Технология металлургических процессов (стр. 7 )

Газы никелевой плавки, конвертеров и обжиговых печей используют для производства серной кислоты.

Подготовка медно-никелевых концентратов к плавке состоит в получе­нии материала в нужном физико-механическом состоянии для плавки и уда­лении части серы для получения штейна заданного состава.

Плавку медно-никелевых руд и концентратов можно осуществлять в отражательных печах; теория и практика этого процесса аналогичны плавке мед­ных концентратов. Однако при содержании в сырье более 10% MgO отража­тельная плавка малопроизводительна и требует большого расхода топлива.

Могут быть использованы шахтные печи. По существу это полупиритный процесс. При повышенном содержании тугоплавких компонентов пус­той породы в шихту вводят большое количество конвертерного шлака, и плавка становится экономически нерациональной.

На отечественных заводах для плавки медно-никелевой шихты используют электроплавку в рудно-термических печах. Протекающие процессы об­разования штейна и шлака не отличается от таких процессов при отражательной плавке и электроплавке медных концентратов.

Жидкими продуктами электроплавки являются штейн и шлак. Штейн выделяют из печи с температурой 1100-1150°С; его состав, %: 7-16 Ni; 7-12 Сu; 0,3-0,5 Со; 47-55 Fe; 23-27 S.

Шлак представляет собой сплав оксидов кремния SiO2, железа FeO, магния MgO и алюминия А12О3. Температура шлака колеблется в интервале 1250-1400°С; это отвальный продукт, %: 0,07-0,11 Ni; 0,06-0,10 Сu; 0,03­0,04 Со; 41-45 SiO2; 24-30 FeO; 10-22 MgO; 5-12 А12О3; 3-5 CaO.

Электропечные газы образуются за счет термической диссоциации сульфидов (десульфуризация 10-20%), карбонатов и горения углеродистых составляющих шихты и электродов.

Конвертирование медно-никелевых штейнов осуществляют в горизонтальных конвертерах емкостью 75-100 т. Этот процесс отличается от конверти­рования никелевого штейна отсутствием периода окисления металлического же­леза, т. к. медно-никелевые штейны менее металлизированы. От переработки медных штейнов процесс отличается отсутствием второго периода продувки на металл; для этого требуются высокие температуры (1700-1800°C), при которых быстро разрушается футеровка. В связи с этим при конвертировании ограничи­ваются получением файнштейна, как при конвертировании никелевого штейна.

Медно-никелевый файнштейн представляет собой сплав сульфидов ме­ди, никеля и кобальта. В файнштейне растворяются металлы платиновой группы. С тем чтобы оставить кобальт в файнштейне, окисляют не все желе­зо и заканчивают продувку при содержании железа в файнштейне 2,5-3,0%.

Количественный минералогический состав медно-никелевого файнштейна зависит от его химического состава. Химический состав представлен в таблице 9.

Плотность файнштейна составляет 5,6-5,8 т/м, а температура плавления 880-920оС, в зависимости от его химического и минералогического состава.

Таблица 9 - Химический состав медно-никелевого файнштейна

Наименование	Массовая доля, %
продукта	Никель	Медь	Кобальт	Железо	Сера	Прочие
Файнштейн медно­никелевый	33,0-50,0	23,0-40,0	0,60-2,00	2,0-3,7	21,5-23	до 1,00
Среднее значение	43,8	29,0	1,18	2,9	22,8	0,32

Выплавленный файнштейн поступает на розлив и охлаждение. По условиям последующего механического (флотационного) разделения отношение меди к никелю в файнштейне должно составлять около единицы, содер­жание железа не более 2,5-3,5% и максимально возможное содержание серы.

Конвертерные шлаки содержат 2,0-2,5% суммы никеля, меди и ко­бальта, их обедняют в отдельных электропечах бедной сульфидной рудой или бедным штейном. При этом получают отвальный шлак и штейн, обога­щенный кобальтом, направляемый также на конвертирование, В результате такой переработки конвертерного шлака извлечение кобальта из руды в мед­но-никелевый файнштейн составляет около 60%.

Разделение меди и никеля осуществляют флотацией или через получе­ние карбонилов никеля.

Получение анодов из никелевого концентрата, получаемого при флотационном разделении файнштейна, предусматривает окислительный обжиг и восстановительную электроплавку огарка.

Физико-химические основы и практика обжига аналогичны обжигу медных, цинковых концентратов и никелевого файнштейна. Так как никеле­вые аноды подвергают электролитическому рафинированию, отсутствует необходимость в глубокой десульфуризации при обжиге; сера связана с Cu2S и перейдет в шлам.

Обжиг проводят в одну стадию в печах кипящего слоя при 1100-1200°С, полученный огарок содержит менее 0,5% серы.

Огарок, выпускаемый из печи КС, предварительно восстанавливают в трубчатом отапливаемом реакторе с целью экономии электроэнергии при последующей плавке на черновой никель.

Восстановительную плавку огарка проводят в дуговых электропечах по технологии, близкой к восстановительной электроплавке на огневой никель. Г отовый металл разливают в аноды на карусельной или ленточной разливочной машине. Анодный никель содержит, %: 89-92 Ni; 4-5 Си; 1,5-3,5 Fe; 0,1-0,3 Co; до 2,0 S. Анодный никель направляют на электролитическое рафинирование.

Электролиз никеля — сложный процесс, во многом отличающийся от электролиза меди, т. к. требует глубокой очистки электролита от примесей других металлов.

Основная особенность электролиза никелевого анода состоит в том, что на катоде вместе с ионами никеля могут восстанавливаться ионы других эле­ментов, имеющих потенциал, более электроположительный, чем у Ni(II).

Чтобы обеспечить осаждение на катоде никеля, катодное пространство в электролитной ванне отделяют от анодного диафрагменной ячейкой. Ее из­готовляют из брезента либо другой кислотоупорной проницаемой ткани, на­тянутой на каркас. Катодную основу помещают в диафрагменной ячейке. Электролит, поступающий внутрь катодной ячейки, называют католитом, а вытекающий из нее через диафрагму, - анолитом.

Электролитическое рафинирование никеля обеспечивает получение чистого металла марок Н-0 и Н-1 и попутное извлечение ценных спутников: кобальта, меди, платиноидов, золота, серебра, селена и теллура.

Различие физико-химических свойств продуктов пирометаллургическо­го производства меди и никеля позволяет визуально отличить их друг от дру­га.

4.3 Порядок выполнения

1. Изучить состав штейнов, шлаков, черновых и катодных металлов. При изучении образцов обратить внимание:

— на происхождение образцов;

— химический состав;

— особенности внешнего вида;

— особенности кристаллической структуры.

2. На основании изучения образцов дать их краткую характеристику.

3. Рассчитать рациональный состав медного концентрата в соответст­вии с вариантом индивидуального задания (таблица 10)

По данным минералогического анализа, медь в концентрате находится в виде халькопирита (CuFeS2) и ковеллина (CuS) в соотношении 1:1, никель - пентландита (NiFeS2), цинк - сфалерита (ZnS), все остальное железо - в виде пирита (FeS2) и пирротина (Fe7S8) в соотношении 2:1. Пустая порода представлена кварцевым песком (SiO2), известняком (СаСО3) и глиноземом (Al2O3). Содержание серы и прочих берется из расчетов.

Таблица 10 - Химический состав медного концентрата

Номер варианта	Содержание, %
Cu	Zn	Ni	Fe	SiO2	CaO	Al2O3
1	26,0	-	2,0	28	2,5	2,0	2,5
2	22,0	-	1,5	29	3,0	2,5	3,0
3	24,0	-	2,0	30	3,5	2,0	3,5
4	23,0	-	1,6	27	2,8	2,4	2,8
5	21,0	-	1,5	29	3,2	1,8	3,2
6	20,0	-	1,7	30	3,6	1,2	2,8
7	29,0	-	1,0	25	4,0	1,5	2,7
8	25,0	-	1,9	32	2,8	1,2	3,1
9	21,8	-	1,2	26	3,1	1,6	3,8
10	20,5	-	1,2	27	3,2	1,5	2,9
11	20,2	-	1,3	28	3,6	1,8	3,2
12	21,6	-	1,5	29	3,8	1,9	3,5
13	23,5	-	1,9	30	3,5	2,1	3,6
14	20,3	-	1,8	31	3,4	1,8	2,4
15	20,2	-	1,6	32	3,6	1,6	2,4
16	21,5	1,7	-	26	4,0	1,8	3,6
17	20,2	1,5	-	27	3,4	1,6	2,8
18	23,0	1,1	-	28	3,8	1,0	3,7
20	22,0	1,2	-	26	3,7	2,0	3,5
21	21,5	1,7	-	27	4,0	1,7	3,5
22	22,0	1,7	-	30	4,1	1,5	3,7
23	20,0	1,6	-	29	4,6	2,0	3,7
24	23,0	1,0	-	28	4,5	2,1	3,7
25	21,5	2,0	-	27	4,6	1,2	3,8

5 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ВЫСОКОЙ СТЕПЕНИ ЧИСТОТЫ»

5.1 Цель работы

Овладение методом получения сплавов высокой степени чистоты путем возгонки с последующей перекристаллизацией.

5.2 Оборудование и материалы

силитовая печь; кварцевая пробирка; алундовые тигли; вакуумный насос; водоохлаждаемый холодильник; слитки сурьмы; весы с разновесами

5.3 Теоретическая часть

Развитие ряда новых областей науки и техники потребовало применения металлов и других веществ высокой степени чистоты. Такие материалы необходимы, например, для атомной и полупроводниковой техники, квантовой электроники, радиотехники и др.

Необходимость применения сверхчистых материалов обусловлена тем, что их основные физико-химические и механические свойства претерпевают резкие изменения даже при ничтожно малых содержаниях примесей. Так, миллиардная доля примесей изменяет электрические характеристики Германия и других полупроводниковых материалов. Присутствие даже ничтожного количества некоторых примесей резко повышает способность циркония, алюминия и магния к поглощению тепловых нейтронов и тем самым лишает их основного свойства, необходимого для использования в атомной технике.

Высокие требования, предъявляемые к чистоте материалов и совершенству их структуры, не могут быть удовлетворены при получении их обычным металлургическим и химическим методами. Поэтому возникла необходимость изыскания и разработки новых, более совершенных методов глубокой очистки металлов и других веществ.

К таким методам, получившим широкое распространение, относятся зонная плавка, вытягивание слитков из расплава, возгонка с последующей перекристаллизацией.

5.3.1 Зонная плавка

Этот метод применяется, в основном, для разделения и глубокой очистки исходных материалов от примесей. Зонную плавку можно использовать также для выращивания монокристаллов. Схема установки для зонной плавки показана на рисунке 7.

Длинный тонкий слиток металла 2, подлежащего очистке, загружают в кварцевую или графитовую лодочку 3. Лодочку со слитком помещают в горизонтальную кварцевую трубу 5, образующую рабочее пространство установки. Затем трубу вводят в кольцевой нагреватель или высокочастотный индуктор 1. По мере расправления металла и образования жидкой зоны 4 нагреватель перемещают относительно лодочки со скоростью 0,5-2 мм/мин. При этом расплавленная часть слитка, выходя из сферы действия нагревателя, начинает затвердевать, а примеси остаются в жидкой фазе. Таким тем расплавленная зона постепенно будет проведена от одного конца слитка до другого.

Рисунок 7 - Схема установки для ведения зонной плавки

1 - высокочастотный индуктор; 2 - слиток металла; 3 - графитовая лодочка; 4 - жидкая зона;

5 - кварцевая труба

Стремясь остаться в жидкой фазе, примеси будут все сильнее насыщать расплав и одновременно оттесняться в хвостовую часть слитка. В результате слиток станет значительно чище, чем был до расплавления, а хвостовая часть окажется сильно насыщенной примесями. Отрезая эту часть слитка и повторяя процесс плавки несколько раз, можно получить слитки требуемой чистоты.

5.3.2 Вытягивание кристаллов из расплава

Принципиальная схема этого метода показана на рисунке 8.

Рисунок 8 - Схема установки по методу вытягивания слитка из расплава

1 - вакуумная камера; 2 - шток; 3 - затравка; 4 - твердая фаза; 5 - жидкий металл; 6 - графитовый тигель; 7 - высокочастотный нагреватель

Установка представляет собой цилиндрическую вакуумную камеру 1, выполненную из кварца. Вокруг тигля размещается высокочастотный нагреваВ жидкий металл 5, находящийся в кварцевом или графитовом тигле 6, опускают затравку 3 из этого же металла, которая поднимаясь вверх, вытягивает за собой из жидкой кристаллизующуюся твердую фазу 4. Для получения слитка симметричной формы шток 2 с держателем вращается в процессе вытягивания кристаллов. Вытягивание проводится в вакууме или в среде инертного газа. В результате этого процесса металл оказывается значительно чище исходного.

5.3.2 Возгонка с последующей перекристаллизацией

Этот метод основан на различии в температурах испарения основного металла и примесей, имеющих высокую температуру испарения. Для изучения процесса используется установка, представленная на рисунке 9. Она состоит из силитовой печи 3, в которую помещается кварцевая пробирка 2. В пробирке находится тигель со слитком металла 1. Пробирка соединена с вакуумным насосом. В верхней ее части установлен водоохлаждаемый холодильник 4, на котором конденсируются пары металла и формируется перекристаллизованный слиток 5.

Рисунок 9 - Схема установки для проведения возгонки слитка с последующей

1 - слиток металла; 2 - кварцевая пробирка; 3 - силитовая печь; 4 - водоохлаждаемый холодильник; 5 - перекристаллизованный слиток

5.4 Порядок выполнения работы

1. Поместить в кварцевую пробирку слиток сурьмы, предварительно загрязненный свинцом или медью. Содержание примесных элементов определить взвешиванием.

2. После создания вакуума в пробирке последнюю опустить в шахтную силитовую печь, нагреть до температуры 800 ºС и выдержать при данной температуре 1 час.

3. Пробирку охладить на воздухе и извлечь перекристаллизованный слиток сурьмы и слиток примесных металлов. Взвешиванием определить качество очистки сурьмы.

5.5 Содержание отчета

1. Привести схему установки для очистки металлов перекристалллизацией и таблицу с данными о потере примесей слитком после возгонки.

2. Сделать теоретическое обоснование полученного результата и общие выводы по работе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  , , Якушев металлургия: Учебник. – М.: Металлургия, 2002.

2.  , Макаров и экономика переработки железных руд. - М.: Металлургия, 1977. – 255 с.

3.  Готлиб процесс. - М.: Металлургия, 1966. – 503 с.

4.  В, Уткин переработка медно-никелевого сырья. - Челябинск: Металлургия,1985.

5.  Севрюков цветных металлов. - М.: Металлургия, 1969. – 405 с.

6.  Борнацкий -химические основы сталеплавильных процессов. - М.: Металлургия, 1974. – 320 с.

7.  , Соколов стали и ферросплавов. - М.: Металлургия, 1976. – 376 с.