Металлургия цветных металлов

Сульфид никеля окисляется кислородом воздуха по реакции

2Ni3S2 + 702 = 6NiO + 4S02.

В кипящем слое поддерживают температуру около 1000°С. В пыль переходит до 35% материала, ее улав­ ливают циклонами и электрофильтром, а затем возвра­ щают на обжиг. Огарок содержит около 0,1% серы.

Перереботка огарка для восстановления из него за­ киси никеля возможна при низких температурах, однако никель необходимо получить в жидком виде, поэтому вос­ становление проводят в электрических трехфазных дуго­ вых печах при температуре около 1500° С. В качестве восстановителя применяют малосернистый каменный уголь или антрацит.

Трехфазные печи применяют круглого сечения мощ­ ностью 2000—5000 ква с кессонироваиным сводом. Стены и ванна футерованы магнезитовым кирпичом, электро­ ды графитированные диаметром 300 мм. Шихту загружа­ ют питателем в течение всей плавки через центральное отверстие в своде между электродами. Продолжитель­ ность передела с выдачей около 8,5 тникеля 6—8 ч. Рас­ ход энергии около 1100 квт-ч па тонну никеля.

Для шлакования неизбежных, хотя и малых примесей и полного удаления из металла остатков серы добавляют известняк. Кремнезем, глинозем и другие окислы, попав­ шие в закись никеля из-за износа огнеупоров в обжиговых печах, шлакуются, образуя небольшое количество основ­ ного известковистого шлака, в который переходит 0,2— 0,4% №.

После расплавления садки снимают шлак: углерод, растворенный в никеле, окисляют добавкой небольшо­ го количества NiO, затем металл разливают в аноды для электролитического рафинирования.

§ 25. Выплавка никеля из окисленных руд

Шихта для шахтной плавки должна быть кусковой, поэтому руды, представляющие собой обычно рыхлую землистую массу, перед плавкой подвергают окускованию. Один из видов окускования — брикетирование — состоит в получении прессованием овальных цилиндриче­ ских или иных по форме кусков (брикетов) до 0,2—0,3 кг.

Связующим материалом служит глина, входящая в со­ став рудной массы. Перед брикетированием руду измель­ чают и подсушивают.

Руду смешивают с гипсом или пиритом перед брике­ тированием. Равномерность состава шихты благоприятно отражается на последующей плавке. Брикеты формуют на валковых (рис. 45) или других прессах. Брикетирова­ ние не всегда дает хорошие результаты, потому что часто

Нагрузка|шихты

Рис. 45. Валковый брикетный пресс

брикеты оказываются недостаточно прочными; разру­ шаясь в печи, они образуют мелочь, затрудняющую ход плавки; отрицательно влияет на плавку также и малая газопроницаемость брикетов.

Спекание руды

Окускование руд спеканием было впервые введено в

практику металлургии никеля в СССР. Спекательные машины применяются и в металлургии других цветных металлов.

Тележка или паллета — главная деталь спекательной машины — видна на рис. 46. Стальной или чугунный ко­ роб тележки не имеет торцовых стенок, он похож на ко­ роткий желоб с днищем из чугунных решеток — колосни-

жщп

Рис. 46. Спекательная машина:

/ — тележка; 2 — питатель, загружающий ших­ ту на тележки: 3 — зажигательная печь;

4 — камеры всасывания

ков. Тележка установлена на рельсах, а края ее плотно прижаты к бортам стальной камеры, соединенной с экс­ гаустером (вентилятор, отсасывающий газы).

На колосники загружают шихту — руду, смешанную с мелким топливом — углем или коксом, слоем толщиной 10—25 см. Эксгаустер создает в камере разрежение и просасывает воздух через слой шихты. Топливо поджи­ гают сверху, направив на него пламя нефти или газа, и горение распространяется в толщу слоя по ходу просасывания воздуха. Слой шихты разогревается до 1100— 1400°С (в зависимости от содержания в ней топлива). При этом возможны как реакции окисления, так и вос­ становления. Окислителем служит кислород просасывае­ мого воздуха, а восстановителем — углерод топлива. Ког­

2Fe20 3 + С = 4FeO + С02.

Закись железа, соединяясь с кремнеземом, образует легкоплавкие силикаты — с температурой плавления око­ ло 1100° С. Капли этого расплава появляются в массе твердой шихты и смачивают ее зерна. Когда топливо выгорает и температура в слое начинает понижаться, силикатный расплав затвердевает, скрепляя твердые ча­ стицы и слой шихты превращается в прочный пористый спек (агломерат). При опрокидывании тележки агломе­ рат из нее выпадает в виде пористой глыбы.

Тележки спекательной машины установлены на гори­ зонтальном участке рамы из рельсов вплотную одна к другой, образуя сплошной длинный желоб, примыкаю­ щий снизу к бортам общей камеры разрежения (рис. 46).

Тележки медленно движутся слева направо. Левая крайняя тележка, начиная свой путь, попадает сначала под бункера, из которых в нее питателями загружается шихта. Далее тележка оказывается над камерой разре­ жения и одновременно под зажигателем. Шихта заго­ рается и начинается спекание. Топливо выгорает прежде, чем тележка дойдет до последних камер; спекание закан­ чивается и просасываемый воздух охлаждает спек. В кон­ це горизонтального пути тележка подходит роликами под

закругленный участок рельсов, скатывается вниз, опроки­ дывается, ударяется о ранее скатившуюся тележку и спек из нее выпадает. Затем по нижнему наклонному участку рельсов тележка скатывается влево, где ролики е$ по­ падают в промежуток между зубьями двух звездочек, вращаемых от мотора. Звездочки поднимают тележку в исходное положение — ставят ее под загрузку.

Скорость движения регулируют числом оборотов звез­ дочек в зависимости от состава шихты и нужной ско­ рости спекания. Над камерой разрежения тележки дви­ жутся со скоростью —'3 м/мин.

Спекательные машины характеризуются длиной и ши­ риной камеры разрежения, достигающей 36X62 = 200 м2, обычно 50 или 75 м2. Производительность относят к еди­ нице этой площади или, как говорят, к единице площади ленты.

Готовый спек дробят на куски крупностью 70—100 мм. Спек сортируют на грохоте с прозорами в 20 мм и ме­ лочь (20—40% по массе) возвращают в шихту спекания.

Шихту для спекания составляют из руды, мелкого кокса, пыли и возврата. Руду предварительно измельча­ ют до 15—25 мм в молотковых дробилках, перед спека­ нием ее обычно не сушат.

Пористость, газопроницаемость и большая реакцион­ ная поверхность спека выгодно отличают его от плотных брикетов. С заменой брикетирования спеканием повы­ силась производительность шахтных печей и снизился расход топлива. Расход топлива на спекание обычно не превышает 9—12% от массы шихты.

Производительность машин при спекании окисленных никелевых руд составляет по шихте 25—30 т!м2 площа­ ди ленты в сутки. Газы, содержащие 0,2—0,3 г/м3 пы­ ли, очищают в циклонах

Плавка брикетов или спека

Шахтные печи для плавки окисленных никелевых руд устроены подобно медеплавильным шахтным печам, но имеют несколько иной профиль (рис. 47), приспособ­ ленный к условиям восстановительной плавки.

При плавке окисленных никелевых руд температура в области фурм достигает 1450—1500° С, а на колошнике 300—500° С. Весь столб сыпи, состоящей из спека, пири-

FeO -j- CaS —>■FeS -f- CaO,

В сульфидировании железа и никеля принимает уча­ стие также сера, выделяющаяся при диссоциации FeS2 и восстанавливаемая из газов по реакции

2S02 + 2С-* S2 + 2С02.

Штейн, получаемый при плавке окисленных никеле­ вых руд, представляет собой сплав сульфидов Ni3S2 и FeS, в котором растворены свободные железо и никель. Соотношение количеств сульфидной и металлической со­ ставляющих штейна зависит от соотношения скоростей сульфидирования и восстановления металлов при плавке.

Штейн, насыщенный растворенными в нём свободны­ ми металлами, при охлаждении выделяет кристаллы твердого раствора никеля и железа — ферроникеля. Тем­ пература в области фурм выше, чем в горне. Попадая в горн, штейн охлаждается и ферроникель выкристалли­ зовывается из него на лещади и стенках горна. Горн постепенно зарастает ферроникелем, полезный объем его уменьшается, а ход плавки расстраивается. Для преду­ преждения выделения ферроникеля нужно получать штейны, содержащие больше сульфидных и меньше ме­ таллических составляющих.

Применение пирита при плавке ускоряет сульфиди­ рование. При достаточном количестве пирита феррони­ кель в горне печи почти не образуется, но избыточное сер­ нистое железо разубоживает штейн. В противополож­ ность этому избыток гипса мало влияет на состав штйна, так как в образовании последнего принимает участие только сернистый кальций, растворившийся в шлаке. Избыток CaS окисляется в нижней части печи и оказы­ вается бесполезным.

Шлаки содержат 42—44% Si02 и около 50% суммы FeO, СаО и MgO. Обычно высокое содержание в руде окиси магния позволяет уменьшить расход известняка, сумма СаО и MgO в шлаке не должна превышать 34— 35%. Шлаки никелевой плавки могут быть использова­ ны для литья брусчатки и производства шлаковой ваты.

Колошниковые газы уносят из печи до 4—5% шихты в виде пыли, которую улавливают осадительными каме­

рами и циклонами и возвращают на спекание. Газы обычно направляют в трубу, хотя при герметизации ко­ лошника их можно было бы использовать как топливо.

Подогрев воздуха, подаваемого в фурмы печи, и обо­ гащение его кислородом значительно улучшают показа­ тели плавки, главным образом ее производительность; снижается и расход кокса. Для подогрева воздуха можно использовать природный газ.

Продувка штейна в конвертере

Для продувки никелевых штейнов применяют обыч­ ные конвертеры.

Конвертерный передел характеризуется здесь двумя основными реакциями — окислением и шлакованием ра­ створенных в штейне железа и сульфида железа:

2Fe + 0 2 + Si02-> Fe2Si04+ 575 кдж (137 ккал), 2FeS + ЗО2 Si02 — Fe2Si0 4 -f- 2S02 +

+ 975 кдж (233 ккал).

Для перевода одной единицы массы железа в шлак по первой реакции требуется в три раза меньше воздуха, чем по второй; скорость этой реакции в начале продувки много больше скорости второй. Кроме того, железо мо­ жет окисляться кислородом сернистого газа:

3Fe + S02->2Fe0 + FeS.

Практика показывает, что сульфидное железо начи­ нает выгорать лишь после шлакования основной массы элементарного железа.

Никель до конца шлакования всего железа окисляет­ ся мало, так как закись никеля, если бы она и образова­ лась, вновь превратилась бы в сульфид по основной ре­ акции никелевой плавки.

Штейн заливают в конвертер ковшами по 4—10 г, каждый раз продувая его при подаче кварца. Таким об­ разом, набирают жидкую массу в количестве, соответст­ вующем емкости конвертера. Сливаемый при этом кон­ вертерный шлак сравнительно беден никелем и кобаль­ том, так как штейн в конвертере еще содержит много железа. Продолжительность продувок по мере накопле­ ния штейна постепенно возрастает с 15 до 45 мин вслед­

ствие уменьшения соотношения между свободным и суль­ фидным железом.

Во время горячего хода конвертера, когда происхо­ дит интенсивное шлакование металлического железа, в конвертер дают холодные присадки ферроникеля, твер­ дого штейна и других никельсодержащих оборотов.

После набора в конвертер обедненного железом щтейна начинают продувку на файнштейн. Закончив ее, сли­ вают сначала шлак, а затем файнштейн, разливая его в изложницы.

Получить никель из никелевого файнштейна путем дальнейшей продувки в конвертере не удается, так как реакцию между сульфидом и закисью никеля

Ni3S2 + 4NiO = 7Ni + 2S02-

можно осуществить только при высоких температурах, трудно достигаемых в конвертере даже при дополнитель­ ном подогреве.

В конвертерном шлаке содержится 25—30% Si02, 42—48% Fe, около 1,5% Ni. Кобальта в основной массе шлака обычно не более 0,2%, а в последних сливах до 1,5%.

Пыль, выносимая газами через горловину, содержит 15—20% Ni. Ее улавливают в осадительных камерах и возвращают в конвертер при следующей продувке.

Емкость конвертеров никелевого производства (изме­ ряется по меди) часто не более 20—40 т, продолжитель­ ность операции в них от 8 до 12 ч. Никелевый файнштейн разливают в песчаные изложницы, избегая загрязнения его железом.

Для извлечения кобальта конвертерные шлаки пере­ рабатывают различно в зависимости от последующей схемы производства. Если никель, получаемый из файн­ штейна, будет подвергаться электролизу, кобальт выгод­ но перевести в файнштейн. В этом случае поступают так же, как при продувке медно-никелевых файнштейнов.

Если никель, выплавляемый далее из файнштейна, не требуется рафинировать электролизом, кобальт стара­ ются перевести в конвертерные шлаки. Для этого либо отбирают наиболее богатые последние сливы, либо, что более успешно, рафинируют особым приемом. Для этого перед концом продувки в конвертер заливают небольшое количество свежего штейна и загружают кварц.