Никель. Основные физические и химические свойства, объемы производства и потребления, области применения, основные способы производства
Обобщение сведений о физических и химических свойствах никеля, способах производства и областях его применения. Анализ способов производства никеля из окисленной руды. Барботажный агрегат с глубокой утилизацией тепла. Автоклавное аммиачное выщелачивание.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | курсовая работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 28.08.2020 |
Размер файла | 75,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
ИНСТИТУТ: ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА
КАФЕДРА: ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И ЗОЛОТА
НАПРАВЛЕНИЕ: МЕТАЛЛУРГИЯ
КУРСОВАЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
на тему: НИКЕЛЬ. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОБЪЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ, ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА
Студентка группы БМТ-17-3 В.Д. Хахалин
Руководитель работы проф., к.т.н. А.Н. Федоров
Москва 2020
Содержание
- Введение
- 1. Свойства чистого никеля
- 1.1 Физические свойства
- 1.2 Химические свойства
- 2. Добыча никелевых руд
- 2.1 Окисленные руды
- 2.2 Сульфидные никелевые руды
- 3. Основные способы производства никеля
- 3.1 Основные способы производства из окисленной руды
- 3.1.1 Кричный процесс
- 3.1.2 Плавка в печи Ванюкова
- 3.1.3 Барботажный агрегат с глубокой утилизацией тепла (БАГУТ)
- 3.1.4 Плавка в доменной печи
- 3.1.5 Плавка в шахтной печи
- 3.1.6 Электроплавка
- 3.2 Основные способы производства из сульфидной руды
- 3.2.1 Пирометаллургические способы
- 3.2.1.1 Электроплавка
- 3.2.1.2 Плавка во взвешенном состоянии
- 3.2.2 Гидрометаллургические способы
- 3.2.2.1 Автоклавное аммиачное выщелачивание
- 3.2.2.2 Окислительное автоклавное выщелачивание
- 4. Объемы производства и потребления
- 5. Области применения
- Заключение
- Список использованных источников
Введение
никель физический химический производство
Несмотря на тот факт, что никель был открыт лишь в 1751 году шведским минералогом А. Кронстедтом и до 1874 г. считался исключительно ювелирным металлом, его производство в 2019 году составило порядка 2,7 миллиона тонн, что является огромным значением для цветного металла [1]. Тем самым никелевая промышленность, являясь одной из крупнейших подотраслей цветной металлургии, занимает пятое место по объему производства и потребления среди цветных металлов.
Промышленная веха истории никеля началась гораздо позже его открытия. Произошло это во французской колонии Новая Каледония в 1865 году. Кроме двух основных типов руд перерабатывались также мышьяковистые кобальтовые никельсодержащие руды, которые до открытия месторождений в Новой Каледонии широко использовались при выплавке никеля. Впоследствии в Канаде были обнаружены большие месторождения сульфидных медно-никелевых руд, что дало огромный толчок для развития этой отрасли. В Российской империи собственного производства не было, хоть и были все предпосылки к этому. Первым в 1933 г. был пущен Уфалейский никелевый завод, а затем в 1938-1946 гг. вошли в строй большие никелевые комбинаты на Урале и в Заполярье.
Заводы, перерабатывающие сульфидные медно-никелевые руды, в нашей стране расположены за полярным кругом. В 1942 г. был пущен Норильский горно-металлургический комбинат, который на данный момент является ведущим и самым крупным предприятием никелевой отрасли в России и в мире. За рубежом производство никеля сосредоточено в руках нескольких монополий, крупнейшей из которых является Интернациональная никелевая компания (ИНКО).
1. Свойства чистого никеля
1.1 Физические свойства
При обычных условиях никель обладает характерным желтовато-серебристым оттенком. От действия воды, ее паров и кислорода воздуха никель тускнеет. Компактный кубический никель имеет плотность 8,9 г/см3 (20 °С), атомный радиус 0,124 нм, ионные радиусы: Ni (2+) 0,079 нм, Ni (3+) 0,072 нм.; tпл 1453°С; tкип. около 3000 °С; удельная теплоёмкость при 20 °С 0,440 кДж/моль; температурный коэффициент линейного расширения 13,310-6 (0-100°С); теплопроводность (при 27 °С) равняется 90,9 Вт/(м·К). Удельное электросопротивление при 20°С 0,087•10-6 Ом•мм2/м; температурный коэффициент электросопротивления 6,8•10-3 (0-100 °С). Никель - ковкий и тягучий металл, из него можно изготовлять тончайшие листы и трубки. Предел прочности при растяжении 400-500 Мн/м2 (т. е. 40-50 кгс/мм2), предел упругости 80•106 Па, предел текучести 120 •106 Па; относительное удлинение 40%; модуль нормальной упругости 205 •109 Па; твёрдость по Бринеллю 600-800 •106 Па. В температурном интервале от 0 до 631 К (верхняя граница соответствует точке Кюри) никель ферромагнитен. Ферромагнетизм никеля обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек (3d8 4s2) его атомов. Никель вместе с Fe (3d4 4s2) и Со (3d7 4s2), также ферромагнетиками, относится к элементам с недостроенной 3d- электронной оболочкой (к переходным 3d-металлам). Электроны недостроенной оболочки создают не скомпенсированный спиновый магнитный момент. Положительное значение обменного взаимодействия в кристаллах никеля приводит к параллельной ориентации атомных магнитных моментов, то есть к ферромагнетизму. По той же причине сплавы и ряд соединений никеля (оксиды, галогениды и др.) магнитоупорядочены (обладают ферро-, реже ферримагнитной структурой). Металл имеет магнитные особенности даже в условиях достаточно низких температур.
1.2 Химические свойства
Разбавленные серная и соляная кислоты медленно растворяют никель. Разбавленная азотная кислота действует на никель быстрее других кислот. Помимо этого, реагирует с кислородом, галогенами, халькогенами, аммиаком, однако при обработке фтором компактный металл покрывается очень устойчивой пленкой NiF2. Переводится в раствор карбонатом аммония, а также поглощает заметное количество H2 [2]. Щелочи не действуют на никель. В большинстве соединений никель двухвалентен (NiCl2, NiSO4). Никель образует важные для металлургии соединения с кислородом (NiO), серой (Ni3S2), монооксидом углерода (Ni(CO)4).
Интересной особенностью никеля является его способность образовывать летучее соединение с монооксидом углерода. Это соединение называет карбонилом никеля. При нормальных условиях карбонил - бесцветная тяжелая жидкость. Карбонил кипит при 43 ?, а разлагается уже при 180:
Ni(CO)4 = Ni + 4CO,
Ни одному из цветных металлов не под силу подобное. Таким образов, никель в виде карбонила может быть отделен почти от всех металлов, за исключением железа, поскольку оно тоже образует подобное соединение.
Поскольку никель в водных растворах в ряду железо - кобальт - никель окисляется в последнюю очередь, то тем самым возможно разделение этих металлов в растворах друг друга.
Как правило, металлургам приходится работать лишь с двухвалентным оксидом никеля, так как два других разлагаются при температурах выше 355 ?. Достаточно присутствия всего 0,5 % СО, чтобы при 700 ? закись никеля быстро восстановилась до металла по реакции:
NiO + CO - Ni + CO2.
Из тяжелых цветных металлов лишь одна медь восстанавливается при еще меньших концентрациях СО.
Не менее важной характеристикой никеля является коррозионная стойкость. Находясь в атмосферах O2, H2O, CO2, SO2 при температуре 700 ? и 900 ? в течение 24 часов, никель показал один из лучших результатов, уступая лишь в сернистой атмосфере. В тоже время при последней температуре показал результат лучше, чем железо и кобальт [3].
2. Добыча никелевых руд
Говоря про никель, нельзя не упомянуть о том, что современные никелевые заводы перерабатывают два типа руд: сульфидные (сернистые) и окисленные. Именно от типа руды будет зависеть технология обработки сырья.
В России более 93% горной добычи никеля приходится на ПАО «ГМК Норильский никель» - одну из крупнейших никелевых компаний мира, которой принадлежат разрабатываемые месторождения сульфидной медно-никелевой руды Норильского и Печенгского района. Добычу окисленной силикатной руды на Серовском руднике ведет компания ООО «Русникель».
2.1 Окисленные руды
Среднее содержание никеля в рудах подобного вида колеблется на уровне 0,6 - 1,2%. Самым крупным месторождением окисленной никелевой руды является Буруктальское (Оренбургская область), в котором сосредоточено порядка 7% разведанных запасов России.
Они представляют из себя мягкий землистый материал, напоминающий глину, и содержат соединения извлекаемых металлов и магния с кислородом, водой и кремнеземом. Важно отметить, что меди и серы здесь лишь сотые доли, а драгоценных металлов и вовсе нет совсем.
Окисленные руды залегают чаще всего горизонтальными пластами близко к поверхности земли. Однако, определенные типы руд образуются по места контакта основных пород, содержащих никель, с известняками и уходят на сотни метров вглубь. Залежи окисленных руд занимают площадь до 6 км2. Вскрышные работы ведут на глубину 4-5 метров и более. Существует чрезвычайная неоднородность состава руд как по содержанию никеля, так и по составу пустой породы; даже в одном забое на руднике с одной стороны может идти богатая руда, а с другой - пустая порода, которая по внешнему виду почти не отличается от богатой руды. Добывая несколькими экскаваторами руду, достигается усреднение состава, избавления непостоянства химического состава. Такого же эффекта, но в больших объёмах, можно добиться путем добычи руды с разных рудников.
Таблица 1
Минералы никеля, встречающиеся в окисленных рудах
Минералы |
Химическая формула |
Твердость |
Удельный вес |
|
Бунзенит |
NiO |
5,5 |
6,5 |
|
Тексазит, никелевый изумруд |
NiCO3•2Ni(OH)2•4H2O |
5,0 |
2,6 |
|
Никелевый купорос |
NiSO4•7H2O |
2,0 |
2,0 |
|
Канарит |
2Nio•3Sio2•nH2O |
- |
2,55 |
|
Гарниерит, или нумеит |
(NiMg)O•SiO2•nH2O |
2-3 |
2,3-2,8 |
|
Шухардит |
(Ni, Mg, Cu, Al) •SiO2•nH2O•Fe2O3 |
Нет данных |
- |
|
Ревдинскит |
RSiO2•2H2O (где R - Ni, Mg, Fe) |
- |
2,77 |
Для металлургических расчетов можно ограничиться одной общей формулой: NiSiO2•mMgSiO2•nH2O, где коэффициенты m и n можно рассчитать по элементарному и минералогическому составу руды [4].
В руде содержится большое количество гигроскопической (до 25 - 30% от массы руды) и гидратной воды (10 - 15%). Помимо этого, существует наличие в большой массе мягкой землистой породы весьма твердых кварцевых включений, иногда больших размеров (до 1 м в диаметре), содержащих мало никеля.
Имея определенные особенности химического и минералогического составов никелевые окисленные руды не могут быть обогащены известными методами обогащения. Поэтому они поступают на гидро- или пирометаллургический передел без участия в этом технологическом звене [5].
2.2 Сульфидные никелевые руды
В России основу минерально-сырьевой базы никелевой промышленности образуют сульфидные медно-никелевые месторождения Норильского района: Норильск-1, Талнахское и Октябрьское. На их долю приходится не менее 85% подтвержденных запасов никеля нашей страны.
Сульфидные руды содержат соединения извлекаемых металлов с серой. В них всегда присутствуют медь, платиноиды, серебро и золото.
Эта руда залегает в основной породе в виде жил или мощных рудных тел. Жилы и рудные тела могут располагаться с крутым (почти вертикально) и полого (почти горизонтально) наклонами. Верхняя часть вертикальных или наклонных рудных тел часто выходит на поверхность или близко подходит к ней: нижняя часть уходит на сотни метров вглубь земной коры (до 1200 м и больше). Таким образом, при глубине до 500 метров добычу ведут открытом образом, а с большой глубины, как правильно, подземным способом. Возможно наличие большого количества пустой породы, в таком случае руду называют «убогой».
Основные полезные минералы никелевой руды: пентландит - (Fe, Ni)9S8. халькопирит - CuFeS2, и никельсодержащий пирротин - Fe7S8. Кроме сульфидов, в сульфидных медно-никелевых рудах содержится магнетит в количестве до 10%. Именно из-за минералов, содержащих железо эту руду можно обогащать, применяя магнитные отделители (сепараторы).
Пустая порода сульфидных медно-никелевых руд состоит из тугоплавких железомагнезиальных силикатов и образована следующими минералами: оливином, авгитом и роговой обманкой, которые в сумме составляют 85% пустой породы руды.
По содержанию руду делят на богатую с содержанием никеля более 1% при отношении никеля к меди не менее 1:1 и с пониженным содержанием железа (менее 25%). При содержании железа более 25% и серы более 20% богатые руды перед плавкой флотируют для разделения на медный и никелевый концентраты и вывода пирротина (Fe1-хS) в отдельный продукт. Медно-никелевые руды с содержанием никеля менее 1 % обогащаются; при этом получают совместный медно-никелевый или селективные никелевый и медный концентраты. Содержащийся в медно-никелевых рудах кобальт в процессе обогащения накапливается в медно-никелевом, медном и никелевом концентратах. Селективная флотация позволяет разделить большую часть меди и никеля, однако полного разделения достичь не удается из-за тесного срастания никелевых и медных минералов. Поэтому никелевый концентрат, по существу, является никель-медным и содержит, % по массе: 3-12 Ni; 1-6 Cu; 37-40 Fe; 25-29 S; 14-20 SiO2. При переработке сульфидных руд металлургу приходится заботиться об извлечении не только никеля, но и меди, кобальта, селена, теллура, платины, палладия, родия, рутения, иридия, осмия, золота, серебра и серы.
При хорошо организованном производстве можно достичь комплексного использования руды.
3. Основные способы производства никеля
3.1 Основные способы производства из окисленной руды
3.1.1 Кричный процесс
Кричный процесс был разработан в 30-е годы ХХ века в Германии (под названием (Krupp-Renn процесс) для получения железа из низкокачественных железных руд. Затем был применен в Германии, Греции и Японии для переработки окисленных никелевых руд с получением крицы ферроникеля [6]. В настоящее время по кричной технологии работает только одно предприятие в Японии - завод Oheyama компании Nippon Yakin Kogyo. Там применяют богатые по никелю высокомагнезиальные силикатные (гарниеритовые) руды. При этом получается ферроникель, содержащий 18 - 25% Ni, который поступает на сталелитейное производство в Кавасаки, принадлежащее этой же компании.
Суть кричного процесса заключается в производстве ферроникеля при температурах, не достигающих температуры плавления ферроникеля. Крицы (мелкие зерна ферроникеля) получают обычно в наклонной трубчатой печи нагревом смеси окисленной никелевой руды с восстановителем и последующей магнитной сепарацией [7]. Шихта во вращающейся трубчатой печи нагревается при температурах размягчения окисленных никелевых руд, подвергается восстановлению углеродистым восстановителем, частично подплавляется. Центры кристаллизации металла (железа или никеля), находящегося при температуре процесса в твердом состоянии начинают расти, находясь в твердом состоянии и преобразуются в довольно большие кристаллы, размером в несколько миллиметров. Трубчатая печь по длине подразделяется на три основные зоны: предварительного нагрева, восстановления окислов и крицеобразования. Температура в зоне нагрева поднимается до 600 ?. Температура восстановительной зоны до 1100 ?. Температура зоны крицеобразования достигает 1300 - 1350 ?. Пока шихта находится в твердом состоянии удовлетворительная степень восстановления никеля достигается только в том случае, если его оксиды находятся в свободном состоянии и не связаны в силикаты.
Существенным недостатком кричного процесса является образование настылей на стенках печи, борьба с которыми весьма затруднительна.
Таким образом, кричный процесс энергоемок, имеет малую производительность, ограничения по составу руд, труден в эксплуатации.
3.1.2 Процесс Ванюкова
Данная технология неоднократно была испытана в условиях ОАО «Комбинат Южуралникель». Испытания по плавке окисленных никелевых руд Буруктальского (Оренбургская область) месторождения вели с подачей природного газа, при обогащении дутья кислородом до концентрации 96% проплав шихты во время испытаний достиг 40 т/м3 в сутки. В таком режиме ведения процесса был получен штейн с 30% никеля и 0,15% кобальта, при условии дожигания в восстановительной зоне природного газа с избытком окислителя и при обогащении дутья до 60%. При этом расход энергоресурсов остался на уровне шахтной плавки, в связи с высокой температурой отходящих газов. Однако, попытки выплавки ферроникеля из окисленных никелевых руд в жидкой ванне на комбинате нельзя назвать успешными [8].
3.1.3 Барботажный агрегат с глубокой утилизацией тепла (БАГУТ)
Данная технология была разработана в ГНЦ ОАО «Гинцветмет» и опробована только на пилотной установке [9 Источник в списке не значится!]. Рабочее пространство агрегата БАГУТ состояло из двух зон: барботажной (плавка и восстановление руды) и плазменной, в которой производили доводку расплава шлака с максимальным извлечением из него железа в дуговой печи постоянного тока. В агрегате предусмотрены фурмы для подачи обогащенного кислородом дутья, что позволяет отапливать барботажную зону любым топливом. Процесс карботермического восстановления никеля, кобальта и железа из руды осуществлялся до заданного состава ферроникеля. По данной технологии извлечение никеля в ферроникель выше, чем в штейн.
Еще одним преимуществом БАГУТ является нагрев шихты за счет тепла отходящих газов из плавильной зоны (температура газов на выходе из теплообменника порядка 300 - 350 0С), тем самым решается вопрос утилизации тепла отходящих газов.
3.1.4 Плавка в доменной печи
Данный способ переработки осуществляется в технологической цепочке: агломашина, на которой спекается необходимый агломерат, доменная печь, в которую загружают полученный агломерат вместе с коксом и рудой, куда под давлением подают нагретое дутье, выпуск металла и шлака из печи, металл без дополнительной обработки готов к прямому использованию - легированию стали, при этом расход кокса снижается на 31 - 38% [10]. Главной целью этого метода является уменьшение энергетических затрат для производства железоникелевого сплава для прямого легирования стали. Хоть и плавка окисленной никелевой руды в доменной печи может считаться перспективным в получении ферроникеля из бедных руд, но этот способ осуществим только при определенном агломерате и дорогом коксе, что делает этот способ переработки экономически выгодным только в случае использования богатых никелевых руд.
3.1.5 Плавка в шахтной печи
Главное задача плавки окисленных никелевых руд заключается в том, чтобы перевести как можно большую часть никеля в сульфид и металл для отделения его в виде сплава с сернистым и металлическим железом (штейна) от всех прочих компонентов шихты, образующих отвальный шлак. Для этого ведут восстановительную плавку руды в смеси известняком, расход которого составляет от 20 до 30% от массы никельсодержащего сырья.
Силикат никеля реагирует с пиритом по реакции:
NiSiO3 + FeS - NiS + FeSiO3.
Последняя реакция имеет наибольшее значение при плавке окисленных никелевых руд в шахтных печах. Переписав уравнение константы равновесия, мы имеем:
(Ni)o=[Ni]s• • ;
Из указанной формулы получается два практических вывода, целиком подтвердившиеся на практике:
1) чем больше содержание никеля в штейне, тем, при прочих равных условиях, выше содержание никеля в шлаке;
2) чем больше содержание железа в шлаке, тем, при прочих равных условиях, выше содержание никеля в шлаке [11].
На практике шлаки получаются примерно в одну сотую от его содержания в штейне
Помимо реакций с сульфидами, NiSiO3 или NiO могут реагировать с углеродом кокса и оксидом углерода и давать свободный металл:
NiSiO3 + С(CO) + CaO > Ni + CaSiO3 +CO(CO2).
Получающийся свободный никель может, в свою очередь, реагировать с сульфидом железа, давая сульфид никеля и свободное железо. Свободные никель и железо растворимы в расплаве сульфидов.
Согласно исследованиям А.Н. Кудрина, В.А. и А.В. Ванюковых, при плавке с гипсом в газовой атмосфере шахтной печи содержатся элементарная сера, H2S и SO2. Ими же было доказано, что, несмотря на весьма незначительное их содержание в газах, имеющиеся в шихте восстановленное губчатое железо энергично реагирует с серой газовой фазы, образуя FeS еще до расплавления шихты. Поэтому следует считать основным сульфидизатором именно FeS, а не CaS даже при плавке с гипсом.
Наряду с другими реакциями, основное внимание при плавке следует обращать на горение кокса за счет кислорода вдуваемого воздуха.
При плавке относительно бедных окисленных руд их расход в тоннах на 1 т никеля получает большим, а, следовательно, и расход кокса на 1 т никеля тоже очень велик. В основном расход кокса, рассчитываемый в процентах от веса руды, зависит от 4 факторов:
1) от пирометрического эффекта сгорания кокса (т.е. от соотношения CO2: CO в отходящих газах;
2) от температуры колошника (температуры отходящих газов, которая зависит в основном от высоты сыпи);
3) от содержания в руде кремнезема и магнезии (чем выше процент SiO2 или MgO в руде, тем руда более тугоплавка и тем больше расход известняка и кокса);
4) от качества шихты и характера ее подготовки.
Дальнейшей операцией является продувка никелевого штейна в конвертере. Штейны, практически получаемые на заводах, имеют состав: никеля от 10 до 25%, серы от 14 до 22%, небольшое количество примесей (кобальта, меди), остальное железо. Целью операции продувки в конвертере является удаление железа и кобальта в конвертерный шлак и части серы - в газы, с получением почти чистого Ni3S2, файнштейна состава: никель 75-78%, серы 21-24% и не более 0,25% железа.
В процессе продувки никелевого штейна в конвертере нужно различать два периода:
1) 6Fe + 3O2 + 3SiO2 > 3[(FeO)2 •SiO2] + 448800 кал. - окисление железа ферроникеля;
2) 2FeS + 3O2 + SiO2 > (FeO)2 •SiO2 + 2SO2 + 246080 кал. - окисление сернистого железа.
После окончания обоих этих процессов и слива шлака в конвертере остается файнштейн - почти чистый Ni3S2 с растворенном в нем металлическим никелем и небольшим количеством примесей.
Для удаления серы файнштейн обжигают в две стадии: первая стадия обжига производится в печах кипящего слоя до содержания серы в огарке 3-5%, вторая стадия - в трубчатых печах барабанного типа до содержания серы в закиси никеля 0,01 - 0,02%.
Дальше идет восстановление оксида никеля в электрических печах, где происходят следующие процессы:
Закись никеля восстанавливается по реакции:
NiO + CO = Ni + CO2 + 9250 кал.
Избыток углерода восстановителя науглероживает жидкую ванну никеля по реакции:
3Ni + C = Ni3C.
Для обезуглероживания никеля в расплавленный металл к концу процесса восстановления вводят небольшое количество закиси никеля, которая взаимодействуя с карбидом никеля и разрушает его:
Ni3C + NiO = 4Ni + CO.
Данная технология имеет ряд недостатков, таких как:
- трудоемкая подготовка руды к плавке,
- непригодность руд с повышенным содержанием тугоплавких шлакообразующих компонентов,
- большой пылевынос (около 30 - 40% от массы загружаемой руды),
- потеря полезного тепла отходящих газов,
- дороговизна процесса (большой расход кокса 20 - 30 т кокса на 1 т никеля).
3.1.6 Электроплавка
Электроплавка с предварительным прокаливанием руды во вращающейся трубчатой печи (процесс фирмы «Элкем»). Главной отличительной особенностью руднотермической печи постоянного тока является отсутствие непосредственного контакта между графитовым электродом и расплавом шлака, за счет этого появляется возможность регулирования степени восстановления ведущих элементов из оксидов и контролирование расхода восстановителя. Восстановление примесей кремния, фосфора, хрома и серы контролируется содержанием оксида железа (II) в шлаке, за счет этого минимизируется насыщение металлического расплава углеродом. Оксиды щелочноземельных металлов, алюминия и кремния, содержащиеся в пустой породе формируют шлак, который в дальнейшем гранулируется. Тепло отходящих газов используется для сушки руды.
Товарный ферроникель гранулируют или разливают в изложницы.
Возможно производство ферроникеля из разнообразного вторичного сырья: отработанных железо - никелевых аккумуляторов, отходов легированных сталей, никельсодержащих шламов и т. п. Никель в легированном виде извлекался из переработки никельсодержащих отходов, включая дымовую пыль, мелющую стружку, мельничную окалину и дробеструйную дробь, образующуюся при производстве нержавеющей стали; гальванических растворов, отработанных катализаторов, отработанного рассольного раствора, шламов и всех видов отработанных никельсодержащих аккумуляторов. Никельсодержащие сплавы и лом нержавеющей стали также плавились и использовались для производства новых сплавов и нержавеющей стали. В 2019 году на переработанный никель во всех формах приходилось примерно 47% от всего потребления [12].
3.2 Основные способы производства из сульфидной руды
3.2.1 Пирометаллургические способы
3.2.1.1 Электроплавка
Электроплавка сульфидных медно-никелевых концентратов, мелкой руды, агломерата вытеснила шахтную и отражательную плавку [13] и получила широкое применение в 1950-1960 гг. В районах Крайнего Севера, где расположены основные месторождения сульфидных медно-никелевых руд, имеются большие ресурсы для производства дешёвой электроэнергии от местных гидростанций или от подачи природного газа из близлежащих газовых месторождений. Поэтому электроплавка обходится дешевле, чем шахтная плавка на привозном кусковом топливе. Она пригодна для плавки материалов с широким интервалом размера кусков, подготовленных разными способами: мелкой руды, окатышей из концентратов, агломерата.
Физико-химические превращения шихтовых материалов и образование продуктов плавки происходит, в основном, в ванне печи на поверхности шихты, погруженной в шлак. При нагревании шихты до 1000 °С в ней протекают процессы термического разложения сложных сульфидов, сульфатов, карбонатов и гидратов:
Fe7S8 = 7FeS + ЅS2,
2CuFeS2 = Cu2S + 2FeS + ЅS2,
3(Fe, Ni)S = 3FeS + Ni3S2 + ЅS2,
MeSO4 = MeO + SO3,
МеСО3 = MeO + СО2,
Me(OH)2 = MeO + H2O.
Наряду с процессами термического разложения сложных соединений при нагреве шихты до 1000 °С в ней возникают процессы взаимодействия между различными химическими соединениями, наиболее важные из которых реакции между сульфидами и оксидами. При повышении температуры шихты до 1000-1300 °С эти процессы получают активное развитие. Сульфиды никеля, кобальта, меди, железа расплавляются и, взаимно растворяясь, образуют основной продукт электроплавки - штейн. В штейне растворяются также благородные металлы.
В результате получается смесь жидких компонентов штейна: Ni3S2, Cu2S, CoS, FeS, Fe2O3•FeO, благородные металлы. Сумма цветных металлов в штейне составляет 15-30 %, содержание серы 25-27 %. При электроплавке извлечение никеля в штейн составляет 96-97 %, меди 95-97 %, кобальта 75-80 %.
3.2.1.2 Плавка во взвешенном состоянии
Плавку сульфидных концентратов в распыленном состоянии на воздушном или воздушно-кислородном дутье принято называть взвешенной плавкой, сокращенно ВП или КВП.
Печь для плавки во взвешенном состоянии включает в себя три основных узла: вертикальную цилиндрическую плавильную камеру (шахту), горизонтальную отстойную зону для разделения шлака и штейна и газоход (аптейк) с котлом-утилизатором. Плавку осуществляют на подогретом от 200 до 900-1000 °С воздушном дутье или на дутье, обогащенном кислородом до 30- 50 %. Используют и комбинированное дутье. На своде шахты установлены шихтовые горелки, обеспечивающие горение сульфидной шихты в вертикальном факеле. Шихто-воздушная смесь из горелки поступает в раскаленное подсводовое пространство плавильной шахты, где сульфиды воспламеняются. Процесс плавления начинается с прогревания частиц, которые при малых размерах достаточно быстро нагреваются до 550-650 °С. При этих температурах начинают интенсивно протекать реакции диссоциации высших сульфидов, идущие с поглощением тепла:
2FeS2 = 2FeS + S2,
4CuFeS2 = 2Cu2S + 4FeS + S2,
4CuS = 2Cu2S + S2.
Бурно протекающие эндотермические реакции препятствуют прогреву частиц, и пока не удалится избыточная сера, температура частиц существенно не повышается. Горит на этой стадии только элементарная сера:
S2 + 2O2 = 2SO2.
Быстрое окисление низших сульфидов и главным образом FeS по реакции:
2FeS + 3O2 + SiO2 = 2FeO·SiO2 + 2SO2,
начинается после практически полной диссоциации высших сульфидов.
Окисление сульфидов сопровождается образованием большого количества магнетита. Переокисление железа зависит от степени десульфуризации - с получением богатых штейнов большая часть железа переходит в форму магнетита. Из основных разновидностей плавок во взвешенном состоянии плавка на подогретом дутье («финская плавка») является наиболее отработанным технологически и аппаратурно автогенным процессом, применяющимся более чем на 30 заводах в мире для переработки медных, никелевых и пиритных концентратов. Этот вид плавки в промышленном масштабе впервые осуществлен в 1949 г. финской фирмой «Оутокумпу» на заводе «Харьявалта». В настоящее время на заводе «Харьявалта» для переработки сульфидных никелевых концентратов используют усовершенствованный DON-процесс DON - Direct Outokumpu Nickel flash smelting process. Старая технология «финской плавки» нашла применение на никелевых заводах в Калгурли (Австралия), Селеби Пикве (Ботсвана), Тиньчуань (Китай) и в Норильске на Надеждинском никелевом заводе. Усовершенствованный DON-процесс применяется на заводе Форталеза (Бразилия), запущенном в 1997 г.
Основные достоинства взвешенной плавки - использование тепла окисления сульфидов; относительно высокая производительность. К числу недостатков взвешенной плавки относят необходимость сушки и измельчения шихтовых материалов, большой пылеунос и образование богатых шлаков.
3.2.2 Гидрометаллургические способы
3.2.2.1 Автоклавное аммиачное выщелачивание
Для переработки пентландитовых концентратов канадская фирма «Шеррит Гордон» разработала процесс аммиачного выщелачивания, который промышленно реализован в 1954 г. на заводе «Форт Саскачеван» в Канаде и в 1971 г. на заводе «Куинана» в Австралии. Достоинством аммиачного метода 18 является возможность отделить в начале технологического процесса железо и другие примеси. Технология окислительного аммиачного автоклавного выщелачивания сульфидных никелевых концентратов основана на свойстве никеля образовывать прочные аммиачно-сульфатные комплексы, устойчивые при высоких температурах, при которых проводят процессы выщелачивания, очистки никель-кобальтовых растворов от примесей и водородного восстановления металла в автоклавах. Процесс автоклавного выщелачивания весьма медленный, его кинетика лимитируется внутридиффузионным сопротивлением железо-оксидной пленки, осаждающейся на поверхностях сульфидных минералов в результате гидролиза аммиачного комплекса трехвалентного железа [14].
3.2.2.2 Окислительное автоклавное выщелачивание
На основе процесса автоклавного выщелачивания группой ученых Гинцветмета, Гипроникеля и Норильского комбината разработана технология гидрометаллургического обогащения никель-пирротиновых концентратов, которая введена в производство на Надеждинском металлургическом заводе (г. Норильск).
Продуктами технологии являются элементарная сера и сульфидный концентрат цветных металлов (8-10 % Ni, 2-4 % Cu). Надеждинский металлургический завод является единственным в мире предприятием, перерабатывающим никель-пирротиновые концентраты по гидрометаллургической технологии с производством элементарной серы.
Ключевое преимущество данной технологии заключается в том, что в одной операции тяжелые цветные металлы переводятся в раствор, а железо в оксидную форму.
Процесс автоклавного выщелачивания осуществляют в водной пульпе при Т:Ж=1,1:1, 130-150 °С, давлении 1,2-1,3 МПа, концентрации кислорода в кислородовоздушной смеси 80 %, продолжительности 2,5-3 ч.
Основная химическая реакция выщелачивания - окисление пирротина с переводом 80 % серы в элементарную форму и железа в оксиды, преимущественно в гематит. При этом степень окисления пирротина составляет 94-95 %. Сульфиды меди и никеля в процессе выщелачивания образуют водорастворимые сульфаты, степень извлечения в раствор 30-50 % и 60-70 % соответственно. Кроме этого разлагается некоторое количество породообразующих минералов, что приводит к извлечению алюминия и магния в раствор на уровне 10-30 %.
4. Объемы производства и потребления
Мировое производство первичного никеля во всех видах в 2019 году, по данным аналитиков Wood Mackenzie, составило 2,7 млн т, в том числе 1391 тыс. т никеля (51,5%) - в ферроникеле и никелистом чугуне.
Под первичным никелем, по определению International Nickel Study Group, подразумевается продукция плавильных и рафинировочных заводов, пригодная для использования потребителями, в том числе:
- никель класса I с содержанием никеля 99% и выше (электролитный никель в виде полноразмерных или резаных катодов, гранулы, брикеты, порошки/хлопья, пеллеты, рондели);
- никель класса II c содержанием никеля менее 99% (ферроникель, оксид никеля/синтер, ютилити-никель, никелистый чугун).
Отдельная группа включает химикаты на основе никеля.
На долю 10 крупнейших стран - производителей никеля пришлось почти 85% мирового выпуска. Практически недосягаемым лидером является Китай, на который приходится почти 1/3 мирового производства [15].
Мировое потребление первичного никеля во всех видах в 2018 году составило 2279 тыс. т, из которых на долю первой пятёрки - ведущих потребителей никеля - пришлось три четверти мирового потребления. Безоговорочным лидером является Китай - около половины мирового потребления никеля, на Россию приходится менее 2%, т.е. ~33 тыс. т.
5. Области применения
Наше время называет постиндустриальным, но это вовсе не значит, что техника уже не является той самой силой, которая движет прогресс. Каждый год происходит открытие различных новых отраслей, что приводит не только к повышенному потреблению, но и к созданию более требовательных стандартов, как для металлов, так и для сплавов на их основе. Развитие реактивной техники стало возможным только благодаря разработке специальных жаропрочных сплавов, в том числе и на основе никеля. Не стоят на месте и другие отрасли: химическая, нефтяная, машиностроение, транспорт, аэрокосмическая. В каждой из них необходимы коррозионностойкие сплавы, которые способны находится продолжительное время в агрессивных средах. Из этого следует, что его значение в оборудовании стоит на равных с железом, алюминием, хромом и другими важнейшими металлами.
Основным объектом потребления никеля являются различные металлические сплавы. В них никеля бывает, как в качестве основы, так и в качестве легирующего элемента. Порядка 68% от общего количества производства никеля идет именно на получение нержавеющей стали. Как не странно, это прослеживается в повышенном спросе на никель во время крупных вооруженных конфликтов, когда производство достигает пиковой отметки количества готового металла. А уже после следует логичный спад [16]. Остальной никель распределен между сплавами цветных металлов, суперсплавами, литьем, никелированием, никельсодержащими батареями.
Сплавы никеля с хромом и железом имеют высокое электрическое сопротивление и идут на изготовление нагревательных элементов для температур вплоть до 1200 ?.
Никель является ключевым элементом для сплавов, применяемых для изготовления постоянных магнитов.
С каждым годом набирает обороты применение никеля для изготовления оборудования, работающего в условиях весьма низких температур (производство емкостей для хранения сжиженного природного газа при весьма низких температурах), в установках по опреснению и очистке воды.
Не стоит забывать и про значение атомной энергии, за которой, по мнению ученых, стоит наше будущее. В атомных установках АЭС используется 590 кг никеля на 1 Мвт мощности, а в обычных электростанциях 270 кг.
Помимо выше сказанного никель нашел свою нишу также в монетном деле, музыкальной промышленности, в химической в роли катализатора (никель Ренея), производство аккумуляторов и в нанесении покрытий - никелирование.
Заключение
Целью данной работы было обобщение основных сведений о физических и химических свойствах никеля, способах производства, а также областях его применения. Подводя итоги следует сказать, что производство никеля из сульфидных руд является достаточно экономически выгодным, благодаря комплексному использованию руды. Однако большая часть мирового никеля содержится именно в окисленных рудах, благодаря чему наука постоянно ищет способы увеличить рентабельность добычи из этого типа руды. Во второй половине прошлого века произошло резкое удорожание топлива, что сказалось и на никелевую промышленность. Это заставило производителей никеля (не только пирометаллургических предприятий, но и заводов, работающих по гидрометаллургической схеме) принимать меры для снижения себестоимости. Например, ИНКО пыталась создать новую схему, позволяющую помимо никеля, также извлечь и кобальт, показавшая себя не выгодной, поскольку характеризуется высокой энергоемкостью.
Не стоит забывать, что никелевый сектор предоставляет огромное количество рабочих мест и развивает целые регионы нашей страны, что оказывает положительное влияние не только на экономику, но и на социальные аспекты жизни.
Список использованных источников
1. U.S. Department of the Interior U.S. Geological Survey, MINERAL COMMODITY SUMMARIES 2020, p. 200.
2. Р. А. Лидин, В.А. Молочко, Л. Л. Андреева. Химические свойства неорганических веществ. «Химия», Москва, 2000, 480 с.
3. Н.П. Жук курс теории коррозии и защиты металлов - Москва «Металлургия» 1976. 472 с.
4. Цейдлер, А. А. Металлургия никеля: учебное пособие для втузов / А. А. Цейдлер. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Металлургиздат, 1947. 314 с
5. Жатканбаев Е.Е., Жатканбаева Ж.К., Жакиенова А.Т. Обзор существующих технологий переработки силикатных никелькобальтовых руд. // Национальная Ассоциация Ученых. 2015. № 2-2 (7). С. 164 - 167.
6. Watanabe Т., Ono, S., Arai H., Matsumori Т. Direct Reduction of Garnierite Ore for Production of Ferro-Nickel with a Rotary Kiln at Nippon Yakin Kogyo Co., Ltd., Oheyama Works. Int. J. Miner. Process., 19, 1987, p, 173-187.
7. Пименов Л.И. Михайлов В.И. Переработка окисленных никелевых руд.- М. Металлургия, 1972. 336 с.
8. Цымбулов Л. Б. Князев М. В., Цемехман Л.Ш. и др. Анализ различных вариантов технологической схемы переработки окисленных никелевых руд на ферроникель с применением двухзонной печи Ванюкова // Цветные металлы. 2010. № 10. С. 15 - 21.
10. Ковган П.А. Новые рубежи цветной металлургии // Сб. науч. Тр. Гинцветмета. 2002. С. 78 - 84.
11. Патент № 2092587 РФ. Способ переработки окисленных никельсодержащих материалов // Дата регистрации 1998. Патентообладатель: АООТ «Южуралникель».
12. Crundwell F.K., Moats M.S., Ramachandran V., Robinson T.G., Davenport W.G. Oxford: Elsevier, 2011. 610 p
13. Цейдлер, А. А. Металлургия никеля: учебное пособие для втузов / А. А. Цейдлер. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Металлургиздат, 1947. 314 с
14. U.S. Department of the Interior U.S. Geological Survey, MINERAL COMMODITY SUMMARIES 2020, p. 200.
15. Применение автоклавной технологии в цветной металлургии за рубежом. Обзорная информация // Цветметинформация, М., 1975. 73 с.
16. ИТС 12-2019 Производство никеля и кобальта.
17. В. И. Береговский, Н. В. Гудима. Металлургия никеля: Учеб. пособие для школ и курсов мастеров - Москва: Металлургиздат, 1956. 355 с
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Физические и химические свойства никеля, распространение в природе. Методы получения: селективное обогащение руды; технология извлечения из штейна, выщелачивание. Применение никеля в сплавах, в аккумуляторах, в радиационных технологиях, в медицине.
реферат [58,6 K], добавлен 17.01.2013Основные понятия физико-химического процесса обогащения. ОАО ГМК "Норильский никель" – крупнейший в мире производитель никеля и палладия, платины и меди. Роль ТОФ в ОАО "ГМК "Норильский никель". Основные переделы производства. Схема реконструкции.
реферат [78,7 K], добавлен 21.09.2016История применения красителей, номенклатура их производства, техническая и химическая классификации. Химические свойства, применение, способы и стадии промышленного производства оптических отбеливателей. Способы очистки сточных вод от красителей.
курсовая работа [412,5 K], добавлен 02.05.2011Физические и химические свойства изооктана, основные промышленные способы его производства гидрогенизацией диизобутилена над никелевым, медно-хромовым и другими катализаторами. Технологическая схема процесса производства и расчет материального баланса.
курсовая работа [263,5 K], добавлен 25.08.2010Классификационные признаки и потребительские свойства цемента глиноземистого и высокоглиноземистого, области его применения. Основные стадии его производства. Технологическая схема поточного приготовления сырьевой смеси. Контроль качества продукции.
реферат [312,2 K], добавлен 21.09.2015Области применения химического никелирования. Подготовка поверхности перед нанесением покрытия. Условия образования никелевых покрытий. Влияние отдельных факторов на скорость восстановления никеля. Физические, химические и защитные свойства покрытия.
дипломная работа [376,3 K], добавлен 02.10.2012Технология производства промышленных полиэтиленов, исходное сырье. Полиэтиленовая продукция и способы влияния на ее свойства. Методика производства труб из полиэтилена низкого давления путем применения суперконцентратов для окрашивания в различные цвета.
дипломная работа [519,2 K], добавлен 20.08.2009Исторические сведения о возникновении керамических материалов, область их применения. Основные физико-химические свойства керамики, применяемые сырьевые материалы. Общая схема технологических этапов производства керамических материалов, ее характеристика.
курсовая работа [74,2 K], добавлен 02.03.2011Описание процесса подготовки твердого топлива для камерного сжигания. Создание технологической схемы производства энергии и тепла. Проведение расчетов материального и теплового баланса котлоагрегата. Методы очистки дымовых газов от оксидов серы и азота.
курсовая работа [871,2 K], добавлен 16.04.2014Характеристика выбора и обоснования схемы, теории и практики металлургических процессов. Анализ описания оборудования и пылегазового тракта. Сущность контроля производства и схемы работы контрольно-измерительного прибора. Мероприятия по охране труда.
дипломная работа [232,7 K], добавлен 25.03.2015Технологическая схема производства серной кислоты и ее описание. Предельно-допустимые концентрации газов, паров и пыли в производстве серной кислоты. Отходы производства и способы их утилизации. Конструкция олеумного и моногидратного абсорберов.
реферат [1,0 M], добавлен 23.12.2015Анализ существующих технологий и оборудования восстановительной плавки. Характеристика перерабатываемого сырья. Основы химических процессов в дуговых печах. Усовершенствование процесса, позволяющее снизить себестоимость переработки закиси никеля.
дипломная работа [1,5 M], добавлен 24.02.2015История возникновения и развития эпоксидных смол, их основные свойства. Структура общего объема потребления эпоксидных смол в промышленности. Методы производства данного материала: полимеризация и отверждение. Основные способы применения эпоксидных смол.
реферат [925,1 K], добавлен 15.09.2012Перечень, состав, свойства и области применения сырьевых материалов. Построение технологической схемы производства пластмасс. Характеристика готового вида продукта и его экономическое назначение. Нормативные требования, применяемые к сырьевым материалам.
курсовая работа [253,6 K], добавлен 29.05.2015Различие бумаги и картона, сырьевые материалы (полуфабрикаты) для их производства. Технологические этапы производства. Виды готовой продукции из бумаги и картона и области ее применения. Производственно-экономическая характеристика ООО "Гофротара".
курсовая работа [48,5 K], добавлен 01.02.2010Изучение диаграммы W-Ni и рассмотрение сплава ВНЖ 7-3, основными компонентами которого являются вольфрам и никель. Способы получения вольфрама и его свойства. Сплавы вольфрама и никеля. Сравнение марок стали по наибольшей жаропрочности и жаростойкости.
курсовая работа [466,3 K], добавлен 01.07.2014Некоторые особенности переработки окисленных никелевых и сульфидных медно-никелевых руд. Подготовка никелевых руд к плавке на штейн. Конвертирование никелевых штейнов. Окислительный обжиг файнштейна. Восстановительная плавка. Гидрометаллургия никеля.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 08.03.2015Характеристика, свойства и области применения пеностекла. Подбор сырьевых материалов для производства пеностекла. Составление технологической схемы производства пеностекла порошковым способом (двустадийный процесс). Расчет состава шихты и стекла.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 14.12.2013Технико-экономическое обоснование замены печей переменного тока на постоянный в плавильном цехе. Производственная программа цеха. Анализ технологической схемы выпуска никеля в штейне. Расчет окупаемости изменений, эффективность капитальных вложений.
курсовая работа [265,2 K], добавлен 24.02.2015Применение перчаточных изделий в сфере производства или потребления, их классификационные признаки и потребительские свойства. Технология производства перчаточных изделий и их технико-экономическая оценка, показатели качества, стандарты изделий.
контрольная работа [901,9 K], добавлен 05.03.2012