3.3 Восстановительный обжиг окисленных никелевых руд

Большой объем лабораторных исследований восстановимости окисленных никелевых руд выполнен институтом «Гипроникель» в 1961—1964 гг. Исходными материалами в лабораторных исследо­ваниях служили окисленные никелевые руды отечественных место­рождений.

Результаты показывают, что с ростом тем­пературы от 1050 до 1250°С степень восстановления до металла для железисто-магне- зиальной руды увеличивается с 12,8—14,5 до 45,5—75%. >

Для железисто-кремнистой руды (34% Fe) эта же величина возрастает с 3,4 до 52,5% за вдвое меньшее время.

Температура обжига — важнейший фактор, определяющий скорость и степень восстановления окисленных никелевых руд.

Температура начала восстановления железа из руд различных месторождений углеродом (степень восстановления — 2—6% за 2 ч) лежит в пределах 600—900° С. Для более железистых руд ско­рость восстановления сильно возрастает уже при повышении тем­пературы до 1000, а для более магнезиальных — до 1100— 1250° С. При этом степень восстановления железа до металла за 2 ч достигает 75%, что иллюстрируется данными таблицы 24.

Таблица 24-Зависимость степени восстановления окислов железа окисленных никелевых руд до металла от температуры (восстановитель — коксик, время обжига — 2 ч)

Руда	Содержание Fe, %	Степень восстановления, %, при температуре, °С
		900	1000	1050	1100	1150	1250
Буруктальская	28,0	14,0	60	-	70	-	-
То же	18,0	2	6	-	33	-	-
Уфалейская	22,1	4	46	-	61	-	-
Белогорская	15,9	2	45	-	55	-	-
Побужская	26,4	-	6,3	-	-	-	-
Импортная I	14,5	-	-	12,8	-	27,2	45,4
Импортная II	19,7	-	-	14,5	-	53,3	75,0
Смесь импортной и кимперсайской	35,7	-	-	8,7	-	44,0	-

В таблице 25 приведены результаты этих опытов, свидетель­ствующие о том, что заметное влияние продолжительности вос­становления (при 1000° С) окислов железа и никеля наблюдается только в пределах 0,5—2 ч. Дальнейшее увеличение продолжи­тельности обжига до 3—4 ч дает сравнительно слабый эффект.

Таблица 25- Влияние продолжительности обжига на степень восстановления окислов никеля и железа

Продолжитeльность обжига, ч	Содержание в огарке, %						βFeO		βFeмeт		β Niмет
	Nioбщ	Niмет	Feобщ	FeO	Feмет
0,5	0,58	0,15	25,3	17,2	0,6	52,5		2,4		25,9
1	0,60	0,20	25,9	26,7	1,2	76,4		4,5		33,2
2	0,59	0,22	25,9	28,9	1,6	85,7		6,3		37,3
3	0,58	0,24	25,4	28,6	1.9	86,5		7,6		41,4
4	0,57	0,25	25,3	27,4	2,3	83,4		8,9		44,0

Влияние крупности окис­ленной никелевой руды и восстановителя на степень восстановле­ния окислов Ni и Fe при 1000° С в течение 1 ч представлено в таблице 26. Результаты этих опытов показывают, что снижение крупности руды и особенно восстановителя благоприятно сказы­вается на степени восстановления окислов металлов.

Таблица 26- Влияние крупности руды и восстановителя на степень восстановления

Наименование	Крупно сть,мм	Содержание в огарке, %					βFeO	βFeмeт	βNiмет
		Nioбщ	Niмет	Feобщ	FeO	Feмет
Руда*	-50+25	0,50	0,12	17,2	14,4	0,35	65,3	2,0	24,0
	-10+7	0,61	0,22	19,8	21,6	0,47	85,4	2,4	36,1
	-7+5	0,58	0,27	16,5	18,6	0,42	88,3	2,5	46,6
	-5+3	0,57	0,27	14,9	18,6	0,48	90,6	3,2	47,4
	-3+2	0,60	0,30	15,3	17,8	0,48	91,2	3,1	50,0
	-2+1	0,57	0,28	20,2	23,5	0,64	90,7	3,2	48,3
	-1+0,5	0,54	0,29	20,2	23,8	0,98	91,8	4,8	53,6
	-0,5	0,63	0,38	21,5	25,6	1,42	93,2	6,4	60,3
Антрацит**	-1+0,5	0,61	0,27	26,8	29,9	2,06	87,0	7,6	44,3
	-2+1	0,62	0,25	26,0	28,1	1,68	83,0	6,4	40,3
	-3+2	0,61	0,25	25,4	26,1	1,31	81,0	5,1	41,0
	-5+3	0,60	0,20	25,9	23,6	1,21	70,2	4,7	33,2
	-10+5	0,51	0,17	25,6	20,3	1,00	61,0	3,9	27,9
* Крупность восстановителя -1мм **Крупность руды-20мм

Опытно-промышленные испытания восстановительного обжига отечественных и импортных окисленных никелевых руд были выполнены Вычеровым В. Г. и Онищиным Б. П. на трубчатой вращающейся печи опытной установки Орско-Халиловского ме­таллургического комбината.

Трубчатая вращающаяся печь футерована шамотным кирпи­чом. Длина 12 м и диаметр в свету 1,15 м и угол наклона печи к горизонту 1°17' (рисунок 36). Число оборотов печи меняли в пре­делах 0,25—4,5 об/мин. Топочные газы и шихта двигались навстречу друг другу. Отопление осуществляли коксовым газом (70—120 м³/ч) и частично отходящими электропечными газами.

В опытах исполь­зовались руды Кимперсайского, Побужского и Буруктальского месторождений. Были также изучены параметры восстановления импортной руды, содержащей: 1,2% Ni, 0,05% Со, 17,59% Fe, 32% SiО₂, 15,6% MgO, 5,2% А1₂О₃.

Опытно-промышленные испытания подтвердили, что увели­чение температуры обжига является весьма эффективным сред­ством повышения степени восстановления окисленных никеле­вых руд. Так, например, для побужских руд повышение темпе­ратуры с 800 до 1000° С при расходе восстановителя 8—9% от веса сухой руды и времени обжига 3,5 ч увеличивает степень восстановления окиси железа до закиси с 5—25 до 68%. Степень восстановления буруктальских руд при расходе восстановителя 6% возрастает с 1,5 до 58% при увеличении температуры с 700 до 1000 ⁰С.

Рисунок 36. Трубчатая вращающаяся печь опытно-промышленной установки Орско-Халиловского металлургического комбината:

1 — загрузочная труба; 2 — пылевая камера; 3 — привод; 4 — корпус; 5 — раз­грузочная труба; 6— «головка» печи; 7 — форсунка

Таблица 27- Результаты обжига побужской руды (железа — 23—29%) в опытно-промышленной трубчатой печи

Переменный фактор	Содержание в огарке, %				βFeO	βFeмeт	Примечание
	Feобщ	FeO	Feмет	С
Температура обжига, 0С: 800 900 1000	28,8 26,0 27,5	9,3 15,2 23,8	0,28 0,45 0,68	6,7 4,0 5,0	25,2 45,5 67,8	1,0 1,7 2,5	Расход коксика 9%, время обжига 3 ч 30 мин
Время обжи­га,ч: 5,25 3,3 2,4 1,2	27,6 26,0 26,4 26,8	17,8 15,2 11,0 3,5	0,59 0,45 0,29 0,04	6,5 4,0 7,1 7,1	50,4 45,5 32,6 10,1	2,1 1,7 1,1 0,1	Температура обжига 900° С, расход кок­сика 9%
Расход коксика, %: 6 12 15	28,4 29,1 28,2	21,6 23,4 24,9	0,61 0,73 0,85	3,2 7,0 7,4	59,2 62,4 68,6	2,1 2,5 3,0	Температура обжига 900° С, время об­жига 3 ч 30 мин
Расход антра­цитового шты­ба, %: 6 9 12 15	27,8 27,1 28,4 28,7	23,7 24,7 26,4 27,7	0,74 0,86 0,87 1,00	3,2 3,9 7,2 8,4	66,4 70,1 72,5 75,2	2,6 3,2 3,1 3,6	Температура обжига 1000° С, время об­жига 3 ч 30 мин
Расход экибас- тузского уг­ля, %: 6 12 15	26,1 27,3 28,3	23,5 27,7 29,9	0,82 0,94 1,35	1,1 4,2 5,0	70,4 79,2 82,4	3,1 3,4 3,8	Температура обжига 1000° С, время об­жига 3 ч 30 мин
Расход извест­няка, %: 10 15 20	26,5 25,1 23,0	23,2 21,6 20,7	0,85 0,86 0,95	2,8 2,7 2,2	68,4 67,2 70,1	3,2 3,4 4,1	Температура обжига 1000° С, время об­жига 3 ч 30 мин, расход коксика 9%

Таблица 28- Результаты обжига побужской руды (железа — 33—38% ) в опытно-промышленной трубчатой печи

Переменный фактор	Содержание в огарке, %					βFeO		βFeмeт		Примечание
	Feобщ	FeO	Feмет	С
Температура обжига, 0С: 800 900 1000* 1100*	35,1 34,6 35,6 34,8	23,4 14,2 30,8 36,7	0,40 0,40 1,15 1,62	6,2 4,2 3,6 3,2	5,3 32,2 67,7 83,6		0,1 1,2 3,2 4,7		Расход коксика 8%, время обжига 3 ч 30 мин
Время обжи­га, ч: 1,2 2,4 4,4	33,4 34,5 36,7	6,4 12,2 24,7	0,26 0,35 0,98	6,4 6,2 5,4	15,0 27,6 52,5		0,8 1,0 2,7		Температура обжига 950° С, расход кок­сика 9%
Расход коксика,%: 2 6 10 12	34,5 35,8 35,1 37,8	12,3 16,5 28,9 32,6	0,32 0,42 0,87 1,21	1,6 4,5 6,5 9,3	27,8 36,0 64,2 67,4		0,9 1,2 2,5 3,2		Температура обжига 950° С, время об­жига 3 ч 30 мин
* Огарок спекался

Таблица 29-Результаты обжига импортной руды в опытно-промышленной трубчатой печи

Переменный фактор	Содержание в огарке, %					βFeO		βFeмeт		Примечание
	Feобщ	FeO	Feмет	С
Температура обжига, 0С: 900 1000 1100	19,6 21,2 20,6	13,4 17,8 20,8	0,68 1,27 2,43	1,3 1,2 1,1	53,4 65,6 79,1		3,5 6,0 11,8		Расход коксика 2%, время обжига 3 ч 30 мин
Расход коксика,%: 2 4 6	19,5 17,6 19,2	17,2 16,0 18,4	1,32 1,42 1,61	1,0 2,8 3,7	69,0 71,2 74,5		6,8 8,1 8,4		Температура обжига 1000° С

Таблица 30-Результаты обжига буруктальских руд в опытно-промышленной трубчатой печи

Переменный фактор	Содержание в огарке, %				βFeO	βFeмeт	Примечание
	Feобщ	FeO	Feмет	С
Температура обжига, 0С: 700 900 1000	17,0 19,4 19,2	0,3 7,8 14,2	0,04 0,1 0,4	3,7 3,6 3,1	1,51 31,4 57,7	0,2 0,5 2,1	Расход коксика 6%, время обжига 3 ч 30 мин
Расход экибас- тузского уг­ля, %: 6 9 12 15	22,9 20,8 21,2 21,4	12,5 12,3 14,6 17,2	0,5 0,6 0,7 0,9	2,4 4,5 5,4 6,1	42,6 46,3 53,7 62,5	2,2 2,7 3,2 4,2	Температура обжига 900° С, время об­жига 3 ч 30 мин,расход известняка 10%
Расход коксика,%: 9 12 15	27,6 28,5 26,9	23,1 25,4 25,7	0,9 1,3 1,6	5,4 7,7 9,1	65,4 69,4 74,2	3,4 4,5 5,8	Температура обжига 1000° С, время об­жига 3 ч 30 мин
Расход извест­няка, %: 15 20	18,6 18,9	13,4 14,1	0,4 6,5	3,0 2,6	56,4 58,1	2,2 2,7	Температура обжига 1000° С, время об­жига 3 ч 30 мин, расход коксика 6%

Этот процесс осуществляют перед аммиачным выщелачиванием Ni и Со на заводах "Команданте Рене Латоур" (Куба) и "Серед" (Словакия).

На кубинском заводе перерабатывают латеритовые и серпентинитовые руды, которые обжигают в соотношении 2:1с последующим охлаждением огарка в нейтральной атмосфере (для исключения окисления металли­ческой фазы).

Восстанавливают руду в 17 - подовых печах, обогреваемых генератор­ным газом. Дополнительное тепло поступает от сжигания мазута при ко­эффициенте расхода воздуха 0,5, что обеспечивает сильновосстановительную атмосферу. Нагрев руды не. должен превышать 1050 К, чтобы огра­ничить количество образующегося при обжиге растворимого МgО. В пе­чах происходят реакции: Ni + Н₂ = Ni + Н₂O; 3Fe₂O₃ + Н₂ = 2Fe₃O₄ + Н₂O; NiO + СО = Ni + СO₂.

Поскольку в руде Ni находится, главным образом, в виде твердого раствора в окислах Fe конечный продукт восстановления представляет собой железоникелевый сплав, который затем извлекают и разделяют гидрометаллургическим переделом.

Перед обжигом руду состава, (%): 1,2 - 1,4 Ni; 0,08 - 0,1 Со; 35 - 40 Fe; 7 - 10 МgО; 1,6 - 2,0 Сr₂O₃; 12 - 15 SiO₂ подсушивают до содержания 2 - 3 % влаги в бара­банных сушилах длиной 41 м и диаметром 3,5 м. При сушке удаляют до 95 % влаги. В связи с большим содержанием мелкой фракции пылевынос достигает 16 - 20 %. Пыль улавливают в циклонах, а затем в электрофильтрах и объединяют с подсушенной рудой.

На вибрационных грохотах отделяют крупные куски, представленные в основном серпентиновой рудой. Эту часть руды дробят в молотковых дробилках, вновь грохо­тят, крупную часть измельчают в шаровых мельницах, работающих в замкнутом цикле с пневмосепаратором. Конечная крупность помола руды составляет 85 - 90 % фракции - 0,074 мм. Измельченную руду подают в обжиговый цех, оборудованный 21 семнадцатиподовой печью; диаметр печей 5,7 м, высота 18 м. Руда находится в печи около 4 ч при температурах от 650 до 1010 К, при этом восстанавливается до 80 - 85 % Ni и 3 - 4 % Fe; остальное Fe восстанавливается до магнетита. Огарок, имеющий температуру 870 К, охлаждают в холодильнике до 350 - 360 К.

Огарок после охлаждения в нейтральной атмосфере сразу направляют в ванну с раствором, содержащим 6,5 % NH₃ и 3,5 % СO₂. При выщелачивании в три стадии растворяется до 90 - 95 % восстановленного Ni, что составляет около 80 % от его содержания в руде. Промытый остаток после выщелачивания содержит, (%): 0,2 - 0,3 Ni; 0,05 - 0,08 Со; 40 - 45 Fe; 15 - 16 SiO₂; 4 - 6 Al₂O₃; 7 - 8 MgO, около 2Сr₂O₃. По исследованиям и проектным проработкам эти хвосты успешно обогащаются по Fe до 58 - 60 %. Полученный концентрат проектируется агломерировать для произ­водства черных металлов. Ni и Со осаждают в виде карбонатов; после сгущения и фильтрации пульпы получают осадок, содержащий, (%): 49 - 50 Ni; 0,4 Со; 0,1 Fe; 2,4 S; 0,4 MgO с влажностью около 60 - 435 %. Осадок прокаливают во вращающейся печи длиной 56 м и диаметром 4,0 м, работающей по принципу противотока. Печь отапливают мазутом, температура в горячей зоне составляет 1370 К, на выходе из печи 645 К. При содержании 02 в отходящих газах выше 2 % получают огарок с со­держанием S не более 0,03 %. Пылевынос при обжиге достигает 11 %, поэтому от­ходящие газы очищают сначала в циклонах, а затем в электрофильтрах. Уловленную пыль возвращают на обжиг. После прокалки закись Ni содержит, (%): 77 - 78 Ni; 0,6 - 0,8 Со; 0,1 - 0,3 Fe; 0,01 - 0,02 S; 0,012 Zn. Для повышения содержания Ni, а так­же для получения более удобного для использования в сталеплавильном производ­стве закись Ni спекают с просасыванием воздуха на аглоленте длиной 12,6 м и ши­риной 2,0 м. В состав шихты, поступающей в смеситель входит 35 % закиси Ni , 45 % оборотного агломерата, 12 % пыли, 8 % угля. Зажигательный горн работает на дизельном топливе, расход которого составляет 2 % от массы шихты.

Товарный агломерат содержит , (%): 88r - 90 Ni; 0,7 Со; 0,04 Сu; 0,3 Fe; 0,05 S; 0,0005 Pb; 0,04 - 0,14 С;. 1,7 SiO₂; 7,5 O₂. Общее извлечение Ni из руды состав­ляет 76 %.