§ 19 Обеднение конверторных шлаков
Основная цель процесса – извлечение кобальта по схеме СоО (шлак) + Fe; (штейн) ↔ Со (штейн) + FeO (шлак). Аналогично извлекается никель. Для успешного хода этой реакции вправо в штейне должно присутствовать в достаточном количестве (около 30–35%) растворенное в нем свободное железо. Содержание серы в штейне по этой причине не должно превышать 20–24%. Но присутствие серы в извлекающей фазе снижает температуру ее плавления и облегчает осуществление обеднения, так как не образуются тугоплавкие настыли из ферроникеля, что наблюдается при обеднении чистым железом. Константа равновесия основной реакции при 13000С для металлизированного расплава (Сошт•FeOшл/СоОшл•FeOшт) равна примерно 20. Отметим, что для чисто металлической извлекающей фазы она равна 32–34. Значение константы только ориентировочное. Концентрации веществ здесь указаны в процентах по массе. Например, если Сошт=1,4; СоОшл=0,07; FeOшл =61,0 и Feшт–58%, то константа равна (1,4•61)/(0,07•58)=21. На заводах, перерабатывающих окисленные никелевые руды, штейн шахтных печей содержит 35–45% металлического железа и является хорошей обедняющей фазой. Напротив, электропечные штейны, выплавленные из медно-никелевого сырья, почти не содержат свободного металлического железа и мало пригодны для обеднения шлаков по реакции СоО + FeS ↔ CoS + FeO, так как константа равновесия в этом случае равна только 5. Обеднение и в этом случае все же проводят штейном, но только в отдельных электропечах обеднения, в которых восстанавливают часть железа конверторного шлака, добавляя к нему мелкий антрацит или коксик.
В этой связи рассмотрим две задачи, имеющие практическое значение:
1. Требуется определить соотношение конверторного шлака и печного никелевого штейна при условии получения отвального шлака, содержащего не более 0,07% Со. Составы штейна и шлака даны в § 16 и 17. Количество поступающего конверторного шлака, равно а при содержании 0,45% Со, расход штейна равен b при содержании 0,6% Со. Всего поступает кобальта а 0,45/100+b0,6/100 т. Пренебрегая изменением массы штейна и шлака, в результате обменной реакции находим, что в штейн переходит кобальта всего:
а(0,45–0,07)/100+b0,6/100=(0,38а+0,6b)/100.
Содержание кобальта в штейне определяем из выражения
Записываем уравнение условной константы:
Отсюда a/b ≈ 2,1. На 1 т штейна можно подать 2 т шлака. Содержание кобальта в штейне равно 0,38•2,1+0,6=1,40; в шлаке 0,07%. Всего кобальта поступает 0,0095+0,006=0,0155 т. Извлечение кобальта в первый штейн составляет 0,0140•100/0,0155=89%. Фактическое извлечение за счет примерно минутной продувки для перемешивания штейна со шлаком ниже и составляет 86–88%. Допуская большие потери в шлаке, можно увеличить отношение а:b до 4–5. При этом содержание кобальта в штейне доводят до 3% и соответственно в шлаках – до 0,15–0,18%. Извлечение из последних порций шлака составляет, очевидно, около 62–65%. Такие шлаки направляют в оборот. Чтобы не потерять с последними шлаками много кобальта, целесообразно иметь их минимальное количество. Поэтому обедняемый шлак заливают порциями и после выдержки в течение 10 мин сливают. Во время обеднения каждой отдельной порции шлака отношение находящихся в конверторе штейна и шлака по массе должно быть равно примерно двум. Из этого следует, что при обработке 1 т штейна 3–5 т шлака следует заливать и сливать шлак 6–10 раз.
2. Требуется определить, сколько следует восстановить железа из конверторного шлака, чтобы получить металлизированный штейн, содержащий 22% S, если отношение а/b=2,0 и в исходном электропечном штейне, выплавленном из медно-никелевого сырья, содержится 26% S. Необходимо также определить расход коксика. Определяем необходимое разбавление штейна железом для снижения содержания серы с 26 до 22%: Р=26/22=1,18 раза, т.е. следует добавить 180 кг Fe. При этом содержание железа в штейне (металлизация) составит 0,18/1,18•100=15,2%. По технологической инструкции допускается металлизация до 25%. При большей металлизации на лещади печи образуются настыли. Определяем общий расход коксика. Для получения 180 кг железа из FeO необходимо углерода 180/56•12=38,6 кг. При содержании углерода в коксике 80% расход его составит 38,6/0,8=48,3 кг. Избытка коксика не подаем, так как во время обеднительной операции расходуют около 0,5% электродов. Вследствие низкой металлизации штейна обеднение в электропечах протекает менее полно. Константа равновесия равна всего 8. Поэтому обеднение ведут последовательно противоточно в две стадии.
Коксик (антрацитовую мелочь) задают в основном на II стадию в количестве 3,5%, а на I стадию загружают около 1,5%. Приводим некоторые данные для расчета технологической схемы. Время обеднения на I стадии 3–4 ч; расход электроэнергии 160–170 кВт-ч на 1 т шлака; в штейне содержится 1,2–1,3% Со; время обеднения на II стадии 6–8 ч, расход электроэнергии 320–360 кВт-ч, содержание кобальта в штейне 0,8–1,0%; в шлаке содержится 0,05% Со. Общее извлечение кобальта составляет около 90%. Выход штейна от исходного 110%. Выход шлака отвального 88–92%. В отвальном шлаке содержится 42–44% Fe (57–60% FeO); 29–31% SiO2.
В качестве примера ниже приводим расчет полной операции обеднения (она состоит из трех операций: собственно обеднение – продувка полученного штейна – обеднение вторичного шлака бедным штейном с получением кобальтовой массы) конверторного шлака на основе практики комбината «Южуралникель». Расчет носит характер частного примера. Его ведут с применением двух уравнений:
1. Уравнение для определения потери массы (Y) обедняющей фазы (штейна) вида Y=386–5,9Х получено путем статистической обработки практически данных комбината «Южуралникель», где X (содержание Fe в штейне) равен примерно 56–60%. Убыль массы штейна объясняется реакциями окисления Fe и FeS штейна во время продувок кислородом воздуха и магнетитом шлака.
2. Уравнение для определения массы конечного штейна
(акг) вида (а+Y/10)•Сошт+Сошл•ЕСо=За,
где ЕСо – извлечение кобальта (85%), составлено для частного случая, когда накопление кобальта в обедняющем штейне ведут до содержания 3% (отсюда 3а). Оно представляет баланс кобальта на обеднении 100 кг шлака.