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

На заводе «Коппер-Клиф» перерабатывают сульфидные никелевые концентраты, содержащие, %: 5 - 8 Ni; 1 - 2 Сu; 42 Fe; 22 S. В пустой породе содержится менее 5 % MgO. Сравнительно легкоплавкий состав концентратов позволяет использовать для их плавки отражательные печи.

Шихту, состоящую из 80 % концентрата и 20 % кварца, перед плавкой подвергают окислительному обжигу в печах КС. Десульфуризация при обжиге составляет около 40 %, что соответствует конечному содержанию серы в огарке в пределах 12,5 - 13 %. Обжиговые печи на заводе «Коппер-Клиф» расположены непосредственно над отражательными печами. Горячий огарок, имеющий температуру 650 - 700 °С, «стекает» по чугунным течкам на скребковые транспортеры, распределяющие его по загрузочным воронкам плавильной печи. Такое взаимное расположение обжиговой и отражательной печей, несмотря на значительные технологические преимущества, затрудняет эксплуатацию печей и особенно их раздельный ремонт.

На заводе установлено семь обжиговых и соответственно семь отражательных печей длиной 33,5 и шириной 9,15 м, оборудованных подвесными сводами из магнезитовых блоков. Производительность печей по твердой шихте составляет около 4,5 т/(м2*сут). В качестве топлива используют смесь природного газа (60%) и пылеугля (40%). В горелки подают дутье, обогащенное кислородом до 25% и подогретое до 315 °С. Расход условного топлива составляет около 12,5%.

В результате плавки получают штейн, содержащий ~17% Ni+Cu, и шлак состава, %: 0,18 - 0,2 Ni; 0,08 Сu; 0,1 Со; 36 SiО2, 37--40 Fe; 7 А12О3.

На заводе «Коппер-Клиф» применяют барботирование ванн отражательных печей паром. В результате этого содержание металлов в шлаке снижается на 7% (отн.), а объем выпускаемого шлака вследствие увеличения его плотности -- на 10%.

Медно-никелевые руды Советского Союза в отличие от канадских характеризуются высоким содержанием оксида магния, что приводит к получению тугоплавких шлаков. Попытку использования отражательной плавки для медно-никелевого сырья предпринимали на комбинате «Североникель», однако полученные при испытаниях показатели были крайне низкими. Печь имела очень низкий удельный проплав (~2,3 т/(м2* сут)) и высокий расход топлива. Штейны, получающиеся при плавке, характеризовались малым суммарным содержанием меди и никеля (9--13%). Все это послужило причиной отказа от применения отражательной плавки на отечественных заводах для переработки медно-никелевого сырья и перехода на полупиритную шахтную плавку.

В отличие от медной полупиритной плавки плавка никелевого сырья в шахтных печах характеризуется большим расходом кокса из-за тугоплавкой пустой породы (до 20%), низкой десульфуризацией (50--60%) вследствие меньшего количества серы, удаляющейся при диссоциации высших сульфидов, а также из-за большого количества кокса, доходящего до фурм. Шлаки полупиритной плавки содержат значительное количество магнетита и, следовательно, повышенное количество кобальта. Другие недостатки полупиритной плавки, описанные в металлургии меди, среди которых решающее значение имеет сложная и дорогая подготовка шихты к плавке методом агломерации, полностью распространяются на переработку медно-никелевого сырья этим методом.

В последние годы технология шахтной плавки сульфидного сырья благодаря использованию обогащенного кислородом дутья была усовершенствована. В частности, стало возможным осуществлять процесс в автогенном режиме при меньшем содержании серы в руде. Это позволило полностью отказаться от применения кокса и получать богатые по содержанию SO2 отходящие газы. Появились предложения вновь вернуться к шахтной плавке богатых кусковых руд. Однако кусковая руда, непосредственно поступающая с рудника, содержит большое количество мелочи и для непосредственной плавки непригодна. Поэтому эти предложения вряд ли могут быть приняты из-за высоких затрат на подготовку руды к плавке методом брикетирования.

Шахтная плавка медно-никелевых сульфидных руд вследствие в первую очередь очень высокого расхода дорогостоящего кокса и его отсутствия в местах потребления заменена в настоящее время на всех отечественных заводах электроплавкой. Электроплавку используют и на заводе «Томпсон» (Канада).

Важным достоинством руднотермической плавки по сравнению с полупиритной является также возможность ее применения для переработки тугоплавких шихт, содержащих до 15 - 20% и более MgO. В момент внедрения и освоения электроплавки на отечественных заводах, когда с рудников поступала руда с повышенным содержанием оксида магния, это ее достоинство проявлялось в полной мере. Однако в настоящее время наши заполярные предприятия в электропечах плавят материалы, близкие по химическому составу к медным рудам. Основное преимущество электропечей, таким образом, сейчас не реализуется.

Другая характерная особенность электроплавки заключается в том, что железо представлено в сырье пирротином, а не пиритом. Так же как и при отражательной плавке, это определяет низкую десульфуризацию (15--20%). И, наконец, в связи с необходимостью повышения извлечения кобальта при электроплавке медно-никелевого сырья в шихту вводят углеродистый восстановитель. Расход угля составляет 2--2,5% от массы шихты. Плавку при этом ведут с получением сильно металлизированного штейна, содержащего до 10% металлического железа. Расход восстановителя регулируют таким образом, чтобы на подине печи постоянно присутствовала ферроникелевая настыль толщиной 200--300 мм. Насыщение штейнов металлами приводит к снижению содержания в отвальных шлаках магнетита и увеличению перехода меди, никеля и особенно кобальта в штейн. Наличие подовой ферроникелевой настыли предохраняет подину от размывания, что увеличивает кампанию печи.

Как и при медной плавке, процесс ведут на глубокой ванне (2,2--2,5 м), стремясь иметь по возможности более высокое напряжение на электродах, естественно, в пределах того, что позволяет состав шлака.

Для переработки медно-никелевого сырья могут быть использованы автогенные процессы, осуществляемые как во взвешенном со стоянии (КФП, Финская технология, Кивцэтный процесс), так и в расплавах (процессы «Норанда», «Мицубиси», плавка в жидкой ванне).

Фирма «Оутокумпу» с 1959 г. успешно использует плавку во взвешенном состоянии на подогретом до 480 °С дутье для переработки пентландито-пирротиновых концентратов, содержащих около 6% Ni; 0,5% Сu и большое количество пирротинов. Недостаток серы, характерный для медно-никелевого сырья, компенсируется сжиганием в печи дополнительного топлива. Плавку ведут на штейн, содержащий около 46% Ni + Cu, 25% Fe и 24% S. Шлаки после выпуска из печи обедняют до отвального состояния в электро- обогреваемом отстойнике в присутствии восстановителя и оборотных сульфидных материалов. Газы после охлаждения в котле- утилизаторе и теплообменнике используют для производства серной кислоты. Подобная технология нашла промышленное применение в Советском Союзе для плавки автоклавных сульфидных концентратов, получаемых при гидрометаллургической переработке пирротиновых концентратов.

Как уже отмечалось, отличительной особенностью этой технологии является получение элементарной серы, а не серной кислоты. Восстановление серы осуществляют путем вдувания в аптейк пылеугля или (в последнее время) природного газа. Таким образом, используют теплоту отходящих газов на восстановление SО2. Дальнейшая переработка газов сводится к использованию их физической теплоты в котлах-утилизаторах, обеспыливанию и химической переработке по технологии, принятой на Медногорском медно-серном комбинате.

На одном из отечественных заводов проходит опытно-промышленные испытания стационарная установка для автогенной плавки, аналогичная по конструкции вертикальному конвертеру с периодическим выпуском штейна и шлака через шпуры. Окисление расплава осуществляется кислородом дутья, подаваемого через вертикальные дутьевые сопла. Надежных результатов работы этой установки пока не получено. Следует лишь отметить, что она является близким аналогом первой стадии процесса переработки сульфидных концентратов по способу Мицубиси.

Анализируя существующее положение в металлургии сульфидного медно-никелевого сырья и учитывая общие принципы выбора технологических схем и организации технологии, можно с уверенностью сказать о том, что и в этом случае в наибольшей степени обеспечивает оптимизацию условий протекания важнейших элементарных процессов плавка в жидкой ванне. При переработке медно-никелевого сырья, она безусловно, будет так же эффективна, как и при плавке медных концентратов. Полупромышленные и промышленные испытания плавки в жидкой ванне никелевых концентратов и медно-никелевых руд еще раз подтвердили высокую удельную производительность процесса, высокое прямое извлечение всех ценных составляющих (Си, Ni, Со, платиноидов), низкий пылевынос и получение газов с высоким содержанием SО2. Комплекс установки для плавки в жидкой ванне медно-никелевого сырья включает плавильную печь, печь для глубокого обеднения шлаков, котел-утилизатор, охлаждаемый газоход, электрофильтры. Обеспыленные и охлажденные газы направляются на получение серной кислоты или элементарной серы. Ожидаемые проектные показатели как по удельной производительности, так и по извлечению ценных компонентов превышают показатели электроплавки. Получение более богатых штейнов, чем при электроплавке, и соответствующее уменьшение их количества нормализуют работу конвертерного отделения и отделения обеднения конвертерных шлаков.

Содержание

1. А. В. Ванюков, Н.И. Уткин “ Комплексная переработка медного и никелевого сырья ” 1988 год.

2. Н.И. Уткин “ Металлургия цветных металлов ” 1985 год.

3. Ванюков А.В. Плавка в жидкой ванне. -М.: Металлургия, 1988.

4. Набойченко С.С., Агеев А.П. и др. Процессы и аппараты цветной металлургии. -Екатеринбург, УГТУ, 1997.

Размещено на Allbest.ru