6.2.2 Пирометаллургическая технология переработки окисленных никелевых руд

Основным сырьем для производства никеля являются окисленные никелевые и сульфидные медно-никелевые руды. Окисленные никелевые руды являются рудами вторичного происхождения. Они содержат незначительное количество никеля - от десятых долей до 1,5÷3,5%. В основном эти руды состоят из пустой породы. В рудах обязательно содержится кобальт. Отноше­ния никеля к кобальту в них составляет (25÷40) : 1.

По внешнему виду окисленные никелевые руды похожи на глину. Для них характерно пористое, рыхлое строение, малая механическая прочность кусков, высокая гигроскопичность. Такое физико-химическое состояние окисленных никелевых руд делает невозможным механическое вскрытие индивидуальных минералов, содержащих никель, и, следовательно, их отделение от пустой породы при обогащении традиционными методами.

Из-за отсутствия рациональных методов обогащения, окисленные никелевые руды поступают непосредственно в металлургическую переработку.

Окисленные никелевые руды перерабатывают по схеме (рисунок 5) с использованием шахтных печей. Из-за неоднородности их состава руду разных сортов смешивают - усредняют. Шахтная печь способна перера­батывать прочную, кусковую шихту, поэтому перед плавкой руды окусковывают. Для этого используют два способа окускования: брикетирование или аг­ломерацию.

Брикетирование - простая и дешевая операция, однако прочные брике­ты удается получать только из железистых разновидностей руд; брикеты со­держат влагу и газонепроницаемы.

Агломерация (спекание) - более сложный и дорогой процесс, но он позволяет получать хорошо подготовленный, пористый и достаточно прочный материал для шахтной плавки.

Шахтная плавка окисленных никелевых руд (брикетов или агломерата) заключается в максимальном переводе никеля в легкоплавкий богатый по никелю полупродукт - штейн.

В шахтной печи одновременно протекают процессы восстановления и образования сульфидов, поэтому плавку называют восстановительно­сульфидирующей.

Окисленная никелевая руда (ОНР)

Рисунок 5 - Принципиальная технологическая схема переработки ОНР

Сульфиды никеля Ni₃S₂ и железа FeS образуют штейн, в нем растворяются восстановленные металлический никель и железо (ферроникель), суль­фиды меди и кобальта. Таким образом, по вещественному составу штейн со­стоит из Ni₃S₂, FeS, Ni, Fe, Cu₂S и CoS; он содержит, %: 16-20 Ni; 18-22 S; 0,5-1,0 Co; 55-60 Fe. Степень металлизации штейна колеблется от 20 до 40%, температура его плавления -1100°С.

Оксиды пустой породы руды, флюсов, зола кокса сплавляются, взаимодействуют друг с другом и образуют шлак.

Количество шлака при плавке достигает 96-100% от массы агломера­та, его состав,%: 44-46 SiO₂; 8-12 MgO; 18-22 FeO; 4-10 А1₂О₃; 15-18 CaO; 1,5-2,0 Cr₂О₃. Температура жидкоплавкости таких шлаков находится в ин­тервале 1250-1350°С, плотность шлаков - 3,3-3,6 г/см³.

Г азы шахтных печей очищают от пыли и направляют в атмосферу; пы­ли - на стадию шихтоподготовки.

Никелевые штейны направляются на конвертирование. Цель передела - полный перевод железа в шлак, окисление части серы с получением файн штейна (богатого штейна). Сущность процесса состоит в продувке расплава воздухом в агрегатах, аналогичных конвертерам, используемым в металлур­гии меди, но меньших по емкости (20-40 т).

Файнштейн, получаемый в результате конвертирования никелевого штейна, имеет следующий состав, %: 76-78 Ni; 18-19 S; 0,4 Co; 0,26 Fe; 2,5 Cu.

Второй продукт продувки никелевого штейна - конвертерный шлак. На заводах, перерабатывающих окисленную никелевую руду через восстано вительно-сульфидирующую плавку и конвертирование, конвертерные шлаки служат сырьем для получения кобальта. Поэтому на таких заводах кобальт стремятся максимально перевести в конвертерный шлак. В настоящее время в конвертерный шлак переходит 90-95% всего кобальта, поступающего со штейном, и 30-40% от всего кобальта, поступающего с рудой.

Шлаки от конвертирования никелевых штейнов содержат заметно меньше магнетита (10-13%) по сравнению с аналогичными расплавами мед­ного и свинцового производства.

Конвертерные шлаки никелевых заводов отличаются от аналогичных шлаков медеплавильных заводов более высоким содержанием кремнезема (28-32% против 23-27%), окиси кальция и глинозема.

Плотность конвертерного шлака никелевого производства составляет 4,2-4,5 т/м³, поверхностное натяжение 30-40 мкДж/см² (300-400 эрг/см²).

Конвертерные шлаки поступают на переработку в электропечи для обеднения.

Выход пыли при конвертировании составляет 1-3% от массы переработанного штейна. Содержание никеля в пыли 25-30%. Газы содержат азот и диоксид серы (1,5-2,5 SO₂).

Переработка никелевого файнштейна на огневой никель включает проведение двух стадий обжига и восстановительной электроплавки оксида никеля.

Цель окислительного обжига файнштейна - удаление серы до содержа­ния не более 0,02% и перевод никеля в NiO. Глубокое удаление серы требует высоких температур, а сульфид никеля - легкоплавкий (788°С). Поэтому окисление проводят в две стадии. Вначале измельченный файнштейн обжи­гают в печах КС и удаляют серу до остаточного содержания 1-1,5%. Для по­вышения тугоплавкости материала файнштейн смешивают с оборотной пы­лью; это дает возможность проводить обжиг при 950-1000°С.

Огарок с температурой 700-800°С поступает на сульфатохлорирующий обжиг в трубчатый реактор. К горячему огарку добавляют 10-15% природно­го сильвинита (NaCI, KCl). Медь, присутствующая в огарке, образует водорастворимые соединения CuSO₄ и CuCl₂ в отличие от водонерастворимых окси­дов железа, никеля и кобальта. Хлорированный огарок выщелачивают для пе­ревода меди в подкисленный раствор. При этом обезмеживание огарка проис­ходит на 75-80%. Огарок после выщелачивания содержит не более 0,3-0,4% Cu.

Обезмеженный огарок обжигают в трубчатой печи при температуре 1200-1300°С. Высокая температура и окислительная атмосфера позволяют снизить содержание серы до 0,02%.

Из обжиговой печи огарок ссыпают в трубчатый реактор, куда подают 5-8% нефтяного кокса. Используют тепло огарка для восстановления оксида никеля по реакции NiO + С = Ni + СО. Из реактора огарок выходит охлажденным и металлизированным с содержанием никеля 82-86%, это упрощает и удешевляет его переработку в электропечи.

Электроплавка оксида никеля состоит из ряда операций: шихтовка с восстановителем, загрузка шихты и ее расплавление, доводка металла, вы­пуск и грануляция никеля.

Товарный огневой никель (марки Н-3) содержит не менее 98,6 % Ni; не более 0,6% Сu и 0,1% С. Извлечение никеля в гранулы составляет 98,0-98,6%.

Существенными недостатками схемы переработки окисленных никелевых руд являются многостадийность технологии, большой расход дорогого и дефицитного кокса, низкое извлечение никеля и кобальта, полная потеря желе­за.