10.0 | 565 | 1342 | 69 |
15.0 | 423 | 996 | 48 |
25.0 | 123 | 322 | 33 |
30.0 | 66 | 103 | 29 |
50.0 | 51 | 85 | 20 |
ПДК тяжелых металлов в почве, мг/кг
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
