Металлургия меди, никеля и кобальта (стр. 21 )

- сушильная зона;

- восстановительная зона;

- кричная зона.

Первая зона имеет порядка 20% длины печи. В ней поддерживается температура до 600оС. В ней шихта нагревается, подсушивается. Здесь полностью удаляется гигроскопическая и конституционная влага печи.

Вторая восстановительная зона занимает от 40 до 60% длины печи. Температура в этой зоне поднимается от 600 до 1100оС. Здесь протекают основные реакции восстановления оксидов и силикатов никеля и железа восстановителем. Шихта в этой зоне медленно перекатывается по раскалённым дымовыми газами стенкам печи, прогревается и перемешивается. К концу этой зоны шихта начинает размягчаться и переходит в кашеобразное состояние.

Третья кричная зона занимает 30-40% от длины печи. Температура в зоне поднимается до 1300–1400оС. В этой зоне происходит сваривание мелких зёрен восстановленного железа и никеля. Эти сваренные зёрна и представляют собой крицу. Масса шихты в этой зоне находится в полужидком состоянии. Благодаря вращению крицы приходят в соприкосновение друг с другом и укрупняются в размерах.

Выходящая из печи густая масса в виде больших комьев охлаждается на пластинчатом транспортёре. Масса измельчается в шаровых мельницах сухого помола, где шлак превращается в тонкий порошок, а крицы обкатываются. Полученный продукт рассеивается на два или три класса по крупности. Наиболее мелкий класс (до 0,5мм) состоит в основном из шлака, а крупный класс – в основном из крицы. Все классы раздельно проходят магнитную сепарацию. Оборотные материалы возвращаются в печь. Конечными продуктами кричного процесса являются крицы и отвальный шлак, который содержит 2–5% Fe и до 0,2 % Ni.

Содержание никеля в крице может доходить до 3–4% Ni.

2.10 Подготовка сульфидных медно–никелевых руд к плавке на штейн

Основным процессам подготовки сульфидных никелевых руд к плавке на штейн помимо флотации является окускование, которое осуществляется или окатыванием в чашевых грануляторах с последующим упрочнением гранул или агломерацией.

Технологическая схема процесса окатывания шихты включает в себя следующие основные операции.

Отфильтрованный флотационный концентрат, содержащий 16–18% влаги подсушивается до влажности 8–10%. Подсушка осуществляется в сушильных вращающихся барабанных печах диаметром 3,2 м и длиной 14 м.

Подсушенная шихта поступает на смешивание с флюсами и оборотами. Операция смешивания происходит в двухвалковых смесителях.

Смешанная шихта поступает в чашевый гранулятор диаметром 5,5 м. Окатыши, диаметр которых составляет 6-15 мм, поступают на сушку, окислительный обжиг и охлаждение. Процессы сушки, обжига и охлаждения осуществляются в одном агрегате – ленточной конвейерной машине. Ленточные конвейерные машины отличаются от агломерационных машин только системой газового тракта. Рабочая площадь машин 18, 21 и 72 м2. Принцип работы ленточной конвейерной машины приведён на рисунке 2.4.

1 – оборотные газы; 2- загрузка сырых окатышей, 3 – зона сушки;

4–зона обжига; 5–зона охлаждения; 6–готовые окатыши; 7–вентиляторы

Рисунок 2.4 - Схема рециркуляции газов при термической обработке окатышей на ленточной конвейерной машине.

Укладывание окатышей на конвейерную ленточную машину осуществляется роликовым укладчиком, который равномерно распределяет их по ширине паллет. Скорость движения паллет составляет 1,0–2,0 м/мин. На машине гранулы последовательно подвергаются процессам сушки, обжига и охлаждения.

Сушка гранул осуществляется за счёт тепла оборотных газов, которые отводятся от отходящих газов машины в районе зоны обжига. В зоне сушки поддерживается температура 220–250оС. В этой зоне происходит практически полное удаление влаги. Если влага из окатышей не будет полностью удалена, то в зону окисления будут поступать влажные окатышы. Здесь они будут разрушаться из–за бурного испарения из них влаги. В результате газопроницаемость шихты ухудшится и процесс обжига может нарушиться.

В зоне окислительного обжига поддерживается температура 1050 1150оС.

Эта температура поддерживается за счёт сжигания топлива и окисления сульфидов шихты. Содержание серы в окатышах составляет обычно 10–12%. Десульфуризация в процессе обжига достигает 30–40%. Она может быть увеличена до 55%, за счёт изменения температуры в зоне окисления и скорости движения ленты. В зоне охлаждения установлены водо–воздушные форсунки – туманообразователи, с помощью которых происходит охлаждение обожжённых окатышей.

Выгруженные из конвейерно–ленточной машины окатыши дополнительно охлаждаются в шахтном холодильнике с интенсивным воздушным дутьём.

Охлаждённые окатыши подвергаются грохочению, где происходит отделение мелкой фракции. Мелкая фракция (< 5 мм) возвращается в голову процесса, а крупная фракция поступает на плавку на штейн.

Агломерирующий обжиг как метод окускования материалов используется на Норильском горно–металлургическом комбинате.

Шихта для агломерации состоит из концентратов, оборотного агломерата и каменноугольной мелочи. Целью агломерации является окускование шихты и частичное удаление серы. Для агломерационного окислительного обжига используются агломерационные машины ленточного типа с площадью всасывания 50–75 м2.

Процесс агломерации сульфидных медно – никелевых руд и концентратов осуществляется в основном за счёт тепла реакции окисления сульфидов кислородом воздуха, просасываемого через слой сульфидной шихты.

В процессе агломерации шихта протекают следующие основные процессы: сушка, термическое разложение высших сульфидов, окисление части сульфидов железа, расплавление легкоплавких составляющих шихты и спекание шихты в процессе охлаждения расславленной массы шихты.

Десульфуризация в процессе агломерации происходит как за счёт термического разложения сульфидов

2Fe7S8 = 14FeS + S2 ( 2.54)

6(NiS·FeS) = 2Ni3S2 + 6FeS +S2 (2.55)

2СuFeS2 = Cu2S + 2FeS + 0,5S2 (2.56)

так и за счёт окисления сульфида железа

2FeS + 3O2 = 2FeO +2 SO2 (2.57)

и может достигать 50–70%. Выход годного агломерата составляет порядка 85%. Расход кокса составляет 7%.

Агломерат служит хорошим материалом для процесса плавки на штейн, как в шахтных так и в электрических печах.

2.11 Плавка на штейн сульфидных медно-никелевых концентратов в шахтной печи

Исходным сырьём при плавке на штейн сульфидных никелевых руд являются богатая руда, никелевый или медно – никелевый концентраты. Плавку такого сырья можно осуществлять в шахтных печах по методу полупиритной плавки, в отражательных или электрических печах и практически любым автогенным процессом. Шахтная плавка в настоящее время потеряла своё прежнее значение. Она сохранилась только на одном из заводов в Канаде.

Сульфидные медно–никелевые руды и концентраты характеризуются двумя особенностями. Первая из них обусловлена спецификой состава сульфидной части руды, а вторая тугоплавкостью породы.

Сульфидные минералы медно – никелевых руд диссоциируют с потерей незначительного количества серы. Они плохо подвержены процессу декрептизации (растрескивания). Кроме того, сульфидная составляющая медно–никелевых руд, представленная пирротином, трудно подвергается процессу окисления. Поэтому степень десульфуризаци при шахтной плавке сульфидных медно – никелевых руд и концентратов не велика и составляет при плавке сырых руд 40-50%, а при плавке агломерата порядка 30–35%. Вследствие этого при плавке сульфидных медно – никелевых руд получаются более бедные штейны.

Доля тепла от процессов окисления сульфидов в общем тепловом балансе составляет порядка 15%. Из этого следует, что для проведения плавки требуется большое количество кокса, расход которого может составлять до 30% от массы шихты.

Пустая порода сульфидных медно–никелевых руд в значительной степени представлена высокомагнезиальными силикатами. Их температура плавления составляет порядка 1400–1550оС. В тоже время сульфидная составляющая часть руды имеет очень низкую температуру плавления, которая составляет порядка 800оС. В условиях обычной полупиритной плавки пустая порода плавиться не может. Она медленно растворяется в образовавшемся шлаке. При большом количестве пустой породы и малой десульфуризации образующегося легкоплавкого шлака (2FeO·SiO2) может не хватить для растворения тугоплавкой породы. Последняя начнёт накапливаться в печи и печь может замёрзнуть. Поэтому для обеспечения нормального хода печи в шихту вводят достаточное количество легкоплавких компонентов, которые, расплавляясь и стекая вниз в горн, растворяли бы тугоплавкую силикато-магнезиальную пустую породу. Наиболее дешёвым легкоплавким компонентом является конверторный шлак. Практика показала, что при наличии более 10 % пустой породы вести плавку сульфидных медно – никелевых руд практически невозможно. Печь в этом случае быстро зарастает настылью из тугоплавкой пустой породы. Количество добавляемого в шихту конверторного шлака составляет от 15 до 45% от количества руды.

В верхней части происходит удаление влаги и процесс нагрева шихты. По мере нагревания шихты начинается термическая диссоциация высших сульфидов по реакциям (2.54), (2.55) и (2.56).

Выделяющаяся сера сгорает за счёт кислорода воздуха, вдуваемого в печь

S2 + 2O2 = 2SO2 (2.58)

В более нижней зоне печи начинаются процессы окисления сульфидов, и первую очередь, сернистого железа по уравнению:

2FeS + 3O2 = 2FeO +2 SO2 (2.59)

Одновременно с сульфидом железа окисляются и сульфиды меди и никеля

Ni2S3 + 4O2 = 2NiO + 3SO2 ( 2.60)

2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2 (2.61)

Однако благодаря реакциям взаимодействия сульфидов меди и никеля с сернистым железом

FeS + NiO = NiS + FeO (2.62)

FeS + Cu2O = Cu2S + FeO (2.63)

никель и медь практически полностью снова превращаются в сульфиды.

В результате ниже зоны плавления, в горне собираются расплавленный шлак и неокислившиеся сульфиды железа, никеля и кобальта. Сульфиды растворяются друг в друге и образуют медно – никелевый штейн. В этом штейне растворяется и магнетит, который образуется за счёт окисления у фурм оксида железа (II). Температура плавления штейна составляет порядка 1150–1200оС.

Содержание серы в медно-никелевых штейнах в среднем составляет 25%, и к ним применимо правило Мостовича. Содержание других металлов в штейне колеблется в пределах: Ni – 6,5–16%; Cu – 4,0–10,0%; Co – 0,4– 0,6%. Выход штейна составляет 22-38 % от массы агломерата.