Введение к работе
Актуальность работы
До настоящего времени окисленные никелевые руды (ОНР) в России перерабатываются методом восстановительно-сульфидирующей плавки в шахтных печах с использованием в качестве сульфидизатора гипса или пирита для формирования никелевого штейна и дефицитного кокса, являющегося одновременно топливом и восстановителем. Опыт продолжительной промышленной эксплуатации, достигнутые успехи в совершенствовании процесса шахтной плавки не обеспечили сокращения высоких выбросов сернистого ангидрида в атмосферу, которые в последние годы возросли из-за форсирования режимов плавки. Альтернативным способом переработки ОНР является высокопроизводительный бескоксовый процесс Ванюкова (ПВ), разработанный на кафедре металлургии цветных, редких и благородных металлов НИТУ «МИСиС». Он успешно прошел этап промышленного освоения на ОАО «Комбинат Южуралникель» и наглядно показал высокую эффективность использования серы пирита, достигающую 70-75 %.
Принимая во внимание, что внедрение процесса Ванюкова в промышленное производство сдерживается по целому ряду организационных причин, следует полагать, что шахтная плавка еще продолжительный период будет находиться в промышленной эксплуатации. В связи с этим возникает необходимость в проведении исследований по изучению процессов штейнообразования при плавке ОНР как в условиях постепенного нагрева шихты, характерного для шахтной плавки, для сокращения выбросов серы с газами действующих печей, так и для выбора оптимальных режимов восстановительно-сульфидирующей обработки оксидного расплава в печи Ванюкова.
Применение традиционных сульфидизаторов - природного гипса и серного колчедана (пирита), при плавках ОНР сопряжено с рядом существенных недостатков. Так при плавке с гипсом увеличивается расход восстановителя (кокса) при неизбежно высокой степени десульфуризации (40-60 %), а при использовании колчедана происходит разубоживание шихты железом и загрязнение никелевого штейна присутствующей в колчедане медью. Выполнение исследований по применению новых типов сульфидизаторов, в частности элементарной серы, имеет вполне обоснованный интерес. Поэтому изучение процессов формирования штейнового расплава при плавке ОНР с использованием различных сульфидизаторов (пирита, пирротина и элементарной серы) в широком интервале температур, охватывающем различные агрегатные состояния контактирующих фаз, является актуальной задачей, решение которой позволит улучшить технико-экономические и экологические показатели традиционного процесса шахтной плавки, а в процессе Ванюкова разработать наиболее эффективную технологическую схему его промышленной реализации.
Цель работы
Совершенствование технологии переработки ОНР на штейн шахтной плавкой и процессом Ванюкова с использованием в качестве сульфидизатора пирита (колчедана) и пирротина и исследование механизма сульфидирования расплава ОНР элементарной серой в условиях интенсивного его перемешивания газообразным дутьем.
Оптимизация процессов сульфидирования окисленной никелевой руды и ее расплава пиритом, пирротином и элементарной серой должна обеспечивать минимально возможные для каждого способа плавки потери серы с отходящими газами при максимальном извлечении никеля в никелевый штейн.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
исследовать свойства окисленной никелевой руды и агломерата;
установить последовательность протекания физико-химических превращений между изначально твердыми ОНР (или агломератом) и сульфидами железа (пиритом и пирротином) в условиях их непосредственного контакта при постепенном нагреве до образования жидких фаз штейна и шлака;
определить возможность прямого сульфидирования расплава ОНР пиритом или пирротином без предварительного восстановления;
исследовать механизм сульфидирования расплава ОНР элементарной серой применительно к условиям плавки в печи Ванюкова
изучить влияние сульфидирующего и восстановительного потенциала на извлечение никеля в штейн по результатам опытно-промышленной эксплуатации печи Ванюкова на ОАО «Комбинат Южуралникель»;
разработать практические рекомендации по совершенствованию технологии переработки окисленных никелевых руд на штейн шахтной плавкой и процессом Ванюкова с использованием пирита и пирротина;
предложить способы и режимы осуществления сульфидирования расплава ОНР элементарной серой в процессе Ванюкова.
Методы исследования
При проведении исследований были использованы методы анализа исходных и конечных продуктов: химический, фазовый, атомно-абсорбционная спектрометрия, термогравиметрический и масс-спектрометрический. Научная новизна
1. Уточнен механизм образования никелевого штейна при шахтной плавке ОНР, при котором в условиях постепенного нагрева, образовавшийся от диссоциации пирита пирротин, расплавляясь, преобразуется в капли первичного железистого штейна. Капли этого
штейна, стекая вниз, «омывают» встречающиеся на их пути многочисленные, все более и более разогретые куски рудного материала, сульфидируют и коллектируют содержащийся в них никель. Окончательное формирование никелевого штейна и шлака конечного состава завершается при их жидкофазном взаимодействии.
Экспериментально установлено, что при непосредственной подаче только твердого сульфидизатора - пирита, в жидкий расплав ОНР происходит его разложение на газообразную серу и твердый пирротин, большая часть которого одновременно с расплавлением растворяется в жидком оксидном расплаве (шлаке). Растворенный в шлаковом расплаве сульфид железа (при достаточной концентрации) в основном вступает во взаимодействие с оксидами Fe с образование сернистого газа и только его остаток сульфиди-рует оксид никеля. Параллельно другая незначительная часть пирротина формирует первичный железистый штейн, коллектирующий образующийся сульфид никеля.
Показано, что при одновременной подаче восстановителя и пирита в расплав ОНР в процессах сульфидирования никеля и штейнообразования участвует не только растворенный в шлаковом расплаве сульфид железа и расплавленный пирротин, но и часть газообразной серы от диссоциации пирита. Взаимодействие сульфида железа с оксидами
т- 3+
be шлакового расплава имеет подчиненное значение.
Установлено, что при обработке расплава окисленной никелевой руды изменением вос-становительно-сульфидирующего потенциала можно управлять составом и количеством никелевого штейна и степенью десульфуризации в широких пределах.
Экспериментально подтверждена возможность сульфидирования элементарной серой оксидов никеля и железа расплава окисленной никелевой руды в восстановительных условиях. Установлено влияние температуры на степень сульфидирования никеля и де-сульфуризацию при плавке.
Практическая значимость
Рекомендованы условия для сульфидирования ОНР в шахтной печи пирротином с повышением извлечения никеля в штейн, позволяющие снизить выброс сернистых соединений в атмосферу.
Конкретизированы условия сульфидирования никеля жидкого шлака пиритом и пирротином, исключающие расстройства процесса штейнообразования, проявляющиеся в повышение содержания никеля в шлаке, снижение производительности печи по выплавляемому штейну, вспениванию ванны расплава и др., что подтвердили успешно проведенные испытания плавки ОНР в печи Ванюкова в 2008 году.
Предложена технология плавки ОНР в печи Ванюкова с использованием технической серы, что позволит избежать разубоживания перерабатываемых материалов по железу и
исключить загрязнения никелевого штейна нежелательным для технологии переработки ОНР медью. На защиту выносится
Уточненный механизм образования никелевого штейна при восстановительно-сульфидирующей шахтной плавке ОНР с использованием пирита и пирротина.
Особенности процессов сульфидирования расплава ОНР пиритом и элементарной серой.
Установленные закономерности влияния сульфидирующего и восстановительного потенциалов на степень извлечения никеля в штейн и десульфуризацию при плавке ОНР.
Практические рекомендации по совершенствованию технологии переработки ОНР шахтной плавкой на штейн с использованием в качестве сульфидизатора пирита.
Практические рекомендации по выбору технологических режимов переработки окисленных никелевых руд на штейн процессом Ванюкова с использованием колчедана.
Способы и режимы осуществления сульфидирования расплава ОНР элементарной серой в процессе Ванюкова.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Металлургия цветных металлов. Проблемы и перспективы» МИСиС г. Москва 2009 г. и на «60 конференции молодых ученных и студентов» МИСиС 2005 г.
Публикации
По результатам работы опубликованы две статьи в рецензируемых журналах рекомендованных ВАК и тезисы двух докладов.
Структура и объем работы
