Основы металлургии (стр. 6 )

Извлечение в штейн Cu 94-96; Ni 94-97; Co 75-80.

Продувку Cu-Ni-х штейнов в концентратах обычно заканчивают получением файнштейна: 35-42% Ni; 25-30 Cu; 0,7-1,3 Co; 3-4 Fe; 23-24 S. При этом получают конверторные шлаки с суммарным содержанием Ni, Cu и Со 2-2,5%. С целью обеднения их подвергают дополнительной переработке в эл-х печах в присутствии восстановителя. Продуктами обеднительной плавки являются штейн, направляемый на конвертирование и отвальный шлак.

Cu-Ni файнштейн представляет собой сплав сульфидов Ni3S2 и Cu2S, содержащий Со, Pt-ды и немного Fe. Поэтому его направляют на флотационное разделение, при котором Ni концентрируют в богатом Ni-м концентрате, а Cu – в Cu-м.

В Cu-м концентрате сод-ся 68-73% Cu и до 5% Ni, а также Au и Ag. Ni-й концентрат содержит 68-72 Ni; 3-4 Cu; до 1 Со; 2-3 Fe; 22-23,5 S, а также большую часть Pt-х металлов.

Флотационные Ni-ые концентраты подвергают в начале одностадийному окислительному обжигу в печах КС при 1100 - 1200°С. Полученный при обжиге NiO содержит до 0,5% S. Восстановительную плавку NiO проводят в дуговых эл-х печах.

Рафинирование Ni проводят эл-зом, которому подвергают аноды, состава, %:
Ni 89-92; Cu 4-5; Fe 1,5-3,5; Co 2-2,5; S до 2.

Ni электролит, г/дм3: Ni2+ 70-110; Na+ 20-25; Cl¯ 40-80; SO42- 110-160; H3BO3 4-6.

Выход по току 95-97%, плотность тока 170-400 А/м2; t э/та 328-348 К; напряжение на ванне 1,8-3,7 В; расход э/энергии 2400-3800 кВт∙ч/т Ni.

2.3 Привести и охарактеризовать схему получения Ni из окисленного сырья.

Плавка на штейн окисл-х Ni-х руд проводится в шахтных печах, позтому их подвергают окускованию методом брикетирования или агломерации. Шихта состоит из брикетов или агломерата, оборотов, флюсов (известняк) и сульфидизатора (гипс или пирит). Топливо – кокс. В фокусе печи t = 1600-1700°С. На выходе из печи газы содержат 10-16% СО2; 8-16 СО и их t = 500-600°С.

Штейн содержит, %: Ni 15-18; Fe 60-63; Co 0,4-0,6; S 16-20; прочие 1-2. получение более богатого Ni-м штейна не желательно, т. к. это ведет к увеличению потерь Ni в шлаки. Выход штейна 3-8% от массы руды.

Оптимальный состав шлака, %: SiO2 44-46; FeO 18-22; CaO 15-18; MgO 8-12;
Al2O3 4-10. Выход шлака 95-105%.

При плаке на штейн с 15-18% Ni шлаки сод-т 0,12-0,2% Ni. Это отвечает прямому извлечению Ni в штейн 70-85%, в шлак до 25%.

При плавке брикетов пылевынос 5-10%, агломерата – 15%.

Ni штейны состоят из сульфидов Ni, Co, Fe или свободных ме-в. Цель конвертирования – получить Ni-й файнштейн за счет окисления Fe и S. При этом нужно max-но окислить Со и перевести его в конверторный шлак.

Ni файнштейн сод-т,%: Ni 76-78; S 19-21; Fe 0,2-0,4; Co 0,3-0,5; Cu < 2. Состав конверторных шлаков, %: Ni 0,7-1,2; Co 0,2-0,5; SiO2 27-30; Fe 49-53; MgO до 3. Такие шлаки обедняются методом перемешивания с бедным штейном в специальных конверторах или электропечным способом. Отвальные шлаки содержат 0,14% Ni и
0,05% Со, также получают Со-ый штейн 4-5% Со и 24-30% Ni.

Технология получения огневого Ni из файнштейна включает 2 стадии окислительного обжига и восстановительную плавку NiO на ме-л. Цель ок-го обжига – удаление из файнштейна серы до содержания < 0,02% и перевод Ni в NiO. Глубокое удаление серы требует выс-х температур, а Ni3S2 легкоплавок (tпл = 788°С). Это и вынуждает проводить ок-ние в 2 стадии.

Полученный в трубчатых печах NiO сод-т, %: Ni 78; Cu 0,4; Co 0,4-0,5; Fe 0,3-0,4. Процесс вост-й э/плавки осуществляют в дуговых э/печах за счет теплоты, выд-ся за счет горения других м/у графитовыми электродами и ме-м.

Огневой Ni сод-т Ni+Co не < 98,6%, Со не > 0,7%.

2.4 Особенности конвертирования Ni-х штейнов. Способы переработки Ni-х и Cu-Ni-x файнштейнов.

Ni-ые штейны состоят из сульфидов Ni, Co и Fe или свободных ме-в. Цель конвертирования – получить Ni-й файнштейн за счет окисления Fe и S. При этом одновременно ставится задача max-го окисления Со и перевода егов конверторный шлак, поскольку если Cо не отделить от Ni, на этой стадии, то он весь перейдет в огневой Ni, и будет потерян.

Присутствующие в Ni-х штейнах ме-лы имеют различную хим-ю активность. Их сродство к O2 убывает в ряду Fe→Co→Ni. Поэтому при продувке штейна в конверторе в присутствии кварцевого флюса в первую очередь будет ок-ся и ошлаковываться свободное железо и его сульфид:

6Fe + 3O2 + 3SiO2 → 3(2FeO∙SiO2) + 1876000 кДж

2FeS + 3O2 + SiO2 → 2FeO∙SiO2 + 2SO2 + 1030290 кДж

Окисление Со ускоряется по мере удаления из раствора железа. Осбенно интенсивно оно идет в конце процесса конвертирования, и конв-е шлаки последних сливов будут всегда богаче Со.

Для конвертирования Ni-x штейнов используют горизонтальные конверторы вместимостью 20 и 30 т. Продукты процесса – Ni-й файнштейн, конв-й шлак и сернистые газы.

Ni-й файнштейн сод-т, %: Ni 76-78; S 19-21; Fe 0,2-0,4; Co 0,3-0,5; Cu < 2. Более полное удаление из файнштейна Fe и Со нецелесообразно, т. к. это увеличивает окисление Ni и перевод его в шлак.

Состав конв-х шлаков, %: Ni 0,7-1,2; Co 0,2-0,5; SiO2 27-30; Fe 49-53; MgO до 3. Их обедняют методом перемешивания с бедным штейном в специальных конверторах или э/печным способом. В результате получают отвальные шлаки (0,14% Ni и 0,05% Со) и Со-й штейн (4-5 Со, 24-30 Ni).

Для конвертирования Cu-Ni-x штейнов используют горизонтальные конверторы вместимостью 75-100 т. Т. к. Ni, полученный из сульфидных руд, подвергается электролитическому рафинированию, при котором можно наиболее рационально извлечь Со, при конвертировании стремятся Со полнее оставить в файнштейне. Для этого процесс конвертирования нужно вести с неполным ок-м железа.

Файнштейн, %: Ni 35-42; Cu 25-30; Co 0,7-1,3; Fe 3-4; S 23-24. Конв-й шлаки содержат суммарно Ni+Cu+Co = 2-2,5%. Их обедняют, получая отвальный шлак и штейн, направляемый на конвертирование.

Переработка Ni-го файнштейна включает 2 стадии окислительного обжига (с промежуточным обезмеживанием огарка) и вост-ую плавку оксида Ni на ме-л. Цель обжига – удаление серы до < 0,02% и перевод Ni в NiO.

Глубокое удаление серы требует выс-х температур, а Ni3S2 легкоплавок (tпл = 788°С). Это и вынуждает проводить обжиг в 2 стадии. В начале в печах КС с целью удаления серы до 1-1,5%. Для повышения тугоплавкости шихты измельченный файнштейн смешивают с оборотной пылью (чтобы вести процесс при 950-1000°С). Ок-ние происходит по реакции:

2Ni3S2 + 7O2 → 6NiO + 4SO2

К горячему огарку (700-800°С) по выходе из печи подмешивают 10-15% сильвинита и смесь подвергают сульфатхлорирующему обжигу в трубчатом реактор-холодильнике. Процесс идет за счет физической теплоты огарка. При обжиге:

2NaCl + SO2 + O2 → Na2SO4 + Cl2

Продукты этой реакции способствуют переводу меди в форму Cl¯ и SO4¯. Из реактора огарок направляют на обезмеживание (выщ-ние меди горячей подкисл-й водой).

Огарок (0,3-0,4% Cu) направляют на окончательный обжиг (1200-1300°С) в трубчатую вращающуюся печь. Сод-ие серы остаточное до 0,02% и <. Получ-ый NiO содержит 78 Ni; 0,4 Cu; 0,4-0,5 Co; 0,3-0,4 Fe.

Процесс вост-ной э/плавки осуществляют в дуговых э/печах (4,5-10 т.).

Cu-Ni файнштейн – сплав Ni3S2 и Cu2S, сод-щий Со, Pt-ды и немного железа. Вначале его направляют на разделение Cu и Ni поскольку если его направить на обжиг и плавку, то получится сложный по составу мет-кий сплав, разделить который невозможно.

Разделение проводят 2-мя способами: флотационный метод (Ni концентрируют в Ni-м конц-те, Cu – в медном) и карбонильный (основан на способности Ni образовывать при взаимодействии с СО – карбонил Ni(СО)4 – летучее соединение).

Флотационные Ni-е концентраты подвергают обжигу в печах КС при t = 1100-1200°С. Полученный NiO содержит до 0,5% S. После выпуска огарка его предварительно восст-ют в трубчатом отапливаемом реакторе, что экономит э/энергию при последующей плавке на черн-й Ni (также в дуговых э/печах).

2.5 Особенности электролитического рафинирования Ni. Привести параметры процесса и составы продукта передела.

Анодный Ni – сложный по составу сплав, сод-й ~ 12 мет-х эл-тов и хим-е соед-я ме-в с Se, Te, O2 и S. Цель рафинирования сводится к получению чистого катодного Ni (марка
Н-0 Ni + Co = 99,99, марка Н-1 ~ 99,93%) и попутному извлечению Со, Pt-дов, Au, Ag, Cu, Se и Te.

Электролизу подвергают аноды, %: Ni 89-92; Cu 4-5; Fe 1,5-3,5; Co 2-2,5; S до 2.

Для предотвращения возможного загрязнения катодного Ni примесями Со, Fe, Zn, Cu и снижения выхода по току из-за разряда ионов Н2 необходимо вып-ие условий:

1)  тщательная очистка электролита от примесей

2)  применение оптимальных состава электролита и электрического режима электролиза

3)  разделение анодного и катодного пространств слабо фильтрующей, хим-ки и механически стойкой диафрагмой

4)  обеспечение оптимальной циркуляции электролита.

Для электролиза применяют сульфатхлоридные электролиты, сод-ие небольшое количество свободных катионов водорода. Для автоматического регулирования рН электролита 2,5-5 вводят борную кислоту, выполняющую роль буферной добавки

(В+ + 3ОН¯ ↔ Н2ВО4 ↔ 3Н+ + ВО33-).

Уменьшение рН Увеличение рН

Состав электролита, г/л: Ni2+ 70-110; Na+ 20-25; Cl¯ 40-80; SO42- 110-160; H3BO3 4-6. Электролиз ведут в ваннах ящичного типа. Катодные основы получены электролитическим наращиванием Ni на Ti-х матрицах.

Анодный процесс сводится к э/хим-му растворению Ni, Co, Fe и Cu; благородные металлы и нерастворимые в электролите хим-е соед-ния осыпаются в шлам.

Загрязненный электролит – анолит – непрерывно выводят из ванн на очистку от Fe, Co и Cu и др. После очистки чистый электролит с помощью распределительной гребенки с ниппелями, размещенной вдоль одной из бортов ванн, подается в каждую катодную диафрагму (32-44 диафрагмы).