Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время в мировой практике производства меди из медного сульфидного сырья отмечается явная тенденция к переходу на технологии получения черновой меди непрерывным конвертированием. Периодический способ конвертирования в горизонтальных конвертерах Пирс-Смита, традиционно применяемый в производстве меди, не отвечает современным требованиям экологического характера.
Среди наиболее известных зарубежных процессов непрерывного конвертирования, уже внедренных в производство, следует отметить: «Mitsubishi» (Япония);«Kennecott-Outokumpu» фирмы «Outotec» (Финляндия); «Ausmelt» (теперь «Outotec» Финляндия); кислородно-взвешеное конвертирование компании «Vale Inco».
В последние годы в ООО “Институт Гипроникель” совместно со специалистами предприятий ОАО “ГМК “Норильский Никель” ведется разработка новой технологии непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов в двухзонной конверторной печи Ванюкова (ДКПВ) с получением черновой меди и шлаков, содержащих в значительных количествах медь и никель.
Процесс непрерывного конвертирования в ДКПВ может быть представлен следующим образом. В окислительную зону печи подается медное никельсодержащее сульфидное сырьё, флюсы и уголь. Через фурмы печи подается кислородно-воздушная смесь и природный газ. Образующиеся в процессе плавки черновая медь и шлак с высокой концентрацией оксидной меди, поступают в восстановительную зону печи, где происходит обеднение шлака по меди газовой смесью, формирующейся в результате сжигания природного газа в кислородно-воздушной смеси в условиях дефицита кислорода. Обедненный шлак и черновая медь выпускаются из печи непрерывно.
Технология прошла значительную экспериментальную проверку, включая опытно-промышленные испытания. Полученные результаты показали очевидные преимущества этого процесса перед альтернативными способами конвертирования медного никельсодержащего сульфидного сырья.
Несмотря на представительный масштаб испытаний, ряд важных аспектов нового процесса изучен явно недостаточно. В частности, до настоящего времени не определён оптимальный состав шлаков по флюсующим компонентам, не исследован процесс обеднения шлаков, характеризующихся высоким содержанием оксидов меди, железа и никеля. Отсутствуют сведения о таких важнейших свойствах шлака, как плотность, поверхностное натяжение и вязкость, особенно важных при реализации процессов барботажного типа.
Цель работы – выбор оптимальных составов шлаков процесса непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов для достижения высоких технологических показателей и безаварийной эксплуатации ДКПВ.
Научная новизна
1. Показано, что шлаковые расплавы непрерывного конвертирования системы FeO-Fe2O3-SiO2-CaO-Al2O3-Cu2O-NiO, склонны к насыщению шпинелью на основе треворита (NiFe2O4). Установлена взаимосвязь межу содержанием шпинели в шлаке, его составом и температурой.
2. Определены температуры ликвидуса шлаков системы FeO-Fe2O3-SiO2-CaO-Al2O3-Cu2O-NiO в широком диапазоне составов.
3. Получены данные о растворимых формах нахождения меди в шлаковых расплавах непрерывного конвертирования. Определено наличие растворённой меди нулевой валентности. Установлена взаимосвязь между отношениями SiO2/CaO и Fe3+/Fe2+ в шлаке и соотношением растворённых металлической и оксидной меди.
4. Определены плотность и поверхностное натяжение шлаковых расплавов систем: SiO2-FeOx-Cu2O, SiO2-FeOx-Cu2O-NiO и FeO-Fe2O3-SiO2-CaO-Al2O3-Cu2O-NiO в широком диапазоне составов и температур.
5. Определена вязкость шлаковых расплавов, системы FeO-Fe2O3-SiO2-CaO-Al2O3-Cu2O-NiO, в широком диапазоне составов и температур.
Практическая значимость работы
1. На основе выполненных исследований строения и свойств шлаков определен их оптимальный состав для окислительной и восстановительной стадий процесса непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов и установлен оптимальный температурный режим.
2. Установленные закономерности изменения технологических параметров процесса в зависимости от состава загружаемого металлосодержащего сырья и флюсов могут быть использованы при разработке алгоритма управления процессом непрерывного конвертирования с получением черновой меди.
3. На основании выполненной работы разработан технологический регламент на проектирование технологии непрерывного конвертирования медного никельсодержащего сульфидного сырья в ДКПВ применительно к его реализации на Медном Заводе ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель». На основании технологического регламента выполнены технико-экономические расчёты. Результаты ТЭР показали, что решение экологических проблем по технологии непрерывного конвертирования существенно эффективней, чем с использованием действующей технологии в конвертерах Пирс-Смита. Капитальные вложения составят 298 млн. $, что на 314 млн.$ меньше, чем по существующей технологии. Сравнительный чистый дисконтированный доход составляет 328,3 млн. $.
Методы исследований. Термодинамический анализ, экспериментальные исследования процесса непрерывного конвертирования с получением черновой меди. Для исследований использовались: методы химического анализа продуктов, растровая электронная микроскопия (РЭМ), рентгеноспектральный микроанализ (РСМА), рентгенофазовый анализ (РФА), дифференциально-термический анализ (ДТА). Для определения поверхностного натяжения и плотности шлаков применяли метод максимального давления в газовом пузырьке, для определения вязкости - вибрационный метод.
Основные защищаемые положения
1. Содержание тугоплавкой шпинели на основе треворита в шлаковых расплавах системы FeO-Fe2O3-SiO2-CaO-Al2O3-Cu2O-NiO контролируется температурой и суммой концентраций в шлаке (Fe+Ni).
2. Степень обеднения шлаков окислительной стадии процесса непрерывного конвертирования определяется кондиционным содержанием никеля в черновой меди.
3. Выбор оптимального состава шлака для реализации процесса непрерывного конвертирования базируется на знании таких важнейших свойств шлаковых расплавов как плотность, поверхностное натяжение и вязкость с учётом полученных данных об их строении и температуре ликвидус.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена соответствием между данными термодинамического анализа и данными экспериментальных исследований, обусловленных использованием современных и надежных методов исследований.
Апробация работы. Результаты работы доложены на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ООО «Институт Гипроникель» 17 июня 2010г; на Fray International Symposium «Metals and Materials Processing in a Clean Environment», November 27 - December 1, 2011, Cancun, Mexico; на научно-техническом совете (НТС) ООО «Институт Гипроникель» 14 марта 2012г.; на НТС ОАО «ГМК «Норильский никель» 20 апреля 2012г.
Личный вклад автора состоит в анализе существующих процессов непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов; постановке задачи и разработке общей методики исследований; термодинамическом анализе нового процесса; проведении, обработке и обобщении экспериментальных исследований; непосредственном участии в разработке технологического регламента на проектирование процесса непрерывного конвертирования в ДКПВ и подготовке публикаций.
Автор выражает сердечную благодарность за внимание, содействие и поддержку на различных этапах выполнения диссертационной работы д.т.н. Ерцевой Л.Н., (ООО «Институт Гипроникель», г. С.-Петербург), д.т.н. Селиванову Е.Н., д.т.н. Чумареву В.М. (Институт металлургии УрО РАН, г. Екатеринбург).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из них 5 научных работ – в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 209 страниц машинописного текста, 97 рисунков, 35 таблиц, список литературы из 121 наименований.
