Металлургия меди, никеля и кобальта (стр. 16 )

2FeSO4 + H2SO4 +0,5 O2 = Fe(SO4)3 + 2H2O (1.103)

CuFeS2 +2Fe(SO4)3 +2H2O +3O2 = CuSO4+2H2SO4+ 5FeSO4 (1.104)

2CuS +2Fe(SO4)3+2H2O+O2 = 2CuSO4+2H2SO4 + 4FeSO4 (1.105)

Принципиальная схема процесса кучного выщелачивания приведена на рисунке 1.27.

1-  основание кучи; 2- рудная масса; 3 –раствор для выщелачивания;

4 – раствор сульфата меди; 5- бассейн для сбора конечного раствора

Рисунок 1.27 - Схема кучного выщелачивания.

Рудная масса весом до 6000 тыс. т укладывается на наклонный водонепроницаемый пол. Сверху на кучу поступает выщелачивающий раствор. Образующийся раствор сульфата меди стекает по наклонному снованию в сборный бассейн. Раствор, полученный в результате кучного выщелачивания, содержит 0,3–3,0 г/л меди.

Кучное выщелачивание при незначительных капитальных и эксплутационных затратах позволяет обрабатывать огромные массивы забалансового сырья. Оно позволяет получать ощутимое дополнительное количество меди.

Подземное выщелачивание, как естественный процесс, происходит на всех эксплуатируемых шахтным способом рудниках. Оно может быть организованно искусственно на отработанных или законсервированных рудниках для извлечения меди из оставшихся целиков и обрушенных горных пород.

Подземное выщелачивание может проводиться речной водой, оборотными растворами, рудничными водами. Процесс выщелачивания идёт медленно и может продолжаться годы. Раствор, полученный в результате подземного выщелачивании, содержит 1,8–2,5 г/л меди. Стоимость меди, полученной методом подземного выщелачивания определяется в основном затратами на бурение скважин для закачки раствора и выделения меди из полученного раствора.

Для интенсификации процесса выщелачивания в последнее время при подземном выщелачивани применяют определённый вид бактерий, которые распространены в природе. Бактерии не принимают непосредственного участия в процессе выщелачивания. Они служат катализатором, который ускоряет образование сульфата железа (III) из сульфата железа (II)

4FeSO4 + 2H2SO4 + O2 + бактерии =2Fe2(SO4)3 + 2H2O (1.106)

Исследования показали, что при наличии бактерий образование трёхвалентного железа в 100–120 раз больше, чем при отсутствии бактерий.

Принципиальная схема установки для бактериального выщелачивания приведена на рисунке 1.28.

1 - бактериальный регенерационный пруд; 2- насосная станция;

3 - трубопровод для подачи растворителя в рудный пласт;

4 – компрессорная станция; 5- коллектор; 6 – гибкие шланги;

7-гибкие шланги; 8-скважины для закачки раствора; 9–рудный массив; 10- рудный горизонт, где накапливается раствор сульфата меди;

11-насос для откачки раствора; 12 – лимнографическая будка;

13-отстойник откачанного из-под земли раствора;

13- отстойник растворов; 14 – сушка и складирование цементной меди;

15- транспортная тележка; 16-цементационная установка

Рисунок 1.28 - Схема установки для бактериального подземного выщелачивания.

Из растворов, полученных путем кучного и бактериального выщелачивания, медь извлекается цементацией. В качестве цементатора используют материалы на основе железа: железный лом, стружку, обрезь жести, обезлуженную консервную жесть, губчатое железо. Эти материалы характеризуются достаточной активностью и в тоже время являются относительно дешёвыми и доступными.

При цементации протекает химическая реакция

Fe + CuSO4 = Cu + FeSO4 (1.107)

В современной практике цементации меди из сернокислых растворов широкое распространение получили цементационные желоба, вращающиеся барабаны и чаны с механическим перемешиванием.

Основным продуктом процесса цементации является цементная медь. Она содержит порядка 65–75 % меди, а остальное в основном железо. Отработанные растворы содержат примерно 0,05 г/л меди. Они направляются на выщелачивание. Расход железа на цементацию меди составляет 1,5–2,5 т на 1 т меди.

При использовании процесса цементации возникает необходимость расходования серной кислоты для регенерации оборотных растворов, содержащих Fe2SO4:

4FeSO4 + 2H2SO4 + O2 = 2Fe(SO4)3 + 2H2O (1.108)

Кроме того, возникает необходимость дополнительной очистки цементной меди перед процессом её переплавки.

Эти особенности являются недостатками процесса цементации.

На ряде заводов в США и Африки извлечение меди из растворов после кучного и подземного выщелачивания осуществляют с помощью процесса экстракции. Суть процесса заключается в смешении водного медь содержащего раствора с органической фазой. Медь из водного раствора переходит в органическую фазу и концентрируется в ней. После стадии реэкстракции органической фазы получаются растворы, содержащие до 90 г/л меди. Такой раствор может быть использован для переработки электролитическим способом с получением чистой катодной меди.

В последние годы разработаны сорбционные процессы для извлечения меди из растворов после кучного и подземного выщелачивания. В этих процессах используются ионообменные материалы (смолы), которые позволяют получать растворы пригодные для электролитического получения меди,

2 МЕТАЛЛУРГИЯ НИКЕЛЯ

2.1 Руды и минералы

В настоящее время разрабатывается два вида никелевых руд, которые резко отличаются друг от друга по своему химическому составу и свойствам: окисленные никелевые руды и сульфидные никелевые руды.

Окисленные никелевые руды представляют собой горные породы, состоящие из гидратированных магнезиальных силикатов, алюмосиликатов и оксидов железа. Никелевые минералы в них составляют незначительную часть рудной массы. В окисленных никелевых рудах никель наиболее часто представлен в виде минералов: бунезита(NiO), гарниерита[(Ni, Mg)O ·SiO2·nH2O)] и ревденксита [3(Ni, Mg)O·2SiO2·2H2O].

Полезным компонентом окисленных никелевых руд является кобальт. Его содержание в руде в 15–25 раз меньше содержания никеля. Иногда в окисленных никелевых рудах в небольшом количестве присутствует медь. Её содержание в руде колеблется в пределах 0,01–0, 02%.

Пустая порода, которая составляет основную массу руды, представлена силикатами: каолином (Al2O3·2SiO2·2H2O), тальком (3MgO·4SiO2·H2O), бурым железняком Fe2O3·nH2O, кварцем (SiO2) и известняком (CaCO3).

Окисленные никелевые руды отличаются непостоянством состава, как по ценным компонентам, так и по пустой породе. Возможные пределы концентраций компонентов руды можно охарактеризовать следующими цифрами, %: Ni – 0,7–4; Co – 0,04–0,16; SiO2- 15–75; Fe2O3 – 5,0–65; Al2O3 – 2 – 25; Cr2O3 – 1–4; MgO – 2-25; CaO – 0,5-2; конституционная влага – 10-15.

До сих пор не найдены рациональные методы обогащения окисленных никелевых руд. Поэтому они после соответствующей подготовки непосредственно поступают в металлургическую подготовку. Для окисленных никелевых руд характерны пористое, рыхлое строение, малая механическая прочность, высокая гигроскопичность ( до 40 %).

В СНГ промышленные месторождения окисленных никелевых руд находятся на Южном Урале (Буруктальское месторождение), и на Украине. В дальнем зарубежье промышленные месторождения окисленных никелевых руд находятся в Новой Каледонии, на Кубе (Моа - Бей, Никаро), Филлипинах, в США, Бразилии, Индонезии, Австралии и Греции.

В сульфидных рудах никель присутствует в виде пентландита [(Ni, Fe)S], представляющего собой изоморфную смесь сульфидов никеля и железа переменного состава, и в форме твёрдого раствора в пирротине Fe7S8. Основным спутником никеля в сульфидных рудах является медь. Она содержится в них в виде халькопирита (СuFeS2).

Из – за высокого содержания в них меди эти руды часто называют медно – никелевыми. В сульфидных руда наряду с медью обязательно содержится кобальт, металлы платиновой группы (платина, палладий, родий, рутений, осмий, иридий) и благородные металлы (золото, серебро), рассеянные элементы (селен, теллур), а также сера и железо. Сульфидные медно – никелевые руды являются полиметаллическим сырьём сложного химического состава. При металлургической переработке из них извлекают 14 ценных компонентов, включая серу.

Химический состав сульфидных медно - никелевых руд колеблется в следующих пределах, %: Ni – 0,3–5,5; Cu – 0,2–1,9; Co – 0,02–0,2; Fe – 30– 40; S – 17–28; SiO2 – 10–30; MgO – 1–10; Al2O3 - 5-8.

Сульфидные медно–никелевые руды характеризуются высокой механической прочностью, негигроскопичны и могут подвергаться обогащению. Как правило, обогащению подвергаются только сравнительно бедные руды, содержащие 1,5–2,5% Ni. Более богатые руды после соответствующей подготовки направляют на плавку.

В СНГ промышленные месторождения сульфидных медно–никелевых руд находятся на Кольском полуострове (Мончегорск), на Таймыре (Норильск). В дальнем зарубежье промышленные месторождения сульфидных никелевых руд находятся в Канаде и Австралии.

Кроме окисленных никелевых и сульфидных медно–никелевых руд, сырьём для получения никеля могут служить мышьяковистые руды, добываемые в Бирме и Канаде.

2.2 Некоторые особенности переработки окисленных никелевых и сульфидных медно – никелевых руд

Для извлечения никеля из всех видов рудного сырья используются как пирометаллургические, так и гидрометаллургические способы. В настоящее время существует два чётко разделённых в промышленных условиях технологических направления переработки никельсодержащего сырья. Это связано с переработкой двух основных типов никелевых руд: окисленных и сульфидных.

Ниже приведены технологические схемы металлургической переработки окисленных никелевых руд (рисунок 2.1) и сульфидных медно-никелевых руд (рисунок 2.2).

Переработка окисленных никелевых руд несколько проще по сравнению с переработкой сульфидных медно–никелевых руд. Она включает подготовку шихты к металлургической переработке (агломерация или брикетирование), восстановительно-сульфидирующую плавку на штейн, конвертирование штейна, окислительный обжиг файнштейна, восстановительную плавку оксида никеля и заканчивается получением огневого никеля, который в гранулированном состоянии без дополнительного рафинирования отправляется потребителю, в основном, в чёрную металлургию. Очистка никеля от таких примесей, как Fe, Cu, Co и S происходит в процессе всей многостадийной технологии.