2.8 Плавка на ферроникель
Устранение основных недостатков традиционной технологии переработки окисленных никелевых руд достигается при их переработке на ферроникель в электрических печах. Ферроникель представляет собой сплав железа и никеля, в который так же переходит кобальт.
При плавке на ферроникель достигается значительное упрощение технологической схемы переработки окисленных никелевых руд. При этом существенно повышается извлечение никеля и кобальта и снижается расход топлива.
Плавка на ферроникель относится к восстановительным процессам и осуществляется в руднотермических печах. Главными преимуществами этой плавки являются возможность переработки руд с тугоплавкой магнезиально – силикатной пустой породой, достижение достаточно высокого извлечения металлов, небольшой расход топлива и более высокая комплексность использования сырья.
Технологическая схема плавки окисленных никелевых руд на ферроникель предуcматривает предварительный процесс агломерации руды или процесс сушки и прокалки окисленной никелевой руды в трубчатых вращающихся печах. Процесс прокалки нередко совмещают с предварительным восстановлением руды. Сушка обеспечивает удаление гигроскопической влаги, а прокалка удаление конституционной влаги и частичное восстановление руды. Сушка и частичное восстановление оксидов руды значительно снижают расход электрической энергии при последующей плавке руды в электропечи. Огарок, нагретый до 700- 900оС, поступает на плавку в руднотермическую печь. В качестве восстановителя плавки используют коксовую мелочь крупностью 10-35 мм. Расход кокса составляет 3–4% от массы руды.
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.
