Металлургия меди, никеля и кобальта (стр. 33 )

Для агломерации окисленных никелевых руд используют ленточные машины с площадью всасывания 50 и 75м2. Шихта для агломерации включает помимо окисленной никелевой руды оборотный агломерат (18–20%) и коксик (8–12%), представляющий из себя мелкий кокс крупностью порядка 5 мм. Крупность руды и агломерата колеблется в пределах 20–30 мм. При смешении шихты её увлажняют до 20–24%. В качестве связующих в процессе агломерации служат железо – магниевые силикаты, а также их разновидности, такие как гиперстен (Fе, Mg)SiO2 и значительно меньше фаялит.

Cтандартная ленточная агломерационная машина представляет собой длинную металлическую раму, по которой катятся тележки (паллеты), приводимые в движение зубчатым колесом. Дно у тележек закрыто колосником. При прохождении под бункером шихты на тележки, идущие непрерывной лентой загружается качающимся питателем слой шихты. Слой шихты на паллете составляет 250-320мм. Сразу же после загрузки тележки проходят под зажигательной печью, горячие газы которой просасываютя через слой шихты и зажигают примешанный к шихте коксик. Загоревшийся коксик продолжает гореть при прохождении тележки над вакуумной камерой, из которой газы отсасываются в газоход. К моменту прохождения тележкой всей длины вакуум – камеры процесс агломерации заканчивается, тележка опрокидывается, агломерат падает вниз и по колосниковому грохоту, отделяющему мелкий агломерат, падает в вагон или пластинчатый транспортёр. Мелкий агломерат возвращается на подшихтовку в голову процесса, а остальной направляется на плавку. Пустая тележка по наклонной нижней раме скатывается к зубчатому колесу и снова подаётся вверх.

Температура в горящем слое шихты составляет 1150-1200оС. Это обеспечивает плавление железо магниевых силикатов, которые при затвердевании скрепляют шихту, придавая ей механическую прочность и пористость.

Для расчёта производительности машин экспериментально определяют скорость спекания шихты в мм/мин. Это скорость, с которой процесс спекания распространяется сверху вниз в толщу шихты. Зная эту скорость, можно подсчитать, за какой срок процесс спекания закончится, то есть пройдёт по всей толщине слоя.

Например, высота слоя шихты на паллете агломерационной ленты 300 мм, а скорость спекания 30 мм/мин. Тогда процесс спекания должен закончиться за 300:30=10 мин. За это время тележка машины должна пройти всю длину вакуумной камеры. Если длины вакуумной коробки 30м, то скорость движения тележек должна составлять 30:10=3,0 м/мин. Зная ширину тележки, толщину слоя шихты и скорость движения тележки, можно рассчитать объём шихты, проходящей в час, а по насыпному весу можно определить её вес, т. е. производительность. В никелевой промышленности процесс агломерации получил значительно большее распространение, чем процесс брикетирования.

Ниже приведены некоторые технико–экономические показатели процесса агломерации окисленных никелевых руд:

Расход топлива (коксика), % от массы шихты 8 -12;

Влажность шихты, % 20 -24;

Влажность оборотного агломерата, % 25 -30;

Выход годного агломерата, % 70 – 75;

Вертикальная скорость спекания шихты, мм/мин 30 – 35;

Удельная производительность по годному агломерату, т/(м2·час) 0,8 – 0,9

Агломерат и брикеты являются рудной составляющей шихты при плавке на штейн.

2.4 Плавка окисленных никелевых руд на штейн

Плавка окисленных никелевых руд на штейн осуществляется в шахтных печах. Переработка в таких печах требует прочной кусковой, желательно пористой шихты. Этим требованиям удовлетворяют брикеты и агломерат.

Целью шахтной плавки окисленных никелевых руд является максимальное извлечение никеля и кобальта в штейн и ошлакование пустой породы. Шихта для плавки состоит из брикетов или агломерата, кокса, сулфидизатора, флюсов и оборотов. В качестве сульфидизатора используют пирит или гипс, в качестве флюса – известняк, а в качестве оборотных материалов используется уловленная после выхода из печи пыль.. Гипс при плавке является одновременно флюсующим материалом, так как в виде CaO в конечном итоге полностью переходит в шлак.

Образование штейна из оксидного материала в процессе плавки происходит в результате восстановления и сульфидирования никеля, кобальта и частично железа, которые содержатся в руде в виде оксидов, и силикатов. Поэтому эта плавка получила название восстановительно–сульфидирующей плавки. Плавка проводится в восстановительной атмосфере, что необходимо для восстановления высших оксидов железа и гипса. При этом часть оксидов железа и никеля могут восстанавливаться до свободных металлов, которые растворяются в штейне. Процессы восстановления в процессе плавки одновременно сопровождаются процессом сульфидирования.

Картину поведения шихты в печи можно представить следующим образом. Руда, брикеты или агломерат флюсы и оборотные материалы, которые загружаются в печь нагреваются за счёт тепла восходящих газов, теряют гигроскопическую, затем конституционную влагу, летучие компоненты (СО2). При температуре 120-150оС шихта теряет гигроскопическую влагу. При температуре 500–700оС улетучивается конституционная влага химических соединений шихты. После достижения соответствующих температур отдельные компоненты шихты (Fe2O3, CaSO4 и др.) начинают реагировать с оксидом углерода СО. Если в шихте имеется свободный оксид никеля, то он восстанавливается до металла. Основная масса никеля в шихте находится в виде трудно восстанавливаемых силикатов. Поэтому в этой восстановительной зоне большая часть никеля так и остаётся в виде силикатов.

Опускаясь ниже, шихта нагревается до температур начала размягчения и плавления наиболее легкоплавких компонентов: сульфидов железа, фаялита. Легкоплавкие компоненты шихты, опускаясь, растворяют более тугоплавкие компоненты. Сульфид железа растворяет металлические никель и железо, а также поглощает образующийся в результате реакций сульфидирования сульфид никеля. Легкоплавкие шлакообразующие компоненты растворяют кварц, известь, магнезию и сульфид кальция, образующийся в результате реакции восстановления гипса. В этой смеси жидких силикатов и сульфидов происходит реакция сульфидирования никеля и железа, которая заканчивается только ниже фурм. Оксиды железа восстанавливаются и переходят в шлак.

В процессе восстановительно–сульфидирующей плавки окисленных никелевых руд в шахтных печах протекают следующие основные физико–химические процессы: горение топлива, восстановление и сульфидирование оксидов, штейно – и шлакообразование, разделение продуктов плавки - шлака и штейна.

Процесс горения кокса является одним из самых основных процессов, определяющих многие технологические показатели работы шахтной печи. Качество сжигания топлива определяет температуру в печи, восстановительную способность топочных газов, производительность печи, извлечение никеля в штейн.

Горение кокса происходит за счёт кислорода, подаваемого через фурмы с воздухом или дутьём, обогащённым кислородом.

В области фурм имеет место большой избыток кислорода. Поэтому в этой области кокс сгорает до оксида углерода (IV):

С + О2 = СО2 (2.1)

По мере удаления от фурм концентрация кислорода в дутье уменьшается и горение углерода становится неполным:

С + 0,5О2 = СО (2.2)

Зона шахтной печи, где присутствует свободный кислород, называется кислородной зоной. При шахтной плавке она распространяется на 500–600 мм вверх и вглубь печи.

Образующиеся горячие газы поднимаются вверх, пронизывают, нагревают шихту и вступают с ней в химическое взаимодействие. В первую очередь это взаимодействие приводит к образованию новых количеств оксида углерода (II) по реакции:

С + СО2 = 2СО (2.3)

В результате протекания реакций (2.2) и (2.3) концентрация СО в области фурм достигает 20–25%.

Температура в фокусе печи на воздушном дутье составляет 1300–1400оС, а на дутье, обогащённым кислородом, она составляет 1500–1600оС.

На выходе из печи газы содержат 10–16% СО2, 8–16% СО и имеют температуру 500-600оС.

Процессы штейно–и шлакообразования связаны с реакциями восстановления оксидов шихты и сульфидирования оксидов железа, никеля и кобальта. Реакции восстановления протекают при взаимодействии газовой фазы, содержащей СО с оксидами и силикатами шихты:

NiO + CO = Ni + CO2 (2.4)

NiSiO3 + CO = Ni + CO2 + SiO2 (2.5)

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 +CO2 (2.6)

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 (2.7)

FeO + CO = Fe + CO2 (2.8)

Процесс сульфидирования более сложен и его химизм различается при использовании в качестве сульфидизатора пирита FeS2 или гипса СaSO4·2H2O.

Если в качестве сульфидизатора используется пирит, то при температуре свыше 700оС он разлагается по уравнению:

FeS2 = FeS + 0,5S2 (2.9)

Процесс сульфидирования в этом случае может быть описан реакциями:

NiO + FeS = NiS + FeO (2.10)

3NiO + 2FeS + Fe = Ni3S2 + 3FeO (2.11)

NiSiO3 + FeS = NiS + FeSiO3 (2.12)

CoO + FeS = CoS +FeO (2.13)

Расход пирита при плавке определяется требованиями к составу получаемого штейна по сере. При этом необходимо учитывать потери серы в результате реакции термической диссоциации.

Иной, более сложный химизм сульфидирования при плавке окисленных никелевых руд имеет место при использовании в качестве сульфидизатора гипса. Вначале из гипса удаляется влага. Полное обезвоживание гипса происходит при нагревании до температуры 900оС. Гипс относится к наиболее прочным сульфатам, поэтому его разложение начинается только при температурах выше 1200оС. В отсутствии кислорода термическое разложение гипса протекает по реакции:

CaSO4 = CaO + SO2 + 0,5O2 (2.14)

Процесс разложения гипса в условиях шахтной плавки протекает по химическим реакциям:

CaSO4 + 4CO = CaS + 4CO2 (2.15)

CaSO4 + SiO2 = CaO·SiO2 + SO2 + 0,5O2 (2.16)

CaSO4 +Fe2O3 = CaO·Fe2O3 +SO2 + 0,5O2 (2.17)

CaSO4 + 3CaS = 4CaO + 4SO2 (2.18)

Процесс сульфидирования в условиях шахтной плавки окисленных никелевых руд может быть описан уравнениями химических реакций :

3NiO +7CO +2SO2 = Ni3S2 + 7CО2 (2.19)

FeO + 3CO + SO2 = FeS + 3CO2 (2.20)

CoO + 3CO + SO2 = CoS + 3CO2 (2.21)

CaS + FeO = CaO + FeS (2.22)

Использование гипса в качестве сульфидизатора при шахтной плавке окисленных никелевых руд требует создание в печи более восстановительной атмосферы, чем при использовании пирита. Это приводит к образованию больших количеств металлической фазы. При этом избыток гипса не влияет на состав и выход штейна, так как он весь превращается в оксид кальция и переходит в шлак. Из–за высокой стоимости гипса, использование его в качестве сульфидизатора экономически невыгодно.