Металлургия меди, никеля и кобальта (стр. 37 )

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.

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.

2.14  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.