Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние технологии переработки пирротиновых концентратов
1.1. Методы переработки пирротиновых концентратов 11
1.1.1. Переработка пирротинового концентрата на предприятиях Канады
1.1.2. Переработка пирротинового концентрата в России 14
1.1.3. Прочие методы переработки 18
1.2. Пирротиновые концентраты ГМК «Норильский никель» 19
1.2.1. Характеристика пирротиновых концентратов 19
1.2.2. Превращения основных минералов концентратов при нагреве в различных средах 28
1.3. Выводы по разделу 3 7
2. Исследование термодинамических закономерностей взаимодействия халькопирита, пирротина и пентландита с восстановительными газами 39
2.1. Халькопирит 39
2.2. Пирротин 47
2.3. Пентландит 53
2.4. Выводы по разделу 57
3. Исследование закономерностей процесса восстановительной термообработки пирротиновых концентратов 58
3.1. Термообогащение текущего пирротинового концентрата с использованием твердого восстановителя (технология INCO) 60
3.2. Изучение процесса термообогащения пирротинового концентрата в газовых смесях 66
3.2.1. Изучение продуктов восстановительной термообработки пирротиновых концентратов в трубчатой печи 67
3.2.2. Сопоставление показателей процессов термовосстановления пирротинового концентрата (модели печи для обжига INCO и трубчатой печи) - 75
3.2.3. Изучение продуктов восстановительной термообработки пирротиновых концентратов в конвейерной печи 82
3.2.4. Изучение продуктов восстановительной термообработки пирротиновых концентратов в печи КС 94
3.2.4.1. Исследование продуктов восстановительной термообработки текущего пирротинового концентрата 97
3.2.4.2. Исследование продуктов восстановительной термообработки лежалого пирротинового концентрата 116
3.2.4.3. Исследование продуктов восстановительной термообработки малоникелистого пирротинового концентрата 137
3.2.5. Исследование продуктов магнитной сепарации огарков, полученных при восстановлении текущего пирротинового концентрата (КС) 145
3.3. Выводы по разделу 152
4. Термомагнитное обогащение текущего пирротинового концентрата, включающее восстановительный обжиг в печах КС и магнитную сепарацию огарка. Исходные данные для ТЭР 157
Общие выводы по работе 169
Список использованных источников 171
- Переработка пирротинового концентрата на предприятиях Канады
- Превращения основных минералов концентратов при нагреве в различных средах
- Изучение процесса термообогащения пирротинового концентрата в газовых смесях
- Термомагнитное обогащение текущего пирротинового концентрата, включающее восстановительный обжиг в печах КС и магнитную сепарацию огарка. Исходные данные для ТЭР
Введение к работе
Сульфидные медно-никелевые руды, как правило, содержат повышенные количества пирротина. Возрастающие требования защиты окружающей среды от вредных выбросов в атмосферу потребовали резкого сокращения количества серы в концентратах, поступающих в металлургическое производство. Это может быть осуществлено при обогащении руд при достаточно полном выводе пирротиновых концентратов в самостоятельный продукт, не попадающий в плавильное производство. На предприятиях Канады пирроти-новый концентрат в настоящее время полностью складируется. Однако в выводимых пирротиновых концентратах содержатся цветные и благородные металлы. В связи с этим актуальна задача вовлечения пирротиновых концен- > тратов в переработку, исключающую выделение серы в атмосферу.
В Заполярном Филиале ОАО «ГМК «Норильский никель» в 1979 году в составе Надеждинского металлургического завода было сдано в эксплуатацию гидрометаллургическое производство переработки пирротинового концентрата с получением элементной серы, концентрата цветных металлов, не содержащего серу, и отвального железистого кека. Концентрат цветных металлов поступает на взвешенную плавку совместно с никелевым концентратом.
Однако технология переработки пирротинового концентрата на НМЗ является весьма затратной. Ее применение может быть оправдано лишь при высоких ценах на цветные металлы. В связи с этим значительная часть образующегося пирротинового концентрата продолжает складироваться.
Автор выражает глубокую признательность д. т. н. Л.Н. Ерцевой
за творческое сотрудничество и соруководство при выполнении работы.
Необходима разработка новой более эффективной технологии переработки пирротинового концентрата. Одним из вариантов является технология, основанная на его термическом обогащении. Данная технология позволяет получать обогащенный цветными металлами металлический полупродукт и отвальный сульфидный концентрат.
Целью диссертационный работы является разработка технологии термообогащения пирротиновых концентратов с получением металлического полупродукта на основе железа, коллектирующего цветные и благородные металлы, содержащиеся в исходном пирротиновом концентрате, и отвального сульфидного продукта - сульфида железа.
Реализованы эксперименты по термическому обогащению пирротиновых концентратов в контролируемой атмосфере с использованием лабораторных и пилотных установок. В качестве исходных использованы концентраты ЗФ ГМК «Норильский никель»: пирротиновый концентрат текущей добычи, лежалый пирротиновый концентрат хвостохранилища, малоникелистый пирротиновый концентрат. Все материалы изучены с применением методов химического, рентгенофазового, дифференциального термического анализов, а также методов световой микроскопии, растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа.
Работа содержит литературный обзор современного состояния технологии переработки пирротиновых концентратов, характеристику пирротиновых концентратов ГМК «Норильский никель» и сведения о превращениях основных минералов концентратов при нагреве в различных средах. Одна из глав посвящена исследованию термодинамических закономерностей взаимодействия халькопирита, пирротина и пентландита с восстановительными газами - водородом и закисью углерода. Основная часть работы содержит результаты исследования процесса восстановительной термообработки различных промышленных типов пирротиновых концентратов ЗФ ГМК «Норильский никель» в трубчатой и в конвейерной печах и печи КС при изменении
технологических параметров процесса. Кроме того, изучены продукты магнитной сепарации огарков восстановительной термообработки. На основании полученных данных выполнен расчет исходных данных для ТЭР.
Научная новизна работы
Выполнен термодинамический анализ процесса взаимодействия восстановительных газов Нг и СО с основными минералами медно-никелевых руд - пирротином, пентландитом и халькопиритом в диапазоне температур 500-1500С при различном отношении твердое/восстановитель. Установлено, что водород в этих процессах является заметно более эффективным восстановителем, чем CO.. Расчетная степень восстановления меди халькопирита в исследованном диапазоне не превышала 32,1%, а никеля пентландита -50,49%.
Изучены физико-химические закономерности процесса и механизм образования металлической фазы, коллектирующей никель, кобальт, платину, палладий при восстановлении разных типов технологических пирротино-вых концентратов: текущего, лежалого и малоникелистого.
Изучены физико-химические закономерности процесса восстановления технологических пирротиновых концентратов в печи КС, в том числе, исследовано вещественное строение продуктов восстановления и состав отходящих газов по ходу процесса. Установлено, что продуктами восстановительной термообработки являются металлический сплав, коллектирующий никель и кобальт исходного концентрата, и отвальный сульфид железа.
Установлено существование равновесия процесса перехода никеля, содержащегося в пирротине исходного концентрата, в металлическую фазу, образовавшуюся в процессе восстановительной термообработки.
Методы исследования
Выполнен термодинамический анализ процессов взаимодействия халькопирита, пентландита и пирротина с газообразными восстановителями (СО и Н2). Реализованы эксперименты по термическому обогащению пирротино-вых концентратов в контролируемой атмосфере с использованием лабораторных и пилотных установок. В качестве исходных использованы концентраты ЗФ ГМК «Норильский никель»: пирротиновый концентрат текущей добычи, лежалый пирротиновый концентрат хвостохранилища, малоникелистый пирротиновый концентрат. Все материалы изучены с применением методов химического, рентгенофазового, дифференциального термического анализов, а также методов световой микроскопии, растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа.
Практическая значимость
Разработана технология переработки пирротиновых концентратов, включающая термическую обработку в неокислительной среде с последующей магнитной сепарацией полученного огарка с получением магнитного полупродукта, содержащего цветные и благородные металлы, и выведением сульфида железа в отвальный продукт.
На защиту выносятся:
Результаты термодинамического анализа процессов взаимодействия халькопирита, пентландита и пирротина с газообразными восстановителями (СО и Н2).
Результаты исследования процесса восстановительной термообработки различных промышленных типов пирротиновых концентратов ГМК «Норильский никель» в трубчатой и конвейерной печах и печи КС при изменении технологических параметров процесса, а таюке исследования продуктов магнитной сепарации огарков восстановительной термообработки
3. Технология термического обогащения разных типов технологических пирротиновых концентратов с получением магнитной металлической составляющей, коллектирующей цветные и благородные металлы.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на заседаниях НТС ГМК «Норильский никель» 1992-2004 гг., на I и II Международных симпозиумах «Проблемы комплексного использования руд», С-Пб, 1994, 1996 гг., на Международном симпозиуме «Advanced processing of metals and materials», San Diego, USA, 2006 и др.
Переработка пирротинового концентрата на предприятиях Канады
Завод по переработке пирротинового концентрата был введен в эксплуатацию в 1956 году и расширен и реконструирован в 1962 году [9-11]. Отдельная переработка пирротиновых концентратов была важна с нескольких точек зрения. Благодаря переработке пирротинового концентрата железо из него переводилось в форму, пригодную для использования в черной металлургии, сера утилизировалась в производстве серной кислоты, извлекалось наибольшее количество содержащихся в пирротиновом концентрате цветных металлов. Производительность завода составляла 600 тыс. тонн в год прокаленных железных окатышей. Технологическая схема завода состояла из следующих переделов: окислительный обжиг в печах КС - восстановление в трубчатых печах - выщелачивание огарка в аммиачно-карбонатном растворе - окатывание и спекание полученного нерастворимого остатка. Окатанные и спеченные железные окатыши являлись товарным продуктом завода. Никельсодержащие растворы от выщелачивания огарка использовались для производства основного карбоната никеля и черновой закиси никеля. Газы обжиговых печей КС, концентрированные по диоксиду серы, утилизировались с производством серной кислоты. На заводе производилось 800 тыс. т/г серной кислоты.
Пирротиновый концентрат, получаемый заводом с фабрики Copper Cliff, содержал, % масс: Ni - 0,75; Си - 0,005; Fe - 58; S -35; Si02 -2. При окислительном обжиге в печах КС из концентрата выжигалась сера при температуре 760С, чтобы получить активный огарок при последующих операциях восстановления и выщелачивания. Обжиг проводился в шести печах КС. При выходе из печи готовый огарок вместе с отходящими газами проходил через циклон, где улавливалось 85% огарка, унесенного из печей. Уловленный огарок самотеком поступал во вращающуюся печь. Огарок и газы, выходящие из печи, проходили через котел-утилизатор. Производительность двух котлов-утилизаторов составляла 32 т/час пара. Этим паром обеспечивались все технологические потребности завода, а также турбогенератор, снабжающий завод электроэнергией. Газ обжиговой печи, содержавший 12% сернистого ангидрида, направлялся на сернокислотную установку.
Огарок печей КС состоял, в основном, из окиси железа, но содержал также небольшое количество никеля в виде феррита. Огарок из печей КС попадал во вращающуюся печь для восстановления. Восстановление шло горячими восстановительными газами, образовавшимися при горении природного газа, и подачей природного газа. Феррит никеля в этих условиях практически полностью переходил в металлический никель, который растворялся при последующем выщелачивании. Восстановленный огарок разгружался в закалочный бак с водой. Этим предотвращалось окисление металла при контакте с воздухом. Пульпа перекачивалась на выщелачивание. Выщелачивание в аэрируемом аммиачном растворе углекислого аммония велось для растворения содержащихся в огарке никеля, кобальта и меди. Остаток от выщелачивания отделялся от насыщенного раствора, промывался, обезвоживался, сгущался и окатывался без добавок. Для увеличения прочности окатышей в процессе последующей сушки и обжига добавлялись известь и бетонит в количестве от 0,25 до 0,5% на сухой вес. Сушка производилась при 300С, окатыши частично окислялись при 538С и подвергались воздействию горячих окислительных газов при температуре до 1350С. Подсушенные окатыши обжигались на аглоленте и являлись товарным продуктом.
Насыщенный раствор от выщелачивания подогревался в баках для осаждения меди водным раствором сульфида натрия. Вместе с медью осаждалась часть никеля и кобальта. Этот осадок направлялся на плавку. Из очищенного раствора никель удалялся содой (Na2C03) в виде основного карбоната никеля, который использовался для разных целей. Часть карбоната никеля прокаливалась в трубчатой печи до получения закиси никеля. После внедрения новой технологии обогащения и плавки коллективного концентрата на заводе Copper Cliff пирротиновый завод был закрыт, и пирротиновый концентрат складируется. Пирротиновый завод компании Falconbridge На заводе Falconbridge также перерабатывался пирротиновый концентрат. Он обжигался в печи КС. Огарок, состоящий из оксида железа и сульфатов цветных металлов, выщелачивался водой. При выщелачивании сульфаты переходили в раствор, из которого цветные металлы извлекались осаждением. Осадок направлялся на плавильный завод. Из остатка выщелачивания производились товарные железные окатыши. Из газов печей обжига метановым способом получали элементарную серу. Однако завод просуществовал только 3 года. Из-за резкого снижения цен на серу, производство ее стало убыточным, и в 1973 г завод был закрыт. В настоящее время пирротиновый концентрат складируется [9, 12, 13].
Превращения основных минералов концентратов при нагреве в различных средах
Как следует из данных раздела 1.2.1, пирротиновые концентраты в качестве основного минерала содержат пирротин различных модификаций. Общее содержание никеля в пирротиновом концентрате определяется как изоморфной примесью никеля в пирротине, так и содержанием пентландита - главного минерала никеля. Медь, содержащаяся в пирротиновых концентратах, сосредоточена в основном в минералах меди - халькопирите и куба-ните. Исследованию свойств этих минералов посвящена обширная отечественная и зарубежная литература, например, [40-42]: под свойствами подразумеваются морфологическая характеристика минералов и вариации их химического состава в различных типах товарных руд.
В настоящем разделе приведены сведения, имеющиеся в литературе, относительно превращений минералов и их срастаний при нагреве в различных средах.
Опубликованные работы по изучению процесса нагрева сульфидов в нейтральной среде можно разделить на две группы: а - нагрев моносульфидных (природных и синтетических) и мономинеральных материалов; б -нагрев синтетических и природных смесей сульфидных материалов.
Следует отметить, что большинство исследователей не ставили своей целью создание равновесных условий превращений, моделируя те или иные неравновесные технологические процессы.
Одной из причин, вызывающих превращения твердых веществ при нагреве, является термическая диссоциация. Вопросы термической диссоциации простых сульфидов железа (FeS) подробно рассмотрены в монографии Куликова И.С. [43], термической диссоциации FeS, FeS2, а также CuFeS2- в монографии Исаковой РА [44]. Термодинамика диссоциации сульфидов железа, а также механизм и кинетика этого процесса подробно рассмотрены Есиным О.А. и Гельдом П.В. [45].
В области изучения превращений сульфидных минералов наиболее полным и значительным являются исследования Горбуновой И.Е. [46-50]. В качестве исходного материала использованы мономинеральные фракции пирротина, пентландита и халькопирита (Норильский район) крупностью -0,5 + 0,1 мм, температурный интервал - 200-1000С. По результатам этой работы при нагреве пирротина до 1000С фазовые превращения не реализуются, основными являются структурные и магнитные превращения минерала. При нагревании пентландита выше 600С образуется моносульфидный твёрдый раствор (MSS по Куллеруду [51]), постепенно замещающий пентландит. При нагреве халькопирита выше 600С он теряет серу и превращается в мои-хукит Cu9Fe9S16, неустойчивый ниже 800С и распадающийся на а- и Р-халькопирит. При температуре выше 800С халькопирит диссоциирует на борнит и пирротин.
В работе [52]изучены продукты обжига пирротинового концентрата (основа - пирротин; пентландит - первые проценты, в виде отдельных зёрен и пламеневидных выделений в пирротине; халькопирит - единичные зёрна в виде свободных зёрен и немногочисленных сростков с пирротином; магне-тит-5-10%об). Крупность материала -0,16 + 0,025 мм. Установлено, что при повышении температуры до 600С происходит взаимодействие на контакте пирротин-халькопирит с образованием на границе новой фазы. При температуре выше 800С ни пентландит, ни халькопирит в продуктах не обнаружены, что является, по мнению авторов, следствием их взаимодействия с пирротином.
По данным Иоффе П.А. [53], использовавшего для диагностики метод ЯГРС, нагрев пирротина в аргоне до 800С приводит к стабилизации основного состояния и не сопровождается перестройкой кристаллической структуры в объёме, достаточном для её регистрации. При повышении температуры до 1000С зафиксирован высокотемпературный гексагональный пирротин. Поведение пентландита при нейтральном обжиге связано лишь с термодиффузионной перестройкой структуры. При этом отчётливо проявляется тенденция к образованию доминирующих связей никель-железо.
Войцеховский В.М. и Пискунов И.Н. [54] изучали фазовые превращения пирротинового концентрата при обжиге в диапазоне 160-950С в вакууме, в атмосфере азота, а также - воздуха и смесей (СО+СО2). При обжиге в атмосфере азота (t 500C) пламеневидные вростки пентландита в пирротине полностью исчезли, тогда, как крупные самостоятельные блоки остались без изменений, кроме выделения мелких капель моносульфидного твердого раствора.
В работе Ewers W.E. [55] изучалось поглощение никеля решёткой пирротина Fe sS в диапазоне температур 200-760С из водных растворов и расплавов солей. Построена зависимость DNi=f(T), величина коэффициента о Q О О диффузии никеля в пирротине составляет 10", 5x10" и 10" см /сек при температурах 620, 550 и 430С соответственно. В монографии Habashi F. [56] выполнен обзор существующих работ по изучению превращений халькопирита в различных средах. В работе приведена диаграмма состояния системы Cu2S-FeS по данным Копылова Н.И. и Новоселова С.С. [57], из которой следует, что в ассоциации с пирротином халькопирит исчезает при температуре 880, если содержание сульфида железа в сплавах превышает 52-53%, и при более низких температурах при снижении его содержания. Сплавы с соотношением Cii2S:FeS=40:60 плавятся при температуре 925С.
Сахарова М.С. с соавторами [58] считает: высокая подвижность меди обеспечивает переход меди из халькопирита в сульфиды железа, что способствует образованию новых минеральных фаз. При низких температурах (250-380С) образуется кубанит (Cu2FeS3), при возрастании температуры -халькопиритовый твёрдый раствор.
Лихачёв А.П. и Кукоев В.А. [59] изучали плавление и фазовые соотношения в сульфидных системах при нагреве материала в ампулах до 1400С, с разными скоростями охлаждения. Нагрев пирротиновой ассоциации (Ni 4; Cu 3; Fe 56; S 37% масс.) выше 700С приводит к исчезновению пентланди-та и постепенному (до полного) растворению халькопирита в пирротиновом твёрдом растворе, содержание меди в котором достигает при полном исчезновении халькопирита 3% масс, а никеля —4% масс, при растворении (замещении) пентландита.
Изучение процесса термообогащения пирротинового концентрата в газовых смесях
В обычных условиях значение энергии Гиббса обеих реакций в интервале 800-950С являются значительными положительными величинами и составляют по разным данным +(82,9-85,6) кДж/моль и +(55,2-53,7) кДж/моль. Однако, в условиях постоянного отвода образующихся газообразных продуктов реакций возможно образование металлического продукта в заметных объемах. Как известно [87], водород является более активным восстановителем, чем СО. В связи с этим, при изложении результатов исследования в настоящем разделе нами используется термин «слабо восстановительная среда» - по отношению к процессу восстановления в атмосфере окиси углерода (СО) и смесей с низким содержанием водорода; и «восстановительная среда» - по отношению к процессу восстановления в атмосфере водорода и обогащенных им смесей.
В рамках программы по разработке экологически чистой технологии для переработки пирротинсодержащих продуктов Норильско-Талнахского месторождения в 1994-2001 гг. был выполнен ряд работ по изучению основ процесса термического обогащения пирротинсодержащего сульфидного сырья, в том числе, при реализации процесса в условиях трубчатой печи.
Для исследования процесса термообработки пирротиновых концентратов использованы следующие материалы: - пирротиновый концентрат ТОФ текущей добычи (I), состав, % масс: Ni -2,02; Си - 0,49; Fe - 48,6; Со - 0,093; S -27,7%;
- пирротиновый концентрат лежалый (II), состав, % масс: Ni - 1,22; Си - 0,53; Со - 0,058; Fe - 42,0; S - 12,5. Термообработка проведена в горизонтальной печи СУОЛ-0,25.1/12-М1, моделирующей трубчатую печь. Контроль температуры - автоматический. Лодочка с навесками помещалась в холодную печь, производилась герметизация, материал нагревался в токе азота либо аргона до заданной температуры. Затем инертный газ вытеснялся дозированным объемом газа-восстановителя, материал выдерживался заданное время при заданной температуре. После термообработки газ-восстановитель вытеснялся инертным газом при отключенном нагреве, происходило охлаждение материала t»500C, после чего образцы извлекались из печи, следовало быстрое охлаждение до комнатной температуры
Пробы концентратов обработаны в восстановительной среде: водорода и смеси Н2+СО (20-22% Н2+75-80% СО).
Из концентрата I приготовлены окатыши с размерами 10-15 мм; из концентрата II - отобраны "конгломераты с размерами 5 мм. Температурный интервал - 850-950С, время обжига - 30-120 мин.
Оптическое изучение продуктов термообработки текущего и лежалого концентратов показало, что общее строение материалов сохранилось, появилась новая фаза - металлическая, ассоциированная с пирротиновым твердым раствором. При более низких температурах продукты термообработки текущего концентрата представляют собой сильнопористый материал (крупные поры) при малом времени выдержки. С увеличением времени выдержки (удаление серы) материал уплотняется, появляется жидкая фаза, очевидно плавится мелкодисперсная фракция материала. При температуре 950С уплотнение пробы происходит быстрее. Для лежалого концентрата характерно такое же изменение макроструктуры.
При всех реализованных условиях обжига текущего концентрата формируется металлическая фаза с содержанием 11-30% Ni; 0,7-1,2% Со, объем которой зависит от температуры и времени обжига и составляет от 1-3 до 10 69 15% об. Сульфид железа незначительно обедняется никелем (до 0,2-0,8), и достаточно полно - кобальтом (до 0,01-0,04%) - при увеличении температуры и времени обработки. - пирротиновый твердый раствор; 2 - металлическая составляющая Рисунок 3.2 - Строение продуктов восстановительного нагрева текущего пирротинового концентрата, 950С, 60 минут, Н2, медленное охлаждение до 500С При восстановительной обработке текущего концентрата распределение никеля в образовавшейся металлической фазе имеет явно выраженный диффузионный характер (рисунок 3.3, а). Обращает на себя внимание тот факт, что на границах раздела металлическая фаза - пирротин содержание никеля в металлической фазе резко повышено.
Уменьшение содержания водорода в активной среде до 22% приводит к снижению объема металлической фазы при прочих равных условиях. Формируется достаточно крупный металл - до 30-40 мкм (10-20 мкм в большинстве опытов), структуры эвтектики не диагностированы. Судя по составу пирротинового твердого раствора (Ni- 0,23-0,85%) в процессе нагрева не происходит взаимодействия исходного пирротина с другими сульфидными минералами.
Термомагнитное обогащение текущего пирротинового концентрата, включающее восстановительный обжиг в печах КС и магнитную сепарацию огарка. Исходные данные для ТЭР
Предлагаемая технология может быть реализована для переработки пирротиновых концентратов ЗФ ГМК «Норильский никель». Концентрат должен быть смешан с железосодержащей добавкой в соотношении около 3/1 по массе. Так как при переработке всего объема текущего пирротинового концентрата (830500 т/год) необходимо более 250000 т железосодержащей добавки, то возможно использовать рудный магнетито-вый концентрат, который в настоящее время из рудного сырья не выделяется, но ранее извлекался и складировался. Таким образом, возникает необходимость при выполнении ТЭР учесть затраты на его выделение с учетом имеющихся запасов. На данной стадии исследований установлено, что характеристики процесса термообогащения пирротинового концентрата при использовании железного кека и магнетитового концентрата не различаются.
Смешивание концентратов может проводиться в шнекосмесителях (валковый смеситель) длиной не менее 5 метров. Основными задачами смесителей являются: -а) обеспечение тщательного перемешивания двух концентратов; б) поддержание влажности подаваемой на окатывание шихты в пределах 9-12%. Получить необходимую влажность шихты можно либо производя предварительную сушку концентратов, либо шихтуя концентрат после фильтрации с возвратом окатывания (мелким сухим классом). После смешивания шихта окатывается до крупности 0,1-1,0 мм без добавления связующего. Окатывание подготовленной шихты предполагается проводить на тарельчатых грануляторах диаметром 5 метров с изменяющимся углом наклона чаши к горизонту от 40 до 60 (аналог грануляторов - цех обжига Заполярный). Скорость вращения 6-9 об/мин. Оптимальная загрузка гранулятора 35-55 т/час. Необходимое количество грануляторов в работе 3 штуки.
Приготовленные окатыши направляются в печь КС для восстановления магнетита до металлического железа. Рекомендуемая температура процесса -900С, время обжига- не менее 30 минут. В качестве восстановителя предлагается использовать продукты сжигания природного газа (рекомендован стандартный конверсор), содержание водорода не должно быть ниже 10-12%. Отходящие газы дожигаются и очищаются до санитарных норм. Пылевынос составляет 25-35%, гранулометрический состав пылей: -0,1+0,05 мм, химический состав - соответствует химическому составу огарка, так никаких дополнительных химических взаимодействий в пылегазовом потоке не происходит. Вопросы утилизации тепла могут быть рассмотрены при выполнении ТЭР.
Образовавшаяся при восстановлении магнетита металлическая фаза за счет диффузионных процессов коллектирует в себе никель, кобальт и медь, содержащиеся в пирротине в качестве изоморфных примесей. Огарок печи КС охлаждается (рекомендована азотная камера) и направляется на магнитную сепарацию для выделения металлической составляющей, содержащей основную долю цветных и благородных металлов.
В основу расчетов положены данные, полученные при исследовании процесса термообработки текущего, лежалого и малоникелистого пирро-тиновых концентратов ЗФ ГМК «Норильский никель», проведенного в лабораторных условиях, моделирующих КС, в газовых смесях с содержанием водорода от 8,2 до 32,8%, окиси углерода от 8,3 до 14,6%, двуокиси углерода от 6,0 до 14,0. Навеска шихты для исследований составляла 2-3 и 40 г.
Установлено, что при восстановлении концентратов в диапазоне температур 850-900С за время 20-30 минут в присутствии железосодержащей добавки образуется материал, содержащий 5-15% об. металлической фазы крупностью от 5-10 до 30-50 мкм, коллектирующей никель и кобальт (5-20% масс, и 0,3-1,9% масс, соответственно), и сульфид железа состава троилита, содержащий 0,2-0,3% масс, никеля и менее 0,05% масс кобальта. Показано, что существует возможность разделения огарка магнитной сепарацией с получением металлизированного (% масс: Ni - 10,0; Со - 0,52; Си -2,0; Fe - 80,0; S - 5,0) и отвального (% масс: Ni - 0,12; Со - 0,01; Си - 0,49; Fe - 42,8; S - 27,8) продуктов.
Расчет состава и теплосодержания восстановительного газа Расчет состава восстановительного газа проводился исходя из условия термодинамического равновесия. При расчете была принята воздушная конверсия природного газа при а = 0,4. При таких условиях, с одной стороны, содержание Н20 и С02 в газе невелико, с другой - не происходит образования сажистого углерода. Температуру восстановительного газа принимали равной максимально развиваемой температуре при конверсии природного газа, когда тепловой эффект реакции равен теплосодержанию продуктов конверсии. По результатам расчета получен следующий состав восстановительного газа, % об.: 12,98 Н2, 6,98 СО, 3,65 Н20, 1,33 С02, 75,06 N2. Температура восстановительного газа равна 950С, а его энтальпия - 42,66 ккал/моль.
В расчете использовались следующие химические составы пирротинового и магнетитового концентратов, % масс: 2,70 Ni, 1,00 Си, 0,13 Со, 49,0 Fe, 29,5 S, 6,20 Si02, 2,05 CaO, 1,50 MgO, 2,30 A1203 (пирротиновый концентрат); 0,30 Ni, 0,16 Си, 0,03 Co, 53,9 Fe, 4,50 S, 6,00 Si02, 2,00 CaO, 1,55 MgO, 3,00 A1203 (магнетитовый концентрат).
