Получение огневого никеля из окисленных руд. Плавка на штейн.

⇐ ПредыдущаяСтр 10 из 12Следующая ⇒

Плавка на штейн окисленных никелевых руд повсеместно проводится в шахтных печах, которые требуют прочной кусковой, желательно пористой шихты. Этим требованиям природные окисленные никелевые руды не удовлетворяют, и перед плавкой их подвергают окускованию методом брикетирования или агломерации.

Брикетирование проводят на валковых прессах в брикеты яйцеобразной формы массой 0, 2-0, 3 кг каждый. Перед брикетированием руду измельчают на молотковых дробилках и подсушивают. Связующим материалом служит глина, содержащаяся в самой руде. В состав шихты для брикетирования вводят сульфидизатор. Готовые брикеты сушат теплотой отходящих газов шахтных печей.

Брикетирование без связующего - сравнительно дешевая и простая операция. Однако получающиеся брикеты имеют недостаточную прочность, совершенно негазопроницаемы и содержат влагу. Их плавка требует повышенного расхода топлива и характеризуется меньшей удельной производительностью.

Агломерация (спекание) - более дорогой и сложный метод подготовки руды по сравнению с брикетированием. Однако с технологической точки зрения он является более совершенным процессом. Агломерация позволяет получать хорошо термически подготовленный пористый материал с достаточно высокой механической прочностью.

Для агломерации окисленных никелевых руд используют ленточные агломерационные машины с площадью всасывания 50 и 75 м².

Во время приготовления шихты к руде добавляют оборотный агломерат и коксик (мелкий кокс), расход которых от массы руды соответственно составляет 18-20 и 8-10 %. Крупность руды и оборота 20-30 мм, коксика 5 мм. При смешении шихты ее увлажняют до оптимальной влажности 21-23 %.

Агломерат или брикеты являются рудной составляющей шихты при плавке на штейн.

Цель шахтной плавки окисленных никелевых руд - максимальное извлечение никеля и кобальта в штейн и ошлакование пустой породы. Образование штейна из оксидного материала происходит в результате восстановления и сульфидирования никеля, кобальта и частично железа, содержащихся в руде в форме оксидов и силикатов. По этой причине плавка окисленных никелевых руд в шахтных печах получила название восстановительно-сульфидизирующей плавки.

Шихта для такой плавки состоит из брикетов или агломерата, оборотов, флюсов и сульфидизатора. Так как окисленные никелевые руды являются силикатными, то в качестве флюса при плавке используют основной флюс - известняк. Сульфидизаторами железа и никеля служат гипс или пирит, а топливом - кокс. Гипс при плавке в отличие от пирита является одновременно флюсующим материалом, так как в конечном итоге практически полностью в форме оксида кальция СаО переходит в шлак.

Плавка проводится в восстановительной атмосфере, что необходимо для восстановления высших оксидов железа и гипса (при его наличии в шихте). При этом часть оксидов железа и никеля могут восстанавливаться до свободных металлов, которые растворяются в штейне. Процессы восстановления при плавке окисленных никелевых руд сопровождаются одновременным образованием сульфидов.

Восстановительно-сульфидирующая плавка окисленных никелевых руд в шахтных печах характеризуется протеканием следующих основных физико-химических процессов: сжигания топлива; восстановления н сульфидирования оксидов; штейно-и шлакообразования; разделения жидких продуктов плавки -штейна и шлака.

Процесс горения топлива является едва ли не одним из самых главных факторов, определяющих многие технологические параметры работы шахтных печей при плавке никелевых руд. Качество сжигания топлива определяет температуру в печах, восстановительную способность топочных газов, производительность печей, расход топлива, извлечение металлов в штейн и т.д.

При плавке в шахтных печах в качестве топлива используется самый дорогой и дефицитный вид топлива - кокс. Горение углерода кокса происходит за счет кислорода, подаваемого в печи через фурмы с воздухом или дутьем, обогащенным кислородом.

Вблизи фурм имеется большой избыток кислорода, и кокс сгорает до С0₂. По мере удаления от фурм концентрация кислорода в дутье непрерывно уменьшается, горение углерода становится неполным и протекает по реакции:

С + 1/2О₂ = СО

Зона шахтной печи, в которой в газовой фазе присутствует свободный кислород, называется кислородной зоной. При шахтной плавке она простирается от фурм вверх и вглубь печи на 500-600 мм.

Образующиеся при горении кокса горячие газы поднимаются вверх, пронизывают и нагревают опускающуюся вниз шихту н вступают с ней в химическое взаимодействие. В первую очередь это взаимодействие приводит к образованию новых количеств СО (восстановителя) по реакции:

С0₂ + С → 2СО.

В результате протекания вышеуказанных реакций в области фурм концентрация СО в газовой фазе в центре печи достигает 20- 25 %.

Распределение газового потока в столбе шихты зависит от качества шихтовых материалов (крупности и прочности кусков) и равномерности их гранулометрического состава в горизонтальных сечениях шахты печи. Наилучшим считается равномерное распределение газов по всему сечению печи, что на практике достигается очень редко. Для работы шахтных печей никелевой плавки типичен периферийный ход, когда горячие газы разделяются на две струи, поднимающиеся вблизи боковых стен печи. Возможен также центральный ход шахтных печей.

Для периферийного хода шахтных печей характерно распределение температур, где четко просматриваются две высокотемпературные зоны, отвечающие движению двух струй горячих газов. В фокусе печи развиваются максимальные температуры, достигающие 1600- 1700 ^оС. На выходе из печи газы содержат 10-16 % СО₂ и 8- 16 % СО и имеют температуру 500-600 ^оС.

Второй вид химических взаимодействий направлен на образование штейна и шлака. Процессы ш гей но- и шлакообразования тесно связаны с протеканием реакций восстановления оксидов шихты и сульфилирования железа, никеля и кобальта.

Реакции восстановления протекают при взаимодействии газовой фазы, содержащей значительные количества СО₂ и твердого углерода кокса с брикетами или агломератом и получающимися при плавке расплавами. Результатом восстановления является образование низших оксидов железа и металлической фазы по реакциям:

NiO + CО = Ni + CO₂;

NiSiО₃+CО=Ni+CО₂+SiО₂;

Fe₂0₃ + CO = 2FeO + CO₂;

FeO + CO = Fe + CO₂

Химизм сульфидирования более сложен и различен при использовании гипса и пирита.

Химизм сульфидирования никеля пиритом относительно прост. В процессе сульфидирования в этом случае участвуют продукты разложения пирита - сульфид железа FeS и элементарная сера. Процесс в основном протекает по реакциям:

NiO + FeS → NiS + FeO;

3NiO + 2FeS + Fe → Ni₃S₂ + 3FeO.

Равновесие обеих реакций в условиях плавки практически полностью смещено вправо, т.е. в сторону образования сульфидов никеля (главным образом Ni₃S₂). Это связано с тем, что никель по сравнению с железом имеет большее сродство к сере и меньшее к кислороду.

Получившаяся в результате восстановления и сульфидирования сульфидно-металлическая фаза (Ni₃S₂, FeS, CoS, Ni, Fe), сплавляясь, образует никелевый штейн.

Использование пирита в качестве сульфидизатора позволяет регулировать состав штейнов и получать их с меньшим количеством ферроникеля, т.е. более сернистыми. К обеднению штейнов никелем ведет введение в шихту больших количеств пирита, вследствие чего в штейн переходит больше FeS.

Расход пирита (сульфидизатора) при плавке определяется требованиями к составу получаемого штейна, приводящему к минимальным потерям никеля со шлаками, и величиной степени десульфуризации. Поясним это примером.

Пример. Рассчитаем потребное количество пирита для плавки окисленной никелевой руды, содержащей 1, 4 % Ni.

Для расчета примем: извлечение никеля в штейн 85 %; штейн должен содержать 15 % Ni; 20 % S; остальное Fe; десульфуризация при плавке 35 %; пирит содержит 52 % S.

Расчет ведем на 100 кг руды. С учетом извлечения в штейн перейдет никеля: 1, 4-0, 85-1, 19 кг.

Тогда общее количество получающегося штейна будет равно (1, 19: 15) * 100 = 7, 93 кг.

Обращает на себя внимание низкий выход штейна, составляющий ~8% от массы перерабатываемой руды.

С учетом заданных условий и полученных ранее результатов количество и состав штейна будут следующими:

кг %

Ni 1, 19 15

S 1, 58 20

Fe 5, 16 65

Всего 7, 93 100

С учетом десульфуризации при плавке для образования такого количества штейна потребуется ввести в шихту серы 1, 58: 0, 65 = 2.43 кг или пирита 2, 43: 0.52 = 4, 7 кг.

Химизм сульфидирования гипсом CaS0₄ ∙ 2Н₂О, который является одним из наиболее прочных сульфатов, более сложен. Его нагрев вначале сопровождается удалением влаги. Полное обезвоживание гипса происходит при нагревании до температуры > 900 ^оС. Сульфат кальция практически не разлагается до температуры 1200 ^оС. В отсутствие кислорода его термическое разложение происходит по реакции

CaSO₄→ CaО+SO₂.+ l/2O₂.

Разложению гипса в шахтных печах способствуют также восстановительная атмосфера к его взаимодействие с оксидами и сульфидом кальция по реакциям:

CaS0₄ + 4C0 = CaS + 4CO₂;

CaSO₄ + Si0₂ = СаО ∙ Si0₂+ S0₂ + 1/20₂;

CaSO₄ + Fe₂0₃ = CaO ∙ Fе₂0₃ + SO₂ + 1/20₂;

3CaS0₄ + CaS = 4CaO + 4SO₂.

Образующиеся серусодержащие газы и частично сульфид кальция сульфидируют металлы руды по реакциям:

3NiO + 7СО + S0₂ = Ni₃S₂ + 7С0₂;

FeO + ЗСО + S0₂ = FeS + 3C0₂;

CoO + 3CO + S0₂ = CoS + 3C0₂;

FeO + CaS = FeS + CaO.

Использование гипса в качестве сульфидизатора при плавке требует более восстановительной атмосферы в печи, что приводит к образованию больших количеств свободных металлов. При этом избыток вводимого в шихту гипса не влияет на состав и выход получающегося штейна, так как в конечном итоге он весь превращается в оксид кальция, который полностью переходит в шлак. Использование гипса в качестве сульфидизатора и одновременно известкового флюса экономически невыгодно из-за его значительно более высокой стоимости.

Никелевый штейн представляет собой сплав сульфидов никеля и железа, в котором растворены свободные металлы - никель и железо (ферроникель). Такой штейн называют металлизованным - он характеризуется переменным содержанием серы. Обычно заводской штейн содержит, %: № 15-18; Fe 60-63; Со 0, 4-0, 6; S 16-20 и прочие 1- 2. Получение более богатого никелем штейна нежелательно, так как это ведет к увеличению потерь никеля в шлаках.

Выход штейна при плавке окисленных никелевых руд небольшой и составляет 3-8 % от массы руды.

Образование шлака происходит в результате взаимодействия оксидов пустой породы с оксидами железа, образующимися при восстановлении н сульфидировании н их плавлении.

Выход шлака при плавке окисленных никелевых руд достигает иногда 120-130 % (обычно 95-105%) от массы переработанного рудного сырья. Это обусловлено необходимостью вводить в шихту в качестве флюса большие количества известняка (до 30% от массы руды), особенно при переработке высококремнистых руд. Следовательно, плавка окисленных никелевых руд на штейн фактически является плавкой на шлак. По этой причине правильный выбор состава шлака определяет многие технико-экономические показатели плавки и особенно потери никеля со шлаками.

Оптимальными при плавке на никелевый штейн считаются шлаки, содержащие, %: Si0₂ 44- 46; FeO 18-22; CaO 15-18; Mg0 8-12; А1₂0₃ 4-10.

Содержание никеля в шлаках зависит в значительной степени от содержания оксида железа в шлаке и никеля в штейне. Чем больше будет в шлаке FeO и чем богаче никелем будет получающийся штейн, тем больше никеля перейдет в шлак.

Практически установленное правило, согласно которому процентное соотношение никеля в штейне и в шлаке (коэффициент распределения) равно примерно 100: 1 хорошо соблюдается для заводских условий. При плавке на штейн с 15-18 % Ni шлаки обычно содержат 0, 12- 0, 2 % Ni. Это отвечает прямому извлечению никеля в штейн в пределах 70-85 %, а в шлак до 25 % от его содержания в руде.

Количество уносимой газами пыли зависит от расхода воздуха, физического состояния шихты и высоты ее загрузки в шахте печи (высоты сыпи). В среднем при плавке агломерата пылевынос составляет около 15%, а при плавке брикетов 5-10%. Пыль по химическому составу почти не отличается от шихты и после улавливания направляется в оборот.

Шахтные печи никелевой плавки имеют те же конструктивные элементы, что и другие шахтные печи заводов цветной металлургии. Применяемые в никелевой промышленности шахтные печи в области фурм имеют площадь поперечного сечения 13, 5-25 м², длину до 15 м, ширину в области фурм 1, 4-1, 6 м и высоту шахты 4, 5- 6 м. Поперечный профиль печей характеризуется либо параллельностью боковых стен, либо расширением их книзу.

Шахтные печи для плавки окисленных никелевых руд отличаются большим объемом внутреннего горна и отсутствием водяного охлаждения его стенок. При охлаждении расплава во внутреннем горне он зарастает в результате выделения (кристаллизации) тугоплавкого ферроникеля.

До недавнего времени стены шахтных печей на никелевых заводах изготавливали из водоохлаждаемых кессонов, а шатер на колошнике выполняли в виде огнеупорной кладки в металлическом каркасе или также из кессонов.

Кессоны шахтных печей представляли собой сварные коробчатые конструкции из листовой стали с патрубками для ввода и вывода охлаждающей воды. Перепад температуры входящей и выходящей воды обычно составлял 5-15^оС. В этих условиях каждый литр (кг) воды отбирал максимально 4, 18∙ 15 = 63кДж теплоты [4, 18 - теплоемкость воды, кДж/(кг ∙ ^оС)].

В настоящее время применяют более эффективный способ отвода избыточной теплоты - испарительное охлаждение. Сущность способа состоит в использовании скрытой теплоты испарения воды (2253 кДж/кг), т.е. замене холодной воды на кипящую. Если принять во внимание, что температура поступающей воды обычно составляет около 30 ⁰С, то для ее нагрева до температуры кипения потребуется еще до 290 кДж теплоты. Таким образом, при испарительном охлаждении каждый килограмм воды будет отбирать от охлаждаемых элементов около 2550 кДж теплоты, т.е. почти в 40 раз больше, чем при использовании кессонов. Во столько же раз уменьшается расход охлаждающей воды.

Полученный при испарительном охлаждении пар можно использовать для хозяйственных и технологических нужд, тогда как при кессонном охлаждении теплота нагретой в кессонах примерно на 10 ^оС воды полностью и безвозвратно терялась при ее охлаждении на воздухе.

Охлаждающие элементы испарительного охлаждения представляют собой сваренные из труб кессоны, объединенные двумя коллекторами: нижним - для подвода воды и верхним - для отвода пара. Для испарительного охлаждения пригодна только химически очищенная вода.

Разделение жидких продуктов плавки - никелевого штейна и шлака - можно проводить как во внутреннем горне, так и с использованием внешних отстойников. В первом случае печь оборудуется шпуром для периодического выпуска штейна и шлаковой леткой почти непрерывного действия, расположенных на противоположных сторонах печи. При использовании наружного отстойного горна штейн и шлак совместно поступают в него по закрытому наклонному каналу. Нижняя часть горна заполнена штейном до уровня, показанного штриховой линией. Шлак в этом случае, всплывая на поверхность расплава, проходит через слой штейна, подогревает его и обедняется в результате захвата взвешенных в шлаке сульфидных включений штейновым расплавом. Отстойный горн оборудован шпуром и леткой.

Плавка окисленных никелевых руд в шахтных печах на штейн характеризуется следующими основными технико-экономическими показателями:

Плавка агломерата Плавка брикетов

Удельный проплав, т/(м²∙ сут) 39-41 25-27

Расход от рудной массы, %.

- известняка 20-22 20-24

- сульфидизатора 7-8 4-8

- кокса. 21-24 30- 33

Содержание в дутье O₂, % До 24 До 24, 5

Излечение в штейн, %

Никеля 66 -68 75-84

кобальта 42-43 45-50

Пылевынос, % от шихты 14-16 6-9

Интенсификации процесса шахтной плавки и снижению расхода кокса способствуют подогрев дутья и обогащение воздуха кислородом. При плавке агломерированной шихты нагрев дутья до 300 ^оС ведет к экономии топлива на 15, 2%, а при 400 ^оС - на 23, 3% и к росту проплава соответственно на 10 и 15, 3%. Обогащение дутья кислородом до содержания 25 % позволяет повысить проплав печи на 22, 2 %, а расход кокса уменьшить на 17 %.

Контрольные вопросы

1. Перечислите металлургические переделы получения огневого никеля

2.Почему окисленные никелевые руды подвергаются обязательному окусковыванию?

3. Виды окучковывания окисленных никелевых руд

4. Преимущества и недостатки агломерации по сравнению с брикетированием

5. Материалы, используемые в качестве сульфидизатора при плавке окисленных никелевых руд

6. Что из себя представляет никелевый штейн?

7. Почему плавка окисленных никелевых руд на штейн фактически является плавкой на шлак?

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 7 8 91011 12 Следующая ⇒