Способ переработки никельсодержащего железорудного сырья

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к процессам металлизации и получения ферросплавов, в частности - ферроникеля. Способ включает загрузку никельсодержащего железорудного сырья в печь металлизации, металлизацию за счет горячих восстановительных газов, получаемых в газификаторе с жидкой расплавленной ванной при газификации угля и углеродсодержащих материалов с дополнительным получением в газификаторе полупродукта и шлака, которые используют в качестве дополнительной шихты в дуговой электропечи , и плавку в дуговой электропечи. Для процесса восстановления и металлизации никельсодержащего железорудного сырья в печи металлизации используют горячие восстановительные газы с температурой 1100-1400^oС. Изобретение позволяет удешевить процесс выплавки ферроникеля путем применения дешевых углей или углесодержащих материалов для частичной замены электроэнергии, а также увеличить содержание никеля в ферроникеле за счет дополнительного восстановления газообразным восстановителем с температурой 1100-1400^oС и применения магнитной сепарации металлизированного сырья. Кроме того, резко уменьшается длина зоны восстановления в печах металлизации, что приводит к сокращению габаритов агрегатов, в частности длины вращающихся трубчатых печей, со снижением тепловых потерь, капитальных и эксплуатационных затрат. 7 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к металлургии, в частности процессам металлизации и ферросплавному производству.

Известен способ выплавки ферроникеля [1, с. 286], при котором переработку окисленных никелевых руд ведут в рудно-термических печах. Технологическая схема производства ферроникеля из окисленных никелевых руд включает агломерацию, сушку или прокаливание руды с частичным восстановлением оксидов железа и никеля до металлов в трубчатых вращающихся печах, плавку горячего огарка (700-900^oС) на ферроникель в руднотермической печи в присутствии восстановителя, рафинирование и обогащение первичного ферроникеля в конвертере. Однако этот процесс очень энергоемкий, он включает такие энергоемкие процессы, как плавку в рудно-электротермической печи, кроме того, для нагрева оксидов металла во вращающейся трубчатой печи требуется использовать дополнительное топливо (природный, коксовый газ, угольная пыль и т.д.).

Основным недостатком этого процесса является значительный расход электроэнергии в руднотермической печи как на процесс плавления огарка, так и на процесс восстановления в руднотермической печи никеля и железа, так как процессы восстановления в трубчатой вращающейся печи при этом развиваются недостаточно.

Известен также способ выплавки ферроникеля в доменной печи [2, с. 72], однако при этом используется дорогостоящий кокс, причем удельный расход кокса достигает 1000 кг/т чугуна. Кроме того, при этом способе экологические выбросы достигают значительных величин из-за наличия агломерационного и коксового производства, дающих наибольшее значение вредных выбросов в атмосферу.

Известен также способ частичного восстановления окатышей, причем процесс восстановления происходит в шахтной печи путем использования восстановительных газов, получаемых в газификаторе с жидкой ванной [3]. При этом способе возможно использование для газификации и процессов восстановления дешевого углеродосодержащего материала, как правило, это низкосортные угли. Однако в этом случае требуется специальный процесс получения окисленных окатышей, не предусмотрено использование никель-железосодержащих материалов, а температура газа, подаваемого в шахтную печь, составляет 850-900^oС.

Известен также способ бескоксовой переработки ванадийсодержащего рудного сырья с получением легированной ванадием стали [4], в котором из ванадийсодержащего сырья дополнительно получают ванадий полупродукт и шлак в плавильном газификаторе с жидкой ванной при газификации угля и углеродсодержащих материалов с одновременным получением горячего восстановительного газа, который с температурой 850-1050^oС и с расходом 2000-2700 м³/т сырья подают в шахтную печь для металлизации ванадийсодержащего сырья, при этом получаемый ванадийсодержащий полупродукт и шлак используют в качестве дополнительной металлошихты для процесса плавки в дуговой печи. Кроме того, экспортный газ из печи металлизации используют в качестве дополнительного топлива в электропечи. Однако в этом случае для процессов восстановления рудного сырья используются лишь восстановительные газы, температура восстановительного газа 850-1050^oС, что не обеспечивает эффективное протекание процессов в случае получения ферроникеля (при одновременном восстановлении никеля и железа). Кроме того, в газификаторе с жидкой ванной не используется надшлаковая коксовая или графитовая кусковая насадка, что затрудняет процесс получения восстановительных газов нужной повышенной температуры. Не предусмотрены и использование никель-железосодержащих материалов, продувка металла в электропечи для рафинирования никеля и использование экспортного газа для дополнительного восстановления никеля в электропечи.

Таким образом, известен способ выплавки ферроникеля, принятый за прототип [1, с. 286] , при котором проводится получение горячего огарка в трубчатой вращающейся печи, а плавку горячего огарка и восстановительные процессы проводят на ферроникель в рудно-термической печи в присутствии восстановителя.

Однако недостатком этого способа является высокая энергоемкость процесса, включающего плавку в рудно-электротермической печи в присутствии восстановителя и необходимость использования дополнительного топлива во вращающейся печи (природного, коксового газа, угольной пыли и т.д.). При этом дорогостоящая электрическая энергия расходуется как на процесс плавления твердой фазы, так и на эндотермические процессы восстановления никеля. Требуется также дополнительное обогащение ферроникеля в конвертере. Кроме того, вследствие наличия окислительной атмосферы во вращающейся трубчатой печи происходит неконтролируемое горение твердого восстановителя в шихте с образованием диоксида углерода, что резко замедляет процессы восстановления и требует значительного - до 60-80 м удлинения трубчатых печей. При горении твердого восстановителя в шихте температура в слое самопроизвольно и неконтролируемо изменяется, что не позволяет выдерживать оптимальную температурную траекторию по длине зоны восстановления, необходимую для эффективного протекания восстановительных процессов, а при повышении температуры образуются настыли и происходит снижение стойкости футеровки печи. Чрезмерно большая протяженность зоны восстановительных процессов и большая длина печей приводит к значительным капитальным и эксплуатационным затратам, дополнительным потерям тепловой энергии через кладку печи, затрудняет процессы автоматизации и управления.

Задачей предлагаемого изобретения является удешевление процесса получения ферроникеля, снижение энергоемкости процесса и вредных выбросов в атмосферу, а также уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение никеля в ферроникеле.

Решение задачи достигается тем, что никельсодержащие железорудные материалы (например, содержащие хромоникелевую руду или концентрат с содержанием никеля свыше 0,4-0,5% и железа 35-50%) проходят восстановительную стадию металлизации в печи металлизации, например во вращающейся трубчатой печи или в шахтной печи, при этом используется двойной восстановитель - как углеродосодержащие твердые материалы, например, уголь или коксик (в шихте), так и дополнительно горячие восстановительные газы в атмосфере печи, получаемые при газификации дешевых углеродосодержащих материалов, например, угля или любых углеродсодержащих отходов в жидкой расплавленной ванне. При этом температура горячих восстановительных газов, поступающих из газификатора для восстановления никелевой руды, составляет значительно большую величину, чем в способах [3, 4] - 1100-1400^oС, что обеспечивает нагрев никельсодержащих железорудных материалов и эффективное одновременное протекание процессов восстановления как никеля, так и железа, необходимых для получения ферроникеля. Указанная температура восстановительных газов обеспечивается на выходе из газификатора с жидкой расплавленной ванной. Газификатор при этом работает в смешанном режиме - с одновременным получением горячих восстановительных газов (ГВГ), металлического полупродукта (чугуна) и шлака. С целью стабилизации теплового режима газификатора и увеличения степени восстановления никеля дополнительно используется над шлаковым слоем кусковая коксовая или графитовая насадка. При загрузке в газификатор в качестве рудной части никельсодержащего железорудного сырья и материалов обеспечивается получение полупродукта с содержанием никеля до 5-10% и шлака с содержанием никеля 0,05-0,5%. В печи металлизации восстановительный газ используется на поддержание температуры материала в пределах 1000-1100^oС, что обеспечивается за счет температуры поступающего горячего восстановительного газа 1100-1400^oС, а также на восстановление никеля (до 90-95%) и железа (60-80%) по реакциям: NiO + СО-->Ni + СО₂, (1) 1/3 Fe₂O₃ + СО-->2/3 Fe + СO₂, (2) NiO + Н₂-->Ni + H₂O, (3) 1/3 Fe₂O₃ + Н₂-->2/3 Fe + H₂O (4) Кроме того, в трубчатой печи обеспечивается и дополнительное твердофазное восстановление никеля и железа за счет загружаемых углеродосодержащих твердых материалов (уголь, коксик) по реакциям: NiO + С-->Ni + СО, (5) FeO + С-->Fe + СО (6) Для эффективного протекания процессов восстановления никель-железосодержащего сырья требуется поддержание температуры восстановительного газа в пределах 1100-1400^oС. Тогда по условиям теплопередачи в печи температура никельсодержащего железорудного материала обеспечивается в пределах 1000-1100^oС. При более низкой температуре газа-восстановителя и соответственно материала уменьшается степень восстановления никеля и железа [5, с. 324]. При более высокой температуре материала (>1400^oС) появляется опасность его размягчения и образования настылей [5, с. 325]. При температуре отходящих из газификатора газов более 1400^oС для снижения его температуры перед подачей в печь металлизации до необходимого уровня предусмотрено использование в качестве охладителя части очищенного после восстановления газа.

Создание в трубчатой печи восстановительной атмосферы при использовании горячих восстановительных газов обеспечивает резкое в 1,5-2,0 раза повышение эффективности протекания восстановительных процессов как за счет использования двойного восстановителя - газообразного и твердого, так и за счет предотвращения окислительного горения твердого восстановителя в шихте печи.

После обжига восстановленная никелевая руда (губка) поступает в электропечь. В электропечь также подается жидкий полупродукт из газификатора с жидкой ванной и никельсодержащий шлак. Кроме того, в топливно-кислородных горелках используется кислород и часть газа, выходящего из печи металлизации (экспортного газа) для снижения расхода электроэнергии и продувки металла для дополнительного восстановления никеля за счет оксида углерода экспортного газа и для очистки получаемого ферроникеля от примесей при продувке кислородом.

В газификатор с жидкой ванной загружается никельсодержащее железорудное сырье, например хромоникелевая руда с содержанием никеля свыше 0,4-0,5%, а также любые никельсодержащие материалы с содержанием никеля до 70%.

Кроме того, в газификатор подаются углеродсодержащие материалы, например уголь или любые углеродсодержащие отходы. В газификаторе с жидкой ванной происходит жидкофазное восстановление никеля и железа по реакциям типа (5) и (6).

Для дополнительного увеличения содержания никеля в получаемом ферроникеле и повышения марочности ферроникеля дополнительно вводится следующая технологическая цепочка. Полученная в трубчатой печи никелевая губка охлаждается, измельчается и подвергается сепарации в слабом магнитном поле с дополнительным обогащением металлизированным никелем. Полученный концентрат загружается в электропечь или другой сталеплавильный агрегат, а бедная никелевая губка направляется в газификатор с жидкой ванной.

При этом выдерживаются следующие параметры технологического процесса.

Основным продуктом плавки в электропечи или в другом агрегате является ферроникель с содержанием никеля более 3,5-4,0%. При этом металлическая часть шихты включает никелевую губку (губчатый ферроникель), полученный во вращающейся трубчатой печи или в шахтной печи с содержанием никеля свыше 0,4-0,5%, а также никельсодержащего полупродукт с содержанием никеля свыше 2-10% и шлак с содержанием никеля свыше 0,05-0,5%, полученные в газификаторе с жидкой ванной при его работе в смешанном режиме (с одновременным получением восстановленного газа, металлического полупродукта и шлака).

С целью дополнительного повышения содержания никеля в ферроникеле после получения металлизированной губки в трубчатой печи проводится ее охлаждение, измельчение и магнитная сепарация. Тогда в качестве металлической части шихты электропечи используется никельсодержащий отсепарированный концентрат с содержанием никеля свыше 2-10% и также никельсодержащий полупродукт и шлак.

В электропечь также подается часть экспортного газа, выходящего из трубчатой печи, и кислорода для сжигания в топливно-кислородных горелках из расчета получения тепловой мощности до трети от электрической мощности печи, а также для дополнительного восстановления никеля из шлаковой фазы за счет оксида углерода экспортного газа.

При этом металлическая часть шихты состоит из трубчатого ферроникеля с содержанием никеля свыше 0,4-0,5%, никельсодержащего отсепарированного концентрата губчатого ферроникеля с содержанием никеля свыше 2-10%, получаемого после магнитной сепарации обожженной в трубчатой печи никелевой руды, а также никельсодержащего полупродукта с содержанием никеля свыше 2-10% и никельсодержащего шлака с содержанием никеля 0,05-0,5%, полученные в газификаторе с жидкой ванной при его работе в смешанном режиме (с одновременным получением восстановительного газа, металлического полупродукта и шлака).

В газификатор с жидкой ванной загружают углеродсодержащий материал, например уголь или любые углеродсодержащие отходы с расходом в пересчете на энергетический уголь 0,5-0,6 кг/м³ восстановительного газа, а также никель-железосодержащее рудное сырье, например, хромоникелевая руда, никельсодержащие агломерат, окатыши или брикеты с содержанием никеля свыше 0,5%, а также любые никельсодержащие материалы с содержанием никеля до 70%. Кроме того, в газификатор загружается отсепарированная бедная никелевая губка, получаемая в качестве остатка после магнитной сепарации обожженной в трубчатой печи никелевой руды.

В печь металлизации, например в трубчатую или шахтную печь, загружается никельсодержащее железорудное сырье, например хромоникелевая руда, никельсодержащий агломерат или окатыши с содержанием никеля свыше 0,4-0,5%, а процесс восстановления проводят горячим восстановительным газом с температурой 1100-1400^oС и содержанием СО = 40-60%, Н₂ = 25-35%, получаемого в газификаторе с жидкой ванной до степени металлизации никеля 90-95%, железа - 60-80% и расходом восстановительного газа 1500-2200 м³/т полупродукта. Кроме того, для увеличения степени восстановления в шихту печи металлизации добавляют твердый восстановитель - уголь или коксик в количестве до 2-3% от массы шихты. При необходимости увеличения содержания никеля в ферроникеле в блоке магнитной сепарации никельсодержащая губка, полученная в печи металлизации, подвергается охлаждению, измельчению и магнитной сепарации. При этом отсепарированный концентрат поступает в электропечь или другую сталеплавильную печь, а бедный никелем остаток после сепарации поступает в газификатор с жидкой ванной.

На чертеже представлено устройство, реализующее предлагаемый способ.

Оно содержит газификатор 1, печь для металлизации 2, электросталеплавильную печь 3, охладитель губки 4, измельчитель губки 5, магнитный сепаратор 6, пылеочиститель 7, бункер пыли 8.

Устройство работает следующим образом. В газификатор 1 через засыпное устройство подают углеродсодержащий материал 9, например уголь или любые углеродсодержащие отходы, никель-железосодержащее рудное сырье 10, например хромоникелевую руду, агломерат, окатыши или брикеты, а также любые никельсодержащие материалы (шлак, штейн, файнштейн и др.). Кроме того, загружается никельсодержащая пыль 11 из бункера 8 пылеочистки 7. Одновременно через фурмы подается кислород 12. Получаемые в процессе жидкофазного восстановления горячие восстановительные газы 13 подаются в трубчатую печь 2, при необходимости может в трубчатую печь подаваться также воздух для горения 14. С другой стороны (со стороны загрузки) в трубчатую печь 2 подают рудное никель-железосодержащее сырье 15, например хромоникелевую руду или агломерат, а также твердый восстановитель - уголь или коксик 16. Отработанный после восстановительных процессов газ 17 направляется в систему очистки 7. Часть очищенного газа 18 используется для регулирования температуры горячих восстановительных газов перед их подачей в печь для металлизации, часть 19 используется как топливо в электропечи 3, а часть 20 используется для получения пара и электроэнергии как вторичных энергетических ресурсов. Получаемая в пылеулавливателе 7 пыль из бункера 8 направляется в газификатор 1.

Получаемая в трубчатой или шахтной печи металлизированная никельсодержащая губка 21 направляется в электропечь 3. В случае необходимости увеличения содержания никеля в ферроникеле металлическая губка 21 (на фиг.1 эта технологическая цепочка отмечена пунктиром) направляется в охладитель 4, измельчитель 5 и магнитный сепаратор 6. При этом обогащенная в магнитном сепараторе 6 богатая губка 22 направляется в электропечь, а бедная 23 подается в газификатор. В электропечь 3 таким образом загружается металлизированная никельсодержащая губка 21 (или обогащенная губка 22), полупродукт 24 и шлак 25 из газификатора 1, а также подается экспортный газ 19 и кислород 26. Продуктами электроплавки являются ферроникель 27 и шлак 28.

Преимуществом данного способа является повышение степени восстановления никеля в печи металлизации за счет высокой температуры восстановительного газа 1300-1400^oС и снижение себестоимости за счет замены части электроэнергии, применяемой для рудно-термической восстановительной плавки дешевым углем или любыми углесодержащими продуктами, в том числе отходами. При использовании при плавке в электропечи наряду с твердым металлизированным продуктом жидкого никельсодержащего полупродукта расход электроэнергии дополнительно снижается до 100 кВт•ч при 30-40% жидкого полупродукта в шихте электропечи. Кроме того, концентрация никеля повышается за счет использования тройного комбинированного как газового, так и твердофазного и жидкофазного восстановления оксидов никеля, а также за счет дополнительной магнитной сепарации металлизированной никелевой губки.

При этом также в 1,5-2 раза снижается требуемая протяженность зоны восстановления (длина, высота печи), что при строительстве и реконструкции агрегатов приведет к соответствующему снижению капитальных и эксплуатационных затрат, а также тепловых потерь.

Источники информации 1. Тарасов А.В., Уткин Н.И. Общая металлургия. - М.: Металлургия, 1997, 286 с.

2. Кудинов Д.З., Субботина Н.А., Шаврин С.В. Изменение параметров газа по высоте доменной печи при выплавке чугуна 6% N 1 из бедных силикатно-никелевых руд // Известия вузов. Черная металлургия, 1999, 1. С. 72-73.

3. Corex(R), Revolution of Ironmaking. Voest Alpine Inolu strianlagtnbau. Linz, 1994. p.21.

4. Лисиенко В.Г., Роменец В.А., Пареньков А.Е. и др. Способ бескоксовой переработки ванадийсодержащего рудного сырья с получением легированной ванадием стали. Патент на изобретение 2167944 по заявке 98115858 от 11.08.98.

5. Леонтьев Л.И., Ватолин Н.А., Шаврин С.В., Шумаков Н.С. Пирометрическая переработка комплексных руд. - М.: Металлургия, 1997, 432 с.

Формула изобретения

1. Способ переработки никельсодержащего железорудного сырья с получением ферроникеля, включающий загрузку никельсодержащего железорудного сырья в печь металлизации, металлизацию за счет горячих восстановительных газов, получаемых в газификаторе с жидкой расплавленной ванной при газификации угля и углеродсодержащих материалов с дополнительным получением в газификаторе полупродукта и шлака, которые используют в качестве дополнительной шихты в дуговой электропечи, и плавку в дуговой электропечи, отличающийся тем, что для процесса восстановления и металлизации никельсодержащего железорудного сырья в печи металлизации используют горячие восстановительные газы с температурой 1100-1400°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстановление никельсодержащего железорудного сырья проводят в печи металлизации в виде вращающейся трубчатой печи с восстановлением никеля одновременно как за счет газообразного восстановителя в виде восстановительного газа, так и твердого восстановителя в виде углеродсодержащих материалов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для плавки в дуговой электропечи используют металлизированный никельсодержащий продукт из печи металлизации, дополнительно обогащенный методом магнитной сепарации.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в электропечи для дополнительного восстановления никеля из шлаковой фазы в металл используют газ, выходящий из печи металлизации.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для регулирования температуры горячих восстановительных газов, получаемых в газификаторе, используют газ, выходящий из печи металлизации.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для дополнительного рафинирования ферроникеля в электропечи используют кислород,

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в газификаторе с жидкой расплавленной ванной дополнительно используют надшлаковую коксовую или графитовую кусковую насадки.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительной шихты в газификаторе с жидкой расплавленной ванной используют никельсодержащую пыль отходящих газов печи металлизации.

РИСУНКИ

Рисунок 1