Разработка научных основ и совершенствование технологии переработки сульфидных концентратов и полупродуктов, содержащих медь и никель, с использованием автогенных процессов Абрамов, Николай Павлович

Введение к работе

Актуальность работы

На Норильском комбинате медно-никелевая руда подвергается обогащению с получением никелевых и медных концентратов. Показатели обогащения (состав получаемых концентратов, извлечение в них исходных компонентов) оказывают решающее значение на технико-экономические показатели последующих металлургических переделов. Вопрос об оптимальном составе концентратов до настоящего времени окончательно не решен.

Никелевые концентраты на НГМК перерабатываются на двух заводах: на Никелевом - по технологии, включающей агломерирующий обжиг и плавку агломерата в электропечах, и на Надеждинском - по технологии, включающей взвешенную плавку предварительно высушенных концентратов.

В состав Норильского горно-металлургического комбината входит Медный завод, где перерабатываются медные концентраты и богатая по содержанию цветных металлов руда. Плавка ведется, в основном, в печах Ванюкова с получением богатых штейнов, которые подвергаются переработке в горизонтальных конвертерах.

Медный концентрат от разделения файнштейна до недавнего времени подвергался плавке в отражательной печи, белый матт заливался в горизонтальный конвертер, где подвергался совместно с рудным штейном конвертированию с получением черновой меди. Конвертерный передел является одним из наиболее распространенных в металлургии тяжелых цветных металлов. Он характеризуется весьма существенными недостатками, такими как повышенный расход огнеупоров, большие затраты ручного труда, трудности с решением проблем механизации и автоматизации производства. Практика работы конвертерного передела пришла в резкое противоречие с возросшими в последнее время требованиями экологического характера. Неритмичное выделение серосодержащих газов, заметные подсосы в них воздуха затрудняют экономически оправданную их утилизацию с получением серной кислоты. Получение из таких газов элементарной серы или жидкого сернистого ангидрида (в случае отсутствия спроса на кислоту) практически исключается.

Эффективную утилизацию сернистого ангидрида и тепла отходящих газов можно осуществить лишь при организации стабильного потока высокосернистого газа, в котором будет сосредоточена практически вся сера, содержащаяся в сырье. При переработке медного сырья эта проблема может быть решена в двух вариантах.

1. При непрерывной плавке концентратов на черновую или "сырую" медь.

2. При непрерывной автогенной плавке концентратов с получением богатых штейнов с последующим их непрерывным конвертированием.

Каждый из этих вариантов имеет свои достоинства и недостатки. В 1995 году институтом Гипроникель совместно с НГМК был выполнен ТЭР развития рафинировочных мощностей Медного завода, направленный на

решение экономических и экологических проблем. Было установлено, что бе утилизации практически всех конвертерных газов невозможно выполнить эколо гические требования, стоящие перед Медным заводом и комбинатом в целом Показано, что эти требования могут быть выполнены только путем использова ния непрерывного конвертирования штейнов с применением дутья с высоким со держанием кислорода. Предпочтение было отдано непрерывному конвертирова нию твердых штейнов в печи Ванюкова. При конвертировании твердого штейн принципиальных проблем не имеется, однако требуется изучение многих техно логических и физико-химических вопросов.

В ТЭР'е развития плавильных мощностей АО "НГМК", выполненном институ том Гипроникель, показано, что максимальная прибыль и решение экологически проблем на предприятии достигаются при условии закрытия плавильного цеха на Ни келевом заводе с переводом всей переработки никелевого концентрата в печах взве шенной плавки на НМЗ. Эта рекомендация может быть выполнена только при услс вии повышения производительности печей взвешенной плавки (ПВП) за счет повь шения содержания кислорода в дутье и модернизации системы охлаждения футеровк реакционной шахты ПВП. Эти вопросы так же рассматриваются в настоящей работе.

Быстрейшие разработка и освоение технологии непрерывного конвертирс вания штейнов в печах Ванюкова на Медном заводе НГМК и повышение прои; водительности ПВП на НМЗ будут способствовать скорейшему решению эколс гических и экономических проблем, стоящих перед металлургическим произвох ством Норильского комбината.

Цель работы

Разработка научных основ и совершенствование технологии переработк сульфидных концентратов и полупродуктов, содержащих медь и никель, с ис пользованием автогенных процессов для повышения эффективности производи ва и снижения вредных выбросов в атмосферу.

Научная новизна

3. Исследована термодинамика расплавов на основе меди. На основе теори усовершенствованных регулярных растворов с использованием имеющихся лите ратурных экспериментальных данных выведены соотношения, позволяющие рас считывать активности компонентов в расплавах Cu-Ni, Cu-Co, Cu-Fe, Cu-S, FeS-Cu₂S, Cu-Fe-Ni-Co-S, растворимость серы и кислорода в жидкой меди при различных температурах и давлениях S0₂.

4. Исследовано влияние состава газовой и шлаковой фаз на распределен меди, никеля, кобальта, платины, палладия, золота, железа и серы в систел "медь- сульфид меди - шлак". Изучены особенности механизма взаимодействі дутья, содержащего SO2, со шлако-штейновыми системами различного состав Изменение содержания S0₂ в газовой фазе в исследуемом диапазоне концентр; ций практически не влияет на распределение Pt, Pd и Au между штейновой

їлаковой фазами. Установлена тенденция к снижению коэффициентов распределе-ия никеля между медью и белым маттом и медью и шлаком по мере увеличения эдержания Si0₂ в шлаках. Коэффициент (NO^/fNi^, не зависит от состава шлака.

Значения коэффициентов распределения железа между медью и белым мат-эм колеблются в пределах от 0,005 до 0,012 и не зависят от содержания кремне-;ма в шлаке.

Показано, что с ростом содержания S0₂ в газовой фазе коэффициенты рас-ределения меди между шлаком и белым маттом, шлаком и "сырой" черновой едыо и белым маттом и "сырой" черновой медью возрастают. Коэффициенты аспределения никеля в первых двух случаях возрастают, в последнем - снижает-1. Коэффициенты распределения железа в первом случае снижается, в остальных растут.

Содержание кислорода в "сырой" черновой меди и белом матте возрастает от 0,08-0,14 до 0,16% масс, и от 1,4-1,5% до 1,9-2,0% масс, соответственно.

Установлены соотношения, описывающие поведение никеля и кислорода в ісплаве в зависимости от состава и температуры.

Не обнаружено влияние содержания Si0₂ в шлаке на коэффициент распре-зления между шлаком и металлической медью в экспериментах с контролируе-ым давлением сернистого газа в пределах 0,27-0,92 атм, что связано с получени-.1 шлаков, насыщенных магнетитом.

3. Исследовано влияние крупности частиц твердого медного никельсодер-ащего штейна на скорость взаимодействия его со шлаковым расплавом. На ос-эвании результатов лабораторных опытов установлено, что максимальная круп-зсть частиц штейна при его непрерывном конвертировании не должна превы-ать 3 мм.

4. Разработана теплофизическая модель поведения частиц твердого медного ікельсодержащего штейна при плавке в печи Ванюкова. Выведены соотноше-w, позволяющие рассчитывать максимально допустимую крупность частиц тейна при его непрерывном конвертировании в ПВ. Установлено, что круп-)сть частиц в промышленном агрегате не должна превышать 5 мм.

Методы исследопаннй

Поставленная в диссертационной работе задача решается путем проведения гытных плавок на укрупненной двухзонной печи Ванюкова, широкого исполь-вания различных методов исследований с применением современных физико-імических методик и установок. Для решения отдельных задач в работе исполь-ваны методы рентгеноспектрального микроанализа, электронной микроскопии, юс-спектрометрии, математического описания процессов и др.

Практическая значимость и реализация работы

1. Показана целесообразность и необходимость повышения содержания :етных металлов в медно-никелевых концентратах, поступающих в металлурги-

ческую переработку. Повышение содержания в них никеля с 5,7-6,6% до 10-12% позволит получить дополнительную прибыль в размере как минимум 100 млн. долларов.

2. Разработана технология плавки медного концентрата от разделения файнштейна (МКРФ) на белый матт в печи Ванюкова, которая реализована на Надеждинском металлургическом заводе АО "Норильский комбинат". Годовая прибыль составила 2 млн. долларов США.

3. Разработана технология плавки медного концентрата от разделения файнштейна на "сырую" черновую медь в печи Ванюкова, которая будет реализована на Надеждинском металлургическом заводе АО "Норильский комбинат".

4. Разработана технология непрерывного конвертирования твердого медного никельсодержащего штейна в модернизированной двухзонной печи Ванюкова с получением "сырой" черновой меди и отвальных шлаков после обеднения во второй зоне печи. Внедрение данной технологии в плавильно-рафинировочном цехе медного завода НГМК позволит снизить величину потерь цветных металлов с отвальными шлаками, ликвидировать образование и выброс конвертерных газов в атмосферу и тем самым уменьшить платежи за выброс загрязняющих веществ в атмосферу.

5. Экспериментально установлена возможность плавки рудного медного никельсодержащего концентрата в модернизированной двухзонной печи Ванюкова с получением "сырой" черновой меди с возможной рециркуляцией S0₂ и отвальных шлаков. Внедрение данной технологии в плавильно-рафинировочном цехе медного завода НГМК позволит повысить извлечение цветных металлов, повысить производительность труда, увеличить выпуск элементарной серы, ликвидировать образование и выброс конвертерных газов в атмосферу и тем самым уменьшить платежи за выброс загрязняющих веществ в атмосферу.

6. Разработан принципиально новый тип шихтовой горелки, исключающий возгорание шихты в ее устье в печи взвешенной плавки.

7. Разработаны технические решения, принятые к внедрению, по защите стенок реакционной шахты ПВП при работе на дутье, обогащенном кислородом и регулированию температур штейнового и шлакового расплавов.

Реализация этих разработок позволит снизить капитальные вложения и эксплуатационные расходы, необходимые для оздоровления экологической ситуащц на НГМК на сумму 57 млн. долларов США и 73 млн. долларов США соответственно.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований термодинамических свойств расплавов на ос нове меди и распределение компонентов в системе "медь - белый матт - шлак газовая фаза".

2. Результаты изучения влияния крупности частиц медно-никелевого штей на на скорость взаимодействия их со шлаковым расплавом и математической

моделирования процесса плавления частиц штейна применительно к печи Ваню-кова.

3. Результаты разработки технологии переработки в модернизированной
двухзонной печи Ванюкова:

медного концентрата от разделения файнштейна на белый матт и "сырую" черновую медь;

медного рудного концентрата на "сырую" черновую медь с возможной рециркуляцией S0₂.

4. Технология обеднения богатых шлаков, образующихся при автогенной плавке медных концентратов и непрерывном конвертировании твердого медного штейна в печи Ванюкова.

5. Новый тип горелки для плавки шихты, исключающий возгорание шихты в ее устье в печи взвешенной плавки, комплекс решений по защите стенок реакционной шахты ПВП при работе на дутье, обогащенном кислородом, и регулированию температур штейнового и шлакового расплавов.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 51 научная работа, в том числе 8 авторских свидетельства.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались на III Российском семинаре "Компьютерное моделирование в физической химии", Курган, 1996 г.; на Международных конференциях "Clean Technologies for the Mining Industry", Чили, 1996, 1998, 2000 г.г.; на 36^си ежегодной конференции металлургов в Канаде, 1997 г.; на Втором Международном симпозиуме "Проблемы комплексного использования руд", Санкт-Петербург, 1996 г.; на IX Российской конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов", Екатеринбург, 1998 г.; на научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития цветной металлургии и подготовки кадров", посвященной 70-летию кафедры МТЦМ, Екатеринбург, 2000 г; на заседаниях НТС института Гипроникель 1985-2000 г.; на заседаниях НТС НГМК 1980-1996 г.; на заседаниях НТС РАО "Норильский никель" 1996-1998 г.

Структура и объем работы