СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИКЕЛЕВОГО ШТЕЙНА Российский патент 2002 года по МПК C22B23/02 

Предлагаемое изобретение относится к способу переработки окисленных никелевых руд и может быть использовано для получения бедного никелевого штейна.

Распространенный в настоящее время способ переработки окисленных никелевых руд, содержащих 1,0% никеля и менее, заключается в переведении никеля в штейн, т.е. в сплав, содержащий сульфиды никеля и железа (Ni₃S₂ и FeS), и растворенное в них свободное железо, с последующей переработкой штейна известными способами.

Способ получения никелевого штейна включает восстановительно-сульфидирующую шахтную плавку окисленных руд в присутствии сульфидирующего агента (пирит, колчедан, гипс), флюсующего агента и металлургического кокса, являющегося одновременно и топливом и восстановителем.

Образующийся при плавке штейн, содержащий 10-16% никеля, выводится из печи периодически, а шлак, находящийся над слоем штейна, непрерывно [В.И. Смирнов, А.А. Цейдлер, И.Ф. Худяков, А.И. Тихонов. Металлургия меди, никеля, кобальта. Ч.II Изд. "Металлургия", 1966, с. 39-69].

Способ получения штейна плавкой в шахтной печи окисленных никелевых руд связан со значительным расходом кокса.

Удельный расход кокса при плавке никельсодержащих рудных брикетов составляет 28-35%, при плавке агломерата 20-25% от массы руды и агломерата.

Сократить расход кокса по данному способу не представляется возможным, поскольку при плавке на штейн заданного состава максимальное извлечение в него никеля достигается, в частности, за счет соблюдения оптимального расхода кокса. Во избежание увеличения потерь никеля со шлаками нельзя снижать удельный расход кокса ниже определенного предела.

Известен способ получения никелевого штейна восстановительно-сульфидирующей плавкой рудных брикетов в шахтной печи с использованием в качестве топлива - восстановителя металлургического кокса. Для уменьшения расхода металлургического кокса в рудные брикеты вводится коксовая мелочь, отсеваемая от металлургического кокса [И.Д. Резник. Совершенствование шахтной плавки окисленных никелевых руд. Изд. "Металлургия", 1983, с. 126].

Использование для плавки рудно-коксовых брикетов, содержащих 5% коксовой мелочи, позволяет снизить расход металлургического кокса на 3,3%, однако общий расход топлива увеличивается, т.к. часть введенной коксовой мелочи - 1,7% или 30% от введенной в брикеты коксовой мелочи теряется. Потери обусловлены частичным уносом коксовой мелочи с продуктами плавки, главным образом со шлаком. Это приводит к повышению вязкости шлаков и потерям никеля со шлаком. Данный способ не позволяет значительно сократить расход металлургического кокса.

Известен способ получения никелевого штейна восстановительно-сульфидирующей плавкой рудных брикетов с введением в брикеты высокосернистого нефтяного кокса замедленного коксования, содержащего в %: С^d-85-88; V^d-7-10; S^d ₁-3,8-4,5; А^d-0,4-0,9, где С^d - содержание углерода, V^d - выход летучих веществ, S^d ₁ - содержание серы, А^d - зольность.

В качестве топлива и восстановителя использовался металлургический кокс с содержанием, %: S^d _t-1,6; А^d-12,0; V^d-0,6.

Согласно этому способу, в брикеты вводилось 1,6-2,2 и 5,2% нефтяного кокса. При введении в рудные брикеты 5,2% нефтяного кокса расход крупного металлургического кокса сократился на 4,0%, однако, общий расход топлива увеличился на 1,2%. При расходе нефтяного кокса 1,6-2,2% отмечена некоторая экономия крупного металлургического кокса [И.Д. Резник. Совершенствование шахтной плавки окисленных никелевых руд. Изд. "Металлургия", 1983, с. 127]. Данное решение взято в качестве прототипа.

Таким образом, введение мелкого кокса, в том числе нефтяного, в рудные брикеты приводит к тому, что часть мелкого кокса из брикетов переходит в расплав и теряется вместе со шлаками, увеличивая их вязкость.

Увеличение содержания мелкого нефтяного кокса или коксовой мелочи, отсеваемой от металлургического кокса, в рудных брикетах будет сопровождаться снижением их прочности и поэтому нецелесообразно.

Перечисленные способы не дают возможности значительно понизить расход металлургического кокса и в настоящее время не применяются.

Недостатком известного способа, как и всех ранее отмеченных, помимо увеличения общего расхода топлива, является также использование в качестве топлива и восстановителя значительных количеств дорогостоящего металлургического кокса.

Задачей предполагаемого изобретения является устранение указанных недостатков.

Задача решается за счет того, что в способе получения никелевого штейна, включающем загрузку в шахтную печь шихты, содержащей окускованную окисленную никельсодержащую руду и топливо-восстановитель, восстановительно-сульфидирующую плавку, в качестве топлива-восстановителя используют металлургический кокс и сортовой каменный уголь с выходом летучих веществ не более 14 мас.%, преимущественно не более 7 мас.%, зольностью не более 20 мас.%, преимущественно не более 10 мас.%, и термостойкостью не менее 70%, преимущественно не менее 80%, взятые в соотношении (40-95): (60-5) мас.% соответственно.

Задача решается так же за счет того, что используют сортовой каменный уголь крупностью не менее 25 мм, преимущественно 25-150 мм. При этом содержание фракции 25-150 мм в сортовом каменном угле составляет не менее 80% маc.

Загрузку сортового каменного угля (далее по тексту - угля) и металлургического кокса в шахтную печь можно осуществлять одновременно в виде их смеси или послойно, при этом металлургический кокс загружают на слой угля.

Кроме того возможна раздельная загрузка металлургического кокса и угля путем чередования загрузок с металлургическим коксом и углем с сохранением заданного соотношения и суммарного расхода топлива и равномерности их распределения по объему печи.

Уголь имеет ряд преимуществ по сравнению с металлургическим коксом - он менее дефицитен, недорог, имеет повышенный восстановительный потенциал за счет более высокого выхода летучих веществ, главным образом водорода.

Считается, что уголь не пригоден для использования в качестве топлива и восстановителя в шахтных печах [И. Д. Резник. Совершенствование шахтной плавки окисленных никелевых руд. Изд. "Металлургия", М., 1983, с. 37.; В.И. Смирнов. Шахтная плавка в металлургии цветных металлов. Металлургиздат, Свердловск 1955 г.].

Проведенные авторами предполагаемого изобретения опытно-промышленные восстановительно-сульфидирующие плавки окисленных никелевых руд с заменой части металлургического кокса углем опровергли это утверждение.

Испытания с использованием в качестве топлива-восстановителя металлургического кокса и угля показали, что при восстановительно-сульфидирующей плавке окисленных никелевых руд в шахтной печи 5-60 мас.% металлургического кокса может быть заменено соответствующим количеством угля с показателями качества, указанными выше. При замене углем более 60% металлургического кокса увеличивается доля летучих веществ, выделяющихся в процессе нагревания угля в шахтной печи, что может сдвинуть процесс восстановительно-сульфидирующей плавки окисленных никелевых руд в направлении образования нежелательного продукта - ферроникеля, кроме того, ухудшается равномерность газопроницаемости шихты. Замена менее 5% металлургического кокса углем нецелесообразна вследствие снижения эффективности и повышения доли удельных затрат на организацию производства. Количество угля, используемое взамен части металлургического кокса, выбирается в каждом конкретном случае исходя из качества кокса, угля и руды, подаваемых на плавку, конструкции шахтной печи, характеристики склада кокса, транспортных средств, дозирующих устройств и ряда других обстоятельств.

Для обеспечения однородного гранулометрического состава топлива, подаваемого в шахтную печь, гранулометрический состав угля должен приближаться к гранулометрическому составу металлургического кокса, поэтому крупность угля должна быть не менее 25 мм, преимущественно 25-150 мм. Содержание фракции 25-150 мм в угле должно составлять не менее 80 мас.%.

Ограничение содержания выхода летучих веществ угля (V^d) не более 14 мас. % обусловлено необходимостью предотвращения сдвига процесса восстановления никеля в область, способствующую образованию нежелательного продукта плавки - ферроникеля. При использовании углей с выходом летучих выше 14% возможно увеличение содержания смолистых веществ в отходящих газах, что приведет к осаждению их из газа в газоходах, дымососах и другом оборудовании. Это может усложнить эксплуатацию оборудования. Поэтому предпочтительнее использовать уголь с меньшим выходом летучих веществ, 7% и менее, т.к. последний может использоваться при замене до 40-60% металлургического кокса, в то время как углем с выходом летучих 10-14% предпочтительнее заменять меньшее количество кокса (10-30%).

Ограничение зольности угля (А^d) не более 20 мас.% обусловлено снижением производительности шахтной печи за счет увеличения в шихте балластной части - золы угля. Поэтому предпочтительнее использовать уголь с меньшей зольностью - 10% и менее, что позволит дополнительно снизить удельный расход топлива-восстановителя в шихте без увеличения потерь никеля со шлаками.

Ограничение термостойкости угля не менее 70% (по ГОСТ 7714-75) обусловлено необходимостью сохранения газопроницаемости слоя шихты. При попадании в зону высоких температур угля с термостойкостью менее 70% некоторая его часть может разрушиться с образованием мелких фракций (менее 25 мм), что приведет к ухудшению газопроницаемости слоя шихты и соответственно к снижению производительности печи. Кроме того, разрушение кусков угля приведет к сужению зоны горения печи, что может нарушить технологию шахтной плавки и усложнит эксплуатацию оборудования. Поэтому предпочтительнее использовать уголь с термостойкостью 80% и более, что позволяет использовать максимальный диапазон замены кокса углем.

Металлургический кокс и уголь могут загружаться в шахтную печь совместно или раздельно. При использовании в качестве топлива-восстановителя металлургического кокса и угля возможны загрузки либо их смеси, либо послойно в одной загрузке, при этом предпочтительно слой металлургического кокса загружать на слой угля с целью предохранения менее прочного угля металлургическим коксом от ударных нагрузок других компонентов шихты, например кусков известняка и руды.

Кроме того, металлургический кокс и уголь могут загружаться в шахтную печь в раздельных загрузках путем различного чередования в зависимости от заданного их соотношения и расхода, при этом сохраняют общий расход и соотношение металлургического кокса и угля, а также равномерное их распределение по площади печи.

Применение (выбор) различных способов загрузок обусловлено совокупностью различных факторов, например условий, для хорошего смешения металлургического кокса и угля без их разрушения, условий складирования, наличия достаточного количества промежуточных расходных бункеров и дозаторов, количества угля, заменяющего металлургический кокс, и др. Например, при шахтной плавке с заменой 20-30% металлургического кокса углем при достаточном количестве расходных бункеров с дозаторами или других средств, обеспечивающих дозирование и смешение, возможно применение любого из перечисленных способов загрузки.

Предлагаемый способ был проверен в восстановительно-сульфидирующей плавке окисленных никелевых руд на промышленных шахтных печах высотой 5 м, длиной 14,5 м, шириной в области фурм ~ 1,4 м, с площадью сечения в области фурм ~ 20 м². В качестве рудной части шихты использовались брикеты размером 90 х 50 х 40 мм и кусковая руда с кусками крупнее 30 мм.

Расход металлургического кокса и угля во всех случаях сохранялся равным 32 мас. % от массы рудной загрузки. Количество угля в общей массе топлива изменялось от 5 до 60 мас.%.

Применялось воздушное дутье.

Средний химический состав рудной части шихты, мас. %: Ni -1,20; Со-0,025; Si0₂-41-49; Mg-15-20; Fе₂О₃-16,5-22,5; Al₂O₃-6,0-8,0.

В качестве сульфидизатора использовали пирит в количестве 9,0-10,0 мас.% от массы рудной части шихты, в качестве флюса - известняк в количестве 18,5 мас.%.

Характеристика топлива-восстановителя.

Металлургический кокс:
А^d-13 мас.%; S^d _t-0,5 мас.%; V^d-0,5 мас.%; крупность более 25 мм.

Сортовой каменный уголь:
А^d-6,1-18,6 мас.%; S^d-0,3-1,6 мас.%; V^d-3,5-12,7 мас.%;
термостойкость - 74-82%, крупность более 25 мм.

При участии угля в топливе-восстановителе от 5 до 60 мас.% в загрузках использовались как однородные, так и слоевые смеси металлургического кокса и угля. Кроме того, при замене 30% металлургического кокса углем применялась и чередующаяся загрузка металлургического кокса и угля. В этом случае 7 загрузок металлургического кокса чередовались с 3 загрузками угля.

В таблице приведены результаты плавок с использованием в качестве топлива и восстановителя смеси металлургического кокса и угля марок ТПК, АК, АО в разных соотношениях и для сравнения результаты плавки с металлургическим коксом.

В примерах 1 и 2 (см. таблицу) в качестве заменителя металлургического кокса использовался уголь марки ТПК с крупностью кусков 50-150 мм, содержание кусков 50-150 мм 85,0 мас.%, зольность угля 12,2 мас.%, выход летучих веществ 12,7 мас. %, содержание серы 0,3 мас.%, термостойкость 74%. Количество заменяемого кокса 10 и 20% маc., соответственно.

В примерах 3 и 4 в качестве заменителя кокса использовался уголь марки АК с крупностью кусков от 50 до 100 мм, содержание кусков 50-100 мм 85,9 мас. %, зольность угля 18,6 мас.%, выход летучих веществ 3,6 мас.%, содержание серы 0,4 мас.%, термостойкость 80%. Количество заменяемого кокса 20 и 30 мас.% соответственно.

В примерах 5, 6 и 7 в качестве заменителя кокса использовался уголь марки АО, с крупностью кусков 25-80 мм. Содержание кусков крупностью 25-80 мм - 86,6 мас.%. Зольность 6,1 мас.%, выход летучих веществ - 3,5 мас.%, содержание серы - 1,6 мас.%, термостойкость 82%. Количество заменяемого кокса 25, 40 и 60 мас.% соответственно.

Для сравнения приведены результаты плавки на металлургическом коксе с крупностью более 25 мм (пример 8).

Из анализа данных видно, что при плавке с использованием смеси угля (10-60 мас.%) и металлургического кокса (90-40 мас.) по сравнению с плавкой на металлургическом коксе проплав рудной части увеличивается с 24 до 28 т/м²ч, расход металлургического кокса снижается на 10-60%, снижаются потери никеля со шлаком, о чем свидетельствует увеличение отношения концентрации никеля в штейне [Niшт] к концентрации никеля в шлаке (Niшл) со 100 до 226,7, а также улучшается работа фурм.

В известном способе, взятом за прототип, не наблюдалось снижение потерь никеля со шлаком, а максимально достигнутое сокращение расхода металлургического кокса не превышало 4%, при общем увеличении расхода топлива.

Таким образом, использование в восстановительно-сульфидирующей шахтной плавке окисленных никелевых руд совместно металлургического кокса и угля позволяет сократить расход дорогого и дефицитного металлургического кокса на 5-60% и одновременно значительно снизить потери никеля со шлаком.

Предлагаемый способ может быть распространен на плавку никелевых агломератов, гранул, окатышей и других окускованных материалов с получением штейна в шахтных печах.

Изобретение относится к способу переработки окисленных никелевых руд и может быть использовано для получения бедного никелевого штейна. Способ получения никелевого штейна включает загрузку в шахтную печь шихты, содержащей окускованную окисленную никельсодержащую руду и топливо-восстановитель, восстановительно-сульфидирующую плавку, при этом в качестве топлива-восстановителя при плавке используют металлургический кокс и сортовой каменный уголь с выходом летучих веществ не более 14 маc.%, преимущественно не более 7 маc. %, зольностью не более 20 маc.%, преимущественно не более 10 маc.% и термостойкостью не менее 70%, преимущественно не менее 80%, взятые в определенном соотношении. Обеспечивается снижение расхода металлургического кокса, снижение потерь никеля со шлаком. 6 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения никелевого штейна, включающий загрузку в шахтную печь шихты, содержащей окускованную окисленную никельсодержащую руду и топливо-восстановитель, восстановительно-сульфидирующую плавку с использованием в качестве топлива-восстановителя металлургического кокса, отличающийся тем, что в качестве топлива-восстановителя используют металлургический кокс и сортовой каменный уголь с выходом летучих веществ не более 14 маc.%, преимущественно не более 7 маc.%, зольностью не более 20 маc.%, преимущественно не более 10 маc.%, и термостойкостью не менее 70%, преимущественно не менее 80%, взятые в соотношении (40-95):(60-5) маc.%, соответственно. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сортовой каменный уголь берут с крупностью не менее 25 мм, преимущественно 25-150 мм. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что содержание фракции 25-150 мм в сортовом каменном угле составляет не менее 80 маc.%. 4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что в шахтную печь вводят шихту, содержащую одновременно сортовой каменный уголь и металлургический кокс. 5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что сортовой каменный уголь и металлургический кокс загружают в шахтную печь в виде их смеси. 6. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что сортовой каменный уголь и металлургический кокс загружают в шахтную печь в одной загрузке послойно, при этом преимущественно металлургический кокс загружают на слой сортового каменного угля. 7. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что сортовой каменный уголь и металлургический кокс вводят в шахтную печь в разных загрузках, при этом чередуют загрузку шихты, содержащей сортовой каменный уголь, с загрузкой шихты, содержащей металлургический кокс, с сохранением заданного расхода и соотношения топлив и равномерности их распределения по объему печи.