Металлургия меди, никеля и кобальта (стр. 36 )

В процессе плавки оксид никеля восстанавливается по реакции:

NiO + C = Ni + CO (2.40)

Одновременно с никелем восстанавливаются кобальт, железо, хром и кремний:

Fe2O3 + C = 2Fe + 3CO (2.41)

CoO + C = Co + CO (2.42)

SiO2 + 2C = Si + 2CO (2.43)

Сr2O3 + 3C = 2Cr + 3CO (2.44)

В результате плавки получают ферроникель, загрязнённый в основном кремнием, хромом и углеродом. В процессе плавки ферроникель загрязняется также серой и фосфором.

Хром поступает в печь с окисленной никелевой рудой, в которой присутствует в виде оксида хрома. Сера вводится в электропечь, как с исходной рудой, так и с восстановителем, а фосфор в основном вводится в процесс вместе с рудой.

Извлечение никеля в ферроникель составляет 90–95%, а кобальта 85–90%.

Ферроникель, полученный в электропечи содержит 4-20% Ni, до 10% Si, до 3% Cr, до 1,5% С, 0,4%S, 0,3% P.

Поскольку ферроникель, загрязнён хромом, серой, кремнием, фосфором и углеродом, то он подвергается рафинированию.

Очистка от серы производится наведением на расплавленный ферроникель известково–глинозёмистого шлака, содержащего 53% СаО и 47% Al2O3. Очистка ферроникеля от серы производится за счёт химической реакции:

(CaO) + [FeS] = (CaS) + (FeO) (2.45)

В качестве регента для удаления серы из ферроникеля может быть использована сода, которая переводит серу в шлак по реакции:

Na2CO3 + [FeS] +[C] = (Na2S) + [Fe] + CO + CO2 (2.46)

Образующиеся в результате реакций сульфиды CaS и Na2S нерастворимы в металлической фазе и переходят в шлак.

Удаление других примесей из ферроникеля осуществляется в конверторе, где жидкий ферроникель продувается чистым кислородом. Для рафинирования используется так называемый дуплекс – процесс, предусматривающий продувку ферроникеля в двух конверторах.

Сначала продувка ферроникеля осуществляется в конверторе с кислой (динасовой) футеровкой. Здесь происходит удаление таких примесей как Si, Cr и С за счёт протекания реакций, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо:

[Si] + O2 = (SiO2) (2.47)

2[Cr] + 1,5O2 = (Cr2O3) (2.48)

[C] + 0,5O2 = CO (2.49)

Окисление примесей возможно также оксидом железа, содержащимся в шлаке, а также кислородом, растворённым в металлической фазе:

[Si] +2 (FeO) = 2[Fe] + (SiO2) (2.50)

2[Cr] + 3(FeO) = (Cr2O3) + 3[Fe] (2.51)

[C] + [O] = CO (2.52)

Последняя реакция протекает в объёме ванны и имеет большое значение для дегазации сплава.

Шлаки, получающиеся в процессе кислой продувки, имеют следующий состав; Ni – 0,07%, SiO2 – 34–51%, FeO – 22-40%, Fe2O3 – 4,5-13%, Cr2O3 – 1,5-10%.

Вторая стадия процесса рафинирования осуществляется в конверторе с основной футеровкой. На этой стадии осуществляется очистка ферроникеля от фосфора и окончательная очистка от серы.

Ошлакование фосфора протекает по химической реакции:

2[P] + 5(FeO) + (CaO) = Ca2(PO4)3 + 5[Fe] (2.53)

Окончательная очистка от серы протекает по реакции (2.45).

Шлак от продувки ферроникеля в конверторе с основной футеровкой имеет следующий состава; Ni – 0,2-0,3%, Co – 0,02–0,08%, Fe – 30–50%, CaO–20–30%.

Извлечение никеля и кобальта в процессе рафинирования составляет 95–97%.

Товарный ферроникель, содержащий 15–20% Ni, разливается в слитки и отправляется потребителю. Ферроникель используется в чёрной металлургии для получения легированных сталей.

Электроплавка на ферроникель является наиболее распространённым способом переработки окисленных никелевых руд. Этот способ применяют в России ( Оренбурская область), на Украине (Побужский завод), в Японии, Греции, Бразилии, Новой Каледонии, США.

2.9 Кричный процесс

Переработка окисленных никелевых руд по кричному способу осуществляется в трубчатых вращающихся печах с восстановительной атмосферой, которая создаётся за счёт пылевидного, жидкого или газообразного топлива.

Цель кричного способа – возможно полнее восстановить оксиды ценных металлов в окисленной никелевой руде с целью их последующего выделения.

Трубчатая вращающаяся печь имеет три зоны, различающиеся по происходящим в них процессах:

- 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%.