Способ обеднения шлаков плавки окисленных никелевых руд
Владельцы патента RU 2244028:
Государственное Учреждение Институт металлургии Уральского отделения РАН (RU)
Изобретение относится к металлургии никеля, в частности к технологии обеднения шлака шахтной плавки окисленных никелевых руд (ОНР). Предложенный способ включает обеднение шлаков с использованием принципа экстракции при числе экстракций “n”, стремящемся к бесконечности. При этом в качестве обедняющего агента в присутствии восстановителя могут быть использованы материалы, обогащенные пиритом, пирротином, сульфидом кальция, сульфатом кальция, металлы и сплавы, содержащие преимущественно Si, Al, Fe, C и др., а также восстановительно-сульфидирующие комплексы (ВСК), состоящие из сульфидов, оксидов и восстановителя (С, Ме). В качестве углеродистого восстановителя используют индивидуально или в смеси друг с другом любые известные углеродистые восстановители. Степень извлечения металлов (Ме) при этом находится в согласии с классическим уравнением экстракции, обеспечивается повышение извлечения никеля из шлаков, уменьшение расхода обедняющего агента, снижение удельного расхода энергии и сокращение потерь серы в газовую фазу, 5 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к металлургии никеля, в частности к технологии обеднения шлака шахтной плавки окисленных никелевых руд (ОНР). Оно может быть полезно для обеднения шлаков и расплавов от выплавки преимущественно никеля, меди, свинца, сурьмы, тантала и других металлов.
Способы обеднения шлаков весьма многочисленны и хорошо известны. Широкое распространение получили способы флотационного обеднения богатых шлаков никелевой и медной плавки во взвешенном состоянии [1]. Однако, флотационный способ обеднения к отвальным шлакам шахтной плавки ОНР неприменим.
Широкое распространение получили также электропечные способы обеднения богатых шлаков никелевой и медной плавки во взвешенном состоянии [1, с.325-352; 2], а также конвертерных шлаков никелевой плавки [2].
Наиболее близким по технической сущности к нашему изобретению является способ обеднения шлаков шахтной плавки ОНР при помощи смесей колчедана и коксика, сульфида кальция и коксика [2, стр.277-279]. Здесь обеднение шлаков ведется в одну стадию и шлак поступает в обеднительный агрегат на поверхность расплава. Таким образом, обеднение шлака осуществляется при числе экстракции "n", равном единице, длительность пребывания шлака в печи около 2 ч; максимальное извлечение никеля в штейн (5,9-8,4% Ni) составило 38%; удельный расход электроэнергии - 85-130 кВт-ч/т шлака. Температура шлака - 1420-1480°С. Крупными недостатками этого способа являются: низкое извлечение никеля; получение бедного по никелю штейна, применение пирита и высокая степень десульфуризации (>50%); высокий расход обедняющей смеси (2-6% от массы шлака).
Задачей настоящего изобретения является увеличение извлечения никеля из шлаков при их обеднении. Попутно с этим происходит уменьшение расхода обедняющего агента, снижение удельного расхода электроэнергии, сокращение потерь серы в газовую фазу.
Поставленная задача достигается тем, что в способе обеднения шлаков плавки окисленных никелевых руд, включающем сифонное поступление продуктов плавки из плавильной печи в передний горн и обработку шлака обедняющим агентом, содержащим серосодержащий материал и углеродистый восстановитель, согласно изобретению, обработку шлака осуществляют в противотоке путем загрузки обедняющего агента на поверхность направленного движущегося снизу вверх потока шлака, при этом капли обедняющего агента, опускаясь сверху вниз, коллектируют ценные компоненты шлака, осуществляя противоточное движение, а расход обедняющего агента поддерживают равным 0,5-3,0% массы шлака.
Обработку шлака осуществляют в отдельном металлургическом агрегате, обеспечивая непрерывное поступление шлака из плавильной печи или горна.
В качестве серосодержащего материала обедняющего агента могут быть использованы индивидуально или в присутствии друг друга материалы, обогащенные пиритом, пирротином, сульфидом кальция, сульфатом кальция, металлическими восстановителями, содержащими преимущественно Fе, Si, Al.
В качестве обедняющих агентов могут быть использованы восстановительно-сульфидирующие комплексы (ВСК) систем: FeS2-CaO-(СаСO3)-С; FeS2-Fe2O3-C; FeS2-Fe-(CaSO4)-C; FеS2-Fе-СаO(СаСO3)-С.
В качестве углеродистого восстановителя используют индивидуально или в смеси друг с другом материалы, взятые из группы, содержащей металлургический коксик, сернистый нефтяной кокс, полукокс, угли, в том числе бурые и тощие, антрацит, торф, торфяной кокс.
В качестве материалов-носителей СаSO4 могут быть использованы не только природный гипс, но и техногенные отходы (фосфогипс, фторгипс и др.).
Техническим результатом, получаемым при использовании предложенного технического решения, является:
1. Обеднение шлаков шахтной плавки ОНР с использованием принципа экстракции при "n" (число экстракций), стремящемся к бесконечности.
2. Экстракционный способ обеднения шлаков шахтной плавки позволяет увеличить извлечение никеля от 87-90% (современное состояние) до 95-97%.
3. Глубокое обеднение шлаков никелевой плавки позволяет вести процесс шахтной плавки практически на любой состав штейна, вплоть до файнштейна.
4. Обеднение шлаков может быть осуществлено без заметных капитальных и эксплуатационных затрат.
5. Организация шахтной плавки на штейны, содержащие никеля намного более 12%, способствует снижению расхода сульфидизатора при плавке, снижению топлива и перехода серы в газовую фазу.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Шлаки шахтной плавки ОНР подвергаются глубокому обеднению по никелю и кобальту. Это может быть осуществлено путем подачи обедняющего агента на расплав шлака, выходящего из шахтной печи, в переднем горне или отдельно стоящем плавильном агрегате путем противоточного движения шлака и обедняющего агента.
Степень извлечения металлов (Me) при этом находится в согласии с классическим уравнением экстракции:
где (Ме)o и (Me)n - концентрации Me в исходном и конечном шлаке соответственно;
L - коэффициент распределения Me между шлаком и штейном (ферроникелем);
q - масса штейна за одну экстракцию;
Q - масса шлака;
n - число экстракций.
Теоретические расчеты по уравнению (1) показали, что при значениях "n", равных 2, 3 и 
; концентрации никеля в исходном шлаке в 0,16%; значении q, равном 1,0, и L - 0,01, а также при использовании пирротина (FeS1,14) в качестве обедняющего агента можно получить нижеследующие результаты:
| n=1 | n=2 | n=3 | n= | |
| Содержание Ni в отвальном шлаке, % | 0,08 | 0,04 | 0,01 | <0,001 |
| Содержание Ni в штейне, % | 8,0 | 12,0 | 15,0 | 16,0 |
| Извлечение Ni, % | 50 | 67 | 94 | 99 |
Экспериментальная проверка приведенных выше теоретических показателей была проведена в лабораторных условиях (таблица).
В опытах использовали шлак шахтной плавки ОНР на Режском никелевом заводе состава, %: 0,13 Ni; 20,0 CaO; 12,4 MgO; 41,1 SiO2; 6,8 Al2O3; пирротин от диссоциации колчедана Гайской обогатительной фабрики, %: 44,0 Fe, 50 S; нефтяной кокс Пермского нефтеперерабатывающего завода, %: 3,3 S; 7,8 летучих, 85 С, 0,3 золы.
Обеднение шлака вели при расходах (единицах): шлака - 100; пирротина - 1,0; нефтяного кокса - 0,01-0,3. Штейн от второй экстракции возвращался на обеднение исходного шлака, а штейн от третьей экстракции - в голову второй экстракции. При этих условиях были получены следующие результаты:
| n=1 | n=2 | n=3 | |
| Содержание Ni в отвальном шлаке, % | 0,08 | 0,05 | 0,03 |
| Содержание Ni в штейне, % | 7,3 | 9,0 | 11,0 |
| Извлечение Ni, % | 38 | 61 | 77 |
| Таблица Примеры осуществления способа по обеднению отвальных шлаков плавки ОНР (в пересчете на Q шлака - 100 т) | |||||||||||||
| Показатели/Примеры | №№примеров | Прототип | |||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | ||
| Концентрация Ni в | 0,12 | 0,12 | 0,12 | 0,12 | 0,16 | 0,16 | 0,16 | 0,20 | 0,20 | 0,50 | 0,50 | 0,50 | 0,16 |
| исходном шлаке | |||||||||||||
| Число экстракций "n" | 1 | 2 | 3 | 3 | 2 | 3 | 3 | 3 |  x) | 3 | 3 |  | 1 |
| Расход обедняющих агентов, т: | |||||||||||||
| - колчедан (95% FeS2) | 1,5 | ||||||||||||
| - коксик | 0,2 | 0,2 | 0,3 | ||||||||||
| - пирротин (FeS1,14) | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 0,5 | 1,0 | 1,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 3,0 | 3,5 | 2,0 | |
| Концентрация Ni, %: | |||||||||||||
| - в конечном шлаке | 0,070 | 0,042 | 0,024 | 0,048 | 0,055 | 0,032 | 0,014 | <0,01 | 0,008 | 0,06 | <0,01 | 0,08 | |
| - в штейне | 5,1 | 7,9 | 9,7 | 14,4 | 10,7 | 12,9 | 9,3 | 9,9 | 16,4 | 14,1 | 25,0 | 7,3 | |
| Извлечение Ni, % | 42 | 66 | 80 | 60 | 66 | 80 | 93 | 99 | 98 | 99 | 99 | 50 | |
х) данные для "n" →  - расчетные |
Приведенные выше экспериментальные данные полностью подтверждают результаты теоретических расчетов.
Мы понимаем, что результаты лабораторных опытов в промышленных условиях подвергнутся определенной корректировке в сторону возможного снижения полученных показателей. Тем не менее в лабораторных условиях мы провели опытов при значениях q, равных 0,5-3,0% от массы исходного шлака, которые показали, что повышение величины q выше 3,0 - нецелесообразно (таблица, пример 11), точно также нецелесообразно и снижение q ниже 0,5 (пример 4).
В заключение нужно сказать, что в качестве обедняющего агента может быть использован любой сульфидизатор и/или металлический восстановитель, а также любая комбинация их друг с другом. Особенно полезно использование металлических восстановителей, содержащих Si, Al и др., поскольку процесс обеднения является эндотермическим. В этом случае применение металлических восстановителей позволяет полностью или частично исключить необходимость подогрева шлака при его обеднении.
Для практического осуществления не нужно какой-либо коренной реконструкции существующего оборудования, поскольку в настоящее время осуществляется сифонный выпуск продуктов плавки, которые поступают в передний горн, в котором шлак восходит к верхней поверхности. Необходимы лишь некоторые нововведения в конструкции переднего горна по выпуску шлака и подачи в горн обедняющего агента.
Нет необходимости утверждать о возможности осуществления способа в отдельно стоящей печной установке.
Таким образом, приведенные данные показывают полную реализуемость предлагаемой технологии и указывают на решение поставленной задачи.
Источники информации
1. Мечев В.В., Быстров В.П., Тарасов А.В. и др. Автогенные процессы в цветной металлургии. М.: Металлургия, 1991, 414 с.
2. Резник И.Д., Ермаков Г.П., Шнеерсон Я.М. Никель. Том 2. М.: Наука и технология, 2001,468 с.
1. Способ обеднения шлаков плавки окисленных никелевых руд, включающий сифонное поступление продуктов плавки из плавильной печи в передний горн и обработку шлака обедняющим агентом, содержащим серосодержащий материал и углеродистый восстановитель, отличающийся тем, что обработку шлака обедняющим агентом осуществляют в противотоке путем загрузки обедняющего агента на поверхность направленного движущегося снизу вверх потока шлака, при этом капли обедняющего агента, опускаясь сверху вниз, коллектируют ценные компоненты шлака, осуществляя противоточное движение, а расход обедняющего агента поддерживают в количестве 0,5-3,0% от массы шлака.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку шлака осуществляют в отдельном металлургическом агрегате при непрерывном поступлении шлака из плавильной печи или горна плавильной печи.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве серосодержащего материала обедняющего агента используют индивидуально или в присутствии друг друга материалы, обогащенные пиритом, пироротином, сульфидом кальция, сульфатом кальция, металлическими восстановителями, содержащими преимущественно Fe, Si, Al.
4. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве обедняющего агента используют восстановительно-сульфидирующие комплексы систем FeS2-CaO(CaCO3)-C; FeS2-Fe2O3-C; FeS2-Fe-(CaSO4)-C; FeS2-Fe-CaO(CaCO3)-C.
5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве углеродистого восстановителя используют индивидуально или в смеси друг с другом материалы, взятые из группы, содержащей металлургический коксик, сернистый нефтяной кокс, полукокс, угли, антрацит, торф, торфяной кокс.
6. Способ по п.5 отличающийся тем, что в качестве углей используют бурые и тощие угли.
