RU2848376C2 - Способ получения никелевого штейна из окисленной никелевой руды - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области металлургии. А именно к способам получения никелевого штейна из окисленной никелевой руды. Способ включает подготовку шихты для загрузки в зону плавления руднотермической печи, включающую добавление к высушенной окисленной никелевой руде сульфидизатора, содержащего серу в соединении, загрузку подготовленной шихты в зону плавления руднотермической печи, плавку шихты до получения шлакового и штейнового расплавов, раздельный слив шлака и штейна из зоны плавления руднотермической печи. Технический результат - улучшение технико-экономических показателей металлургического производства в части получения никелевого штейна из окисленной никельсодержащей руды. 6 з.п. ф-лы.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии.

Окисленные никелевые руды состоят из гидратированных магнезиальных силикатов, алюмосиликатов и оксида железа. В рудах также содержится кобальт в небольших количествах. Поскольку окисленные никелевые руды не поддаются известным методам обогащения, это вызывает необходимость вовлечения в металлургическую переработку больших количеств руды. Состав окисленных никелевых руд следующий, %: 0,7-1,1 Ni; 0,04-0,1 Co; 15-75 SiO₂; 5-65 Fe₂O₃; 2-25 А1₂O₃; l-4 Сr₂O₃; 2-25 MgO; 0,5-2,0 СаО; до 35 H₂O.

Окисленные руды представляют собой влажную землистую массу, а потому перед сульфидирующей плавкой в печи их необходимо подвергнуть сушке. Руду усредняют, дробят, грохотят и сушат. Из-за высокого содержания глинистых составляющих и влаги, окисленные руды склонны к зависанию в бункерах и смерзанию, это вызывает ряд затруднений при дроблении и грохочении этих руд.

Основные составляющие штейнов, образующихся при плавке окисленных никелевых руд - это железо, никель и сера. Температура начала кристаллизации штейнов лежит в пределах 900-1200°C и в существенной степени зависит от содержания серы. При понижении температуры расплава выпадает ферроникель. Чтобы избежать этого, следует перегревать продукты плавки и получать штейны с большим содержанием серы.

Большое значение для показателей плавки имеют поверхностные свойства шлака и штейна: поверхностное натяжение и межфазное натяжение на границе этих фаз, причем, чем больше межфазное натяжение, тем лучше отстаиваются шлаки и тем беднее они никелем.

Этот способ переработки окисленных никелевых руд основан на том, что никель обладает большим химическим сродством к сере, чем к кислороду. Поэтому, чтобы отделить никель от пустой породы руды, его переводят в виде сульфида в штейн, а не в ферроникель.

Штейн из окисленных никелевых руд ранее выплавляли в шахтных печах. Печи были оборудованы наружным горном, где происходило разделение шлака и штейна, непрерывно выпускаемых из нижней части печи. Кессоны, из которых выполнена шахта печи, охлаждались проточной водой или работали на испарительном охлаждении.

В соответствии с изложенным выше способом, известно решение по патенту Российской Федерации на изобретение №2441082 «Способ получения никелевого штейна» (МПК C22B 23/02 (2006.01) C10B 57/04 (2006.01), ЗАО УК "НКА-Холдинг", РФ, з. №2010132080, 29.07.2010, опубл. 27.01.2012). Изобретение относится к способам переработки окисленных никелевых руд. Проводят загрузку в шахтную печь шихты, содержащей окисленную никельсодержащую руду и топливо-восстановитель. Затем проводят восстановительно-сульфидирующую плавку с использованием в качестве топлива-восстановителя кокса. При этом в качестве кокса используют продукт, полученный в результате коксования шихты, содержащей 5-100 мас.% продукта с выходом летучих веществ от 14 до 25%, полученного путем замедленного полукоксования тяжелых нефтяных остатков.

Крупными недостатками аналога являются высокий расход дорогостоящего крупнокускового металлургического кокса (до 30%), а также значительное выгорание сульфидизатора в процессе, продукты горения которого негативно влияют на окружающую среду.

Известно техническое решение по заявке Российской Федерации на изобретение №99106180 «Способ переработки окисленных никелевых руд с получением штейна» (МПК C22B 23/02 (2000.01), Баков А.А., РФ, з. №99106180, 26.03.1999, опубл. 20.01.2001). Известный способ включает плавку шихты, содержащий сульфат кальция в отражательной печи, разделения штейновой, шлаковой и газообразной фаз, отличающийся тем, что в качестве сульфидизатора используют сульфат кальция, например, в виде фосфогипса, в смеси с углеродистым восстановителем, например, коксиком, и материалом, обогащенным оксидом кальция, например, мартеновским шлаком, при мольном соотношении сульфата кальция фосфогипса к углероду коксика и оксиду кальция равном 1,0 : (1,5-3,0) : (0,03-0,50), массовом отношении никеля в шихте к массе сульфата кальция в сульфидизаторе 1,0 : (5,2-12,0).

Недостатком указанного технического решения является высокий расход сырья и огнеупоров, связанный с особенностью работы отражательной печи, а именно, поскольку процесс плавки проходит в окислительной атмосфере, требуется добавление достаточно дорогого коксика, что существенно влияет на стоимость плавки, а также происходит выгорание сульфидизатора, образуя продукты реакции, вредные для окружающей среды, очистка от которых требует дорогостоящего фильтровального оборудования.

Таким образом, имеющийся уровень техники не содержит сведений о решениях, преодолевающих ряд технических проблем. Так, технической проблемой, решаемой предлагаемым изобретением, является создание способа, позволяющего улучшить технико-экономические показатели металлургического производства в части получения никелевого штейна из окисленной никельсодержащей руды, а именно, сократить потребление материалов, применяемых в процессе плавки, снизить трудоемкость способа, выраженную в необходимости применения печи шахтного типа или отражательного типа, повысить, за счет указанных средств, рентабельность пирометаллургического процесса. Дополнительно, повышается экологичность способа по сравнению с известными, поскольку переход к руднотермической печи при получении штейна позволяет вести процесс не в окислительной, а в нейтральной атмосфере, что обеспечивает исключение коксика и отсутствие значительного выгорания сульфидизатора. Также исключаются расходы на газ, мазут, подогрев дутья и большое количество огнеупоров. Так, по расчету автора, при уровне цен на дату подачи заявки, экономия на изготовление одной тонны штейна составит от 2 до 2,5 раз по отношению к способу плавки в шахтной или отражательной печи.

Настоящим изобретением предложен способ получения никелевого штейна из окисленной никелевой руды, включающий подготовку шихты для загрузки в зону плавления руднотермической печи, включающую добавление к высушенной окисленной никелевой руде сульфидизатора, содержащего серу в элементарной форме или в соединении, загрузку подготовленной шихты в зону плавления руднотермической печи, плавку шихты до получения шлакового и штейнового расплавов, раздельный слив шлака и штейна из зоны плавления руднотермической печи. Процесс плавки шихты осуществляют до полного разжижения шихты.

В первом частном случае, процесс плавления осуществляют в температурном диапазоне: 1200÷1600°С.

Второй частный случай предполагает добавление флюса при подготовке шихты для загрузки в зону плавления руднотермической печи.

В первом уточнении указанного частного случая, флюсом является известняк.

Во втором частном случае сульфидизатором является пирит или гипс.

В третьем частном случае выполнения плавку шихты осуществляют в нейтральной атмосфере.

В четвертом частном случае выполнения плавку шихты осуществляют непрерывно.

Плавка окисленных никелевых руд является плавкой на шлак, поскольку выход его составляет 110-120% от веса проплавляемой руды. Таким образом, качество шлака, в том числе, его вязкость, удельный вес, температура плавления и поверхностные свойства являются определяющими показателями электроплавки.

Электроплавка отличается от других пирометаллургических процессов источником энергии для осуществления физико-химических превращений. Необходимая для проведения процесса температура поддерживается за счет тепла, получаемого путем преобразования электрической энергии в тепловую. Предложено использовать такую печь для плавки окисленных никелевых руд, в соответствии с настоящим изобретением. Руднотермическая печь представляет собой тепловую ванну, состоящую из двух расплавленных слоев (шлака и штейна) и погруженных частично в шлаковый расплав шихтовых куч твердой шихты. Плавление шихты в печи происходит за счет электроэнергии, преобразуемой в теплоту. Преобразование электрической энергии в тепловую в руднотермической печи происходит частично в газовой фазе (через электрические микродуги) и частично в жидкой (через сопротивление расплава). Телом электрического сопротивления в печи служит шлаковый расплав, а электрическая дуга возникает в газовой прослойке на границе раздела шлака с погруженными в него электродами.

Наиболее экономична работа руднотермической печи при максимальном напряжении на трансформаторе и минимальном значении рабочего тока. Регулировать это соотношение, с учетом принципа работы печи, можно только изменением сопротивления электрической цепи. Как было отмечено выше, сопротивление шлака зависит от его температуры, состава и толщины слоя шлакового расплава. Доля электрической энергии, которая выделяется на уровне погружения электродов в шлаковую ванну, определяет практическую температуру шлака и штейна. Температура процесса определяется необходимостью достаточного разжижения шлаковой фазы для более полного извлечения из неё никелевого штейна. В зависимости от состава шихты она может колебаться от 1200 до 1600°С.

Процесс является непрерывным, скорость и производительность зависят от мощности электрической печи и вязкости шлака. В ходе реализации способа применяют флюсы для уменьшения вязкости шлака.

Для понимания принципов и особенностей различных реализаций изобретения, ниже приведены примеры конкретной реализации способа. Хотя в тексте описания подробно объясняются предпочтительные варианты реализации технического решения, необходимо понимать, что возможны и иные варианты реализации изобретения. Соответственно, нет необходимости в ограничении объема правовой охраны технического решения исключительно представленными примерами реализаций. Вместе с тем, при описании предпочтительных вариантов технического решения, для ясности понимания основных принципов изобретения специалистом, необходимо уточнить некоторые термины, применяемые в описании.

Необходимо отметить, что используемые в единственном числе в описании и формуле компоненты, например минерал, также представляют собой и множественные формы, если прямо не сказано обратное.

Также, при описании предпочтительных вариантов выполнения, для обеспечения ясности понимания, используются специальные термины. Предполагается, что термин используется в самом широком смысле, в каком он может быть истолкован специалистами в данной области техники и включает все технические эквиваленты, используемые тем же образом и с той же целью. Так, под фразой «зона плавления» понимают часть объема руднотермической печи, где происходит переход шихты в расплав под действием электрического тока. Под термином «добавление», применительно к никелевой руде понимают, по существу, одновременное размещение в зоне плавления компонентов, например, сульфидизатора, флюса, совестно с которыми осуществляется плавка на штейн. Термин «высушенной» применительно к руде означает, что перед помещением в зону плавления, исходное сырье подвергают сушке, т.е. удаляют избыточную влагу.

Слова «состоящий», «содержащий», «включающий» означают, что, по меньшей мере указанный компонент, элемент, часть или шаг способа присутствует в композиции, предмете или способе, но не исключает присутствие иных компонентов, материалов, частей, шагов способа, даже если такой компонент, материал, часть, шаг способа выполняет ту же функцию, что и указанный.

Обратимся к примерам. Материал для обработки поступает в виде окисленной никельсодержащей руды. Перед загрузкой в зону плавления, проводят сушку исходных сырьевых материалов (руды) посредством обжигания в трубчатой вращающейся печи, либо иным способом.

Далее высушенную руду подготавливают к плавке, смешивая с сульфидизатором и флюсом. Смешанную композицию загружают в зону плавления руднотермической печи.

Выплавка осуществляется в руднотермической печи.

Зона плавления в руднотермической печи состоит из двух слоев. Плавление шихты происходит за счет тепла, выделяемого непосредственно в шлаковом расплаве при пропускании через него электрического тока. Большая часть тепла выделяется на границе электрод-шлак, где вследствие образования газового слоя возникают микродуги, остальная часть - в шлаковом расплаве, который служит проводником тока с высоким электрическим сопротивлением. Максимальный перегрев шлака происходит вблизи электродов. Шлак разогревается до 1450°С и выше. Жидкими продуктами электроплавки являются штейн и шлак. Штейн выделяют из печи с температурой 1100-1150°С; его состав - это сплав сульфидов Ni₃S₂ и FeS, в котором в небольших количествах растворены свободные металлы - железо и никель. Выход штейна составляет 5-8% от массы агломерата. В штейне содержится 15-20% Ni, 55-63% Fe, 17-23% S и небольшое количество кобальта. Шлак представляет собой сплав оксидов кремния SiO₂, железа FeO, магния MgO и алюминия Аl₂О₃. Температура шлака колеблется в интервале 1 250-1400°С; это отвальный продукт, содержащий, %: 43-46 SiO₂, 4-10 А1₂O₃, 18-22 FeO, 15-20 СаО, 8-12 MgO и около 0,15 Ni, главным образом в виде корольков штейна. Выход шлака составляет 100-120% от массы агломерата.

Для получения штейна с 17% Ni и 20% S на 1 кг никеля в шихте необходимо добавлять 1, 176 кг серы. Серный или железный колчедан (пирит) FeS₂ содержит 53,4% S. Соответственно 2,2 кг пирита на 1 кг никеля. Расчёт прочих сульфидизаторов осуществляется по той же формуле.

Варианты реализации настоящего изобретения не ограничиваются приведенными выше примерами конкретного выполнения. Могут быть предложены и иные формы реализации технического решения, не отдаляясь от смысла изобретения.

Раскрытые выше примеры выполнения приведены с целью иллюстрации промышленной применимости устройства и дать общее впечатление о возможностях способа. Объем правовой охраны технического решения определяется формулой изобретения, а не представленным описанием, и все изменения, совершенные с применением эквивалентных признаков, подпадают под правовую охрану настоящего изобретения.

Claims (7)

1. Способ получения никелевого штейна из окисленной никелевой руды, включающий подготовку шихты для загрузки в зону плавления руднотермической печи, включающую добавление к высушенной окисленной никелевой руде сульфидизатора, содержащего серу в соединении, загрузку подготовленной шихты в зону плавления руднотермической печи, плавку шихты до получения шлакового и штейнового расплавов, раздельный слив шлака и штейна из зоны плавления руднотермической печи.

2. Способ по п. 1, дополнительно характеризующийся тем, что процесс плавления осуществляют в температурном диапазоне 1200-1600°С.

3. Способ по п. 1, дополнительно характеризующийся тем, что при подготовке шихты загрузки в зону плавления руднотермической печи дополнительно добавляют флюс.

4. Способ по п. 3, дополнительно характеризующийся тем, что флюсом является известняк.

5. Способ по п. 1, дополнительно характеризующийся тем, что в качестве сульфидизатора, содержащего серу в соединении, используют пирит или гипс.

6. Способ по п. 1, дополнительно характеризующийся тем, что плавку шихты осуществляют в нейтральной атмосфере.

7. Способ по п. 1, дополнительно характеризующийся тем, что плавку шихты осуществляют непрерывно.