Восстановление и сульфидирование никеля в расплаве окисленной никелевой руды применительно к условиям плавки Ванюкова тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Кошель, Денис Яковлевич

• Кошель, Денис Яковлевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кошель, Денис Яковлевич

Введение

1 Литературный обзор

1.1 Характеристика запасов никелевого сырья

1.2 Мировые запасы никелевых руд

1.3 Анализ существующих и предлагаемых способов переработки ОНР

1.3.1 Гидрометаллургия ОНР

1.3.2 Пирометаллургия ОНР

1.3.3 Вторичная металлургия никеля

1.4 Восстановительные методы переработки ОНР

1.4.1 Электроплавка

1.4.2 Кричный метод

1.4.3 Плавка в печи с погруженным факелом

1.4.4 Механизм, скорость восстановительных процессов с использованием углерода

1.5 Сульфидирование ОНР

1.5.1 Шахтная плавка

1.5.2 Механизм, скорость процессов сульфидирования при переработки ОНР

1.5.3 Новые направления развития технологии переработки окисленного никелевого сырья

1.6 Выводы по главе

2 Методики проведения исследований восстановительных и сульфидирующих процессов

2.1 Исходные материалы

2.2 Лабораторная установка

2.3 Порядок проведения эксперимента 47 2.3.1 Восстановление ОНР

2.3.2 Сульфидирование OFIP

2.4 Методика химического анализа полученных результатов

2.5 Методика обработки результатов экспериментов

3 Исследования процессов восстановления оксидов никеля и железа твердым углеродом

3.1 Методика исследования

3.2 Обработка полученных результатов

3.2.1 Результаты экспериментов

3.2.2 Влияние времени восстановления

3.2.3 Расчет нагрева восстановителя

3.2.4 Влияние предварительного подогрева восстановителя

3.2.5 Влияние границы контакта и принудительного перемешивания на восстановление металла

3.2.6 Расчет скорости восстановления металлов

3.3 Выводы по главе

4 Исследование процессов сульфидирования оксидов никеля и железа сульфидом железа

4.1 Основы процесса сульфидирования ОНР

4.2 Методика изучения сульфидирования оксида никеля сульфидом железа

4.3 Обработка полученных результатов

4.3.1 Результаты экспериментов

4.3.2 Нормирование результатов эксперимента

4.3.3 Влияние количества пирротина

4.3.4 Влияние времени продувки и температуры

4.3.5 Влияние времени отстаивания

4.3.6 Металлизация штейна

4.3.7 Равновесие в системе штейн - шлак

4.3.8 Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Восстановление и сульфидирование никеля в расплаве окисленной никелевой руды применительно к условиям плавки Ванюкова»

Общее положение, сложившееся в никелевой отрасли России и всего мира указывает на непрерывный рост добычи сырья, производства и потребления металла в 2005 году.

Доля России в добычи никель - содержащих руд составляет ~ 20 % мирового производства, по производству первичного никеля Россия также занимает лидирующее место (-22 % мирового производства). Однако по потреблению никеля Россия не находится в лидерах. Ситуация, сложившаяся в отечественной промышленности, привела к тому, что потребление никеля резко снизилось за последнее десятилетие и составляет не больше 3 % от мирового производства.

Производство никеля в России опирается на большие запасы (около 6,6 млн. т., подтвержденные запасы). Основная доля производства никеля в России осуществляется из сульфидных медно-никелевых руд (95 %). Из окисленных никелевых руд (ОНР) производят только около 5 %, соответственно в мировом производстве получают более 40 % никеля.

Месторождения ОНР занимают большие площади, располагаются в более благоприятных районах, их добыча ведется открытым способом, руда представляет собой рыхлую массу. В зависимости от содержания основных шлакообразующих компонентов ОНР подразделяется на: железистые, железисто-магнезиальные, железисто-кремнистые, магнезиальные. Характерная особенность ОНР это высокое содержание влаги до 25% и железа, которое меняется в широких пределах в зависимости от типа перерабатываемой руды.

Такое сочетание свойств ОНР значительно усложняет их металлургический передел.

Производство никеля из ОНР осуществляется по двум технологическим схемам: наиболее распространено получение ферроникеля и реже используют плавку на штейн с последующим извлечением металла. В случае получения ферроникеля никель остается в сплаве, а сам ферроникель является готовым продуктом используемым в черной металлургии. При плавке на штейн предусматривается последующее выделение никеля в металлическую фазу, а также кобальта являющегося сопутствующим ценным компонентом.

Обе технологические схемы имеют ряд недостатков, которые влияют на себестоимость продукции и определяют целесообразность их применения.

Основными направлениями повышения рентабельности производства никеля из ОНР являются попытки предварительной подготовки руд, такие как: усреднение, шихтовка, сушка, брикетирование, агломерация, окатывание. А также попытки обогащения руды: сегрегационный обжиг с последующей магнитной сепарацией. Технико-экономические расчеты по схеме: крупное, среднее, мелкое дробление - подсушка - шихтовка — обжиг в шахтном реакторе - мокрая магнитная сепарация - сушка концентрата, проводились в институте "Гипроникель" и показали, что такая схема сегрегационного обогащения ОНР становится экономически оправданна только при стоимости 1 т. никеля 7000 долл. США.

Схема, где ОНР перерабатывают также с использованием сегрегационного обжига с последующей флотацией в замкнутой схеме позволяет получать концентрат с содержанием никеля 8 - 12 % при извлечении 75 - 83 % и кобальта 65 - 75 %.

В результате сложившегося мнения считается, что сочетание предварительного обогащения ОНР с последующими традиционными способами переработки никелевого концентрата обеспечит более высокую рентабельность производства, нежели прямая переработка руды с получением ферроникеля или штейна. Однако до последнего времени не удается добиться устойчивого процесса обогащения.

К ОНР применима гидрометаллургическая технология переработки, но поскольку месторождения отечественных руд относятся к силикатному типу с повышенным содержанием оксида магния и сложным минералогическим составом, это исключает возможность использовать сернокислотное или аммиачно-карбонатное выщелачивание.

I Литературный обзор

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Кошель, Денис Яковлевич

4.3.8 Выводы по главе

1 Увеличение извлекающей фазы (сульфидизатора) не оказало существенного влияния на содержание никеля в штейне и привело к обеднению штейна за счет разбавления его железом.

2 Время отстаивания расплава доведенное до 40 мин сохранило содержание никеля в штейне ~10 %, что свидетельствует о торможении реакции в кинетической области, а также об отсутствии отстаивания механической взвеси. Это позволяет нам охарактеризовать оставшийся никель как растворенный в шлаке.

3 Увеличение интенсивности перемешивания увеличивает степень восстановления, как никеля, так и железа.

4 Повышение температуры до 1380 °С в сочетании с принудительным перемешиванием способствует ускорению процессов сульфидирования. Л ♦ • • • — i ♦ . . : .

--------- . . ♦ ■

----- .— ♦ также приводит к снижению степени десульфуризации, что позволяет утверждать, что большая, а то и вся часть никеля находится в сульфидной форме.

5 На основании полученных данных можно регулировать состав получаемого штейна исходя из условий проведения процесса.

Зависимость содержания никеля в шлаке от степени десульфуризации

0,50 чо 0,45 °J 0,40 з 0,40

0,00

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00

Степень десульфуризация, % ■ температура 1350 град ♦ температура 1370 град а температура 1380 град

Рис.26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Как следует из аналитического обзора научной литературы и практического опыта; не смотря на то, что большая часть никелевых сырьевых запасов сосредоточена в окисленных рудах до настоящего времени практически весь металлический никель получается из сульфидного сырья. Существующие пирометаллургические способы переработки окисленного никелевого сырья позволяют экологически и экологически эффективно получать из него ферроникель при содержании никеля в руде не менее 1,5 - 1,8 %. При этом резервы модернизации существующих технологий в значительной степени исчерпаны. Практически весь кобальт, содержащийся в руде при плавке на ферроникель переходит в него и теряется, как загрязняющая примесь.

2. Создание новых экологически чистых и экономически выгодных технологий комплексного извлечения полезных компонентов из окисленного никелевого сырья различного состава сдерживается недостатком научных

• знаний и базы данных, противоречивостью точек зрения специалистов на химизм и кинетику металлургических превращений при восстановительной и сульфидирующей технологии переработки сырья. В этой ситуации чрезвычайно актуально и практически важно расширить исследования обозначенных выше вопросов.

3. В настоящей работе разработана, апробирована и использована новая методика исследования процессов восстановления никеля и железа из жидкого шлака углеродом в ферроникель и сульфидирования никеля из восстановительных шлаковых расплавов сульфидом железа (пирротином) с ф> формированием никелевого штейна. Благодаря совпадению результатов по распределению никеля и независимому химическому анализу металлической или сульфидной фаз и шлака показана воспроизводимость получаемых результатов и их достоверность.

4. Установлено, что удельная макроскопическая скорость восстановления никеля из шлака при изменении его содержания в шлаке от 0,1 до 1,0 % составляет величину 2-4 мг/см2 в минуту. Скорости восстановления железа из шлака с 15 % железа заметно увеличивается от 4 до 6 мг/см" в минуту но мере уменьшения содержания никеля в шлаке. Существенное влияние на скорость восстановления оказывает температура процесса. Восстановление резко замедляется при снижении температуры до 1320 °С и ускоряется в 3 раза при подъеме температуры до 1370 °С.

5. Содержание никеля в штейне при сульфидировании расплавленного шлака пирротином (FeS) определяется количеством сульфидизатора. Десульфуризация независимо от температуры и количества сульфидизатора не превышает 15 - 18 % от введенной серы. Отношение концентраций никеля в штейне и шлаке изменяется от 80 до 100 по мере повышения металлизации штейна.

6. Из литературных источников известно что при непрерывной загрузке рядового угля в барботируемую восстановительными газами шлаковую ванну л

1 кг угля создает межфазную границу в количестве 5 - 15 м .

Таким образом 1 тонна угля создает действующую поверхность в среднем величиной 10000 м". Приняв, что только 10 % этой поверхности угля работает на восстановление оксида никеля и сопоставляя это с полученными в диссертационной работе скоростями восстановления оксида никеля из шлака мы получаем, что имеется принципиальная возможность достигнуть в восстановительной зоне печи Ванюкова извлечения в ферроникель 240 кг никеля на каждую тонну загруженного угля при восстановлении жидкого шлака углем при температуре процесса 1370 - 1400 °С.

7. Опираясь на производственный опыт переработки сульфидного сырья в печи Ванюкова в цветной металлургии и опыт плавки окисленного сырья в черной металлургии (процесс «Ромелт») организацию переработки окисленной никелевой руды на ферроникель или штейн можно представить с использованием либо двухзонной печи, либо двух отдельных печей. В первой зоне, или отдельной печи осуществляется плавка окисленной никелевой руды при полном сжигании углеродистого топлива с максимальной генерацией тепла. В этом случае получаем гомогенный шлаковый расплав с растворенным в нем оксидом никеля. Этот расплав перегревают на 150 °С выше температуры его плавления. Горячий шлак перетекает во вторую зону или во вторую отдельную одно-зонную печь. В эту вторую зону при получении ферроникеля в барботируемый шлак вводится уголь и кислород в количествах необходимых для компенсации потерь тепла в окружающую среду и на эндотермические процессы восстановления и на восстановление оксидов. Из этой зоны выпускают обедненный, по никелю отвальный шлак и полученный ферроникель. Если необходимо получать никелевый штейн, то во вторую зону совместно с углем загружают сульфидизатор (колчедан или гипс). Имеется возможность над слоем расплава дожигать восстановительные отходящие газы и таким образом компенсировать дефицит тепла на процесс и сократить расходы углеродистого топлива.

8. Учитывая накопленный опыт эксплуатации печей Ванюкова в медной промышленности можно утверждать, что предложенный вариант технологии переработки окисленной никелевой руды будет обладать следующими достоинствами:

- значительно упрощается подготовке руды к плавке. Она сводится к простой сушке руды в трубчатой сушилке и отсеву крупных валунов вместо агломерации или брикетирования со множеством дополнительных операций;

- дорогостоящий кокс заменяют обычным рядовым каменным углем, что снижает затраты на топливо в 5 -7 раз;

- уменьшается вынос пыли при плавке и в процессе загрузки материалов в печь до количества 0,5 - 1,0 % от веса загружаемой шихты. Это значительно сокращает затраты на пылеулавливания и очистки окружающей среды;

- при плавке на ферроникель возможно получение маложелезистых шлаков за счет перс-иода железа в товарную продукцию с целью использования и производства изделии в строительной сфере.

9. Подводи итог изложенным выше соображениям, следует подчеркнуть, что полученные в работе данные о процессах восстановления и сульфидирования оксидов никеля и железа из жидких шлаковых расплавов дают основание для создания новой технологии переработки окисленной никелевой руды.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кошель, Денис Яковлевич, 2005 год

1. Налдретт А.Дж. Сульфидные никелевые месторождения, классификация состав и генезис / Т.2. М.: Мир, 1984. - С. 253-333

2. Остапенко ГГ.Е. Технологическая оценка минерального сырья. М.: 1992.

3. Смирнова В.И. Рудные месторождения СССР/Т.2. М.: 1978.

4. Технологическая минералогия гипергенных никелевых руд / Вершинин А.С., Витовская И.В., и др. Л.: Наука, 1988. - 274 с.

5. Тавастшерна С.С., Доброхотова Е.В. Окисленный никелевые руды : труды Гипроникеля. 1962. - JSii 13

6. Геологические особенности месторождений вещественный состав руд и основные методы использования ОНР СССР: труды института Гипроникель. 1969.-№39-40.- 270 с.

7. Быховер Н.А. Распределение мировых ресурсов минерального сырья но эпохам рудообразонанпя. М.: Недра, 1984. - 576 с.

8. Попель С.И., Со тиков А.И., Бороненков В.Н. Теория металлургических процессов. М.: Металлургия, 1986. - 463 с.

9. Цыганов В.А. Планка цветных металлов в индукционных печах. М.: Металлургия, 1974. - 248 с.

10. Ю.Шмонин Ю.Б. 11ирометаллургическое обеднение шлаков цветной металлургии. М.: Металлургия, 1981. - 132 с.

11. П.Серебренникова Э.Я. О применении кипящего слоя в медной, никелевой и кобальтовой промышленности. М.: Металлургия, 1969. - 68 с.

12. Резник И.Д., Ермаков Г.П., Шнеерсов Я.М. Никель / Т.2. М.: ООО «Наука и Технология», 2001. - С. 47-52

13. Ванюков А.В., Зайцев В.Я., Теория пирометаллургических процессов. М.: Металлургия, 1993. - 384 с.

14. Кистяковскпй Б.Б., Гудима Н.В. Производство цветных металлов. М.: Металлургия, 197Х. - 344 с.15.0нищин Б.ГГ., Вернер Б.Ф., Вычернов В.Г. Электроплавка окисленных никелевых руд на ферроникель. М.: 1966. - 120 с.

15. Линев В.Д., Онищев Б.П., Кормилицин С.Г1., Серпов В.И., Бурочкин А.Е. Производство товарного ферроникеля на Побужском никелевом заводе // Цветные Металлы. 1974. - №4. - с. 15

16. Грань Н.И., Онищин Б.П., Майзель Е.Г. Электроплавка окисленных никелевых руд. М.: Металлургия, 1971. - 248 с.

17. Пименов Л.И., Михайлов В.И. Переработка окисленных никелевых руд. -М.: Металлургия, 1972. С. 42-9819.3ахаров Б.П., Воробьев В.А. Шахтная плавка окисленных никелевых руд и конвертирование никелевых штейнов. М.: Металлургия, 1974. - 168 с.

18. Смирнов В.И. Шахтная плавка в металлургии цветных металлов. -Свердловск, 1955. 520 с.

19. Пришлецов Д.В. Шахтная плавка в металлургии цветных металлов. М.: 1955.-264 с.г

20. Резник И.Д. Совершенствование шахтной плавки окисленных никелевых руд. М.: Металлургия, 1983. - 180 с.

21. Металлургия и обогащение тяжелых цветных металлов ГинЦветМет: Научные труды 47. С. 95-108

22. Худяков И.Ф., Дорошкевич П.А., Карелов С.В. Металлургия вторичных тяжелых цветных металлов. М.: Металлургия, 1987. - С. 232-268

23. Пинин JT.H. Производство ферроникеля из вторичных никельсодержащих отходов, ЦНИИЦветМет ЭН.Сер. Производство тяжелых цветных металлов 1983. Вып. 2. 36 с.

24. Кормилицин С.П., Цемехман Л.Ш. Современные проблемы переработки окисленных никелевых руд: труды института Гипроникель. 2000. -С. 168-179

25. Бровкин В.Г., Вычеров В.Г. Труды института «Гипроникель». 1968. -Вып. 18

26. Серебряный Я.JI. Электорплавка медно-ннкелевых руд и концентратов. М.: Металлургия, 1965. - 280 с.

27. Русин В.Л., Онищин Б.П., Грань Н.И. Распределение никеля между ферроникелем и шлаком при электроплавке окисленных никелевых руд // Цветные металлы. -, 1976. №6. - С. 26 - 28

28. Шалыгин Л.М. Конвертерный передел в цветной металлургии. М.: 1965. -160 с.

29. Цветные металлы. 1982. - №1. - с. 14

30. Цветные металлы. 1975. - №3. - с. 36

31. Тавастшерна С.С. Сборник технической информации Гипроникель. 1958. -№4-5. - с.86

32. Тавастшерна С.С., Доброхотова В.В. Окисленные никелевые руды : труды Гипроникеля. 1962, - Вып. 13. - с. 38

33. Никитина Л.С., Королев Э.А. Цветная металлургия. Бюллетень ЦНИИЭИ ЦМ.- 1990.-№3.-С. 80-83

34. Металлургия меди, никеля и кобальта / Смирнов В.И., Цейдлер А.А., и др. Т.2./ М.: Металлургия, 1966. 406 с.

35. Баков А.А., Волков Д.Н., Тлеугабулов Б.С. Способ переработки окисленных никелевых руд. Патент РФ №№ 2150519, 2151808. Опубл. В БИ №№ 16,18, 2000.

36. Линев В.Д., Онищин Б.П., Кормилицин С.П. Переработка окисленных никелевых руд на ферроникель : сборник трудов института Гипроникель. -Л.: 1984.

37. Ежов Е.Н., Вернер Б.Ф. Цветные металлы. 1984. - №8. - С. 33-36

38. Рыжов О.А.,Вигдорчик Е.М. и др., Цветные металлы. 1992. - №6. - С. 19-21

39. Ростовцев С.Т. Теория Металлургических процессов. М.: 1956. - С. 390-398

40. Тумарев А.С. Сборник «Проблемы Металлургии». Изд.АН СССР, 1953. -С. 33

41. Худяков И.Ф., Тихонов А.Н. Металлургия меди, никеля и кобальта т.2. М.: 1977.

42. Богацкий Д.П. Восстановление окислов никеля окисью углерода. М.: 1938.

43. Богацкий Д.ГГ. Восстановление окислов никеля водородом. М.: 1937.

44. Проблемы металлургии: Сборник LII. М.: 1968. - с. 187

45. Гуревич Е.Я., Леонтьев В.Г., Резник И.Д. Теория процессов производства тяжелых цветных металлов: сборник трудов Гинцветмета. М.: 1992. -С. 62-68

46. Захаров Б.Н. Цветные металлы. 1963. - №4. - С. 41-44

47. Основы металлургии Т.2. М.: Металлургиздат, 1962.

48. Ванюков В.А., Ванюков А.В., Юдина И.М. Изучение взаимодействия природного силиката никеля с сульфидом железа // Цветные металлы. 1955. - №4. с. 17-20

49. Раимбаков Н.Е. Взаимодействие компонентов сульфидов медного сырья с кислородом шлаковых расплавов применительно к плавке в жидкой ванне : дисс. кан. тех. наук. М.: 1984. - 118 с.

50. Хестанов Т.Х. Фазовые равновесия в сульфидных никельсодержащих системах и взаимодействие сульфидных расплавов со шлаком применительно к плавке в жидкой ванне: дисс. кан. тех. наук. М.: 1988. -262 с.

51. Фундаментальные проблемы российской металлургии на пороге XXI /монография в 4-х томах / Т.2. М.: 1998

52. Сервантес Мора JT.P., Родриге Домингес Х.И., Родригес Гамбоа X., Белоглазов И.Н., Южанинов И.А.,. Воробьев А.Г Экологические проблемы переработки никелевых руд Республики Кубы // Цветные Металлы. 2000. -№8

53. Б.Н. Захаров /Цветные Металлы. 2000. - №9

54. П.А. Ковган Новые рубежи в цветной металлургии: сборник научных трудов. М.: ГинЦветМет, 2002.

55. Плавка в жидкой ванне: Под ред. А.В. Ванюкова. М.: Металлургия, 1988. -208 с.

56. Фшшппов С.И., Арсентьев ПЛ. Экспериментальные работы по теории металлургических процессов. М.: 1964. - 167 с.

57. Славин У. Атомно-абсорбционная спектроскопия. Д.: Химия, 1971. - 296 с.

58. Филипова Н.А., Шкробот Э.П., Васильева JT.H. Анализ руд цветных металлов и продуктов их переработки. М.: Металлургия, 1980. - 224 с.

59. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя Т. 1. М.: Машиностроение, 1978.

60. Агеенков В.Г., Михин Я.Я. Металлургические расчеты. М.: 1962. - 208 с.63 .Технологические расчеты в металлургии тяжелых цветных металлов / Гудима Н.В., Карасев Ю.А., и др. М.: Металлургия, 1977. - 256 с.

61. Купряков Ю.Л. Шлаки медеплавильного производства и их переработка. -М.: Металлургия, 1987. 201 с.65.0наев И.А. Физико-химические свойства шлаков цветной металлургии. -Алма-Ата.: Наука, 1972. 118 с.

62. Ванюков А.В., Махов Н.Э., Сорокин M.JI. Пути снижения потерь цветных металлов со шлаками плавильных агрегатов: обзорная информация. М.: 1987.-Вып. 1 28 с.

63. Попель С.Н., Корпачев В.Г. Известия ВУЗов. Черная Металлургия, 1963. -№1

64. Grimsey E.J. Oxygen in matte and oxidie nickel in slag. //Proc.Australes. Just. Min. Met. 1980. -№275. - p.53- 57

65. Захаров A.M. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. М.: Металлургия, 1964.

66. Куликов И.С. Термическая диссоциация соединений. М.: Металлургия, 1969. - 574 с.

67. Диаграммы состояния силикатных систем. В 3-х т. под ред. Топорова В.П. -Л.: Наука, 1969 1972. - Т.1. 821 е.; Т.2 329 е.; Т.З. 520 с.

68. С. Глесстон Успехи физической химии. М.: 1934. - 340 с.

69. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. М.: 1973. - 480 с.

70. Крестовников A.H., Владимиров Л.П., Гуляницкий Б.С., Фишер А.Я. Справочник по расчетам равновесий металлургических реакций. М.: 1963. -416с.

71. Атлас шлаков / под ред. И.С. Куликова. М.: Металлургия, 1985. - 306 с.

72. Ванюков А.В., Зайцев В.Я., Штейны и шлаки цветной металлургии. М.: Металлургия, 1969. - 408 с.