Конвертирование никелевых штейнов. Переработка никелевого файнштейна на огневой никель. Производство ферроникеля

Конвертирование никелевых штейнов

Никелевые штейны состоят почти полностью из сульфидов никеля, кобальта и железа или свободных металлов. Цель процесса конвертирования - получить никелевый файнштейн за счет окисления железа и серы, связанной с ним. При этом одновременно ставится задача максимального окисления кобальта и перевода его в конвертерный шлак.

Необходимость извлечения кобальта в конвертерный шлак обусловлена тем, что если его не отделить от никеля на этой стадии технологии, то он весь перейдет в огневой никель, являющийся товарным продуктом, и будет потерян. Получение кобальта как самостоятельного товарного продукта в этом случае становится невозможным.

Присутствующие в никелевых штейнах металлы имеют различную химическую активность. Их сродство к кислороду убывает в ряду Fe - Со - Ni. Следовательно, при продувке штейна в конвертере в присутствии кварцевого флюса в первую очередь будут окисляться и ошлаковываться свободное железо и его сульфид по реакциям

6Fe + 30₂ + 3Si0₂ = 3(2FeO ∙ SiO₂) + 1876000 кДж

2Fe + 30₂ + Si0₂ = 2FeO ∙ SiO₂ + 2S0₂ + 1030290 кДж.

Установлено, что последняя реакция начинается только после окисления большей части свободного железа.

Из сопоставления реакций следует, что на одинаковый объем вдуваемого в конвертер кислорода на первой стадии выделяется почти в 2 раза больше теплоты, требуется в 3 раза больше кварцевого флюса и образуется в 3 раза больше конвертерного шлака. Особенности первой стадии процесса учитывают на практике и используют для попутной переработки значительных количеств холодных материалов, включая оборотные продукты и никельсодержащие лом и отходы (вторичное сырье).

Окисление кобальта ускоряется по мере удаления из расплава железа. Особенно интенсивно оно идет в конце процесса конвертирования, и конвертерные шлаки последних сливов будут всегда богаче кобальтом.

Для конвертирования никелевых штейнов используют горизонтальные конвертеры вместимостью 20 и 30 т, аналогичные как для конвертирования медного штейна. Продукты процесса - никелевый файнштейн, конвертерный шлак и сернистые газы.

Никелевый файнштейн обычно содержит, %: Ni 76-78; S 19-21; Fe 0, 2-0, 4; Со 0, 3-0, 5 и Си < 2. Более полное удаление из файнштейна железа и кобальта на стадии конвертирования нецелесообразно, так как это приведет к началу интенсивного окисления никеля и увеличению его перехода в шлак.

Средний состав конвертерных шлаков следующий, %: Ni 0, 7-1, 2; Со 0, 2-0, 5; SiO₂ 27-30; Fe 49-53; MgO до 3. Такие шлаки в настоящее время обязательно обедняются методом перемешивания с бедным штейном в специальных конвертерах или электропечным способом.

В результате обеднения конвертерных шлаков получают отвальные шлаки, содержащие 0, 14% Ni и 0, 05% Со, и кобальтовый штейн (автоклавную массу), который содержит 4-5 % Со и 24-30 % Ni. Штейн направляют в кобальтовое производство для извлечения кобальта и никеля.

Переработка никелевого файнштейна на огневой никель

Технология получения огневого никеля из файнштейна включает две стадии окислительного обжига (с промежуточным обезмеживанием огарка) и восстановительную плавку оксида никеля на металл.

Цель окислительного обжига файнштейна - удаление из него серы до содержания менее 0, 02 % и перевод никеля в NiO.

Глубокое удаление серы требует высоких температур, а сульфид никеля Ni₃S₂ легкоплавок (t_пл = 788 ^оС). Это и вынуждает проводить окисление файнштейна в две стадии. Вначале обжиг проводят в печах КС с целью удаления серы до 1-1, 5%. Для повышения тугоплавкости шихты измельченный файнштейн смешивают с оборотной (оксидной) пылью. Это вместе с разобщенностью частиц, витающих в КС, позволяет вести первую стадию при 950-1000 ^оС Окисление файнштейна протекает по реакции

2Ni₃S₂+70₂→ 6NiO + 4SO₂.

Печи КС с площадью пода 7-8м² для первой стадии обжига никелевого файнштейна имеют ряд конструктивных особенностей. Они, во-первых, имеют увеличенный диаметр вверху, что снижает скорость газов на выходе из печи и уменьшает пылевынос богатого никелем огарка. Кроме того, разгрузка огарка проводится не через сливной порог, а с уровня пода и регулируется стопорным или дисковым затвором.

К горячему огарку(700-800^оС) по выходе из печи подмешивают 10-15 % природного сильвинита (NaCl, КС1) и смесь подвергают сульфатхлорирующему обжигу в трубчатом реакторе-холодильнике. Процесс идет за счет физической теплоты огарка. При обжиге хлористый натрий разлагается по реакции:

2NaCl+S0₂+0₂=Na₂SO₄+Cl₂.

Продукты этой реакции способствуют переводу меди в форму водорастворимых хлоридов и сульфатов. Никель и кобальт при этом остаются в оксидном состоянии.

Из реактора огарок направляют на обезмеживание, заключающееся в выщелачивании меди горячей подкисленной водой методом просачивания. После выщелачивания огарок с остаточным содержанием 0, 3-0, 4 % Си направляют на окончательный обжиг в трубчатую вращающуюся печь. Печь отапливается природным газом или мазутом, которые с цепью создания в печи окислительной атмосферы сжигают с большим избытком воздуха.

Огарок из бункера питателем подается в хвостовую часть печи с температурой 800 ^оС. Далее он движется навстречу топочным газам, содержащим 8-10% кислорода и нагретым до 1200-1300 ^оС. Высокая температура и присутствие в газах кислорода приводят к почти полному окислению серы (до 0, 02 % и менее). Расход топлива. на второй обжиг достигает 40 % от массы огарка. Полученный в трубчатых печах оксид никеля (огарок) в среднем содержит, %: Ni 78; Си 0, 4; Со 0, 4-0, 5; Fe 0, 3-0, 4.

Из обжиговой печи оксид никеля с температурой 900-1000^оС по течке ссыпается в трубчатый реактор, куда вводят также 4-8 % нефтяного кокса. За счет физической теплоты огарка в холодильнике по реакции NiO + С = Ni + СО оксид никеля частично (до 40-50 %) восстанавливается и из реактора выходит металлизированный огарок с содержанием 82-86 % Ni, что ускоряет и удешевляет его дальнейшую переработку в электропечах.

Процесс восстановительной электроплавки осуществляют в дуговых электрических печах за счет теплоты, выделяющейся при горении дуги между угольными (графитовыми) электродами и металлом. Для получения никеля из окисленных руд применяют трехэлектродные круглые печи вместимостью 4, 5-10т.

Технологический процесс электроплавки оксида никеля состоит из ряда операций:

1) шихтовки оксида никеля с восстановителем;

2) загрузки шихты и ее расплавления;

3) доводки металла;

4) выпуска и грануляции никеля.

Во время приготовления шихты оксид никеля смешивают в заданной пропорции с твердым восстановителем, чаще всего нефтяным коксом, содержащим 0, 2-0, 5 % S.

При расплавлении шихты происходит восстановление оксида никеля до металла и одновременно его науглероживание за счет растворения углерода и образующегося карбида Ni₃С. При содержании ~ 2, 2 % С температура плавления металла снижается до 1315^оС. Это сокращает время расплавления шихты и снижает расход электроэнергии.

В конце плавки избыток углерода удаляют путем доводки металла забрасыванием в печь оксида никеля. При этом происходит взаимодействие карбида никеля с NiO по реакции Ni₃C⁺ + 2NiO→ 5Ni + C0₂.

При доводке с целью предотвращения вторичного окисления никеля кислородом печной атмосферы в печи наводят известковый шлак. Этот шлак позволяет также очистить металл от серы за счет взаимодействия по реакции

Ni₃S₂ + 2СаО + 2С = 3Ni + 2CaS + 2СО.

Образующийся сульфид кальция не растворяется в никеле и переходит в шлак. После снятия шлака металл разливают, наклоняя печь в сторону разливочного желоба.

Готовый металл льют в грануляционные бассейны с проточной холодной водой, на дне которых установлена дырчатая металлическая корзина. Полученные гранулы никеля извлекают из бассейна, сушат, упаковывают в фанерные бочки и отправляют потребителю.

Огневой никель по ГОСТ 849 - 70 должен содержать суммарно никеля и кобальта не менее 98, 6 % (Н-3) и кобальта не более 0, 7 %.

Рассмотренная технологическая схема хорошо освоена на практике. Это, пожалуй, ее единственное достоинство. Главные ее недостатки заключаются в сложности (многостадийности) технологии, высоком расходе дорогостоящего и дефицитного кокса, низком извлечении никеля и особенно кобальта и, наконец, к полной потере всего железа руды.

Производство ферроникеля

Устранение большинства недостатков традиционной технологии переработки окисленных никелевых руд достигается при их переработке на ферроникель - сплав железа с никелем, в который переходит и кобальт. Этот способ в последние годы получает все большее распространение и относится к восстановительным процессам.

При плавке на ферроникель достигается значительное упрощение технологической схемы переработки окисленных никелевых руд, существенное повышение извлечения никеля и кобальта, улучшение использования вещественного состава руды, а также экономия топлива.

Плавку на ферроникель в основном ведут в руднотермических печах. Главные преимущества электроплавки - возможность использования руд с тугоплавкой, магнезиально-силикатной пустой породой, получение достаточно высокого извлечения металлов, небольшой расход низкосортного восстановителя и высокая комплексность использования сырья.

Ферроникель можно применять непосредственно в черной металлургии при получении легированных сталей или перерабатывать на марочные сорта никеля и кобальта.

Переработка окисленных никелевых руд на ферроникель электротермическим способом в промышленном масштабе осуществлена на Побужском никелевом заводе (Украина), в Новой Каледонии, США, Японии и Бразилии.

Технологическая схема получения ферроникеля включает агломерацию или сушку с прокаливанием руды с целью частичного восстановления оксидов железа и никеля до металла в трубчатых вращающихся печах, плавку огарка, нагретого до 700-900 ^оС, на ферроникель в руднотермических печах с восстановителем, рафинирование и обогащение первичного ферроникеля в конвертере с получением товарного продукта.

При электроплавке оксиды никеля восстанавливаются углеродом по реакции:

NiO + С = Ni + СО.

Одновременно с никелем восстанавливаются кобальт, железо, хром и кремний. В результате плавки получают ферроникель, загрязненный в основном кремнием, серой и углеродом.

Товарный ферроникель с содержанием 19- 25 % Ni и 1-1, 2 % Со разливают в слитки массой по 45-50 кг. Извлечение никеля и кобальта при рафинировании составляет 95- 96 %. Одним из возможных способов извлечения никеля и кобальта из такого ферроникеля является его переработка в качестве холодных присадок при конвертировании штейнов на файнштейн. Файнштейн и кобальтсодержащие конвертерные шлаки перерабатывают по описанной ранее технологии.

Контрольные вопросы

1. Цель процесса конвертирования

2. Флюс, используемый при конвертировании медного штейна

3. Почему при конвертировании никелевого штейна не производится полная продувка железа?

4. Что называется файнштейном?

5. Как обедняются конвертерные никелевые шлаки?

6. Основные реакции конвертирования никелевых штейнов

7. Технологические стадии получения огневого никеля из файнштейна

8. Почему окисление файнштейна проводится в две стадии?

9. Этапы технологического процесса электроплавки оксида никеля

10. Преимущества переработки окисленных никелевых руд на ферроникель

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 7 8 9 101112 Следующая ⇒