1236

магнетита и улучшает его дальнейшую переработку. Температура плавления конвертерного шлака находится в пределах 11^ 0 — 1250°С.

Флотационное разделение медно-никелевого файнштейна

В настоящее время в Советском Союзе и в Канаде для разделе­ ния файнштейна на никелевый и медный концентраты используют флотацию. В Советском Союзе такой способ разработан проф. И. Н. Масленицким, который установил, что можно разде­ лить флотацией сульфиды меди и никеля, составляющие в основ­ ном файнштейн, после медленного его охлаждения. В процессе медленного охлаждения кристаллы каждого сульфида должны обособиться один от другого и вырасти до большого размера. При медленном охлаждении файнштейна под слоем песка в интервале

ходить со скоростью 8—10 °С до 450 °С и более быстрое охлажде­ ние в интервале 400—100 °С. В затвердевшем файнштейне суль­ фид меди обнаруживается в виде довольно крупных зерен, а после измельчения он превращается в смесь частиц сульфида меди, сульфида никеля и частиц 'сплава, состоящего из никеля и меди.

Флотацию файнштейна ведут в сильнощелочной среде с по­ лучением медного концентрата, всплывающего с пеной, и никеле­ вого концентрата, не всплывающего. Пенный (грубый медный концентрат) и непенный продукты многократно перечищают фло­ тацией, в результате получают концентраты высокого качества: никелевый концентрат с 68—70 % Ni и 3—4 % Си и медный кон­ центрат с 70—73 % Си и 3,5—5,0 % Ni.

В никелевый концентрат извлекают 96—97 % Ni и около 85 % Со, в медный концентрат переходит около 95 % Си. Метод флотационного разделения файнштейна не дает отвальных про­ дуктов, так как все металлы распределяются между никелевым и медным концентратами.

Обжиг никелевого концентрата

В настоящее время на всех отечественных и зарубежных никеле­ вых заводах никелевый концентрат флотационного разделения медно-никелевого файнштейна обжигают в печах КС. В отличие от обжига никелевого файнштейна обжиг ведут сразу в одну ста­ дию, оставляя в огарке — закиси никеля — менее 0,5 % S.

Теоретические и практические основы обжига никелевого кон­ центрата аналогичны обжигу в печах КС медных концентратов и никелевого файнштейна. Обжиг никелевого концентрата про­ водят при 1150—1200 °С. Более высокая температура возможна потому, что никелевый концентрат после разделения файнштейна не содержит металлической фракции, которая способствует спека­ нию частиц и нарушает процесс обжига. Он может быть иитен-

сифицирован подачей в кипящий слой обогащенного кислородом

изводительность печи КС и получается закись никеля с более низ­ ким содержанием серы, чем указано выше. Извлечение никеля в закись составляет при обжиге 97—99 %. Закись никеля затем восстанавливают в трубчатом реакторе и направляют на восста­ новительную плавку на анодный никель.

Восстановительная анодная электроплавка

Закись никеля с содержанием никеля 80 % плавят с восстанови­ телем для получения чернового металла, предназначенного для рафинирования электролитическим путем. Поэтому металл из печи после восстановительной плавки разливают в анодные из­ ложницы.

Для плавки анодного металла применяют дуговые электро­ печи, описанные в гл. III. Практика работы их аналогична прак­ тике восстановления закиси никеля на товарный гранулированный никель (см. гл. VIII), только вместо нефтяного кокса в качестве восстановителя при плавке на аноды применяют мелочь камен­ ного угля. Использовать каменный уголь можно, так как загряз­ нение анодного никеля серой и железом, которые содержатся в восстановителе, при электролизе анодного никеля не вызывает затруднений.

Никелевые аноды выпускают в виде плит, на различных пред­ приятиях бывают плиты разного размера. Распространен тип анода массой около 280—300 кг, толщиной 50—75 мм и размером

Электролитическое рафинирование никеля

На электролитическое рафинирование поступает никель в виде анодов, отливаемых после восстановительной плавки закиси ни­ келя в электропечах. Основные примеси анодного никеля — медь, железо, кобальт, платиновые металлы/ сера, селен, теллур. Кроме указанных примесей, анодный никель содержит углерод, кремний, кислород, свинец, мышьяк и цинк. Никель из окисленных никеле­ вых руд обычно не содержит благородных металлов, а в никеле из сульфидных руд всегда присутствуют платиновые металлы.

Главная задача электролиза — получение никеля высших ма­ рок (ГОСТ 849—70) НО, Н1, Н1у с содержанием 99,99—99,93 % Ni + Со и попутное извлечение кобальта и платиновых металлов, ценность которых выше ценности никеля.

Электролиз никеля — сложный процесс, во многом отличаю­ щийся от электролиза меди, так как отделить примеси других металлов от никеля электролизом труднее, чем от меди. Электро­

лиз никелевых анодов проводят в растворе сульфата или смеси сульфата и хлорида никеля с некоторыми токопроводящими до­ бавками. Растворение никеля в процессе электролиза достигается при присоединении анода к положительному полюсу источника постоянного тока. Осаждение происходит на металлических ли­ стах, подключенных к отрицательному полюсу того же источника. Электроды, присоединенные к положительному полюсу, принято называть анодами, а к отрицательному полису — катодами.

Основная особенность электролиза никеля на промышленных установках заключается в том, что на катоде вместе с никелем могут осаждаться медь, водород, железо, кобальт и еще ряд ме­ таллов. Чтобы обеспечить осаждение на катоде только никеля, катодное пространство в электролитной ванне отделяют от анод-

Поступление

католитй.

Рис. 55. Схема диа­ фрагменной ячейки электролитной ванны для электролиза ни­ келя:

/ — аноды; 2 — катоды; 3 — диафрагма

ного диафрагменной ячейкой (ящиком), которую делают из бре­ зента или другой плотной ткани, натянутой на каркас. Помещая катодную основу в диафрагменную ячейку (рис. 55), разделяют электролит в ванне на два объема. Электролит внутри катодной ячейки называют католитом, а находящийся вокруг анода — анолитом.

Анолит содержит медь и другие примеси; поскольку они рас­ творяются на аноде вместе с никелем, то могут загрязнить катод­ ный осадок. Поэтому анолит выводят из электролитной ванны и он поступает на очистку от примесей в отдельной аппаратуре. Очищенный раствор — католит — непрерывно заливают внутрь диафрагмы со скоростью 20—30 л/ч на каждую катодную ячейку, чтобы уровень католита в диафрагме был всегда на 25—30 мм выше уровня анолита. Благодаря этому католит просачивается через поры диафрагмы и поступает в анодное пространство, а ано­ лит не может пройти через диафрагму и загрязнить католит. Со­

электрического тока. Кроме того, на катоде восстанавливается

ходуется электроэнергия. Для уменьшения выделения водорода желательно вести электролиз при наименьшей возможной концен­ трации водородных ионов. Поэтому электролиз практически ведут при pH не ниже 2. На ряде заводов pH электролита доходит до 5.

Анодный процесс. Основным анодным процессом является рас­ творение никеля: Ni — 2е = Ni2+. Аналогично растворяются же­ лезо, кобальт, медь, содержащиеся в анодах. Медь переходит в раствор в форме одновалентной и двухвалентной: Си — е = Си+; Си — 2е = Си2+. Часть меди в анодах находится в виде Cu2S. Сульфиды меди не растворяются, оседают на дно ванны, образуя шлам. Туда же переходят с анода шлаковые включения, золото, серебро, металлы платиновой группы, содержащиеся в анодах, и частицы анодного металла, которые образуются в результате не­ равномерного растворения анода. Выход шлама составляет 4— 5 % от массы анода. Его перерабатывают по особой схеме. После растворения значительной части анодов их меняют, т. е. из элек­ тролитной ванны вынимают анодные остатки, называемые скра­ пом, и загружают новые аноды.

Выход по току. Проходящий через анод электрический ток рас­ ходуется не только на растворение никеля, но и на растворение других металлов, а также на выделение водорода и кислорода. Согласно закону Фарадея, при прохождении тока силой 1 А в те­ чение 1 ч выделяется и растворяется 1,095 г никеля. Практически никеля выделяется меньше, так как часть тока расходуется на бесполезный процесс выделения водорода, происходит утечка тока. Чтобы определить, сколько тока расходуется на осаждение никеля на катоде, введено понятие катодного выхода по току В, выражаемого в процентах: В=(а- Ю0)/К, где а — количество выделившегося на катоде металла (определяется взвешиванием

Очистка анолита заключается в удалении из растворов железа, меди и кобальта. При этом стремятся по возможности не вводить в электролит ничего лишнего, никаких посторонних ионов, чтобы избежать потом дополнительных операций по выводу из электро­

лита накапливающихся примесей.

Железо в анолите содержится в двухвалентной и частично в трехваленТной форме; требуется перевести его в трехвалентную форму с образованием кека, который затем отфильтровывают. Железо легко окисляют кислородом воздуха, иногда для окисле­ ния применяют хлор. Процесс осаждения железного кека можно представить себе в виде трех одновременно идущих процессов:

окисления двухвалентного железа: 2 FeSC>4 + V2O2 + 5 Н2О2 = = 2Fe(OH) 3 + 2 H2SO4, гидролиза сульфата оксида железа с об­ разованием осадка—кека и нейтрализации образующейся кислоты карбонатом никеля: H2S0 4 + NiC03 = NiS04 + Н20 + С02.

Очень важно получить не только чистый по железу раствор, но и хорошо фильтрующийся кек. Для этого необходимо подла­ живать температуру и pH раствора на заданном уровне.

Очистку раствора от меди осуществляют никелевым порошком по реакции CUSO4 + Ni = NiS04 + Си. После осаждения (цемен­ тации) меди раствор, очищенный от меди, фильтруют и направ­ ляют на очистку от кобальта, которую производят хлором с при­ менением в качестве нейтрализатора карбоната никеля по сле­

руют для отделения кобальтового кека. Кобальтовый кек является сырьем для производства товарного кобальта.

При высоком содержании цинка в электролите (анолите) его очищают сорбцией этой примеси анионообменной смолой — анио­ нитом АМП. Анионит, применяемый для поглощения цинка, выпу­ скают в виде зерен диаметром 0,6—1,6 мм.

Очистка электролита от цинка состоит из трех стадий: погло­

водного раствора цинка от смолы (десорбции). Очистку раствора от цинка и регенерацию смолы осуществляют непрерывно при противотоке анолита и смолы. Анионит АМПкласса А имеет ем­ кость по цинку 6—8 кг/т смолы.

Основные показатели электролиза никеля. В электролитной ванне устанавливают 31—45 катодов и 32—47 анодов. Электролиз ведут при температуре католита 70—75 °С и плотности тока 260— 360 А/м2 площади катода. Выход никеля по току достигает 96 % при напряжении на ванне 2,6—3 В. Расход энергии постоянного тока колеблется в пределах от 2400 до 3300 кВт-ч/т никеля.§

§ 5. Краткие сведения по гидрометаллургии никелевых руд

По способу, осуществленному для небогатых окисленных никеле­ вых руд на заводе «Никаро» (Республика Куба), измельченную руду подвергают восстановительному обжигу в 16-подовых печах

фильтрацией раствор обрабатывают паром. В результате удале­ ния аммиака происходит выделение в осадок никеля и кобальта в виде нерастворимых основных карбонатов. Осадок сушат и про­ каливают в трубчатых печах, в результате чего образуется порош­ кообразная закись никеля (76,5 % № и 0,6 % Со). Закись никеля спекают в агломерационных машинах. Средний состав получен­ ного товарного продукта — спека (синтера), %: 88 % Ni; 0,7 % Со.

Аммиачное выщелачивание сульфидного никелевого концентрата под давлением применяют на заводе в Форт Саскачеван (Канада) компании «Шеррит-Гордон», поэтому этот метод назы­ вается методом «Шеррит-Гордон».

По этому способу никелевый концентрат обрабатывают раство­ ром аммиака и сернокислого аммония в автоклавах под избы­ точным давлением воздуха около 700 кПа при 77—82 °С. При этом переводят в раствор 90—95 % никеля, 88—92 % меди, 50—75 % серы в виде комплексных аммиачных солей, например, по реак­ ции NS + 202 + 6NH3 = Ni(NH3)6S04.

Железо, входящее в состав концентрата, окисляется и выпа­ дает в осадок з виде гидроксида (Fe20 3-H20). Отфильтрованный раствор кипятят, по мере отгонки аммиака из раствора идет реак­ ция осаждения сульфида меди (70 % Си), который после фильт­ рации направляют на медеплавильный завод.

Очищенный от меди раствор обрабатывают в автоклаве водо­

вого порошка из раствора выделяют сероводородом кобальт. Из отработанного раствора кристаллизацией выделяют сульфат ам­ мония (NH4)2S 04. В целом по технологической схеме извлечение составляет 90 % никеля, 45 % кобальта, 89 % меди и 75 % серы.

Использование описанной выше схемы для отечественного сульфидного медно-никелевого рудного сырья признано нецеле­ сообразным вследствие невысокого извлечения кобальта и невоз­ можности получения высоких показателей по извлечению метал­ лов платиновой группы.

§ 6. Технология плавки никелевых сплавов

Никелевые и медно-никелевые сплавы представляют собой сплавы никеля с медью, хромом, марганцем, железом и другими метал­ лами. Сплавы монель-металл, мельхиор, нейзильбер применяют для изготовления деталей с повышенными механическими и кор­ розионными свойствами, сплавы хромель и алюмель для изготовления термопар и компенсационных проводов. Сплавы константан, нихром отличаются высокой жаропрочностью, их приме­ няют для изготовления разного рода электронагревательных при­

боров и электропечей.

К магнитным сплавам относят никелевые сплавы с железом и

другими добавками. Магнитные сплавы характеризуются магнит­ ной проницаемостью — способностью сплава пропускать магнит­

При плавке никеля и его сплавов во избежание насыщения рас­ плава кислородом воздуха загружают флюсы — неметаллический материал, бой оконного стекла. Слой флюса защищает металл от воздействия внешней газовой среды.

Один объем никеля способен растворить до четырех-пяти объ­ емов водорода, который выделяется при охлаждении сплава и об­ разует газовую пористость.

Газовая пористость образуется при выплавке сплава из плохо подготовленной шихты с остатками влаги, масел и органических веществ, при разложении которых возможны выделение водорода и поглощение его расплавленным никелем. Наиболее вредной примесью в никеле, вызывающей хрупкость металла, является сера. Для нейтрализации вредного действия серы в никеле при плавке его добавляют магний, который реагирует с сульфидом ни­ келя с образованием сульфида магния (Mg2S). Сульфид магния, как тугоплавкое соединение, выделяется из металлического рас­ плава (металла) 1.

При плавке никелевых сплавов обычно используют комплекс­ ную добавку, состоящую из двух-трех элементов в виде лигатуры. Лигатурами называют промежуточные сплавы тугоплавких эле­ ментов с легкоплавкими. Так, лигатуры — сплавы, состоящие из кремния, марганца и магния, применяют одновременно для рас­

грузки шихты следующий: сначала загружают никель, железо, медь, отходы и покрывают флюсом. Плавку ведут под сплошным покровом флюса — стекла, предварительно высушенного. В про­ цессе плавки потемневшее стекло снимают и заменяют свежим. Раскисление и дегазацию осуществляют углеродом в виде лига­ туры никель—углерод с ~ 2 % С. Перед литьем сплав дополни­ тельно раскисляют магнием, выдерживают в течение 1,5—2,0 мин и разливают при 1470—1500 °С. Контроль температуры расплава производит плавильщик с помощью термопары и электронного потенциометра.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Свойства никеля, его температура плавления и кипения.

2.Наиболее распространенные сплавы с никелем.

3.В каких минералах окисленных и сульфидных руд содержится никель.

4.Окисленные никелевые руды и их особенность.

5.Состав сульфидных медно-никелевых руд.

1Металлы, применяемые для удаления из расплава серы, называются десульфураторами.

6.Сущность процесса брикетирования и агломерации окисленных никеле­ вых руд.

7.Из каких компонентов состоит шихта шахтной печи? Как происходит сульфидирование и образование штейна в шахтной печи?

8.Как загружают компоненты шихты в шахтную печь и какое значение имеет при этом распределение компонентов шихты по крупности?

9.Главнейшие показатели, характеризующие шахтную плавку окисленных никелевых руд.

10.Напишите реакции, протекающие в конвертере при переработке штейна. Охарактеризуйте продукты, получающиеся в конвертере при переработке нике­ левого штейна. Объясните поведение кобальта в процессе конвертирования ни­ келевого штейна и обеднения конвертерного шлака.

11.Опишите, как происходит обжиг файнштейна в две стадии.

12. Опишите, как происходит получение товарного никеля в электропечи из закиси никеля.

13. Технологическая схема переработки сульфидных медно-никелевых руд.

14.Способы подготовки медно-никелевых концентратов к плавке.

15.Сущность процесса агломерации сульфидных медно-никелевых руд и концентратов. Показатели агломерации.

16. Особенность плавки сульфидных медно-никелевых руд и агломерата в электропечах. Штейн и шлаки при плавке сульфидных медно-никелевых руд и агломерата в электропечах, их состав. Показатели плавки сульфидных медно­ никелевых руд и агломерата в электропечах.

17.Каковы особенности конвертирования медно-никелевого штейна? Напи­ шите реакции, протекающие при конвертировании медно-никелевого штейна. Со­ став конечных продуктов конвертирования медно-никелевого штейна.

18.Режим охлаждения медно-никелевого файнштейна перед флотацией, со­ став концентратов.

19.Особенности обжига никелевого концентрата флотационного разделения файнштейна.

20.Каковы особенности восстановительной анодной электроплавки? Состав

анодов.

21.Особенности электролиза никелевых анодов. Назначение диафрагменной

ячейки.

22.Основные показатели процессов электролиза никеля.

23.Особенности и свойства никелевых сплавов. Где они применяются? Вред­ ные примеси никеля. Для чего применяются флюсы и лигатуры при плавке

сплавов? Особенности плавки мельхиора, нейзильбера и монель-металла.

24.Какие меры предосторожности следует принимать на основных переде­ лах производства никеля?

25.Какие источники опасности Вы знаете в плавильном цехе?

§ 1. Основные сведения

Свинец — элемент IV группы периодической системы Д. И. Менде­

леева.

Свинец, так же как и медь, относится к числу древнейших ме­ таллов. В настоящее время промышленное .значение имеют сле-

дующие минералы свинца: галенит (PbS), церуссит (РЬСОз) и англезит (PbS04). Другие минералы встречаются значительно реже и не образуют крупных месторождений. В древности полу­

чали свинец из церуссита и, возможно, из смесей англезита, гале­ нита и церуссита.

Свинец легко восстанавливается из оксида: РЬО + СО = РЬ + + С02. Он плавится при 327 °С и вытекает после восстановления из тугоплавких остатков руды, кварца и силикатов. Этому спо­

Из физических свойств свинца важны его высокая пластичность и мягкость. Свинец расплющивается при нажатии или ударе мо­ лотком. В металлургии используют полную инертность свинца к железу. Оба металла не сплавляются и не образуют соединений. Поэтому жидкий свинец можно заливать в стальные котлы, пере­ мешивать пропеллерными стальными мешалками, перекачивать центробежными насосами по стальным трубам.

Из химических свойств свинца большое значение имеет его устойчивость к растворам серной кислоты. Однако действием по­ стоянного тока в растворе серной кислоты свинец можно окис­ лить до РЬ02 (зарядить). Окисленный таким образом свинец в паре со свинцовым электродом образует гальванический эле­ мент— источник постоянного тока, который принято называть ак­ кумулятором. Во время работы аккумулятора оксид свинца (IV) восстанавливается и напряжение на электродах снижается (эле­ мент разряжается). Затем его снова заряжают. Свинцовые акку­ муляторы очень широко применяют в автомобильном и внутриза­ водском транспорте. Для изготовления аккумуляторов расходуют до 30—40 % всего получаемого свинца. Около 20 % свинца рас­ ходуют на изготовление листов и труб для химической промыш­ ленности и оболочек электрических кабелей.

Как уже говорилось выше, свинец — очень мягкий металл, по­ этому применение его для изготовления каких-либо конструкций невозможно. Однако это свойство .используют в машиностроении, где из сплавов свинца изготовляют вкладыши подшипников (сплав

состоит из 80 % РЬ, 1,5 % Си + Sb).

Очень важное значение в электротехнике и электронике имеют свинцово-оловянные припои (например, по 50 % РЬ и Sn). Исклю­ чительно большое значение имеет свинец в типографском деле. Из сплава свинца (70—80 %) с сурьмой (10—20 %), мышьяком и оловом изготовляют типографский металл (шрифты).

Современное производство рафинированного свинца из руд в капиталистических странах достигло примерно 4,0 млн. т. Кроме того, около 1,5 млн. т получают из отходов промышленности

(вторичное сырье).

Социалистические страны имеют современную свинцовую про­ мышленность и обеспечивают себя (в системе СЭВ) этим метал­ лом.