Металлургия меди, никеля и кобальта (стр. 22 )

Состав шлаков шахтной плавки сульфидных медно – никелевых руд колеблется в следующих пределах: Ni – 0,1-0,3%, Cu – 0,08–0,25%, Сo–0,035–0,092%, SiO2 – 31–42%, FeO – 33–43 %, CaO – 5,0–9,0%, Al2O3 – 5–10 %. Обычно стремятся, чтобы содержание SiO2 в шлаке было не ниже 36%, а МgО – не выше 12%. Температура выпускаемого шлака составляет 1250 - 1350оС.

Отходящие газы шахтной плавки сульфидных медно–никелевых руд имеют пониженное содержание SO2 ( 0,2–1,0%) и повышенное содержание СО2 (4,0–8,0%).Это объясняется низкой десульфуризацией в процессе плавки и большим расходом кокса.

Унос пыли из шахтной печи составляет 1,0-3,0%.

Извлечение металлов в процессе плавки составляет для никеля – 83–93%, меди – 84–95% и Со – 45-70%.

При плавке сульфидных никелевых руд используются печи, конструкция которых практически не отличается от печей полупиритной плавки сульфидных медных руд.

2.12 Отражательная плавка

Отражательная плавка сульфидных медно–никелевых концентратов сохранилась только на канадском заводе Коппер-Клифф. Перед отражательной плавкой сульфидный медно–никелевый концентрат подвергается окислительному обжигу в печах кипящего слоя.

Отражательная плавка сульфидных медно–никелевых концентратов мало чем отличается от отражательной плавки обожжённых медных концентратов. Основой плавки служат реакции оксидов никеля и меди с сульфидом железа:

6NiO +6FeS +2O2 + 3SiO2 = 2Ni3S2 + 3(2FeO·SiO2) + 2SO2 (2.64)

2CuO + 2FeS + SiO2 = 2Cu2S + 2FeO·SiO2 (2.65)

2Cu2O +2FeS + SiO2 = 2Cu2S + 2FeO·SiO2 (2.66)

2СоО + 2FeS + SiO2 =2CoS + 2FeO·SiO2 (2.67)

В результате протекания этих реакций медь и никель переходят в сульфиды, образуя медно – никелевый штейн, а железо переходит в шлак.

Поскольку состав штейна зависит от содержания Cu и Ni и степени десульфуризации, то в процессе отражательной плавки получают бедный штейн, содержащий 10% -13% Ni + Cu.

Состав шлаков отражательной плавки сульфидных медно–никелевых руд колеблется в следующих пределах: Ni – 0,2%, Cu – 0,08%, SiO2 - 36%, FeO – 48-50%, Al2O3 – 7%, CaO – 3%, MgO – 6%.

Хотя суммарное содержание никеля и меди в шлаке невысокое, тем не менее, извлечение этих металлов в штейн составляет порядка 90%. Низкое извлечение никеля и меди в штейн обуславливается большим выходом шлака.

2.13  Плавка на штейн сульфидных никелевых руд и

концентратов на штейн в электрической печи

Для электроплавки сульфидных медно–никелевых руд и концентратов используют руднотермичечские печи. По химизму реакций электроплавка сульфидного сырья фактически является аналогом отражательной плавки. Однако механизм плавления шихты в отражательной печи и в электропечи различен.

Ванна расплава руднотермической печи состоит из двух слоёв: шлакового и штейнового. Высота верхнего шлакового слоя составляет 1700–1900 мм, а нижнего штейнового слоя – 600-800 мм. Загружаемая в электропечь твёрдая шихта погружена в шлаковый слой ванны в виде конических куч, как это показано на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Расположение шихты в рабочем пространстве электропечи.

Часть шихты растекается по поверхности шлака. Плавление шихты осуществляется за счёт тепла, которое выделяется в шлаковом слое при пропускании через него электрического тока. Электрический ток в шлаковый расплав осуществляется с помощью трёх или шести угольных электродов.

Глубина погружения электродов в шлаковый расплав составляет 300–500мм.

Выделение тепла в шлаковом расплаве происходит двумя путями: за счёт возникновения микроскопических дуг на границе электрод – расплавленный шлак (40-80%) и за счёт выделения джоулева тепла (20-40%).

В результате выделения тепла шлаковый расплав разогревается. Наибольшая температура шлакового расплава наблюдается в непосредственной близости от поверхности электродов. Здесь шлак наиболее насыщен пузырьками. Плотность этого расплава меньше, чем расплава находящегося вдали от поверхности электрода. Шлак, имеющий меньшую плотность, будет подниматься вверх вдоль поверхности электрода и растекаться по поверхности расплавленного шлака, во все стороны от электрода. Сталкиваясь с шихтой, плавающей на поверхности расплава, горячий шлак отдаёт ей своё тепло, подплавляет

шихтовую кучу и охлаждается. Более холодный шлак имеет большую плотность и опускается вниз и сова попадает к боковой поверхности электрода. Таким образом в шлаковом расплаве имеем место циркуляция шлака, которая схематично показана на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Схема циркуляции шлака в руднотермической печи.

Циркуляционное движение шлака обеспечивает массо - и теплообмен в ванне печи. Это даёт возможность разогревать шлак до температуры порядка 1450оС и более. Поэтому в электропечи можно перерабатывать тугоплавкие шихты.

Жидкими продуктами электроплавки являются медно–никелевый штейн и шлак. Состав штейнов колеблется в следующих пределах: Ni – 7-16 %; Cu – 7–2%; Co – 0,3–0,5%; Fe – 47–53%; S – 23-27%. Штейны выпускаются при температуре 1100–1150оС.

Шлаки руднотермической плавки имеют следующий состав: Ni – 0,07- 0,11%; Cu – 0,06–0,10% ; Co – 0,03-0,04%; SiO2 - 41–45%; FeO – 24–30%; MgO – 10–22%; Al2O3 – 5–12%; CaO – 3–5%.

Из состава шлаков видно, по содержанию никеля и кобальта они значительно беднее шлаков других плавок на штейн.

В процессе электроплавки образуются также газы. В основном они состоят N2, O2, СО2 и SО2. Образование газов связано в основном с термической диссоциацией высших сульфидов (при плавке окатышей), карбонатов и горения углеродистых материалов шихты и электродов. Взаимодействие между высшими оксидами железа и сульфидами носит второстепенный характер. В связи с этим десульфуризация при электроплавке сульфидных никелевых руд и окатышей составляет 15–20%, а агломерата 2–5%. Поэтому отходящие газы процесса электроплавки сульфидных руд и концентратов бедны по содержанию SO2. Температура отходящих газов не превышает 600оС. Объём отходящих из процесса электроплавки газов примерно в 10 раз меньше объёма газов при плавке сульфидных руд и концентратов в отражательной печи. В связи с этим пылевынос из электропечи невелик и составляет не более 0,5% от массы шихты.

Для плавки сульфидных руд и концентратов используют прямоугольные печи с тремя или шестью электродами. Площадь трёхэлектродных печей («Североникель») составляет 58м2, а шестиэлектродных - 113–184м2. Ширина печей колеблется в пределах 5,2-6,7м. Печи оборудованы самообжигающимися угольными электродам. Электроды представляют собой железный кожух диаметром 1200мм, заполненный углеродистой массой. По мере сгорания и опускания электродов кожух наращивают. Электродная масса по мере опускания электрода нагревается. В процессе нагрева электродная масса высушивается, спекается и превращается в плотный монолит.

Загрузка шихты осуществляется через боковые и центральное отверстие в своде.

Выпуск штейна осуществляется через шпуровые отверстия, расположенные в торце печи. Выпуск шлака осуществляется также через шпуровые отверстия, расположенные на противоположном торце печи.

Работа руднотермической печи для плавки сульфидных медно-никелевых руд характеризуется следующими основными показателями.

Производительность печи, т/сут 600–900

Удельный проплав, т/(м2·сут) 8–10

Извлечение в штейн, %:

никеля 94–97

меди 94–96

кобальта 75-80

Расход электроэнергии на 1 т шихты, кВт·час 570–820

2.14 Конвертирование медно-никелевых штейнов

Медно–никелевые штейны отличаются по своему составу от никелевых штейнов. В них, в отличие от никелевых штейнов, содержится дополнительная сульфидная составляющая Cu2S, а также металлическая медь. Количество магнетита в штейне зависит от способа плавки исходного сырья. Например, в штейнах электроплавки при наличии углерода в шихте магнетита мало. В то же время штейны электропечи могут содержать 10-20 % металлической фазы.

О последовательности окисления компонентов штейна можно судить по величине химического сродства кислорода к металлу, которое по убыли сродства располагается в ряд Fе–Co–Ni–Cu. Поскольку при переработке сульфидных медно – никелевых руд кобальт рационально сохранить в файнштейне, то процесс конвертирования необходимо вести с неполным окислением сульфида железа. В противном случае кобальт будет переходить в конверторный шлак. Поэтому продувка медно–никелевых штейнов аналогична первому периоду конвертирования медных штейнов и заканчивается ошлакованием железа из сульфида и магнетита и получением медно – никелевого файнштейна:

2FeS + 3O2 + SiO2 = 2FeO·SiO2 + 2SO2 (2.68)

В результате протекания этой реакции происходит значительное сокращение штейна и обогащение его сульфидами меди и никеля. Это приводит к тому, что из штейна выделяется магнетит, растворённый в штейне. Этот избыточный магнетит частично реагирует с сульфидом железа

3Fe3O4 + FeS +5SiO2 = 5(2FeO·SiO2) + SO2, (2.69)

а частично переходит в конверторный шлак.

Химический состав файнштейна колеблется в следующих пределах: Ni – 35-42%, C – 25-30%, Co – 0,5–1,5 %, Fe – 3,0–4,0%, S – 23–24%.

Прямое извлечение в файнштейн составляет для Ni – 90–94 %, для Cu - 90–93 %.

Конверторный шлак содержит до 1,0-1,2% Ni, до 0,8-1,0% Cu, 0,3–0,5% Со, 48–49 % Fe, 23–25% SiO2. Содержание Fe3O4 в шлаке тем больше, чем меньше концентрация SiO2 в шлаке. При содержании в шлаке 23–25% SiO2 концентрация Fe3O4 составляет 17–14,5%. Для снижения содержания ценных Ni, Cu и Cо конверторный шлак подвергается процессу обеднения, который осуществляется плавкой в специальных электропечах. В результате получают кобальтсодержащий металлизированный штейн и отвальный шлак.

Полученный после обеднительной плавки штейн возвращают на конвертирование.

Конвертирование медно-никелевых штейнов осуществляется с добавкой флюсов и оборотов. В качестве флюса используется дроблёный кварцит, содержащий не менее 75% SiO2 или кварцевый песок с содержанием SiO2 не менее 60% SiO2. Расход флюса зависит от состава штейна и колеблется в широких пределах от 1,0 до 2,3 т на 1т файнштейна. В качестве холодных присадок используются штейновые корки, конверторная пыль, крошки файнштейна. Количество холодных присадок составляет 40 – 50% от массы жидкого штейна. Температура в процессе конвертировании поддерживается в пределах 1250–1350оС.