Совершенствование пирометаллургических технологий переработки медного концентрата от разделения файнштейна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Максимов, Дмитрий Борисович

• Максимов, Дмитрий Борисович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Максимов, Дмитрий Борисович

Введение

1. Методы переработки медного концентрата от разделения файнштейна

1.1. Методы переработки МКРФ на никелевых предприятиях России

1.2. Методы переработки МКРФ, применяемые на зарубежных заводах

1.3. Окислительный обжиг в печах КС в металлургии никеля, кобальта и меди

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование пирометаллургических технологий переработки медного концентрата от разделения файнштейна»

Медный концентрат от разделения файнштейна (МКРФ) содержит около 5% никеля, 3% железа и 21% серы. Существуют различные пиро- и гидрометаллургические методы его переработки.

На комбинате «Североникель» часть МКРФ подвергается плавке в отражательной печи и кислородной продувке расплава в вертикальном конвертере с получением черновой меди, твердого шлака и серусодержащих газов. Черновая медь направляется на огневое рафинирование. Шлаки направляются в плавильное никелевое производство комбината «Печенганикель». Конвертерные газы утилизируются в сернокислотном производстве.

Часть МКРФ подвергается обжигу в печах КС, огарок выщелачивается и из раствора методом электроэкстракции извлекается медь по технологии фирмы "Минпрок".

Важнейшей задачей конвертирования расплавленного концентрата является максимально возможное снижение содержания никеля в черновой меди с переводом его в твердый шлак. Твердые шлаки перерабатываются в горизонтальных конвертерах. Как свидетельствует промышленная практика, такие шлаки могут быть успешно переработаны лишь при наличии достаточно бедных штейнов. В противном случае из-за дефицита тепла конвертерной плавки могут получаться сильно металлизированные файнштейны, либо весь объем шлаков не будет переработан.

Особенно актуальной проблема переработки твердых шлаков становится при внедрении автогенных процессов для переработки медно-никелевых концентратов. На комбинате «Печенганикель» предполагается внедрение двухзонной печи Ванюкова с получением штейна с содержанием суммы меди и никеля более 45% (в настоящее время она составляет 25-28%). В этом случае образующееся количество твердых шлаков (с учетом необходимости переработки других внутрицеховых оборотов) не может быть переработано в конвертерном переделе. Необходимо разрабатывать дополнительные методы снижения выхода твердого шлака. Это может быть реально реализовано двумя путями: за счет снижения меди в шлаке и частичного повышения никеля в черновой меди. На комбинате «Североникель» промывка шлаков не осуществляется. Возможности второго варианта ограничены предельно допустимым содержанием никеля в черновой и анодной меди. Данный вопрос остается малоизученным.

В связи с тем, что процесс обжига МКРФ в печах КС применяется в России недавно, необходим поиск режимов, при которых процесс протекает стабильно, качество огарка по содержанию остаточной серы и окисленности металлов высокое, вся образующаяся при обжиге пыль как оборотный продукт возвращается на обжиг в печь КС.

Цель работы

Совершенствование пирометаллургических технологий переработки медного концентрата от разделения файнштейна методами конвертирования в вертикальных кислородных конвертерах и обжига МКРФ в печах КС

Для решения проблемы эффективного вывода никеля при конвертировании медного сырья необходимо изучение поведения никеля, железа, серы при конвертировании белого матта в широком диапазоне температур; исследование структуры твердых шлаков, полученных при различных условиях конвертирования; исследование поведения компонентов шлаков при промывке и обеднении при различных условиях.

Для совершенствования и оптимизации процесса обжига МКРФ необходимо исследование влияния введения различных количеств оборотной пыли на технологию, температуры процесса, обогащения дутья кислородом, структуры огарка, пыли, настыли и др.

Научная новизна

1. Получены данные о вещественном составе твердых медно-никелевых шлаков от конвертирования МКРФ после промывки их белым маттом с последующей продувкой кислородом или мазутно-кислородной горелкой.

2. Установлен вещественный состав конвертерной пыли. В начале продувки пыль состоит из сульфидов меди с включениями оксидов железа и никеля и представляет собой капли частично окисленного штейна, магнетита и сульфатных частиц. По ходу плавки доля сульфидных частиц уменьшается, увеличивается сульфатная составляющая и доля оксидов железа и никеля. Пыли электрофильтров весьма неоднородны по составу и сильно отличаются по полям. Общей в данных пылях являются сульфаты меди, никеля и железа.

3. Исследован вещественный состав огарков, полученных при различных режимах обжига МКРФ в печи КС. Основными структурными составляющими являются: СиО, СигО, ферриты и оксисульфиды железа-меди-никеля.

4. Установлено строение настылей, образующися на стенках печи КС при обжиге МКРФ. Они состоят из достаточно плотной центральной и пористой периферийной частей. Основу центральной части составляет куприт, он содержит включения оксида меди (II) и ферритов никеля-меди. Основу периферийной части составляет оксид меди (II), содержащий включения куприта, феррита никеля-меди и оксида никеля-меди стехиометрии МеО.

Практическая значимость

Усовершенствована технология конвертирования МКРФ.

Определены температурные условия конвертерной плавки, позволяющие получать черновую медь с содержанием никеля от 1 и до 5% при содержании серы до 0,5%. Разработана технология обеднения твердых «никелевых» шлаков путем промывки их белым матом с последующей продувкой кислородом.

На основе результатов исследований тепловой работы конвертера и расчетов по разработанной математической модели выданы рекомендации по совершенствованию процессов конвертирования и переработке вторичных материалов и внутрицеховых оборотов.

Усовершенствован режим обжига МКРФ в печах КС, в том числе за счет частичного или полного рециклинга пыли. Внедрение разработанных рекомендаций позволило увеличить переработку концентрата на 12% и получить экономический эффект в размере 3 млн. 125 тыс. рублей в год (в ценах до 2005 года).

На защиту выносится

1. Результаты исследований переработки МКРФ в вертикальных кислородных конвертерах.

2. Результаты исследований технологии обжига МКРФ в печах КС для последующей гидрометаллургической переработки огарка.

3. Результаты исследований структуры твердых шлаков, образующихся при конвертировании белого матта (МКРФ), обеднении твердых свернутых шлаков, конвертерных пылей, огарка.

Апробация работы

Результаты работы доложены на заседании НТС ОАО «ГМК «Норильский никель», ОАО «КГМК», ООО «Институт Гипроникель», на II Международной конференции «Металлургия цветных и редких металлов», Красноярск, 2003 г.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Максимов, Дмитрий Борисович

ВЫВОДЫ

1. Исследована и усовершенствована технология переработки МКРФ путем его конвертирования в вертикальных кислородных конвертерах и обжига в печах КС.

2. Установлено, что при конвертировании белого матта при температурах 1200-1300 °С не представляется возможным получение меди с высоким содержанием никеля (3-5 %) и низким содержанием серы (~0,1 %). Относительно высокое содержание никеля (~3 %) наблюдается при содержании серы в меди 1 %; содержание никеля в черновой меди ~5,5 % при содержании серы ~0,5% достигается при температурах 1500-1550 °С. При снижении содержания серы ниже 0,5% наблюдается снижение содержания никеля в меди до 0,4-0,5 %; при ведении процесса конвертирования при температурах ~1400 °С возможно получение черновой меди с содержанием никеля 2,3-3% и серы 0,6-1%.

3. Исследована структура твердого шлака, образующегося при конвертировании белого матта (МКРФ). Шлак характеризуется высокой неоднородностью состава, наличием крупных включений металлической меди и отношением Си:№ 2-3. Среднее содержание никеля - 15,6 %, меди -35,6 %, железа - 16,4 %. Содержание никеля в шлаках высокотемпературных плавок составляет 5-9%.

4. Исследованы процессы обеднения твердых шлаков промывкой их медным штейном с последующей продувкой кислородом и продувкой шлаков с помощью мазутно-кислородной фурмы. Установлено, что при этом происходит снижение содержания металлической меди, исчезновение куприта (Си20), замещение оксидов, обогащенных никелем, оксидами железа с примесью никеля, увеличению содержания силикатной составляющей, замещение в силикатах никеля железом. Продувка конвертерных шлаков продуктами сжигания мазута кислородом приводит к значительному уменьшению содержания металлической меди.

5. Исследован фазовый состав конвертерных пылей. Установлено, что основная часть пылей в начальный момент плавки отвечает составу медного штейна с включениями оксидов железа и никеля и металлической меди. В середине продувки доля сульфидной составляющей в каплях уменьшается. Капли имеют наружный слой сульфата. В конце плавки количество капель снижается до минимума. Пыли электрофильтра неоднородны по строению и содержат сульфаты меди, никеля и железа.

6. Исследована тепловая работа конвертера. Разработана теплофизическая модель работы конвертера. Проанализированы различные варианты ведения процессов в зависимости от наличия охладителей (собственных оборотов, вторичных медных металлических отходов).

7. В промышленных условиях исследован процесс обжига МКРФ в печах КС для последующей гидрометаллургической переработки огарка. Установлено, что выход огарка определяется температурой кипящего слоя, содержанием кислорода в дутьевых газах, высотой ванны, скоростью подачи дутьевых газов, загрузкой концентрата и содержанием пыли в обжигаемой шихте. Повышение первых трех факторов положительно влияет на выход огарка, увеличение трех последних приводит к его снижению. Уменьшение общего пылевыноса и пылевыноса оборотной пыли обеспечивается ростом упругости дутья, температуры в слое и содержания кислорода в дутьевых газах; заведение на обжиг части собственного огарка приводит к стабилизации режима кипения материала в печи.

8. Исследована структура огарка при обжиге в печах КС. Установлено, что основой огарков является СиО (тенорит). Также присутствует в небольших количествах МО (бунзенит) и №Ре204 (треворит). При повышенной температуре обжига (930°С и более) основной фазой огарка является Си20.

9. Исследован вещественный состав настыли, образующейся на стенках печи при организации обжига МКРФ с полным пылевым рециклом. Настыль является смесью тенорита с купритом. Никель и железо большей частью присутствуют в виде ферритов состава МБегО^ Имеется некоторое количество вюстита с искаженной кристаллической решеткой. Основной причиной образования настыли на стенках является превышение заданной температуры 950-955°С на 15-20° в сочетании с возросшей загрузкой концентрата (2,1-2,3 т/час) и неизменным количеством подаваемых в печь дутьевых газов (суммарно -2500 нм3/час).

10. На основании выполненных исследований разработаны мероприятия по совершенствованию технологий конвертирования и обжига, внедрение которых позволило получить экономический эффект в размере 3 млн. 125 тыс. рублей в год (в ценах до 2005 года).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Максимов, Дмитрий Борисович, 2007 год

1. Костюкович Ф.В., Сухарев С.В. и др. Освоение печи Ванюкова для плавки медного концентрата от разделения файнштейна на Норильском КМК// Цветные металлы. 1998. - №2. - С. 33-35.

2. Цемехман Л.Ш., Рябко А.Г., Лукашев Л.П. и др. Автогенные процессы в медно-никелевом производстве// Цв. металлы. 1984. - № 8. - С. 19-21.

3. Астафьев А.Ф., Лукашев Л.П., Одинцов В.А. и др. Кислородно-конвертерная технология получения черновой// Сб. науч. тр. ин-та Гипрони-кель.-Л., 1987.-С. 10-17.

4. Jane Verniuk. Inco Thompson. Getting Better: Refinery // Can. Min. Journ, 1988.-V.109.-N6.-P.88.

5. Outokumpu News, 1994. N1. - P. 10-13.

6. Outokumpu Brings New Output on Stream // Metal Bulletin, 1995. -N7987. P.9.

7. Материалы встречи представителей РАО «Норильский Никель» со специалистами компании Outokumpu.

8. The Sherrit Gordon process of Kwinana // Australian Mining, 1979. V. 71. - N5. - P.37, 39,42.

9. Sherritt Technology. From concept to commercialization. Проспект компании.

10. Groom J.D.G., Stewart R.J.E., Nixon J.L.,Saarinen H. Development of the Outokumpu nickel refining process in Zimbabwe. Miner. Process, and Extr. Met. Pap.Int. Conf., Kunming, 27 Oct.-3 Nov., 1984. London, 1984. P.381-395.

11. Mining Journal, 1998. V. 331. - N8489. - P.50-51.

12. World Directory of Nickel Production Facilities, June, 1996.

13. Metal Bulletin, 1995. N 8001.

14. Annual Report Ausmelt, 1994.

15. Kambalda nickel ore treatment // «Australian Mining», 1979. V.71. -N5. - P.23-30.

16. WMC Corporate Profile, 1991. P. 37.

17. Yukio Ishikawa, Iwao Fukui and Naoyuki Tuchida. Development of the chloride route of nickel refining process by Sumitmo Metal Mining Co. Ltd. Metallurgical Review of MMIJ, 1992. v.9. - N2. - P. 126-141.

18. Susumu Makino, Makoto Sugimoto, Fumiki Yano, Nobuhiro Matsumoto. Operation of the MCLE Plant for Nickel Refining at Sumitomo Metal Mining Co.,Ltd. EPD Congress, 1996. P. 297-311.

19. John L Hopkins. Metallurgical innovation goes one better in Norway. Canaian Mining Journal, 1986. V.107. - N5. - P.55-58.

20. Metal Bulletin Monthly Ferro-Alloys Supplement, Nov. 1997. P.27.

21. Материалы переговоров РАО «Норильский Никель» с компанией Falconbridge, 1998.

22. Samuel W. Marcuson, Carlos Diaz and Haydn Davies. Процесс верхней продувки и донного перемешивания для производства черновой меди. Journal of Metals, 1994. V. 46. - N8. - P. 61-64.

23. M.C. Bell, J.A. Blanco, H. Davies and Garritsen. The S02 Abatement Project// CjM Bulletin, 1990. V. 83. - N993. - P. 47-50.

24. C.A. Landolt, A. Fritz, S.W. Marcuson, R.B. Cowx, J. Miszcak. Copper Making at Inco's Copper Cliff Smelter International Symposium «Copper 91», Ottawa, Ontario, Canada, August 18-21, 1991. V. IV. Pyrometallurgy of Copper, -p. 15-29.

25. Progr. Report Inco Limited Sudbury Smelter Complex, Canada, 1988,1. July.

26. Marilyn Scales. High Pressure process // Canadian Mining Journal, 1988. V. 109. N6. - P.59-61.

27. Цветметинформация, 1962. С. 140-151.

28. CIM Bull. 1990. - Vol. 63, № 993. - P. 47-50.

29. Progr. Report INCO Limited Sudbury Smelter Complex, Canada, 1988, July. P. 64.

30. J. of Metals, 1994. Vol. 46, № 8. - P. 61-64.

31. Extractive metallurgy of copper, nickel and cobalt// Proc. of Paul E. Quenau Int. Simp., Warrendale, 1994. Vol. 11. - P. 1497-1527.

32. Астафьев А.Ф., Алексеев Ю.В. Переработка в кипящем слое полупродуктов никелевого производства. -М.: "Металлургия", 1991. 254 с.

33. Зак М.С. Обжиг в кипящем слое // Псевдоожижение. Под ред. В.Г. Айнщтейна и А.П. Баскакова. -М.: "Химия", 1991. С. 189-212.

34. Теслицкая М.В., Смирнов А.С., Константинова Т.Б., Цустильник Г.Л. Обжиг в печах с кипящим слоем в цветной металлургии за рубежом. -М.: "Цветметинформация", 1976. 68 с.

35. Клушин Д.Н., Серебенникова Э.Я., Бессер А.Д. Кипящий слой в цветной металлургии. М.: "Металлургия", 1978. - 279 с.

36. Обжиг сульфидных материалов в кипящем слое. Под ред. Г.Я. Лей-зеровича. -М.: "Цветметинформация", 1958. 185 с.

37. Цейдлер A.A. Переработка пирротинового концентрата на заводе Фалконбридж (Канада) // Цветная металлургия. 1962. - № 6. - С.42-43.

38. Цветная металлургия Финляндии. М.: "Цветметинформация", 1971. -161с.

39. Поляков В.И., Ивина Г.И., Гаврилова Е.А. Цветная металлургия Финляндии // Обзорная информация. Труды института "Цветметинформация". 1986. - № 18. - 48 с.

40. Береговский В.И. Переработка кобальтсодержащих концентратов на заводе Оутокумпу Ои // Цветные металлы. 1972. - № 7. - С. 99-101.

41. Синявер Б.В. Практика обжига и плавки никелевых концентратов на заводе фирмы ИНКО Томпсон (Канада) // Цветная металлургия. 1964. -№ 4. - С. 44-49.

42. Зырянов А.Г., Ключарев А.П., Липова И.М., Рубцова Т.М., Сандлер Е.М. Цветная металлургия Заира // Обзорная информация. Труды института "Цветметинформация". 1982. - № 4. - 50 с.

43. Костин В.Н., Бабич Ю.Д., Давыдов Л.К., Головачев Н.К. Предприятия медного пояса Замбии. М.: "Цветметинформация", 1971. 392 с.

44. Обжиг медных концентратов в печах кипящего слоя // Цветные металлы. 1977.-№ 2. - С.7-16

45. Беркман Н.С., Орионов A.A., Серебренникова Е.Я. Грануляция и обжиг в кипящем слое медной шихты Алавердского комбината // Научные труды института Гинцветмет. 1961. - № 18. - С. 321-327.

46. Смирнов В.И., Тихонов А.И. Обжиг медных руд и концентратов (теория и практика). М.: "Металлургия", 1966. - 255 с.

47. Золотурин А.Л. Опыт освоения обжига медных концентратов в кипящем слое и электроплавка огарка на медеплавильном комбинате имени Г. Дамянова в народной республике Болгарии // Труды института Унипромедь. 1962,-№6.-С. 206-216.

48. Серебренникова Э.Я. Обжиг сульфидных материалов в кипящем слое. М.: "Металлургия", 1982. - 112 с.

49. Stensholt Е.О. The Falconbridge chlorine leaches process // The Institution of Mining and Metallurgy. Symposium "Extraction Metallurgy 85". London, 1985. - P.377-397.

50. Neuman J.P., Hsieh К.С., Vlanch К.С., Chang Y.A. Phase diagrams and thermodynamic properties of the ternary copper-oxygen-nickel system // Metallurgical Review of MMIJ. 1987. - V. 4, № 2. - P. 106-120.

51. Литвинов C.JI., Цемехман Л.Ш., Бурылев Б.П., Ермаков Г.П. Термодинамика окислительного конвертирования меди от никеля // Цв. металлы. 1989.-№6.-С. 37-39.

52. Патент 2224802 Россия МПК С22И 1/10 «Способ обжига сульфидных материалов в кипящем слое». А.Ф. Астафьев, Б.А. Дворкин, В.В. Клементьев, Д.Б. Максимов. №2002117626/02. // Изобретения. Полезные модели. - 2004. - №3 (3 ч.). - С. 740.

53. Барам И.И. Макрокинетика гетерогенных процессов. Алма-Ата: "Наука", 1986.-208 с.

54. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Изд-во АН СССР, 1967. - 491 с.

55. Берг Б.В., Шувалов В.Ю. Выбросы и унос частиц из кипящего слоя// Псевдоожижение. Под ред. В.Г. Айнщтейна и А.П. Баскакова. -М.: "Химия", 1991.-С. 56-72.

56. Поляков В.И., Ивина Г.И., Гаврилова Е.А. Цветная металлургия Финляндии // Обзорная информация. Труды института "Цветметинформа-ция".- 1986.-№ 18.-48 с.

57. Набойченко С.С., Смирнов В.И. Гидрометаллургия меди. М.: "Металлургия", 1974. - 272 с.

58. Максимов Д.Б., Демидов К.А., Дворкин Б.А., Краюхин Ю.А., Портов А.Б., Цемехман Л.Ш. Обжиг медного концентрата от разделения файн-штейна в печах КС на комбинате «Североникель» // Цв. металлы. 2004. -№12.-С. 43-46.

59. Мызенков Ф.А., Кашин J1.C., Сафронов Ю.П. Высокотемпературный обжиг медной шихты с укрупнением материала в кипящем слое // Применение кипящего слоя в цветной металлургии. Труды института Гинцвет-мет. 1969. - № 30. - С. 49-54.

60. Боровиков В.П., Боровиков И.П. Statistica. Статистический анализ и обработка данных в среде Windows. М.: "Филинъ", 1997. - 608 с.