ШИХТА ДЛЯ ОБЕДНЕНИЯ НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТСОДЕРЖАЩИХ КОНВЕРТЕРНЫХ ШЛАКОВ Российский патент 2005 года по МПК C22B7/04 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к технологии обеднения конвертерных шлаков, и может быть использовано при осуществлении процесса в электропечах, с выделением штейна и отвального шлака.

Методы обеднения, используемые для одновременного восстановления и сульфидирования оксидов цветных металлов и железа смесями колчедана и коксовой мелочи, применяются во многих технологических схемах. Как правило, такая схема обеднения всегда многостадийна, требует нескольких пирометаллургических операций и транспортировки расплавов. В целом процесс характеризуется высокими энергозатратами, низкой удельной производительностью и невысокой степенью обеднения шлака в одну стадию. Для улучшения экономических показателей процесса обеднения часто идут на снижение его стадийности, что не может положительно сказаться на степени обеднения шлака. В настоящее время разработано большое количество шихт и способов для обеднения шлаков. Для интенсификации электропечного обеднения шлаков конвертирования никелевых штейнов предлагается использовать в качестве обедняющего агента шихту, состоящую из пиритсодержащего сульфидизатора, углеродистого восстановителя и алюминийсодержащего материала.

Согласно известному способу [1] конвертерные шлаки, содержащие 0-15% Cu, 0-15% Ni, 0-7% СоО, а также SiO₂, Fe₂О₃, Al₂О₃, CaO, MgO, смешивают с одним из восстановителей - Al, СаС₂, Fe - Si и подвергают плавке. В случае алюмотермического восстановления вводят 2-35% Al и до 70% CaO (от массы шихты). После нагрева и плавления образуется сплав на основе железа, экстрагирующий тяжелые цветные металлы, и отвальный силикатный шлак, который можно использовать для производства огнеупоров. Восстановление проводят в две стадии. На первой стадии, при добавлении малого количества восстановителя, образуется железистый штейн, в котором концентрируются цветные металлы. Этот штейн сливают и возвращают в голову процесса, например, на отражательную плавку. После добавления следующей порции восстановителя образуется железосиликатный шлак, обедненный по цветным металлам. Недостаток способа - образование тугоплавких сплавов на основе железа, стадийность процесса и высокие энергозатраты. Способ не предусматривает введения сульфидизатора.

По известному способу [2] обеднению подвергают шлаки плавки медно-никелевых концентратов, содержащие, %: 0,2-1,0 Cu, 0,1-1,0 Ni, 0,1-0,3 Со, 15-40 SiO₂, 35-60 Fe₂О₃, 1-8 Al₂О₃, 2-20 СаО и 1-3 MgO. Шлак смешивают с углеродистым восстановителем (1-10% от массы шлака) и алюминием (5-30%), добавляют СаО и нагревают до плавления. При этом образуется металлический расплав на основе железа, в который переходят медь, никель и кобальт. Вторичный шлак, состоящий из силикатов кальция, алюминия и железа, становится отвальным. Для способа характерны те же недостатки, что и для предыдущего.

Способ [3] отличается тем, что в шлаковый расплав в токе азота под давлением 2,0-2,5 атм вдувают обедняющую смесь, состоящую из 10% отсевов алюминиевой стружки (класса - 5 мм), содержащей 52% алюминия, и 5% пиритного концентрата. В результате обеднения в штейн переходит 99% никеля, 92,5% меди и 98,3% кобальта. Отвальный шлак содержит не более 0,014% никеля, 0,085% - меди и 0,007% - кобальта. Указанный способ не применяют в промышленной практике в связи со сложностью конструкции агрегата, а также из-за абразивного и коррозионного износа фурм.

В качестве прототипа взята шихта [4], для обеднения конвертерных шлаков, составленная из коксика (12-20%), мраморной крошки (2-6%) и сульфидизатора - колчедана (35-75%). Использование такой шихты при обеднении конвертерного шлака в электропечах обеспечивает выделение штейнов с 4,36-20,0% Ni, 0,7-2,9% Со и 5,0-29,4% железа металлического и шлака с 0,14% Ni и 0,124% Со. Среднее извлечение в штейн: кобальта 48,2%, никеля 79,6%. Для достижения высоких показателей но извлечению никеля и кобальта в штейн но этому способу требуется высокий расход реагентов шихты и электроэнергии. Так, удельный расход электроэнергии может достигать 555 кВт·час/т, расход коксика до 7,5%, а колчедана до 36,7% от веса конвертерного шлака. Кроме того, в результате получают бедный штейн. Способ не обеспечивает регулирования степени металлизации штейна и восстановления оксидов железа, никеля и кобальта в необходимой степени, в связи с чем потери последних со шлаком остаются высокими, а извлечение в штейн - низким.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка состава шихты для обеднения шлаков, обеспечивающей повышение технико-экономических показателей процесса конвертирования.

Техническим результатом при использовании изобретения является снижение потерь кобальта и никеля с отвальными шлаками, повышение извлечения ценных компонентов в штейн и уменьшение удельного расхода электроэнергии и реагентов.

Указанный результат достигается тем, что известная шихта для обеднения никель-кобальтсодержащих конвертерных шлаков, включающая коксик, мраморную крошку и сульфидизатор, согласно изобретению, дополнительно содержит алюминийсодержащий шлак от переработки вторичного алюминия при следующем соотношении ингредиентов, % по массе:

мраморная крошка6-10коксик15-25алюминийсодержащий шлак2-20сульфидизаторостальное

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый состав шихты, включающий алюмосодержащий шлак (30-40% Al_общ, 8-25% Al_мет, 8-10% Fe_общ, 4-8% Fe_мет, 10-20% Si_общ, 5-8% Si_мет, 2-8% MgO и 0,8% СаО) позволяет создать в печи условия для повышения производительности процесса и комплексности использования сырья. В этом случае металлический алюминий будет выполнять роль активного восстановителя, как за счет прямого восстановления оксидов металлов, так и образования Al₂S₃, являющимся активным сульфидизатором и восстановителем, а оксиды алюминия и кремния, содержащиеся в алюминиевом шлаке, будут способствовать лучшему разделению продуктов плавки. Кроме того, при использовании в качестве восстановителя алюминийсодержащих шлаков решается важная проблема их утилизации. Шихта с добавками алюминийсодержащего шлака требует меньшей продолжительности прямого восстановления шлака коксом и газами, что увеличивает производительность электропечи. При малых (менее 2,0%) добавках алюминийсодержащего шлака указанные положительные эффекты не проявляются в связи с нехваткой алюминия на восстановление железа шлака. Добавка шлака сверх указанного предела (20,0%) ведет к избыточной металлизации штейна, выделению ферроникелевых настылей на поду печи и повышению температуры процесса. Кроме того, поступление большого количества оксидов алюминия и кремния делает отвальный шлак тугоплавким, увеличивает его вязкость и, следовательно, ухудшает разделение продуктов плавки. Сульфидизатор, в качестве которого применяют пиритсодержащий материал (колчедан), обеспечивает сульфидирование цветных металлов и образование легкоплавкого штейна. Мраморная крошка позволяет получить легкоплавкий сульфидный расплав системы CaO-FeS, также являющийся активным обедняющим агентом. При его количестве менее 6,0% повышается температура плавления шлака и растут потери цветных металлов. Введение большого количества мраморной крошки (более 10,0%) требует увеличения расхода электроэнергии и мало сказывается на дальнейшем снижении потерь металлов со шлаком. Указанное количество коксика в составе шихты обеспечивает необходимую восстановительную атмосферу в электропечи. При его количестве менее 15% не удается достичь требуемой металлизации штейна, а введение более 25,0% - снижает производительность печи и не влияет на потери металлов. Следует отметить, что при высоком расходе коксика образуются тугоплавкие "корки" на поверхности расплава и требуется окисление углерода воздухом.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом и аналогами показал, что шихта отличается от известных шихт для обеднения никельсодержащих шлаков использованием алюминийсодержащих шлаков от выплавки вторичного алюминия и соотношением ингредиентов. Оптимальный состав шихты обеспечивает получение отвальных по кобальту и никелю шлаков. Таким образом, сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями в данной области техники позволяет сделать вывод о его соответствии изобретательскому уровню.

Примеры использования шихты по данным испытаний.

Испытания способа проведены в лабораторных и промышленных условиях.

С целью исключения сильного вспенивания расплава при добавлении алюминийсодержащего шлака его подвергали предварительной сушке, совместно с остальными компонентами шихты.

Пример 1. Конвертерный шлак (0,79% Ni, 0,52% Со, 0,50% Fe_мет, 53-55% Fe_общ, 1,1% S, 21-25% SiO₂, 0,8% CaO, 0,9% MgO и 0,3% Cr₂О₃) загружали в тигель, который устанавливали в печь, разогретую до 1250-1300°С. После расплавления на шлак загружали обедняющие агенты - алюминийсодержащий шлак (34,6% Al_общ, 9,7% Al_мет, 8,5% Fe_общ, 14,6% SiO₂, 2,5% MgO, 0,8% CaO), колчедан (50,4% S, 44,0% Fe, 0,2% Cu), коксик (78,0% С, 0,4% S и 20,0% зольность) и мраморную крошку (51,9% CaO, 3,3% Al₂O₃, 1,8% Fe₂O₃, 0,9% MgO). Обедняющие агенты предварительно смешивали и подсушивали до влажности не более 4%. После загрузки материалов расплав выдерживали в течение 10-20 минут, тигель вынимали из печи, охлаждали, в продуктах плавки (шлаке и штейне) определяли содержание Ni, Co, Fe, S, SiO₂. При использовании шихты заявляемого состава были получены шлаки с содержанием никеля 0,09-0,10% и кобальта - 0,07-0,11% и штейны, содержащие 6,8-8,3% никеля, 1,15-1,31% кобальта (таблица).

При плавке шихты за пределами предлагаемого состава не достигается низкое содержание никеля и кобальта в отвальном шлаке.

Пример 2. Эксперименты выполнены в промышленном масштабе в электропечи мощностью 2500 кВт с площадью пода 25 м. В электропечь залили конвертерный шлак, на расплав подали обедняющие агенты - смесь алюминийсодержащего шлака, колчедана, коксика и мраморной крошки (составы по примеру 1). Исходный шлак содержал, %: 0,68-1,11 никеля, 0,17-0,25 кобальта, 21-25 диоксида кремния и 53-55 железа общего. По мере обеднения из печи сливали (температура 1300°С) обедненный шлак и заливали свежие порции конвертерного шлака. После обеднения шлак содержал 0,12-0,18% никеля и 0,06-0,13% кобальта. В приведенных примерах испытаний (таблица) было переработано от 72 до 1524 т шлака. Расход электроэнергии составил от 314 до 339 кВт·ч/т шлака. Полученный штейн содержал, %: 6,4-10,2 Ni; 0,84-1,08 Со; 62,0-62,2 Fe_общ; 17,0-18,6 Fe_мет; 23,8-25,4 S. Степень извлечения из шлака в штейн составила 78,8-81,1% никеля и 47,3-56,6% кобальта.

Экономический эффект от применения данного способа обеднения достигается за счет повышения комплексности использования сырья и увеличения извлечения цветных металлов в штейн.

ТаблицаРезультаты экспериментов по обеднению конвертерного шлакаНаименованиеЛабораторные опыты (1300°С)Промышленные испытания1 (за пределами формулы)23456 (за пределами формулы)7 (прот отип)8910Содержание в исходном шлаке, %
- никель0,790,790,790,790,790,790,850,651,070,72- кобальт0,520,520,520,520,520,520,190,150,240,21-SiO₂21,022,323,024,224,923,422,622,623,3524,3- Fe_общ53,055,054,554,354,153,854,554,154,154,0- S1,11,11,11,11,11,13,13,02,303,1Количество шихты для обеднения в % к конверторному шлаку16,319,717,718,033,820,519,817,817,920,5Содержание в шихте, %          - алюминийсодержащий шлак1,58,215,05,019,621,10,03,63,45,3- сульфидизатор63,564,454,372,749,855,373,066,763,063,5- коксик28,018,422,215,324,517,621,019,723,822,4- мраморная крошка7,09,08,576,16,06,010,09,88,8Содержание в шлаке после обеднения, %          - никель0,260,100,100,110,090,160,180,120,160,15- кобальт0,210,110,080,090,070,120,100,060,100,10-SiO₂23,024,223,223,123,224,324,523,523,224,7- Fe_общ53,153,653,955,852,854,154,153,754,653,1- S3,63,93,83,94,14,34,14,24,64,4Содержание в штейне, %          - никель3,26,88,610,68,35,96,810,28,86,4- кобальт0,821,150,971,121,310,950,861,081,130,84- Fe_общ59,361,562,361,063,262,062,062,561,062,2- Fe_мет16,918,318,517,818,917,618,217,818,617,0- S22,324,325,324,724,925,023,824,324,625,4Коэффициент          распределения          [Ni]/(Ni)12,368,08696,392,236,837,885,041,942,6[Со]/(Со)3,914,412,112,432,77,98,618,09,48,4Степень обеднения          шлака, %:          по никелю67,187,387,386,188,679,778,881,180,479,2по кобальту59,678,884,682,786,576,947,356,650,052,4Расход электроэнергии, кВт·час/т------383322314339

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Method of recovering metals and producing a secondary slag from base metal smelter slag: Пат. 5868872 США, МПК 6 С 22 В 5/04/ David Krofchak, Werner Dresler; Fenicem Minerals Inc.- № 815508; Заявл. 12.3.97; Опубл. 2.2.99.

2. Method of recovering metals and producing a secondary slag from base metal smelter slag: Пат. 5626646 США, МКИ 6 С 21 В 15/00/ Krofchak D.; Fenicem Minerals Inc.- № 663724; Заявл. 14.6.96; Опубл. 6.5.97.

3. Резник И.Я., Ермаков Е.П., Шнеерсон Д.М. Никель: в 3 томах. Т.3. М.: Наука и технологии, 2003. - С.129-130.

4. Баитов А.А., Набойченко С.С., Пименов Л.И., Жуков В.П. Результаты одностадийного обеднения конвертерных шлаков//Цветная металлургия. 1997, № 2-3. С.10-13).

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к технологии обеднения конверторных шлаков. Для снижения потерь кобальта и никеля с отвальными шлаками, повышения извлечения ценных компонентов в штейн и уменьшения удельного расхода электроэнергии и реагентов шихта, содержащая сульфидизатор, мраморную крошку, коксик, дополнительно содержит алюминийсодержащий шлак от переработки вторичного алюминия, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: мраморная крошка - 6-10, коксик - 15-25, алюминийсодержащий шлак - 2-20, сульфидизатор - остальное. 1 табл.

Шихта для обеднения никель- кобальтсодержащих конвертерных шлаков, содержащая сульфидизатор, мраморную крошку, коксик, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминийсодержащий шлак от переработки вторичного алюминия, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Мраморная крошка6-10Коксик15-25Алюминийсодержащий шлак2-20СульфидизаторОстальное