книги / Металлургия цветных металлов
..pdfОбогащение i
|
“ “ I----------------------- 1 |
|
I |
|
Хвост ы |
МедныйНикелевый концентрат |
| |
||
I |
концентрат или |
медно-никелевый |
] |
|
8 отвал |
На медеплавильный |
j |
,— J |
|
|
Обжиг |
I |
|
|
|
завод |
|
|
|
|
. |
. t |
Г |
|
|
|
|||
|
|
Плавка на штейн |
||
|
|
Г |
Медиа-никелевый |
|
|
|
Ш лак |
||
|
|
I |
штейн |
|
|
|
|
||
|
В от вал |
Ккварц |
|
|
Продувка |
32J |
|
в конвертер |
|
Медно-Никелевый |
Шла |
|
тайншт ейн |
|
|
И |
I |
|
Измельчение |
|
|
|
( |
|
Флотация |
|
|
Медный концентрат |
Никелевый концентрат |
|
у |
|
А |
На медеплавильный |
|
Обжиг |
завод |
|
|
|
Восстановительная плавка |
|
|
|
Аноды |
|
|
I |
|
Электроолиз. |
|
Рис. 42. Схема переработки сульфидных |
Г |
|
медно-никелевых руд |
Кат одный никель |
медь подобно обычным медным концентратам плавкой на штейн и продувкой в конвертере.
Никелевый концентрат обжигают, окисляя его по ре акции
2Ni3S2 + 702 = 6NiO + 4S02.
11 Н. И. Севрюков |
161 |
Полученный таким образом серый порошок закиси никеля, содержащий окислы кобальта и платиновые ме таллы, восстанавливают углем в электропечах до метал ла, который разливают в аноды.
Никйгевые аноды подвергают электролитическому ра финированию, попутно извлекая из электролита кобальт и остаток меди, а из шлама — платиноиды.
Схема выплавки файнштейна из сульфидных никеле вых руд и концентратов дана на рис. 42.
Богатые крупнокусковые медно-никелевые руды пла вят на штейн в шахтных печах, если пустая порода этих руд не слишком тугоплавка. В ряде случаев для руд, содержащих много окиси магния или другие тугоплав кие составляющие, приходится прибегать к электро плавке.
Флотационные концентраты и мелкие фракции бога тых руд плавят в отражательных или электрических пе чах; при высоком содержании серы в этих материалах применяют предварительный обжиг.
Выбор способа плавки во многом зависит от состава сырья и местных экономических условий, в частности от наличия того или иного топлива и цены на электро энергию.
Гидрометаллургический способ переработки сульфидных руд
По этому способу измельченную руду или концентрат обрабатывают раствором аммиака и (NH4)2S0 4 в авто клавах под избыточным давлением воздуха около 506,7 кн/м2 (7 ат). Медь, никель и кобальт переходят в раствор в виде комплексных аммиачных солей, напри мер по реакции
NiS + 202 + 6 NH3-^ Ni (NH3)6S04.
Энергичное окисление сульфидов сопровождается вы делением тепла, избыток которого отводят холодильни ками, поддерживая в автоклаве температуру 70—80° С. Сера, входящая в состав концентрата, при этом окисля ется до S2O3- , S30;?~ и SC^“ , а железо выпадает в оса
док в виде гидроокиси и основных сульфатов. Отфильтрованный раствор кипятят для осаждения
меди по реакции
Cu2+ + 2Sa03- = CuS + SOt~ + S + S02.
После этого частично оставшуюся в растворе медь осаждают сероводородом, а очищенный от нее раствор, содержащий никель и кобальт, обрабатывают в автокла ве водородом при давлении около 2,5 Мн/м2 (25 ат) и температуре около 200° С.
Сначала осаждается основная масса никеля
Ni (NH3)|+ + Н2 ^ Ni + 2NH4+ +4NH3 |
|
в виде частиц крупностью от 2 до |
80 мкм. Отфильтровав |
осадок, остаток никеля и кобальт |
выделяют из раствора |
сероводородом.
При дальнейшей обработке осадка сульфидов кисло родом и аммиаком в автоклаве растворяется кобальт. Нерастворимый осадок, содержащий преимущественно сульфид никеля, возвращают на основное выщелачива ние, а из раствора действием водорода под давлением выделяют кобальт.
Схема сложна и требует дорогой аппаратуры; одна ко она позволяет извлекать из комплексных концентра тов до 95 % Ni, около 90% Си и 50—75% Со.
Плавка окисленных руд на штейн
Наиболее распространенный в настоящее время спо соб переработки окисленных никелевых руд плавкой на
штейн основан на |
различии сродства |
железа и никеля |
к кислороду и сере. |
сульфидирования |
переводится в |
Никель путем |
штейн — сплав Ni3S2 и FeS; основная масса железа уда ляется со шлаком:
6FeS + 6NiO 6FeO + 2Ni3S2 + S2.
2FeO -J- Si02—>Fe2Si0 4 .
Окисленные руды не содержат серы, поэтому ее при ходится вводить, добавляя при плавке пирит или гипс. Гипс, восстанавливаясь до сернистого кальция, сульфи дирует железо и никель. Действие гипса при плавке бо лее сложно, чем действие пирита, однако во многих слу чаях все же пользуются гипсом, а не пиритом, так как гипс дешевле пирита и не дает железистых шлаков.
Наиболее выгодно при переработке окисленных нике левых руд применять местный кобальтсодержащий пи рит (если он имеется), в котором очень мало меди и нет благородных металлов.
Руда
Флюсы |
Спекание |
Сипе |
Кокс |
L. J
яГ г
Плавна на штейн
Штейн |
|
Шлак |
J |
|
В отвал |
Продувна в конвертере |
||
Шлак |
Никелевый |
Л(райнштейн
„ I
Дробление й измельчение
На извлечение Со |
г? |
|
Обжиг |
|
|
Закись ^никеля |
Газы й |
пыль |
Восстановление |
Очистка |
от пыли |
т |
Газы |
Пыль |
Никель |
||
в т рубу |
L |
Рис. 43. Схема переработки окисленных никелевых руд
Никелевый штейн, полученный в результате плавки руды с пиритом или гипсом, содержит до 60% Fe, кото рое далее отделяют от никеля продувкой жидкого штей на в конвертере. При конвертировании происходит из бирательное окисление железа и шлакование его добав ляемым в конвертер кварцем— получается практически чистый от железа никелевый файнштейн. Конвертерный
шлак богат никелем, поэтому он является оборотным продуктом — его возвращают в рудную плавку либо на правляют на отдельную переработку для извлечения кобальта.
Файнштейн разливают в изложницы, затем измельча ют и обжигают намертво:
2Ni3S2 + |
/0 2 6NiO + |
4S02. |
Закись никеля смешивают с малосернистым восста |
||
новителем, например |
с нефтяным |
коксом, и плавят в |
электрической печи при 1500° С, получая жидкий никель. Схема переработки окисленных никелевых руд приведе на на рис. ,43.
Никель отливают в аноды для электролитического ра финирования либо гранулируют, сливая его тонкой струей в воду.
Плавка окисленных руд на никелистый чугун (ферроникель)
Богатые окисленные руды иногда плавят в электри ческих печах с углем, восстанавливая из них все железо, никель и кобальт в природнолегированный чугун.
Подобную плавку сравнительно бедных руд проводят и в доменых печах, однако она имеет ограниченное применение.
Несмотря на преимущественное использование нике ля в специальных сталях, выплавка его в виде сплава с железом не всегда приемлема: в сплав переходят ко бальт, марганец, хром и другие примеси, случайные со четания которых не всегда позволяют использовать цен ные свойства этих металлов.
Кричный способ переработки окисленных руд
По этому способу руду, смешанную с углем, нагрева ют в трубчатых вращающихся печах при температуре около 1050° С, позволяющей восстановить вместе с ни келем и кобальтом только часть железа. Восстановлен ные металлы получаются в виде зерен (криц), смешан ных с полурасплавленным шлаком. Охлажденный шлак дробят и извлекают из него кричный сплав электромаг нитом. Способ не получил широкого распространения по
тем же причинам, что и предыдущий — из-за невозмож ности отдельного использования кобальта-.*
Гидрометаллургия окисленных руд
По одному из этих способов, известному' в литерату ре под названием кубинского, измельченную руду подвер гают восстановительному обжигу в механических много подовых печах в среде генераторного газа. При 600— 700° С никель и кобальт восстанавливаются до метал лов, а железо — только до закиси. Далее руду выщела*-
чивают раствором аммиака в присутствии |
углекислоты: |
и кислорода воздуха. Никель образует |
растворимые! |
в воде аммиакаты по реакции |
|
2Ni + 12NH3 + 2C02 + 0 2^2N i(N H 3)6C03.
После отделения пустой породы сгущением и промыв кой раствор обрабатывают острым паром. В результате удаления избытка аммиака протекает гидролиз с выде лением в осадок основных карбонатов никеля:
2Ni(NH3)6C03 + H20 + NiC03N i(0H )2 + С02 +
+ 12NH3.
Осадок прокаливают в трубчатых печах, получая за кись никеля, содержащую СоО. Аммиак из газов погло щают водой и вновь направляют на выщелачивание. Закись никеля спекают на агломерационных машинах и в виде спека поставляют на сталеплавильные заводы.
§23. Выплавка никеля из сульфидных руд
иконцентратов
Концентраты и мелкие руды со сравнительно легко плавкой пустой породой, не требующей много флюсов, плавят в отражательных печах.
.Электроплавка применяется для шихт, образующих тугоплавкие шлаки, например для руд и концентратов с повышенным содержанием окиси магния. Для плавки таких руд и концентратов в отражательных печах нуж но много флюсов, в результате чего повышаются потери никеля и меди. В электрических печах можно поддержи вать высокую температуру и работать на тугоплавких
шлаках. Однако электроплавка выгодна только при де шевой электроэнергии.
Предварительный обжиг перед плавкой в отражатель ных или электрических печах необходим, когда непосред ственная плавка не дает возможности получить богатый штейн из-за высокого содержания в сырье сульфидов железа.
О т р а ж а т е л ь н а я п л а в к а медно-никелевого сырья мало отличается от медной плавки. Сера выгорает преимущественно за счет кислорода высших окислов же леза. При плавке сырых концентратов и руд сера удаля ется также в результате диссоциации высших сульфидов.
Основой плавки служат реакции окислов меди и ни келя с сульфидом железа, в результате которых медь и никель переходят в штейн, а железо — в шлак:
6NiO -f- 6FeS “|- 2 O2 3Si02 2Ni3S2 + 3Fe2Si04 + 2S02,
2CuO -f- 2FeS -f~ Si02 — 2Cu2S -|- 2 Fc2Si0 4 .
Распределение меди, никеля и железа между штей ном и шлаком зависит от сродства этих металлов к ки слороду и сере.
Хорошее извелечение никеля и меди в штейн может быть достигнуто при такой десульфуризации, которая позволяет ошлаковать только часть железа. Кроме того, чем богаче штейн, тем больше потери в шлаке. Поэтому при плавке на штейн не стремятся к полному шлакова нию железа. Кобальт ведет себя при плавке подобно ни келю и также концентрируется в штейне.
Устройство отражательных печей для медно-никеле вой и медной плавок одинаково; близки и показатели их производительности. Проплав при плавке обожженных медно-никелевых шихт достигает 4,5 т/м2 площади пода в сутки, расход условного топлива И —12%.
Э л е к т р о п л а в к у проводят в печах прямоугольной формы, например размером 23,2x6 м и площадью 140 м2. Через свод в печь опущены в один ряд три или шесть самоспекающихся1 угольных электродов диаметром до 1200 мм. Концы электродов погружены в жидкий шлак (рис. 44), который служит телом сопротивления.
1 Самоспекающиеся угольные электроды описаны в § 50.
Рис. 44. Разрез |
цеха электроплавки: |
|
||
/ — электропечь; 2 — электроды; 3 — летка |
для |
выпуска |
штейна; 4 — летка для выпуска шлака; |
5 — мостовой кран; |
6 — конвертер; 7 — напыльннк конвертера; |
8 — |
площадка |
для чистки фурм; 9 — осадительная |
камера и газоход; |
10 — ковш для заливки конвертерного шлака
Температура ванны поддерживается автоматически по заданной силе тока с помощью устройства, переме щающего электроды по высоте. Кроме того, температуру можно регулировать, изменяя напряжение питания в пре делах от 420 до 570 в, а также график загрузки шихты и выпуска шлака.
Через отверстия в своде шихту загружают близ элек тродов или «на электрод». Глубину слоя шлака для удоб ства регулирования температуры поддерживают в преде лах 1,4—1,8 м.
Проплав в электрических печах достигает 14 тшихты на 1 м2 площади пода в сутки, расход энергии — от 500 до 820 квт-ч/т шихты. Извлечение в штейн меди, нике ля и благородных металлов в связи с малым выходом шлаков и малыми потерями с пылью достигает 96%.
Современные электропечи для медноникелевой плавки имеют мощность 15—35 Мв.
П л а в к а в ш а х т н ы х п е ч а х пригодна для круп нокусковых богатых руд. Она выгодна при дешевом кок се, расход которого достигает 9—11% от массы шихты. Медноникелевая шахтная плавка подобна медной полупиритной. Из-за значительного содержания пирротина в рудах и повышенного расхода кокса десульфуризация здесь ниже, чем при медной плавке, и штейны получают ся более бедные.
Путем тщательной сортировки руды по крупности, спекания мелочи и концентратов удается получать штей ны с суммарным содержанием меди и никеля до 15— 25%. Выплавка более богатых штейнов была бы невы годной из-за возрастающих потерь металлов в шлаках.
Суммарное содержание меди и никеля в шлаках не превышает 0,2—0,4%, однако из-за высокого выхода шлака на единицу штейна извлечение меди, никеля и благородных металлов в штейн только при богатой ших те достигает 90%.
Проплав колеблется в широких пределах в зависи мости от состава сырья и качества его подготовки. При плавке спека он выше, чем при плавке сырой шихты. Практически проплавляют от 70 до 140 т/м2 площади се чения у фурм в сутки. Примеры состава шлаков от плав ки сульфидных руд в разных печах приведены в табл. 17.
П р о д у в к а м е д н о - н и к е л е в о г о ш т е й н а в к о н в е р т е р а х . Независимо от способа выплавки мед-
|
|
Состав ш лака |
разны х плавок |
|
|
|
|||
Тип плавки |
|
|
Состав шлака, |
% |
|
|
|||
N1 | |
Си |
S i0 2 |
FeO |
CaO |
Л12Оэ |
MgO |
|||
|
|
||||||||
Шахтная |
плавка |
суль |
|
|
|
7 |
0,12 |
12 |
|
фидных |
руд |
0,12 |
|
39 |
38 |
||||
Отражательная |
плавка |
|
|
|
|
|
|
||
медно-никелевых |
кон |
0,07 |
36 |
52 |
3 |
0,08 |
6 |
||
центратов |
0,20 |
||||||||
Электроплавка сульфид |
|
|
|
2 |
0,06 |
3 |
|||
ных руд |
0,07 |
0,05 |
45 |
25 |
но-никелевый штейн представляет собой сплав сульфидов меди, никеля и железа, содержащий растворенные фер риты, сульфид кобальта и платиноиды. В штейнах раст ворено также некоторое количество окислов пустой по роды. Содержание серы в медно-никелевых штейнах в среднем равно 25%, к ним применимо правило В. Я. Мо стовина.
Цель конвертерного передела состоит только в окис лении и шлаковании железа для получения медно-нике левого файнштейна. Применяемые для этого конвертеры не отличаются от известных в металлургии меди.
В соответствии с разностью сродства к кислороду и сере в конвертерный шлак переходит сначала железо, а затем кобальт. Стремясь оставить максимальное ко личество кобальта в файнштейне, окисляют не все желе зо, заканчивая продувку до того, как железо полностью перейдет в шлак.
Конвертерные шлаки дважды переплавляют в элек тропечах на слое бедного штейна, который возвращают в производство, а шлак направляют в отвал. В результа те такой переработки в файнштейн извлекается из руды около 60% кобальта. Учитывая малое его содержание в руде, эту цифру надо считать удовлетворительной.
Далее кобальт и платиновые металлы, которые везде сопутствуют никелю, отделяются от него при электроли тическом рафинировании.
Медно-никелевый файнштейн представляет собой сплав сульфидов меди и никеля, обычно он содержит 3—4% Fe и около 22% S,