Автогенные процессы в металлургии меди и никеля. Теория, технология и практика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автогенные процессы в металлургии меди и никеля. Теория, технология и практика



Содержание

Введение

Классификация автогенных процессов

Процесс Оутокумпу

Процесс КВП

Процесс КИВЦЭТ

Процесс Айзасмелт

Процесс Ванюкова

Процесс Норанда

Процесс Мицубиси

Методы переработки сульфидных медно-никелевых руд и их особенности

Плавка медно-никелевых руд и концентратов на штейн

Список литературы

автогенный никелевый сульфидный концентрат



Введение

Автогенными называются технологические процессы, которые осуществляются полностью за счет внутренних энергетических ресурсов без затрат посторонних источников тепловой энергии - топлива или электрического тока. При переработке сульфидного сырья, обладающего достаточно высокой теплотворной способностью, автогенность пирометаллургического процесса (плавки) достигается за счет тепла экзотермических реакций горения (окисления) сульфидов перерабатываемой шихты. В качестве окислительного реагента при плавке можно использовать воздух, обогащенное кислородом дутье или технологический кислород.

Таким образом, автогенная плавка является окислительным процессом. При ее осуществлении степень десульфуризации можно изменять в широких пределах, изменяя соотношение между количествами перерабатываемого материала и дутья. Это позволяет в широком диапазоне варьировать составом штейнов, вплоть до получения черновой меди.

Все автогенные плавки являются совмещенными. Они объединяют в одном металлургическом аппарате процессы обжига, плавки и частично или полностью конвертирование. Это позволяет наиболее рационально и концентрированно (в одном месте) переводить серу шихты в газы. При этом в зависимости от содержания кислорода в дутье можно получать газы с различным содержанием SO2, вплоть до чистого сернистого ангидрида.

Автогенные процессы позволяют создавать технологические схемы, обеспечивающие минимальные энергетические затраты, высокую комплексность использования сырья и предотвращение загрязнения воздушного и водного, бассейнов.

Принцип автогенности при переработке сульфидных материалов давно используется в металлургии меди. Примером типичных автогенных процессов, применяемых ранее или широко используемых в современной металлургической практике, могут служить пиритная плавка, окислительный обжиг сульфидных концентратов и конвертирование штейнов.

Идея использования автогенного процесса для плавки флотационных медных концентратов на штейн возникла и была впервые опробована в Советском Союзе и получила в дальнейшем широкое развитие во всем мире. В настоящее время можно назвать не менее двух десятков освоенных промышленностью, внедряемых и разрабатываемых автогенных процессов. Крупный вклад в развитие и промышленное внедрение автогенных процессов вносит Советский Союз.

В основе любого автогенного способа плавки сульфидных медных, медно-цинковых и медно-никелевых концентратов и руд лежит следующая суммарная реакция:

2FeS + 3О2 + SiО2 = 2FeО*SiО2 + 2SО2 + 1030290 кДж. (1)

Эта экзотермическая реакция протекает в две стадии. Сначала проходит окисление сульфида железа:

2FeS + 3О2 = 3FeO + SО2 + 937340 кДж, (2)

а затем образовавшийся оксид железа ошлаковывается кварцевым флюсом:

2FeO + SiО2 = 2FeО*SiО2 + 92950 кДж. (3)

При окислении сульфидных материалов возможно также переокисление железа до магнетита:

6FeO + О2 = 2Fe3О4 + 635560 кДж (4)

с последующим его разрушением сульфидом железа:

3Fe3О4 + FeS + 5SiО2 - 5 (2FeO*SiО2) + SO2 - 19930 кДж. (5)

Применительно к флотационным концентратам автогенные металлургические процессы могут быть организованы по-разному: как технологически, так и аппаратурно. С технологической точки зрения такие процессы в первую очередь различаются методом сжигания сульфидов, которое может быть проведено в факеле или в расплаве.

При сжигании сульфидов в факеле мелкий хорошо высушенный концентрат вдувается в разогретое до высоких температур плавильное пространство вместе с кислородсодержащим дутьем. Сульфидные частицы, находясь во взвешенном состоянии, окисляются кислородом дутья (реакция 2) и в зависимости от температуры частично или полностью расплавляются. Реакция (3) в этих условиях не может получить большого развития, и в факеле возможно переокисление FeO по реакции: 3FeO+0,5 О2=Fе3О4.

Образовавшиеся в факеле капли сульфидно-оксидного расплава падают на поверхность спокойной шлаковой ванны, где продолжаются основные физико-химические взаимодействия и превращения, включая процессы шлако- и штейнообразования и отстаивания. При таком методе автогенной плавки шлаки характеризуются повышенным содержанием извлекаемых металлов в форме растворенных оксидов и тонкой механической взвеси.

Факельное сжигание сульфидов используют во всех видах плавок во взвешенном состоянии и частично в кивцэтном процессе.

Автогенные процессы, осуществляемые в расплавах, имеют особый механизм плавки. Его элементарные стадии: плавление загруженной шихты и растворение ее компонентов в первичном, хорошо перегретом сульфидно-оксидном расплаве, окисление сульфидов, процессы штейно- и шлакообразования. Последовательность их протекания-в этом случае выделить невозможно. Фактически все они идут одновременно в определенном объеме расплава.

При осуществлении указанных процессов физико-химические превращения начинаются с момента загрузки шихты в интенсивно перемешиваемый расплав. Подачу шихты можно производить как на поверхность расплава, так и вдуванием в него вместе с окислительным реагентом. Подаваемое в расплав дутье обеспечивает его интенсивный барботаж, что способствует ускорению всех физико-химических процессов. Однако разделения и отстаивания жидких продуктов плавки в условиях интенсивного барботажа происходить не может; эта стадия плавки должна производиться в отдельной зоне или в специальном аппарате.

Идея окислительной плавки сульфидных концентратов в расплавах уже не одно десятилетие привлекает и продолжает привлекать внимание, металлургов. К настоящему времени предложено большое количество технологических и аппаратурных вариантов автогенных плавок в расплавах. Среди них особый интерес представляют плавка в жидкой ванне, разработанная в СССР, и зарубежные процессы -- «Норанда» (Канада) и «Мицубиси» (Япония), внедренные в промышленном масштабе.

В настоящее время к числу наиболее технологически и аппаратурно отработанных автогенных процессов относится плавка во взвешенном состоянии во всех ее разновидностях. Сейчас этот процесс применяют более чем на 30 предприятиях во многих странах мира для переработки медных, никелевых и пирротиновых концентратов.



Классификация автогенных процессов

Все автогенные процессы имеют принципиальные технологические и конструктивные особенности, однако из всего многообразия можно выделить две основные группы - автогенные процессы для плавки сырья в факеле (во взвешенном состоянии) и процессы плавки в расплаве.

Плавками в факеле называют процессы, при осуществлении которых мелкие частички сырья сжигают факеле, образующемся в результате сгорания сульфидов, подаваемого в агрегат через специальные горелки вместе с дутьем. За счет выделяющегося тепла шихта нагревается и плавится. Образующиеся капли падают на поверхность шлакового расплава, расположенного в отстойной камере, где происходит расслаивание расплава на жидкие продукты плавки.

При осуществлении автогенной плавки в расплаве сульфидное сырье подается в ванну уже имеющегося сульфидно-оксидного расплава, плавиться и растворяется в нем, а затем окисляется подаваемым в расплав дутьем.

К основным автогенным процессам для плавки сырья во взвешенном состоянии относятся такие процессы как: плавка во взвешенном состоянии на кислородном дутье (плавка во взвешенном состоянии на подогретом дутье (процесс «Оутокумпу»).

К основным процессам для плавки сырья в расплаве относятся такие процессы, как: процесс «Норанда», процесс «Мицубиси», процесс «Аусмелт», процесс Ванюкова.

Процесс Оутокумпу.

Плавка во взвешенном состоянии на холодном воздушном дутье имеет очень напряженный тепловой баланс и практически невозможна. Для устранения дефицита теплового баланса можно применять подогрев воздуха, обогащение дутья кислородом или использовать в качестве дутья технологический кислород (95--98 % О2). Подогрев дутья позволяет внести в плавильную печь дополнительное физическое тепло, а применение обогащенного дутья или технологического кислорода сокращает потери тепла за счет уменьшения объема горячих отходящих газов.

На основе подогретого до 450--500 °С воздушного дутья была разработана плавка во взвешенном состоянии финской фирмой «Оутокумпу» и внедрена в 1949 г. на заводе «Харьявалта». Продольный разрез печи этого завода показан на рис. 1.

Рис. 1. Печь для плавки во взвешенном состоянии на подогретом дутье.

Печь имеет три основных рабочих узла: вертикальную плавильную камеру (шахту), горизонтальную отстойную камеру и газоход с котлом-утилизатором.

Шахта печи изготовлена из листовой стали и футерована изнутри магнезитовым кирпичом. Для удлинения срока службы шахты в кладку заложены водоохлаждаемые медные кессоны. На своде шахты установлена шихтовая горелка, предназначенная для подготовки шихто-воздушной смеси и ее вдувания в печь. Тонкоизмельченная шихта, предварительно высушенная до содержания влаги менее 0,2 % подается через свод плавильной камеры с помощью специальных горелок. Основное назначение горелки - приготовление и подготовка шихто-воздушной смеси для ускорения процесса горения сульфидов. Перемешивание шихты с дутьем достигается разбиванием струи шихты о конус-рассекатель и подачей дутья через воздушный патрубок и распределительную решетку. В шахте печи осуществляется факельное горение сульфидной шихты. Образовавшиеся в факеле капли падают на поверхность шлакового расплава, расположенного в отстойной камере, а раскаленные газы перемещаются к газоходу по верхней части отстойника, подогревая находящиеся в нем расплавы.

Подогрев дутья до 450 - 500 °С производится за счет тепла отходящих газов в специальных воздухоподогревателях, установленных после котла-утилизатора. В последние годы на заводе «Харьявалта» начали применять обогащение воздуха кислородом до 31 %, что позволило уменьшить температуру подогрева дутья до 200 °С. Температура в реакционной шахте достигает 1350--1400 °С, в отстойнике 1250--1300 °С.

Плавку ведут на штейн с содержанием меди около 60 %. Получающиеся при плавке шлаки содержат до 1,2 % Сu и подвергаются после их застывания и измельчения обеднению флотацией. Пылевынос шихты при плавке достигает 6 %. Отходящие газы, содержащие 14 - 15 % SО2, используют для получения элементарной серы. Удельная производительность, отнесенная к площади отстойной камеры, колеблется от 6 до 8 т/ (м2*сут).

На одном из японских заводов обеднение шлаков плавки во взвешенном состоянии проводят в основном агрегате, для чего в отстойной камере размещены три погруженных в шлак электрода.

Плавка во взвешенном состоянии на подогретом и обогащенном кислородом дутье является в настоящее время самым распространенным в цветной металлургии автогенным процессом.

Основные недостатки ПВП:

- относительно высокая стоимость капитальных и эксплуатационных затрат;

- сравнительно (по отношению к процессам плавки в расплаве) невысокая производительность;

- высокий пылевынос;

- затратная и сложная подготовка шихты - все ее компоненты должны быть тщательно измельчены и глубоко высушены;

- высокие потери цветных металлов со шлаком, что требует дополнительной операции обеднения шлаков.

Процесс КВП

Плавку во взвешенном состоянии на кислородном дутье - кислородно-факельную (взвешенную) плавку (КФП или КВП) -- применяют только на двух заводах: «Коппер-Клифф» (Канада) и Алмалыкском ГМК (СССР). Устройство печи КФП показано на рис. 2.

В печах КФП сжигают сухую сульфидную шихту в горизонтальном факеле, для чего на одной из торцовых стен печи установлены специальные горелки. Образовавшиеся при плавке капли сульфидно-оксидного расплава падают на поверхность шлаковой ванны, в. которой происходит разделение жидких продуктов плавки и отстаивание штейна от шлака.

На противоположной стороне печи установлены горелки для факельного сжигания в кислороде пиритного концентрата, что сопровождается образованием бедного по содержанию меди сульфидного расплава, служащего для промывки шлака с целью обеднения его медью. Обедненный шлак содержит 0,6--0,65 % Сu. При плавке получают штейн с 47--50 % Сu.

Газы плавильной и обеднительной зон удаляются через общий газоход, установленный в центре печи. Они содержат до 80 % SО2 и используются для получения жидкого сернистого ангидрида или в производстве серной кислоты. Производительность печи составляет 10 -12 т/(м2*сут). Плавка характеризуется выделением в самой печи большого количества избыточного тепла, оказывающего сильное воздействие на конструкцию печи. Рациональное ис-пользование этого тепла затруднено. Отвод избытка тепла

Рис. 2. Схема комплекса кнслородно-взвешенной плавки: 1 - шихтовые бункера; 2 - питатели; 3 - расходомеры; 4 - печь; 5 - газоход; 6 - выпускные желоба; 7 - штейновый ковш; 8 - шлаковоз.

от стен, свода и газохода осуществляют с помощью водо-охлаждаемых устройств.

Процесс КИВЦЭТ

В Советском Союзе разработаны принципиально новый способ и агрегат для комплексной переработки медных, медно-цинковых и других коллективных концентратов, получивший название кивцэтного процесса (КИВЦЭТ).

Кивцэтная плавка-- сокращенное название очень сложного по своей структуре пирометаллургического процесса. Это название расшифровывается следующим образом: кисродно-взвешенная циклонно-электротермическая плавка. Процесс основан на сочетании принципов взвешенной и циклонной плавок и рационального использования технологического кислорода и электроэнергии. Стадии обжига и плавки, разделения фаз, обеднения шлаков и при необходимости конденсация паров цинка протекают в одном объединенном агрегате (рис. 3). Шихта для плавки с частицами крупностью не более 5 мм, предварительно подсушенная до 1 % влаги, поступает в циклонную камеру 1. В этой камере осуществляются операции обжига и плавки шихты, шлако- и штейнообразования. Под воздействием вихревых потоков центробежные силы отбрасывают частицы концентрата на стенки циклона, а кислород с большой скоростью омывает их. Это обусловливает большие скорости протекания реакций, а, следовательно, высокую интенсивность процесса.

Автогенное протекание процесса обжига и плавки обеспечивается за счет теплоты реакции окисления сульфидов кислородом.

Образующаяся в циклоне смесь расплава и газов выводится из отверстия в нижнем торце циклона и попадает в разделительную камеру 2, сообщающуюся с электропечью 3, а газы из разделительной камеры после охлаждения и очистки поступают на производство H2SО4. Разделительная камеры отделена от электропечи агрегата водоохлаждаемой перегородкой 4, которая позволяет поддерживать в плавильной части печи окислительную атмосферу, а в электропечи-восстановительную. Расплав в электропечи отстаивается. Шлак подвергается электротермическому воздействию с добавлением кокса, в результате чего цинк и частично свинец возгоняются и в виде парогазовой смеси направляются в конденсатор, из которого цинк и свинец выпускаются в виде чернового металла.



Рис. 3. Схема кивцэтиого агрегата: 1 - циклонная камера; 2 - разделительная камера; 3 - электрообогреваемый отстойник; 4 - перегородка; 5 - газоход; 6 - электроды.

Цинк также может быть получен в виде богатых, оксидных возгонов (содержащих свыше 60 % Zn).

Удельная производительность кивпэтного агрегата, отнесенная ко всей его рабочей площади, составляет 7 - 8т/(м2*сут).

Процесс Айзасмелт

Оригинальный процесс автогенной плавки сульфидных медных и медно-цинковых концентратов по технологии «Айзасмелт», начал разрабатываться в Австралии в 1970 - е годы. Первоначально была разработана верхняя погружаемая фурма, которая в дальнейшем стала основой всего процесса, а сам процесс был с использованием данной технологии был запущен позднее. Первые испытания этого метода плавки были проведены в лабораторных и заводских условиях в 1974 - 1980 гг. Первоначально планировалось использовать процесс плавки «Айзасмелт» для свинцового и цинкового сырья, однако успешные промышленные испытания показали, что данная технология может быть эффективно использована и для медного и никелевого сырья. Первый завод с применением технологии «Айзасмелт» был построен в городе Порт-Пири (Австралия) для плавки свинцового сырья в 1989 г. Первая печь для плавки медного сырья была построена в 1999 г. в городе Хоума (Китай). В настоящее время по технологии «Айзасмелт» работают промышленные установки на многих заводах мира, производящих медь, никель, свинец, цинк и олово. Помимо уже установленных агрегатов, существуют также проекты для внедрения технологии в производство.

Процесс «Айзасмелт» запатентован в ряде зарубежных стран (таких как Китай, Канада и др.). При разработке процесса плавки «Айзасмелт» ставилась задача создания максимально благоприятных условий для протекания всех физико-химических процессов. Предложено несколько вариантов технологического и аппаратурного оформления процесса в зависимости от состава исходного сырья и конечных результатов его переработки. На рисунке 4 изображена печь «Айзасмелт».

Рисунок 4 - Схема печи Айзасмелт.

Рассмотрим работу плавильной печи для автогенной и полуавтогенной плавки сульфидных медных концентратов с получением богатого штейна. Для осуществления процесса плавки предложено использовать частично кессонированную печь круглой формы в сечении. Оптимальная диаметр промышленных печей определяется потребной единичной мощностью агрегата, т. е. его абсолютной суточной производительностью, и составляет, в среднем 4 - 5 м, высота шахты 12 м. Отличительной особенностью конструкции печи является высокое расположение дутьевой фурмы. В отличие от других автогенных технологий (ПВ, к примеру) фурма не является неподвижно закрепленной в шахте печи, а погружается в расплав через отверстие в своде. Этим достигается постоянный барботаж расплава дутьем и соответственно отсутствие спокойных зон внутри печи.

Содержание кислорода в дутье для обеспечения автогенного режима при плавке сухой шихты с влажностью менее 1 - 2 % составляет 40 - 45 %, влажной (6 - 8 % влаги) 55 - 65 %. В печи можно плавить только мелкие материалы, так как загрузочные отверстия не приспособлены для подачи крупнокусковой шихты. При необходимости сухие мелкие и пылевидные материалы могут вдуваться через фурмы. Таким образом, плавление шихты и окисление сульфидов в процессе «Айзасмелт» осуществляются непосредственно в слое расплава.

Шлак и штейн выпускаются совместно из нижней части ванны в миксер, где происходит их отстаивание и одновременное разделение.

Окисление сульфидов, как известно, является очень быстрым процессом и обычно не ограничивает конечную производительность агрегатов. В производственных процессах желательно не только не повышать, но даже замедлять скорость окисления сульфидов. Действительно, большие скорости окисления сульфидов, например, при продувке жидких сульфидов кислородом, приводят к чрезмерному повышению температуры в области фурм.

Окисление сульфидов в шлако-штейновой эмульсии протекает менее интенсивно, чем в сульфидном расплаве, фокус горения растягивается, что позволяет избежать локального повышения температуры в области фурм даже при использовании чистого кислорода. Это в свою очередь облегчает задачу создания надежной и долговечной аппаратуры. При этом скорость окисления остается достаточно высокой и степень использования кислорода на окисление сульфидов практически равна 100 % при любом необходимом его количестве, подаваемом в расплав. Таким образом, и при окислении сульфидов в шлако-штейновой эмульсии скорость их окисления не лимитирует производительности агрегата. Возможность интенсивного окисления сульфидов в шлако-штейновой эмульсии без большого локального повышения температуры в области фурм является важным достоинством плавки в жидкой ванне.

Окисление сульфидов в шлако-штейновой эмульсии представляет собой сложный многостадийный процесс, состоящий из окисления капелек штейна, окисления растворенных в шлаке сульфидов, окисления FeO шлака до магнетита и окисления сульфидов магнетитом. Таким образом, шлак также является передатчиком кислорода. По последним данным, наибольшее значение имеет стадия окисления сульфидов, растворенных в шлаке.

Характерная особенность окисления сульфидов в шлако-штейновой эмульсии состоит в том, что оно не сопровождается образованием первичных железистых шлаков и выпадением мелких сульфидных частиц. Оксиды, образующиеся на поверхности сульфидных капель, немедленно растворяются в шлаке конечного состава.

Отсутствие условий для образования значительных количеств мелкой сульфидной взвеси является важным достоинством плавки в жидкой ванне, создающим предпосылки для получения бедных отвальных шлаков.

Высокая степень использования кислорода обеспечивает простое управление составом штейна и соотношением количеств подаваемого через фурму кислорода и загружаемых за то же время концентратов. Состав штейна можно регулировать в широком диапазоне вплоть до получения белого матта или даже черновой меди. Напомним, что потери меди со шлаком начинают резко возрастать, когда ее содержание в штейне превысит 60 %. Поэтому при плавке на штейн, если в технологической схеме не предусматривается специальное обеднение шлака, увеличивать содержание меди в штейне свыше 50 - 55 % нецелесообразно. При получении белого матта или черновой меди в технологическую схему должна обязательно включаться операция обеднения шлаков.

Растворение тугоплавких составляющих шихты является одним из относительно медленных процессов. Энергичный барботаж ванны резко ускоряет процесс растворения кварца и компонентов пустой породы, что позволяет использовать даже сравнительно крупные флюсы. Промышленные испытания показали, что при крупности кварца около 50 мм скорость его растворения не влияет на производительность печи, по крайней мере, вплоть до удельного проплава, равного 80 т/(м2•сут). Высокая скорость растворения тугоплавких составляющих является важной особенностью плавки в жидкой ванне.

Минимальное содержание магнетита в шлаках - обязательное условие совершенного плавильного процесса. Как уже говорилось, с увеличением содержания магнетита резко возрастает содержание растворенной меди в шлаках. Кроме того, повышение содержания магнетита (степени окисленности системы) приводит к снижению межфазного натяжения на границе раздела штейна и шлака.

Процесс плавки по технологии «Айзасмелт» строят таким образом, чтобы обеспечить наиболее благоприятные условия для разрушения магнетита.

Важнейшим достоинством автогенных процессов является получение газов с высоким содержанием. Но высокое содержание в газах - это одновременно и высокое парциальное давление кислорода в газовой фазе, даже если свободный кислород был полностью использован на окисление.

Практически во всех рассмотренных выше автогенных процессах выпуск шлака осуществляется с поверхности, т.е. шлак приводится в состояние, близкое к равновесному с газовой фазой, имеющей высокий окислительный потенциал. Следствием этого являются высокое содержание магнетита в шлаке и большие потери с ним меди. Вертикальное движение шлака сверху вниз при плавке в печи «Айзасмелт» выводит шлак из контакта с газовой фазой и позволяет привести его в равновесие со штейном. Это является одним из важнейших моментов, позволяющих резко снизить содержание магнетита в шлаках плавки «Айзасмелт».

Коалесценция мелких капель штейна и разделение фаз являются наиболее медленно протекающим процессом и требуют особого внимания. В процесс плавки с применением технологии «Айзасмелт» созданы благоприятные условия для протекания этого процесса. Энергичное перемешивание ванны, наличие капель штейна разной крупности обеспечивают большую вероятность их соударения и слияния.

При работе на штейн 45 - 50 % по меди уже на выпуске из сифона содержание меди в шлаках составляет 0,5 - 0,6 %, что значительно меньше, чем при любом другом известном автогенном процессе. Дополнительное отстаивание шлака в течение 30 - 50 минут позволяет устойчиво получать шлаки с содержанием по меди 0,35 - 0,40 %. Если к этому добавить, что пылеунос при плавке незначителен (1,0 - 1,5 %), то станет понятным, почему в этом процессе получается высокое извлечение меди в штейн (более 98 %).

Процесс Ванюкова

Среди автогенных процессов особое место занимает плавка в жидкой ванне (ПЖВ). Ее разработка была начата в 1951 г. в Московском институте цветных металлов и золота им. М. И. Калинина и продолжается ныне ???? в Московском институте стали и сплавов под научным руководством профессора А. В. Ванюкова. В настоящее время этот способ плавки внедрен на Норильском горно-металлургическом комбинате. Предполагается также его внедрение на ряде других предприятий цветной металлургии СССР и за рубежом, а также в системе Министерства черной металлургии.

Теоретические и экспериментальные исследования, показывает реальную возможность непрерывного получения черновой меди в аппарате типа ПВ. Благодаря высокой степени использования кислорода обеспечивается простое управление составом штейна и соотношением количеств подаваемого через фурму кислорода и загружаемых за то же время концентратов. Состав штейна можно регулировать в широком диапазоне вплоть до получения белого матта или даже черновой меди. Потери меди со шлаком начинают резко возрастать, когда ее содержание в штейне превысит 60 %. Поэтому при плавке на штейн, если в технологической схеме не предусматривается специальное обеднение шлака, увеличивать содержание меди в штейне свыше 50 - 55 % нецелесообразно. При получении белого матта или черновой меди в технологическую схему должна обязательно включаться операция обеднения шлаков. Процесс одинаково успешно может быть применен как для концентратов с высоким содержанием серы, обеспечивающих автогенный режим плавки, так и для концентратов с низким содержанием серы или вообще не содержащих серу - окисленных руд, оборотных шлаков и других материалов. Недостаток теплоты в последних двух случаях восполняется сжиганием углеродистого топлива (угля, мазута, природного газа).

Принцип плавки в жидкой ванне состоит в том, что перерабатываемое сырье непрерывно загружается на поверхность барботируемого окислительным газом расплава, где осуществляются с большой скоростью требуемые физико-химические превращения и генерируется тепло для поддержания необходимой температуры. Полученные в результате плавки расплавы (шлак, штейн пли черновой металл), расслаиваются в подфурменной зоне и раздельно, непрерывно выпускаются из печи через сифоны. Шлак, отделенный от штейна, может подвергаться перед выпуском из печи восстановительной обработке для глубокого обеднения и отгонки цинка и других летучих компонентов. Штейн, отделенный от шлака, можно непрерывно конвертировать до чернового металла в том же аппарате.

Рис. 5. Схема печи для плавки в жидкой ванне; 1 - расплав надфурмеяной зоны; 2 - фурма; 3 - штей- новый снфон; 4 - шлаковый снфон; 5 - газоход.

Печь для плавки в жидкой ванне (рис. 5) представляет собой шахту, кессонированную в средней части и выполненную из огнеупорного кирпича ниже фурм. Боковые фурмы для подачи дутья с любым содержанием кислорода расположены в нижней части кессонированного пояса шахты, заполняемой расплавом до уровня 400 - 500 мм выше фурм. Общая высота шахты составляет 6 - 6,5 м. Компоненты шихты подаются дозированно в печь из бункеров. Предварительного смешения компонентов шихты не требуется.

Печь площадью поперечного сечения в области фурм 20 м2 может перерабатывать до 1600 т шихты в сутки, что соответствует удельному проплаву до 80 т/(м2*сут), что более чем в 10 раз превышает проплав отражательной печи. При плавке содержание меди в шлаках составляет не более 0,01 % от ее содержания в штейне.

Плавка в жидкой ванне и печь для ее осуществления позволяют непрерывно плавить на штейн любого состава медные, никелевые, медно-никелевые, медно-цинковые руды и флотационные концентраты с влажностью до 7--8 % и крупностью кусков до 50 мм.

По последним данным максимальная кампания печи ПВ (Норильский завод) может составить более трех лет. Штейн и шлак выпускаются из печи непрерывно через сифонные устройства и направляются в накопителя для последующей передачи их на дальнейшую переработку - штейн на конвертирование, шлак в отвал. Концентрированные по SO2 отходящие газы выводятся из печи через аптейк и направляются на переработку (очистку от пыли, извлечение серы). Процесс полностью непрерывный, что позволяет в значительной степени сократить долю ручного труда до минимума за счет автоматизации процесса.

В табл. 1 приведены основные технико-экономические показатели ряда процессов плавки на штейн, из которых видны достоинства ПЖВ.

Показатель	ПЖВ	КФП	Финская	КИВЦЭТ	Норанда	Отражательная
Удельный проплав, т/(м2*сут)	55-80	10	7,5	3-5	11	4-5
Содержание меди, %: в штейне	50	40	45-60	60	80	20-30
В шлаке (без обеднения)	0,5-0,6	1,2	1-1,5	-	4-7	0,4-0,5
Влажность шихты, %	6-8	1	1	1	10-13	6-8
Крупность шихты, мм	До 50	0,1	0,1	0,1	До 10	0,1
Пылевынос, %	1	6-10	6-10	-	5	1-2
Содержание О2 в дутье, %	До 95	95	До 40	95	До 25	До 25

Принцип окислительного плавления сульфидов в расплавах, положенный в основу плавки в жидкой ванне, следует признать наиболее перспективным направлением развития автогенных процессов. Только этим можно объяснить повышенный интерес к нему за рубежом, где предложено много различных вариантов плавки в расплавах, направленных в основном на прямое получение черновой меди.

Достоинства процесса:

- Высокая удельная производительность (самая высокая из существующих авто-генных технологий) 60 - 80 т/(м2•сутки). Последние данные работы ПВ Норильского завода показывают, то этот показатель может вполне достигать уровня 100 т/( м2•сутки) и даже более.

- Невысокие требования к подготовке шихты (может перерабатываться материал влажностью до 6 - 8 %, не требуется измельчение шихты).

- Низкий пылевынос - не более 1 - 1,5 % от массы шихты.

- Процесс полностью непрерывный, что позволяет легко автоматизировать его.

- Низкий расход топлива - не более 2 % при переработке стандартных медных сульфидных концентратов на рядовые штейны. При плавке на богатые штейны при высоком обогащении дутья процесс может протекать в полностью автогенном режиме.

- Малый объем отходящих газов с высокой концентрацией сернистого ангидрида (30 - 50 %), что сокращает размеры газоутилизационного оборудования. Отходящие газы полностью могут быть переработаны с получением серной кислоты, жидкого SO2 или элементарной серы (при наличии соответствующей эффективной переработки газов);

- Относительно малые капитальные и эксплуатационные затраты.

Процесс Норанда

Компанией «Норанда майнс» (Канада) разработана технология непрерывной плавки медных концентратов с прямым получением черновой меди в горизонтальном поворачивающемся агрегате с боковым дутьем (типа конвертера). По этой технологии в 1968 г. была построена опытно-промышленная установка, а в 1973 г. пущен промышленный комплекс производительностью 800 т/сут. Процесс внедрен также на двух американских заводах.

Непрерывную плавку сухих медных концентратов по методу «Норанда» осуществляют в горизонтальном цилиндрическом поворотном аппарате длиной 21,3 м и диаметром 5,18 м (рис. 6). Дутье, обогащенное кислородом до 37 %, вводят через фурмы, расположенные на участке загрузки шихты.



Рис. 6. Устройство плавильной печи процесса «Нораида»: а) продольный разрез; б) поперечный разрез в положении продувки; в) то же, в положении загрузки; 1 - шихтовый бункер; 2 - питатель; 3 - штейн; 5 - напыльник; 6 - горелка; 7 - фурмы для подачй дутья; 8 - поворотное устройство.

Печь имеет форму горизонтально расположенного стального цилиндра, футерованного хромомагнезитовым кирпичом. В местах наибольшего износа футеровки установлены водоохлаждаемые элементы. Для компенсации недостатка теплоты от окисления сульфидов в обоих торцах вначале были установлены газовые горелки.

По длине печь имеет три рабочие зоны. В первой зоне происходят окислительное плавление и конвертирование. Гранулированную шихту загружают в эту зону питателем с торца печи на поверхность барботируемого дутьем расплава. В нижней части зоны окисления в промышленном агрегате установлены 60 фурм диаметром 54 мм, через которые в слой штейна подается дутье.

Вторая зона, расположенная в центральной части печи, предназначена для отстаивания жидких продуктов плавки - штейна или черновой меди от шлака. Выпуск черновой меди или штейна производят через два шпура периодически. При плавке на черновую медь ее уровень можно было изменять в очень небольших пределах. Чрезмерное накопление меди затрудняло работу фурм, а полный выпуск ее мог сопровождаться проскоком штейна.

В настоящее время плавку ведут на богатый штейн. Толщину слоя штейна в печи поддерживают на уровне 740 - 860, шлака 300 - 400 мм. Температура расплава в печи составляет не выше 1250 °С. В этой же части печи расположена горловина, оборудованная герметизированным водоохлаждаемым напыльником, служащим для отвода газов.

Третья зона печи предназначена для отстаивания и обеднения шлака. В ней для продувки через расплав восстановительного газа установлены две фурмы.

Эксплуатация промышленной установки на заводе «Норанда» производительностью 800 т. концентрата в сутки показала ее значительную техническую и экономическую эффективность по сравнению с отражательной плавкой.

Важнейшим достоинством процесса является использование теплоты горения сульфидов и благодаря этому снижение расхода топлива, получение постоянного потока газов с содержанием 6 - 8 % SО2, существенное снижение капитальных затрат и затрат на рабочую силу. Плавку ведут на штейн, содержащий 70--75 % Сu. При этом получают шлаки с 3 - 8 % Сu, которые после их охлаждения и измельчения подвергают флотации, с получением обедненных медью до 0,35 % отвальных хвостов и оборотных концентратов (40 % Сu). От запланированного вначале прямого получения черновой меди очень быстро отказались, так как при плавке получались шлаки, содержащие более 8--12% Сu, требующие сложной дополнительной переработки. Газы по выходе из печи, содержащие 16--20 % SО2, используют для производства серной кислоты.

Вместе с тем организация технологии в процессе «Норанда» далеко не полностью отвечает возможностям автогенных процессов. Подача дутья в слой штейна и контакт шлака с окислительными газами являются основной причиной высокого содержания магнетита в шлаках. Наряду с низкой температурой процесса и малоэффективным методом окисления сульфидов это является основной причиной высокого содержания в шлаках как растворенной меди, так и большого количества капель штейна или черновой меди. Должной промывки шлака штейном в процессе не предусмотрено. Недостатками процесса являются также относительно высокий расход углеродистого топлива, большой пылеунос и малая степень отгонки сопутствующих ценных элементов (свинца, цинка, редких элементов).

Недостаточно надежным является и аппаратурное оформление процесса. Подача дутья в штейн делает опасным применение кессонов, охлаждаемых водой. Стойкость же огнеупорных материалов в условиях барботажа недостаточна даже при невысоком содержании кислорода в дутье (~ 25 %). Поэтому длительность кампании плавильного агрегата составляет не более 180 - 200 сут. Невелика также и удельная производительность печи, не превышающая 10 т/(м2•сут). Значительные трудности возникают при создании печи большой единичной мощности. При малой удельной производительности такая печь будет иметь большие размеры, что трудно реализовать для поворотного агрегата.

Перечисленные недостатки позволяют считать, что вариант «Норанда» полуавтогенного процесса плавки в расплавах нельзя считать оптимальным для современных условий.

К недостаткам процесса следует отнести:

1 - относительно невысокую производительность, например, по срав-нению с процессами Ванюкова, Мицубиси, Айзасмелт (Осмелт);

2 - короткая кампания реактора;

3 - богатые по меди шлаки.

Процесс Мицубиси

Особенность процесса непрерывной плавки медных концентратов на черновую медь, разработанного японской фирмой «Мицубиси металл корпорейшен» (процесс «Мицубиси»), заключается в том, что операции плавки, обеднения шлаков и конвертирования осуществляются в отдельных печах. При этом расплавы из одного агрегата в другой перетекают самотеком непрерывно. По последним данным, промышленный комплекс процесса «Мицубиси» предполагается дополнить стадией непрерывного огневого рафинирования черновой меди, завершающей непрерывный цикл плавки медных концентратов получением анодной меди. В настоящее время промышленные установки непрерывной переработки медных концентратов по способу «Мицубиси» работают на заводах «Онахама» и «Наосима» в Японии и на заводе «Тимминс» в Канаде. Схема промышленной установки для плавки по способу «Мицубиси» показана на рисунке 4.

1 - плавильная печь; 2 - вертикальные фурмы (сопла);3 - горелка; 4 - электропечь для отделения штейна от шлака; 5 - печь для конвертирования.

Рисунок 4 - Установка для плавки медных концентратов по способу «Мицубиси»

Плавление в процессе «Мицубиси» может осуществляться автогенно или полуавтогенно. Полная автогенность плавки достигается при обогащении дутья кислородом до 45 %.

Плавильная печь завода «Наосима» имеет овальную форму с диаметрами 10,2 и 7,0 м и высоту 2 м. Глубина ванны в печи составляет 800 мм, в том числе глубина шлака 20 - 30 мм. Стены печи футерованы хромомагнезитовым кирпичом, ванна - плавленым хромомагнезитовым кирпичом с водяным охлаждением на наружной стороне корпуса. Плавильная печь и остальные агрегаты установки «Мицубиси» могут иметь также в плане круглую и прямоугольную форму.

В плавильную печь через свод введены пять загрузочных вертикальных фурм, через которые с помощью дутья вдувают в печь шихтовые материалы. Кроме этого, на своде установлены четыре мазутные горелки для разогрева печи при пуске и в случае необходимости для плавки шихты. Для работы вертикальных фурм требуется небольшое давление (из-за тонкого слоя шлака).

Шихта для плавки состоит из концентрата, кварца, известняка и гранулированного конвертерного шлака. Компоненты шихты перед плавкой высушивают до влажности менее 1 %. Плавку ведут на штейн с 65 % Сu и шлак с 30 - 35 % SiО2 и 7 - 8 % СаО. Удельная производительность плавильной печи при воздушном дутье составляет 10 т/(м2•сут).

Использование верхнего дутья позволяет отодвинуть зону высоких температур от стен печи и уменьшить скорость циркуляции расплава вблизи кладки, что способствует увеличению срока ее службы. Правда, это достигается за счет уменьшения общей напряженности дутья, а следовательно, и уменьшения удельной производительности. В связи с этим даже при обогащении дутья кислородом до 45 % ограничиваются производительностью примерно 20 т/(м2•сут), что, по-видимому, правильно, поскольку дальнейшее повышение напряженности дутья приведет к более быстрому износу кладки.

Шлак вместе со штейном непрерывно выпускается в электроотстойник для их разделения. На первой полупромышленной установке на заводе «Онахама» выпуск шлака и штейна из плавильной печи осуществлялся раздельно. Совместный выпуск расплава с поверхности позволил держать малый слой шлака в печи, сделал штейн более доступным для окисления дутьем, подаваемым на поверхность, при меньшем его давлении, что, по-видимому, и явилось причиной отказа от раздельного выпуска штейна и шлака.

Время выдержки шлака в отстойнике, рассчитанное на основании габаритных размеров печи и ее часовой производительности, составляет 4 ч. Содержание меди в шлаках до отстаивания 0,7 - 1,5 %, после отстаивания 0,4 - 0,5 %. Расход электроэнергии составляет 170 кВт•ч/т шлака. Штейн из электроотстойника выпускают через сифон и направляют в конвертерный агрегат, шлак - на грануляцию и далее в отвал.

При сравнении процесса «Мицубиси» с технологией по схеме отражательная плавка - конвертирование необходимо отметить целый ряд его преимуществ:

- в 2 - 4 раза большая удельная производительность;

- примерно в два раза меньше расход топлива;

- получение богатых по SO2 газов и резкое сокращение вредных выбросов в атмосферу;

- уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат, в частности затрат на рабочую силу.

Аппаратурное оформление процесса, с точки зрения специалистов, недостаточно надежно и долговечно. Использование верхних фурм и огнеупорной кладки ограничивает возможность увеличения удельной производительности. Массо- и теплообмен на порядок меньше, чем можно было бы получать при использовании боковых фурм. Обеднение шлаков осуществляется отстаиванием в электрических печах, т. е. разделение фаз недостаточно интенсифицировано. Перемешиванием с бедной извлекающей фазой в восстановительных условиях можно добиться более глубокого и более быстрого обеднения шлака. Основными недостатками технологии Мицубиси являются относительно высокие капитальные затраты, сложность управления технологическим процессом, необходима предварительная подготовка исходной шихты - сушка, измельчение, что требует дополнительных затрат.

Методы переработки сульфидных медно-никелевых руд и их особенности

Сульфидные медно-никелевые руды наряду с окисленными никелевыми рудами являются основным сырьем для получения никеля. В Советском Союзе доля получаемого из сульфидного сырья никеля по сравнению с окисленными рудами непрерывно возрастает. За рубежом наблюдается обратная тенденция.

На базе сульфидных медно-никелевых руд в нашей стране работают крупнейшие предприятия: Норильский ГМК, комбинаты «Североникель» и «Печенганикель». За рубежом производство никеля из аналогичного сырья сосредоточено главным образом в руках Интернациональной никелевой компании (ИНКО), которая производит около 50% общего выпуска никеля за рубежом. Основные предприятия этой компании расположены в Канаде.

Для металлургии сульфидных медно-никелевых руд характерно специфическое размещение предприятий. Все они (как в СССР, так и в Канаде) находятся в заполярных районах.

Сульфидные медно-никелевые руды в отличие от окисленных никелевых руд являются сложным, полиметаллическим сырьем, из которого в настоящее время извлекают 14 компонентов. В ценностной структуре до 50% от обшей стоимости ценных составляющих руды может приходиться на долю платиноидов .

Химический состав сульфидных медно-никелевых руд следующий, %: 0,3 - 5,5 Ni; 0,2 - 4,5 Сu; 0,02 - 0,2 Со; 30 - 40 Fe; 17 - 28 S; 10 - 30 SiO2; 1 - 10 MgO; 5 - 8 Al2O3.

В отличие от окисленных никелевых руд сульфидные руды ха-рактеризуются высокой механической прочностью, практически не-гигроскопичны и легко поддаются обогащению.

Основным способом обогащения сульфидных медно-никелевых руд является флотация (коллективная или селективная). Иногда флотационному обогащению предшествует магнитная сепарация, направленная на выделение пирротина в самостоятельный концентрат. Получение пирротинового концентрата, содержащего до 1,5% никеля, не всегда оправдано, так как в этом случае обязательно нужна его переработка с целью извлечения никеля, платиновых металлов и серы.

Следует отметить, что платиновые металлы в основном извлекаются вместе с никелем как при обогащении, так и при пирометаллургической переработке рудного сырья. Золото и серебро в большей степени ассоциированы с медью и концентрируются в медных продуктах.

Таким образом, при обогащении сульфидных медно-никелевых руд в зависимости от принятой схемы обогащения могут получаться коллективные медно-никелевые, медные, никелевые и пирротиновые концентраты.

В медно-никелевых и никелевых концентратах соотношение никеля и меди изменяется примерно от 2 : 1 до 1:2. Их перерабатывают по одной и той же технологии. Медные концентраты с высоким соотношением меди и никеля, равным примерно 20 : 1, направляют в медное производство.

Особый интерес для современной отечественной никелевой промышленности представляют сплошные сульфидные медно-никелевые руды Талнахского месторождения. Содержание в них пустой породы не превышает 15%. В настоящее время эти руды подвергают обогащению в тяжелых суспензиях для отделения пустой породы, а получающуюся тяжелую фракцию направляют на селективную флотацию с получением медного, никелевого и пирротинового концентратов, каждый из которых идет на раздельную металлургическую переработку. В связи с освоением на Норильском ГМК плавки в жидкой ванне целесообразность предварительного обогащения таких богатых руд становится дискуссионной. При флотации в хвосты отделяется всего около 15% рудной массы, при этом потери в них платиноидов и цветных металлов достигают почти 12%. Таким образом, 85% массы руды все равно подвергается металлургической переработке. В этих условиях представляется целесообразным всю кусковую руду или тяжелую фракцию направлять прямо на плавку, минуя стадию обогащения. Расчеты показывают, что это позволит повысить на 2 - 3% извлечение в товарную продукцию меди и никеля и почти на 10% извлечение платиноидов. Одновременно с этим сера, селен и теллур могут быть сконцентрированы в одном потоке богатых по SO2 газов, что существенно облегчит решение проблемы защиты окружающей среды и повысит извлечение их в товарную продукцию. Резкое упрощение технологической схемы, исключение целого ряда дорогих переделов (флотация, агломерация и др.), а также заметное повышение извлечения позволят существенно снизить себестоимость получаемых металлов.

Для извлечения никеля из всех видов рудного сырья используют как пиро-, так и гидрометаллургические процессы. Применяемые в настоящее время при производстве никеля технологические схемы построены преимущественно на сочетании пирометаллургических и гидрометаллургических методов с преобладанием пиро- металлургических переделов. В технологических схемах переработки окисленных и сульфидных никелевых руд много кажущейся общности, например применение одинаковых процессов и аппаратуры. Однако в целом эти схемы существенно отличаются друг от друга. На это оказывают влияние не только различия в исходном сырье, но и конечные цели переработки.

Наиболее распространенная технологическая схема получения никеля из сульфидных медно-никелевых руд пирометаллургическим методом. Особенности этой схемы следующие:

1. Включает обязательную стадию плавки на штейн. Это обусловлено тем, что поведение никеля при плавке в принципе аналогично поведению меди. Вместе с никелем в штейн переходят медь, кобальт, платиновые металлы, золото и серебро.

2. Обязательной технологической операцией является разделение меди и никеля (медно-никелевого файнштейна) с получением медного и никелевого промпродуктов (богатых концентратов), подвергающихся самостоятельной переработке. Отсутствие этого процесса в технологии привело бы к получению при восстановительной плавке очень сложного полиметаллического сплава на основе меди и никеля, выделение из которого всех ценных компонентов в виде самостоятельных продуктов оказалось бы технически невозможным.

3. Технологическая схема пирометаллургической переработки сульфидных медно-никелевых руд в отличие от технологии получения никеля из окисленного сырья заканчивается обязательным рафинированием чернового (огневого) никеля. Электролитическое рафинирование чернового никеля после предварительного отделения меди позволяет не только получать никель высокой чистоты (до 99,99% Ni и более), но и извлекать при электролизе кобальт, благородные и редкие металлы в удобные для дальнейшей переработки продукты -- кобальтовые кеки и электролизные шламы.

Медно-никелевые штейны по своим физико-химическим свойствам близки к чисто медным. При проведении плавки в окислительных условиях они, как и медные штейны, содержат около 25% серы. В них также присутствует кислород в форме магнетита. Содержание кислорода в медно-никелевых штейнах может быть определено так же, как и для чисто медных штейнов. Однако в этом случае нужно вместо меди учитывать суммарное содержание меди и никеля. Медно-никелевые штейны восстановительных плавок характеризуются заметной металлизацией.

Близкая аналогия в технологическом поведении меди и никеля и близость физико-химических свойств медных и медно-никелевых штейнов позволяют использовать для переработки медно-никелевых руд и концентратов те же методы плавки на штейн и другие технологические процессы, которые применяются в пирометаллургии меди.

Для плавки медно-никелевого сырья на штейн пригодны все виды рассмотренных выше процессов, включая и автогенные процессы.

Перспективность и целесообразность применения автогенных процессов для плавки медно-никелевого сырья обусловлены прежде всего тем, что никелевые концентраты обычно беднее медных и в них основным сульфидным минералом является пирротин.

Медно-никелевые руды и концентраты перед плавкой на штейн подвергают следующим видам предварительной подготовки: дроблению кусковой руды, сушке, окускованию флотационных концентратов и рудной мелочи окатыванием или агломерацией, окислительному обжигу и шихтовке.

Выбор схемы подготовительных процессов зависит от вида и состава исходного сырья, содержания в нем металлов и серы и метода плавки. Так как подготовка медно-никелевых руд и концентратов почти не отличается от подготовки медного сырья, ниже рассматриваются только специфические особенности ее отдельных операций применительно к конкретным металлургическим процессам.

Плавка медно-никелевых руд и концентратов на штейн

Исходным сырьем при плавке на штейн при переработке сульфидного медно-никелевого сырья могут служить непосредственно руды, никелевые или медно-никелевые концентраты. Плавку такого сырья можно вести в шахтных, отражательных или электрических печах и практически любым автогенным процессом.

Плавку медно-никелевых руд и концентратов в руднотермических печах применяют на всех заполярных предприятиях отечественной никелевой промышленности и на канадском заводе «Томпсон». Отражательную плавку используют на крупнейшем никелевом предприятии Канады - заводе «Коппер-Клиф». Шахтная плавка сохранилась до настоящего времени только на двух заводах -- «Фолконбридж» и «Конистон» (Канада). Перспективность и высокая технико-экономическая эффективность использования автогенных процессов для плавки сульфидных никелевых концентратов подтверждаются промышленным опытом работы завода «Харьявалта» (Финляндия) и опытно-промышленными испытаниями автогенных плавок других разновидностей.

Ниже рассмотрены лишь специфические особенности их применения для переработки медноникелевого сырья. Различия в характере никелевых и медных плавок связаны в первую очередь с особенностями химического и минералогического состава перерабатываемого сырья. Медно-никелевые руды и концентраты в качестве основного сульфидного минерала содержат пирротин, а не пирит. Кроме того, в концентратах суммарное содержание никеля и кобальта меньше содержания меди в медных концентратах. Именно это и служит причиной проведения в большинстве случаев перед плавкой на штейн окислительного обжига.

...