СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОКИСЛЕННОЙ НИКЕЛЕВОЙ РУДЫ Российский патент 2002 года по МПК C22B23/02 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству ферроникеля и никеля из окисленных никелевых руд.

Из уровня техники известен наиболее распространенный способ переработки окисленных никелевых руд [1], по которому к подготовленной к плавке окисленной никелевой руде добавляют сульфидирующие добавки, далее осуществляют плавку в шахтной печи и получают никелевый штейн и шлак. Затем никелевый штейн перерабатывают в конвертере на файнштейн. Файнштейн, в свою очередь, перерабатывают на закись никеля, после чего из закиси никеля в электропечи получают черновой никель, который может быть и товарным.

Из сказанного выше следует, что известный способ довольно сложен, его отличают значительные энергозатраты, его реализация требует применения большого количества металлургического оборудования.

Известен способ переработки окисленной никелевой руды в доменной печи по технологии, близкой к общеизвестной технологии переработки железной руды в доменной печи [2]. При этом в доменной печи получают не никель, а чаще всего сплав никеля с чугуном. В полученном сплаве оказывается сравнительно небольшое количество никеля (как правило, не более 15%).

Из уровня техники известен также принятый за прототип способ переработки окисленной никелевой руды в электроплавильном агрегате [3], по которому в плавильный агрегат подают порции шихты из подготовленной никельсодержащей руды, углеродистого восстановителя и флюсовых добавок. В агрегат подают также энергию, достаточную для расплавления шихты и восстановления в ней никеля из оксидов никеля и части железа из оксидов железа углеродистым восстановителем, при этом получают ферроникель и шлак. Последние затем удаляют из плавильного агрегата. В качестве плавильного агрегата используют электропечь.

Недостаток принятого за прототип способа - сравнительно большой расход энергии и восстановителя, т.к. в условиях используемой электроплавки и наличии высокой температуры в печи восстанавливаются не только никель и железо из их оксидов, но и другие металлы из своих оксидов, которые, как правило, содержатся в никелевой руде, например, кремний, хром, марганец и др. Последующее рафинирование от нежелательных примесей требует дополнительных затрат и средств для приобретения дорогостоящего оборудования.

Новизна предлагаемого технического решения заключается в следующем. До подачи в плавильный агрегат порции шихты в агрегате расплавляют заданную массу ранее произведенного ферроникеля, этой массе обеспечивают вращение до образования лунки параболоидной формы заданной геометрии. Углеродистый восстановитель первоначально вводят в расплавленный жидкий ферроникель в пределах до 2,5% и температуру ферроникеля снижают до 1350-1450^oС. Порции шихты расплавляют на поверхности параболоидной лунки, причем энергию на расплавление и на восстановление никеля и части железа из оксидов в шлаковом расплаве вводят пропорционально массе подаваемой шихты как от поверхности углеродистого расплава ферроникеля, так и через поверхность образующегося шлакового расплава. Основную часть никеля из оксида никеля и часть железа из оксидов железа восстанавливают углеродом ферроникелевого расплава до тех пор, пока в ферроникеле содержание углерода не понизится до 1-1,2%. Обедненный по никелю шлак удаляют после переработки каждой порции шихты, а после слива последней порции температуру ферроникеля повышают до величины, превышающей температуру плавления ферроникеля на 50-100^oС, и из ферроникеля удаляют остатки углерода. Вновь полученный безуглеродистый ферроникель удаляют из плавильного агрегата, а оставшуюся часть расплава вновь науглероживают до 2,5% и операции повторяют.

Удаление ферроникеля из плавильного агрегата осуществляют после неоднократного науглероживания ферроникеля с 1-1,2% до 2,5% и повторения в периоды между операциями по науглероживанию ферроникеля операций по восстановлению основной части никеля и части железа из их оксидов в нескольких расплавляемых порциях шихты.

Освобождение ферроникеля от углерода рекомендуется осуществлять за счет введения в углеродистый ферроникель закиси никеля, кислород которой будет окислять углерод.

Вращение ферроникеля в плавильном агрегате рекомендуется осуществлять электромагнитным полем, создаваемым магнитогидродинамическим устройством.

Подачу энергии от поверхности углеродистого ферроникеля рекомендуется осуществлять за счет постоянного отвода части ферроникеля из плавильной камеры агрегата, ее нагрева индукционным током и возвращения в плавильную камеру. Ввод энергии через поверхность образующегося шлакового расплава рекомендуется осуществлять за счет сжигания топлива над поверхностью шлакового расплава.

Удаляемый из плавильного агрегата обедненный по никелю шлак в жидком виде рекомендуется подавать в другой агрегат, содержащий расплавленный чугун, с заданным содержанием углерода, и углеродом чугуна восстанавливать содержащие в шлаке оксиды железа и остатки оксида никеля, после чего освобожденный от железа шлак рекомендуется удалять из агрегата, а в чугун вводить углерод до содержания, соответствующего заданному содержанию в товарном чугуне, затем удалять из агрегата, а в оставшуюся часть чугуна вводить углерод до заданного содержания и операции по переработке обедненного по никелю шлака повторять.

Удаление товарного чугуна из другого агрегата рекомендуется осуществлять после неоднократного повторения операций по восстановлению железа из оксидов из подаваемых порций обедненного по никелю шлака.

В каждую подаваемую порцию обедненного по никелю шлака рекомендуется вводить добавки, которыми в шлаке можно будет изменять химический состав, с целью получения из шлака необходимой товарной продукции (цемента, шлаковаты и т.д.).

Никелевые расплавы, так же как и железные расплавы, могут растворять углерод, при этом температура плавления никелевого расплава при доведении содержания углерода до 2,2% снижается с 1450^oС до 1320^oС, а у железного расплава при доведении содержания углерода до 4,2% с 1536^oС до 1147^oС. Если на указанных науглероженных расплавах размещать шлаковые расплавы, содержащие оксиды никеля и оксиды железа, то углерод этих расплавов будет восстанавливать никель и железо из их оксидов с наибольшей активностью, причем в первую очередь будет восстанавливаться никель из оксида, поскольку у никеля стандартная свободная энергия образования оксида намного меньше, чем стандартная свободная энергия образования оксида у железа. Рекомендуемая сравнительно низкая температура углеродистого расплава (1350-1450^oС) также будет способствовать снижению восстановимости железа из оксидов.

Активное восстановление никеля из оксидов будет также усилено еще и тем, что на границе металл-шлак будет иметь место некоторый противоток между шлаком и металлом, т.к. из-за разности воздействия электромагнитного поля на металл и шлак скорости вращения металла и шлака разные.

Образование лунки параболоидной формы при создании вращения металла позволяет увеличить площади контакта между шлаком и металлом, а чем больше будет эта площадь, тем активней будет происходить массообмен между шлаком и металлом в процессе восстановления никеля и части железа из их оксидов углеродом, растворенным в металле.

Подаваемая на расплав шихта будет расплавляться на поверхности указанной лунки. От металлического расплава энергии на расплавление шихты, перегрев расплава и восстановление никеля и части железа из оксидов может оказаться недостаточно (обычно это количество энергии до 1 МВт). В результате производительность плавильного агрегата для осуществления предлагаемого способа окажется сравнительно небольшой. Чтобы производительность агрегата была сравнительно большой, следует установить ее соответствие скорости массообменного процесса при восстановлении никеля и части железа из оксидов в шлаковом расплаве на единице площади границы между металлом и шлаком. Поскольку массообменный процесс на этой границе, да еще при наличии некоторого противотока между шлаком и металлом, значителен и превышает, например, в десятки раз массообменные процессы в доменной печи [4, с.77-81, табл.3], то сверху может подаваться значительное количество энергии, например, до 10 МВт. Таким образом, сравнительно небольшой по массе агрегат может реализовать сравнительно большую энергию на плавку и иметь сравнительно большую производительность, сопоставимую, например, с известным электроплавильным агрегатом, масса которого примерно в два раза большая. Подача энергии сверху может осуществляться, например, через горелки (газовые, топливно-кислородные, мазутные) или плазмотроны, если при плавке необходимо будет иметь шлак с высокой температурой плавления.

Поскольку восстановление никеля из оксида осуществляется в основном из металлического расплава, то содержание углерода в расплаве будет снижаться. Рекомендуется это снижение допускать до содержания 1-1,2%, а затем вновь повышать до 2,5%. При таком диапазоне содержания углерода в ферроникеле температура ферроникелевого расплава может быть в пределах 1350-1450^oС, а при такой температуре углерод не будет активно восстанавливать оксиды железа, что и желательно в период восстановления основного количества оксида никеля.

Плавку окисленной никелевой руды на никель называют шлаковым процессом, т. к. оксида никеля в руде в десятки раз меньше, чем других оксидов в руде. Поэтому в процессе плавки никельсодержащей шихты шлак из агрегата, где осуществляется извлечение никеля, необходимо удалять несколько раз до того, как содержание углерода в ферроникелевом расплаве понизится до указанного 1-1,2%, а удаление ферроникеля целесообразно проводить из агрегата после нескольких науглероживаний ферроникеля. Но когда наступит очередь удалять из агрегата и никелевый расплав (вернее ферроникель с высоким содержанием никеля), то после удаления последней порции шлака температуру металлического расплава следует повысить до величины, при которой освобожденный от углерода никелевый расплав имел бы достаточную жидкотекучесть и его можно было бы легко слить из плавильного агрегата. Поэтому целесообразно иметь температуру расплава на 50-100^oС выше температуры плавления никелевого расплава без углерода и только тогда из расплава удалять углерод наиболее эффективным известным методом - введением в расплав закиси никеля.

Создавать вращение расплавленного в агрегате металла можно разными приемами, в том числе за счет вращения самого агрегата, но наиболее удобно это осуществлять за счет воздействия на металлический расплав вращающегося электромагнитного поля, создаваемого магнитно-гидродинамическим устройством (МГД-устройством), размещаемым вокруг круглой плавильной камеры агрегата, причем, чтобы вращающееся электромагнитное поле проходило через корпус и футеровку камеры, частоту питающего тока МГД-устройства принимают в пределах 1-3 Гц и корпус выполняют из немагнитного материала.

Чтобы увеличить глубину лунки во вращающемся расплаве, МГД-устройство можно выполнить так, чтобы наряду с вращающимся и электромагнитным полем, оно создавало дополнительное бегущее вертикально электромагнитное поле. Тогда при удалении расплава из агрегата и опускании в камере параболоидной лунки стенки камеры не будут освобождаться от слоя металла, футеровка стен не будет охлаждаться. Если затем в лунке будет накапливаться излишек шлака, то он не будет агрессивно действовать на футеровку камеры.

Рекомендацию подавать энергию к шлаку через ферроникель за счет постоянного отвода ферроникеля из плавильной камеры, его нагрева индукционным током и возвращения назад можно осуществить, если снизу к камере присоединить отъемную канальную индукционную единицу, причем не простую, а сдвоенную отъемную канальную индукционную единицу (СОКИЕ).

Для металлургической практики за рубежом СОКИЕ изготовляют до 2,5 МВт. Один из Российских заводов изготовляет СОКИЕ мощностью до 1 МВт. Такую СОКИЕ и целесообразно применить в агрегате для подачи энергии через ферроникель к шлаку снизу.

Как уже было сказано выше, энергии в 1 МВт для агрегата недостаточно, но подача такой энергии необходима не только для расплавления шлака. Во-первых, перед сливом ферроникеля из агрегата нужно повысить его температуру, во-вторых, следует поддерживать температуру ферроникеля при очередном науглероживании расплава углеродом в условиях необходимого прекращения подачи шихты и энергии сверху в агрегат. Для указанных целей энергии от СОКИЕ в 1 МВт вполне достаточно. Следует учесть и то, что металл на нагрев в СОКИЕ забирается из камеры через центральный канал подового камня СОКИЕ, а выдается подогретым через два боковых канала подового камня. Это обстоятельство удобно тем, что в период науглероживания расплава измельченный углерод можно будет подавать к входу в центральный канал подового камня, где он будет засасываться в этот канал и далее через боковые каналы поступать в камеру агрегата, эффективно растворяясь во вращающемся ферроникеле. Если часть углерода в ферроникеле не растворится, то он, пройдя через ферроникель, поступит к границе металл-шлак изнутри и может на границе или даже уже в шлаке выполнить свою функцию восстановителя никеля и части железа из их оксидов.

Удаляемый из плавильного агрегата шлак состоит из разных оксидов, в том числе в этом шлаке может быть значительное количество оксидов железа. На никелевых заводах содержащий оксиды железа шлак часто отправляют в отвалы, при этом выводятся из хозяйственного оборота значительные территории полезной земли и создается неблагоприятная экологическая обстановка.

Рекомендуется полученный при производстве ферроникеля шлак в жидком виде передавать в другой агрегат аналогичной конструкции, где из него извлекать железо и остатки никеля, который (предположительно до 20%) может еще остаться в шлаке. Если в первом агрегате процесс восстановления никеля и части железа из оксидов рекомендовалось осуществлять за счет углерода, растворяемого в ферроникеле, то во втором агрегате восстановление железа и остатков никеля рекомендуется осуществлять углеродом, периодически вводимым в чугун по технологии, аналогичной технологии восстановления никеля и железа в первом агрегате.

Получаемый во втором агрегате чугун будет легирован никелем, а такой чугун, как известно, реализуется на товарном рынке металлов с учетом содержания в чугуне никеля и по соответствующей цене.

Обедненные по железу и никелю шлаки могут быть пригодны для последующего изготовления из него полезной продукции, например, шлаковаты, каменного литья, цемента и др.

Пример. Окисленные никелевые руды отличаются большим разнообразием по содержанию в них оксидов. В никелевых рудах, например, Серовского месторождения содержание оксида никеля в сырой руде колеблется от 1,0 до 1,65%, а железа в руде от 8 до 40%. Из других оксидов никелевой руды можно назвать оксид кремния (от 25 до 45%), оксид магния (от 5 до 25%), оксид алюминия (от 2 до 15%) и др. Влаги в руде может быть от 20 до 40%.

В качестве сырья используется освобожденная от влаги окисленная никелевая руда, содержание никеля в которой - 1,5%, а железа 30%.

Согласно предлагаемой по способу технологии первоначально в плавильном агрегате должно расплавиться ограниченное количество заранее произведенного ферроникеля, например, с содержанием никеля 70-80%. Массу первоначально расплавляемого ферроникеля примем 3 т. Если диаметр круглой плавильной камеры агрегата принять 1,2 м, то высота невращающегося расплава ферроникеля будет примерно 300 мм. Если указанный расплав ферроникеля вращать со скоростью 50 или 60 об/мин, то глубина параболоидной лунки будет соответственно 500 и 700 мм.

В случае науглероживания 3 г ферроникеля до содержания 2,5% углерода в трех тоннах ферроникеля будет 75 кг. Если допустить при восстановлении оксидов снижение содержания углерода до 1%, то на восстановление может пойти 45 кг углерода. 45 кг углерода могут восстановить из оксида никеля более 200 кг никеля. Примем, что восстанавливается 200 кг (часть углерода пойдет на восстановление железа из оксидов железа).

Если в окисленной сухой руде будет, например, 1,5% Ni или 15 кг в одной тонне, то чтобы получить 200 кг Ni, надо переработать - 200:15=13,3 т сухой руды. Из этого следует, что в период между очередными науглероживаниями можно будет переплавить в агрегате 13,3 т сухой руды.

Подводимая к агрегату мощность может быть порядка 12 МВт. Если кпд нагрева окажется 67%, то на технологический процесс по расплавлению и восстановлению будет использоваться примерно 8 МВт мощности.

На расплвление и перегрев одной тонны сухой руды требуется примерно 700 кВт•ч. Восстановление оксида никеля требует незначительное количество энергии. Одна тонна восстановленного железа из оксидов требует энергии более 1000 кВт•ч, но железа в первом агрегате восстанавливается небольшое количество, поэтому и расход энергии на восстановление железа в первом агрегате будет небольшим. Расчеты показывают, что на расплавление 1 т сухой руды и восстановление Ni и Fe требуется энергии примерно 1000 кВт•ч. При подаче на технологические нужды в агрегат энергии в 8 МВт можно переработать 8 т сухой руды в час.

Если в сутки сухая руда будет перерабатываться 20 ч (4 ч положим на науглероживание), то в сутки можно будет переработать 160 т и надо будет произвести - 160:13,3=12 перерывов на науглероживание, причем каждое науглероживание должно длиться - 4•60:12=20 мин. Около 16 т шлака надо будет перелить во второй агрегат в течение 20 ч или 1200 мин. Если каждый раз удалять по 2 тонны шлака, то переливов в сутки будет 80, а средний интервал между переливами окажется 15 мин.

В 160 т сухой руды никеля будет - 160•15=2400 кг. Если после переработки сухой руды в шлаке остается до 20%, то в первом агрегате в сутки в ферроникель будет производиться до 2000 кг и эти 2000 кг (2 т) можно будет сливать только один раз в сутки.

Если агрегат будет работать в году 300 суток, то годовая производительность агрегата по никелю в ферроникеле будет 600 т. При этом 120 т никеля может оказаться в чугуне, который может быть получен во втором агрегате в количестве до 15000 т, если в руде будет до 30% железа.

При цене никеля, например, до 6000 долл. за 1 т и цене чугуна до 3000 руб. за 1 т и курсе доллара 28 руб. за 1 долл. доход от производства только никеля и чугуна (возможный доход от продажи шлака не учитывается) составит 720•6000•28+15000•3000 = 120960000+45000000 = 165960000 руб.

Если прибыль от реализации продукции будет, например, 50%, то стоимость сооружения агрегатов предположительно окупится в течение одного года.

Технический результат от применения заявляемого способа в сравнении с широко распространенным способом переработки окисленных никелевых руд, по которому окисленная никелевая руда подвергается сульфидированию, заключается в следующем:
предлагается практически безотходная и экологически безвредная технология производства ферроникеля с высоким содержанием никеля из окисленных никелевых руд;
технологический процесс переработки руды значительно упрощается, т.к. не производится сульфидирование окисленной руды;
из руды в товарный продукт извлекается и железо, причем при извлечении из шлака железа и перевода его в чугун энергии на расплав шлака не расходуется, т. к. шлак подается на извлечение железа и остатков никеля в жидком виде;
поскольку на первом этапе переработки шихты (в первом агрегате) не ставится задача полностью перевести никель в ферроникель, получаемый ферроникель может иметь высокое содержание никеля, предположительно до 90%. Недоизвлеченный никель не теряется, а извлекается на втором этапе в чугун, при этом повышается ценность получаемого чугуна;
при сравнительно небольших габаритах плавильной камеры плавильного агрегата и из-за того, что в агрегате осуществляются самые высокие возможные скорости массообмена между шлаком и металлом на границе шлак-металл, удается в агрегате сравнительно небольшой массы реализовать сравнительно большую мощность и достигнуть высокой производительности.

Источники информации
1. Худяков И.Ф., Кляйн С.Э., Агеев Н.Г. Металлургия меди, никеля, сопутствующих элементов и проектирование цехов. М.: Металлургия. 1993, 432 с.

2. Цейдлер А.А. Металлургия меди и никеля. М.: Металлургиздат, 1958, 391 с.

3. Тарасов Л.В., Уткин Н.Н. Общая металлургия. М.: Металлургия, 1997, с. 286-288.

4. Капустин Е.А. Перспективы альтернативных металлургических процессов. // Сталь, 1998, 8, с. 77-81.5

Способ относится к области металлургии, в частности к производству ферроникеля и никеля из окисленных руд. Способ включает подачу в плавильный агрегат порций шихты из подготовленной никельсодержащей руды, углеродистого восстановителя (УВ) и флюсовых добавок, подачу энергии на расплавление шихты и восстановление в расплаве никеля из оксида никеля и части железа из оксидов железа УВ, образование ферроникелевого расплава, удаление расплава и шлака из плавильного агрегата, причем до подачи в плавильный агрегат порции шихты расплавляют ранее произведенный ферроникель (ФН) и этой массе обеспечивают вращение до образования лунки параболоидной формы, УВ первоначально вводят в расплавленный жидкий ФН в пределах до 2,5%, температуру ФН снижают до 1350-1450^oС, порции шихты расплавляют на поверхности параболоидной лунки, энергию вводят пропорционально массе подаваемой шихты как от поверхности углеродистого расплава ФН, так и через поверхность образующегося шлакового расплава, основную часть никеля из оксида никеля и часть железа из оксидов железа восстанавливают углеродом расплава ФН до тех пор, пока в ФН содержание углерода не понизится до 1-1,2%, обедненный по никелю шлак удаляют после переработки каждой порции шихты, а после слива последней порции температуру ФН повышают до величины, превышающей температуру плавления ФН на 50-100^oС, и из ФН удаляют остатки углерода, вновь полученный безуглеродистый ФН удаляют из плавильного агрегата, а оставшуюся часть расплава вновь науглероживают до 2,5%, операции повторяют. Обеспечивается организация безотходной и экологически безвредной технологии переработки никелевых руд. 7 з.п. ф-лы.

1. Способ переработки окисленной никелевой руды, включающий подачу в плавильный агрегат порций шихты из подготовленной никельсодержащей руды, углеродистого восстановителя и флюсовых добавок, подачу энергии на расплавление шихты и восстановление в расплаве никеля из оксида никеля и части железа из оксидов железа углеродистым восстановителем, образование ферроникелевого расплава, удаление расплава и шлака из плавильного агрегата, отличающийся тем, что до подачи в плавильный агрегат порции шихты в агрегате расплавляют заданную массу ранее произведенного ферроникеля и этой массе обеспечивают вращение до образования лунки параболоидной формы заданного размера, углеродистый восстановитель первоначально вводят в расплавленный жидкий ферроникель в пределах до 2,5%, температуру ферроникеля снижают до 1350-1450^oС, порции шихты расплавляют на поверхности параболоидной лунки, причем энергию на расплавление и на восстановление никеля и части железа из оксидов в шлаковом расплаве вводят пропорционально массе подаваемой шихты как от поверхности углеродистого расплава ферроникеля, так и через поверхность образующегося шлакового расплава, основную часть никеля из оксида никеля и часть железа из оксидов железа восстанавливают углеродом ферроникелевого расплава до тех пор, пока в ферроникеле содержание углерода не понизится до 1-1,2%, при этом обедненный по никелю шлак удаляют после переработки каждой порции шихты, а после слива последней порции температуру ферроникеля повышают до величины, превышающей температуру плавления ферроникеля на 50-100^oС, и из ферроникеля удаляют остатки углерода, вновь полученный безуглеродистый ферроникель удаляют из плавильного агрегата, а оставшуюся часть расплава вновь науглероживают до 2,5%, после чего операции повторяют. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ферроникель удаляют из плавильного агрегата после науглероживания ферроникеля с 1-1,2 до 2,5%, в периоды между операциями по науглероживанию ферроникеля повторяют операции по восстановлению основной части никеля и части железа из их оксидов в нескольких расплавляемых порциях шихты. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для освобождения ферроникеля от остатков углерода в углеродистый ферроникель вводят закись никеля, кислородом которой углерод окисляют и переводят в удаляемую газовую фазу. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вращение массы ферроникеля осуществляют электромагнитным полем, которое создают магнитно-гидродинамическим устройством. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу энергии от поверхности углеродистого ферроникеля осуществляют за счет постоянного отвода части ферроникеля из плавильной части агрегата, который нагревают индукционным током и возвращают в плавильную камеру. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют ввод энергии через поверхность образующегося шлакового расплава за счет сжигания топлива над поверхностью шлакового расплава. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что удаляют из плавильного агрегата обедненный по никелю шлак в жидком виде и подают в другой агрегат, содержащий расплавленный чугун с заданным содержанием углерода, и углеродом чугуна восстанавливают содержащиеся в шлаке оксиды железа и остатки оксида никеля, после чего освобожденный от железа шлак обрабатывают добавками и удаляют из агрегата, а в чугун вводят углерод до содержания, соответствующего заданному содержанию в товарном чугуне, выплавленный из поданной порции шлака чугун удаляют из агрегата, в оставшуюся часть чугуна вводят углерод до заданного содержания и операции по переработке обедненного по никелю шлака повторяют. 8. Способ по любому из пп. 1 и 7, отличающийся тем, что товарный чугун удаляют из агрегата после повторения операций по восстановлению железа из оксидов из подаваемых порций обедненного по никелю шлака.