книги из ГПНТБ / Серебряный Я.Л. Электроплавка медно-никелевых руд и концентратов

необходимо всю охлаждающую воду пропускать через фильтроваль­ ную установку.

Признаком засорения системы служит сильное выделение водя­ ного пара из водоотводящей трубы. При прекращении в контактных щеках нормальной циркуляции воды нужно немедленно отключить печь и прочистить систему водоохлаждения электрода. В против­ ном случае при сравнительно непродолжительной работе электрода с засоренной системой водоохлаждения резиновые или кожаные сальниковые уплотнительные прокладки в накидных гайках арматуры водоохлаждения могут сгореть. В результате этого после прочистки труб образуется течь, устранение которой вызовет дополнительные простои печи. Систему прочищают компрессорным воздухом под давлением 4—5 ат. На конец водоотводящей трубы надевают воз­ душный шланг и продувают систему-водоохлаждения. Если продув­ кой не удается ликвидировать засорение, то разбирают перемычку между щеками и продувают каждую щеку и арматуру. В ряде слу­ чаев, когда на охлаждение контактных щек поступает недостаточное количество воды, а сами щеки интенсивно омываются факелом горя­ щих газов, вода в щеках вскипает. Заметив выделение пара из системы водоохлаждения, необходимо немедленно увеличить подачу охлажда­ ющей воды.

§30. Пути снижения потерь металлов

сотвальными шлаками

Количество отвальных шлаков, образующихся при электро­ плавке медно-никелевых руд и концентратов, достигает 100—112% от массы твердой никельсодержащей шихты. При таком большом выходе шлака даже очень низкое содержание в шлаке никеля и других металлов приведет к их значительным потерям. Поэтому металлург должен стремиться получать отвальные шлаки с минималь­ ным содержанием никеля, меди и кобальта. Выполнение этой задачи возможно лишь при знании факторов, которые влияют на потери металлов. Потери металлов с отвальными шлаками зависят от физико­ химических свойств шлака и условий ведения технологического процесса.

Различают три формы потерь металлов со шлаками:

1. Механические потери в виде мельчайших капель (корольков) штейна, не успевших осесть и запутавшихся в шлаке при отстаи­ вании.

2. Физические потери в виде растворенных в шлаке сульфидов никеля, меди и кобальта.

3. Химические потери в виде ошлакованных, химически связан­ ных со шлаком окислов металлов (NiO-SiOg, Cu20 -S i0 2, CoO-Si02).

По данным А. В. Ванюкова и В. Я- Зайцева, доля механических потерь в общих потерях металлов со шлаком электроплавки состав­ ляет 20—30% для никеля и меди и 30—50% для кобальта. Размер штейновых корольков, обусловливающих механические потери, изме­ няется в пределах от 0,0005 до 0,5 мм. Ниже приведены данные А. В. Ванюкова и В. Я. Зайцева о скорости и времени осаждения

171

капель штейна в Шлаке на глубину 50 см (при' вязкости расплава 5 П) для размера частиц 0,5—0,005 мм.

Из приведенных данных следует, что в заводских условиях корольки штейна диаметром менее 0,05 мм не успевают выделиться из шлака, так как время пребывания шлака в шестиэлектродиой электропечи не превышает 10— 12 ч. Небольшие размеры корольков штейна наряду с их невысокой концентрацией создают большие трудности при извлечении ценных металлов из шлаков.

Ниже перечислены возможные причины образования в шлаке мелкодисперсной штейновой взвеси.

1.Плавка руды с тонкой вкрапленностью ценных сульфидных минералов.

2.Восстановление и сульфидирование в шлаке окисленных соединений ценных металлов по реакциям:

(MeО) -р [Fe] = [Me] + (FeO), [Me] + [FeS] = [AfeS] + [Fe], (MeO) + [FeS] = [AfeS] + (FeO).

3. Способность жидких сульфидов смачивать окисленные мине­ ралы твердой шихты.

Механизм образования мелкодисперсной взвеси под действием этого фактора сводится к следующему. В процессе плавки сульфидные минералы первыми переходят в жидкое состояние. При этом под действием поверхностных сил происходит растекание жидких суль­ фидов по поверхности тугоплавких минералов пустой породы с обра­ зованием тонкой пленки. Растекание сульфидов по трещинам и зернам минералов прекращается при полном расплавлении окислен­ ных минералов шихты. При расплавлении шихты каналы и трещины закрываются, что приводит к разрыву тонкой пленки сульфидов на отдельные части и образованию в дальнейшем в шлаке капель различной крупности. После расплавления шихты и осаждения основной массы сульфидов в шлаке остаются мелкие штейновые корольки.

4.Взрывоподобное разрушение решетки холодного твердого сульфида при.его быстром погружении в расплавленную шлаковую ванну электропечи.

5.Резкое уменьшение температуры шлаковой ванны, приводящее

кснижению растворимости сульфидов в шлаке.

6.Флотация штейна в шлаках. Сущность этого явления заклю­ чается в следующем. В результате реакции между сульфидами и магнетитом выделяется сернистый газ:

3Fe30 4 + FeS + 5SiOa = 5 [(FeO)2 ■S102] + S02.

172

Пузырьки SÖ2 прилипают к поверхности частиц штейна и удер" живают их во взвешенном состоянии в шлаке или поднимают на поверхность шлаковой ванны. При флотации штейна в шлаках ухудшаются условия отстаивания шлака и увеличиваются потери металлов. Флотация штейнов наблюдается при заливке в электропечь богатых магнетитом конвертерных шлаков, при заглублении откосов шихты до штейновой ванны, при перегреве штейна.

Особенно резко возрастают механические потери металлов при нарушении технологии электроплавки: при неправильной загрузке шихты, высоком уровне штейновой ванны. Для полного отделения штейна от шлака и снижения механических потерь необходимо, чтобы разность плотностей штейна и шлака составляла не менее 1,5, а шлаки при этом имели малую вязкость (—3—5 П). Поскольку вязкость снижается с повышением температуры, следует работать на кислых (42—43% S i0 2) перегретых шлаках, обладающих малой плотностью и обеспечивающих минимальные потери металлов.

Механические потери цветных металлов со шлаками во многом зависят от величины межфазного натяжения на границе расплавлен­ ных шлака и штейна.

Из физической химии известно, что поверхность расплавленных фаз1 отличается по свойствам от основной массы расплава избыточной поверхностной энергией. Атомы, молекулы или ионы поверхностного слоя испытывают воздействие со стороны частиц, находящихся внутри расплава, вследствие чего на его поверхности образуется тонкая пленка, которая оказывает давление на расплав. При увели­ чении поверхности расплавленного вещества совершается работа, связанная с преодолением молекулярных или ионных сил. Эта работа (А), выраженная в эргах и отнесенная к вновь образовавшейся поверхности (S), равной 1 см2, называется поверхностным натяжением

Заводские шлаки электроплавки имеют поверхностное натяжение 380—400 дин/см, штейны 330—350 дин/см. Межфазное натяжение по границе штейн—шлак меньше величины поверхностного натяже­ ния каждой расплавленной фазы, что связано с особенностями их строения и взаимодействием поверхностных сил. Величина межфаз­ ного натяжения зависит от химического состава и температуры штейна и шлака.

Чем выше фазное натяжение на границе штейн—шлак, тем больше поверхность слияния тонкодисперсных корольков штейна

1 Фазой называется однородное вещество, имеющее определенные химический состав и физические свойства и отделенное от других фаз поверхностью раздела.

173

в крупные. Укрупнение капель штейна ускоряет процесс их осажде­ ния в штейновую ванну и, следовательно, сокращает потери металлов со шлаками. Поэтому для получения бедных отвальных шлаков металлурги должны выбирать шлак, обеспечивающий на границе штейн—шлак высокое межфазное натяжение. В условиях электро­ плавки повышение межфазного натяжения на границе штейн—шлак происходит при увеличении в штейне содержания сульфидов меди и никеля, за счет уменьшения содержания сульфида железа и серы при соответственном увеличении концентрации металлического железа. Росту межфазного натяжения способствует увеличение содержания в шлаке кремнезема, а также уменьшение содержания закиси железа. С повышением температуры межфазное натяжение повышается, но увеличивается растворимость сульфидов никеля и меди в шлаке.

К физическим потерям относятся потери, возникающие в резуль­ тате частичного растворения в шлаках сульфидов никеля, меди и кобальта. Растворимость сульфидов в шлаках невелика и зависит от температуры и состава шлака. Состав шлака и штейна в большей степени, чем температура, влияет на растворимость сульфидов никеля и меди. С увеличением в шлаках содержания FeO растворимость

Чем богаче штейн, тем больше физические потери ценных металлов. Химические потери возникают в результате ошлакования окис­

лов металлов в силикаты:

MeO-f SiÖ2 = Me0-Si02.

В шлаках электроплавкн химические потерн главным образом относятся к кобальту, окисленные соединения которого поступают в,печь с оборотными конвертерными шлаками. По данным А. В. Ваню­ кова и В. Я- Зайцева, физические и химические потери — основные виды потерь металлов при электроплавке. Их доля от общих потерь металлов с отвальными шлаками составляет для никеля и меди 70—80% (в основном физические), для кобальта 50—70% (в основном химические). Потери металлов в зависимости от их содержания в исходном сырье на заводах обычно составляют: никеля 2—3%, меди 2—3%, кобальта 20—43%. Такие большие потери кобальта имеют место из-за низкого его содержания в сырье.

Для снижения потерь металлов с отвальными шлаками при электроплавке рекомендуется соблюдать следующее:

а) работать на шлаке оптимального состава; б) соблюдать технологию загрузки шихты и выпуска продуктов

плавки; в) максимально сократить количество заливаемого в печь кон­

вертерного шлака; г) вводить в шихту электроплавки восстановитель;

д) плавить обожженное и необожженное сырье в разных печах; получаемый богатый шлак направлять самотеком в печь, где плавка ведется на бедный штейн и бедный отвальный шлак.

174

Рассмотрим эти рекомендации более подробно.

11.

Напомним, что решающее значение на потери металлов ока­ зывает содержание в шлаке кремнезема и закиси железа. Влияние кремнезема на содержание в шлаке никеля и кобальта для условий электроплавки на комбинатах «Печенганикель» и Норильском иллю­

с увеличением содержания в шлаке кремнезема потери металлов

кремнистые флюсы. Понятно, чтозатраты на переработку флюса не должны превышать стоимости дополнительно извлеченных из шлаков металлов.

Частичное замещение кремнезема в шлаке окисью кальция умень­ шает потери металлов. Промышленные опыты, проведенные в Нориль­ ске, показали, что если в шихту электроплавки вместо кварцевого флюса добавлять известняк из расчета получения в отвальном шлаке 18—20% СаО, то происходит значительное повышение извле­ чения кобальта; потери никеля снижаются в меньшей степени. Так, при содержании в шлаке 8% СаО содержание кобальта состав­ ляет 0,038% и никеля 0,11%; при 20% СаО в шлаке содержится 0,014% кобальта и 0,09% никеля.

В зависимости от технологической схемы завода и состава сырья содержание FeO в отвальных шлаках колеблется от 20 до 34%. Увеличение содержания FeO в шлаке приводит к возрастанию потерь ценных металлов. Например, при электроплавке агломерата

175

без добавки восстановителя отвальные шлаки при содержании 24% FeO и 40—42% Si02 содержат 0,11% Ni, 0,10% Cu и 0,03% Со. При том же содержании в шлаках кремнезема с повышением содер­ жания FeO до 32% увеличивается содержание никеля в шлаках до 0,16%, меди до 0,13%, кобальта до 0,047%. Причина этого — в повышенной растворимости сульфидов металлов в железистых шлаках, кроме того, с увеличением содержания в шлаке FeO умень­ шается межфазное натяжение на границе штейн—шлак, что создает плохие условия для выделения корольков штейна. При работе на сульфидных рудах и концентратах с высоким содержанием железа оптимальное содержание FeO в отвальном шлаке составляет примерно 25—27%.

Т щ а т е л ь н о е с о б л ю д е н и е т е х н о л о г и и з а г ­ р у з к и ш и х т ы в э л е к т р о п е ч ь — одно из условий полу­ чения бедных отвальных шлаков. Нельзя перегружать откосы ших­ той, грузить шихту в отстойную зону между крайним электродом и торцовой стенкой, в которой расположены шлаковые шпуры. Несоблю­ дение этих требований приводит к охлаждению шлаковой ванны, при этом вязкость расплава повышается и ухудшаются условия выделения частиц штейна из шлака. В результате этого содержание металлов в шлаке возрастает. Для снижения потерь металлов следует временно прекратить выпуск из печи шлака и разогреть участок отстойной зоны шлаковой ванны. Для разогрева шлаковой ванны прекращают загрузку шихты в течки, расположенные в хвостовой части печи, и уменьшают заглубление крайнего (от шлакового шпура) электрода. При этом доля мощности, выделяемая в контакте электрод—шлак, возрастает, что обеспечивает разогрев верхних слоев шлаковой ванны. Этот способ эффективен при высоком расположении шлаковых шпу­ ров над уровнем пода печи (1700—1800 мм). Если же отметка шпуров соответствует 1450—1500 мм над уровнем пода, то для разогрева нижних слоев шлака электрод заглубляют в ванну, тем самым увели­ чивая долю мощности, выделяемой непосредственно в шлаке.

Режим выпуска продуктов плавки оказывает большое влияние на величину потерь металлов с отвальными шлаками. Наиболее бедные шлаки получаются при поддержании в печи постоянного уровня шлаковой ванны и уровня штейнового слоя в пределах 700 мм. Постоянство уровня шлаковой ванны обеспечивают непрерывным выпуском шлака из печи, что легко достигается при наличии грану­ ляции. Испытания, проведенные на комбинате «Печенганикель», показали, что при непрерывномрежиме выпуска шлака содержание никеля снижается примерно на 0,01% по сравнению с периодическим режимом (соответственно 0,08% и 0,071% никеля). Это объясняется тем, что тепловой режим ванны печи при непрерывном выпуске шлака более стабилен и обеспечивает лучшее разделение штейна и шлака. При периодическом выпуске шлака (при транспортировке его на отвал в чашах-шлаковозах) снижение уровня шлаковой ванны должно быть плавным, без резких колебаний, иначе могут обрушиться откосы шихты, ванна охладится, увеличится вязкость шлака и, следовательно, повысятся потери металлов.

т

На потери металлов с отвальными шлаками значительное влия­ ние оказывает глубина штейновой ванны. Из практики электроплавкн известно, что с увеличением глубины штейновой ванны до 900— 1000мм содержание металлов в отвальных шлаках резко возрастает [до 0,3% (Ni-j- Cu)]. Повышенные потерн металлов при высоком уровне штей­ новой ванны объясняются в основном газовой флотацией штейна, которая возникает при соприкосновении его с глубоко погруженными

врасплав откосами шихты. В ряде случаев'газовая флотация штейна

вшлаковую ванну приобретает настолько интенсивный характер, что штейн фонтанирует на поверхность ванны. При этом электрический режим печи надолго расстраивается. Особенно сильное нарушение технологии вызывает фонтанирование штейна у крайнего (со стороны шпуров) электрода. Фонтанирующие потоки штейна охлаждают шлаковую ванну, шлак становится вязким, условия разделения штейна и шлака резко. ухудшаются, содержание никеля в шлаке повышается до 0,2—0,3%. В этом случае выпуск шлака прекращают и принимают меры к нормализации работы печи: снижают мощность до 5—20 МВт, интенсивно выпускают из печи избыточное количество штейна и загружают в нее тугоплавкую малосернистую шихту, чтобы при плавке уменьшить выход штейна.

С т р е м л е н и е в ы в е с т и к о н в е р т е р н ы е ш л а к и и з ш и х т ы р у д н о й э л е к т р о п л а в к и объясняется тем, что добавка конвертерного шлака в шихту электроплавки резко увеличивает потери металлов с отвальными шлаками, особенно

Рост потерь металлов при переработке в печи конвертерных шлаков обусловливается тем, что извлечение никеля и меди в штейн из конвертерного шлака составляет примерно 90%, кобальта 60%. Вследствие ограниченной возможности обеднения конвертерных шла­ ков в электропечах рудной плавки их целесообразно дорабатывать

обеднить и лишь после этого направлять в рудные электропечи. Частичное (желательно полное) выведение конвертерных шлаков из шихты электроплавки позволяет значительно сократить потери металлов с отвальными шлаками.

Так, на комбинате «Североникель» внедрение технологии обедне­ ния конвертерных шлаков в специальных электропечах позволило на 75% сократить их поступление в руднотермические электропечи Это снизило потери с отвальными шлаками никеля, меди и кобальта более чем в два раза. В настоящее время на всех отечественных медно­ никелевых заводах конвертерные шлаки обедняют в специальных электропечах. Количество конвертерного шлака, поступающего на доработку в руднотермические электропечи, не превышает в Но­ рильске 10%, на комбинате «Печенганикель» 10—30% от массы

В процессе плавки происходит восстановление окисленных соедине­ ний меди, никеля, кобальта, железа н переход полученных металлов

вштейн. При этом преимущественно будут восстанавливаться окислы железа, так как в печи их'значительно больше, чем других окислов. В результате образуется металлический сплав, состоящий

восновном из железа, который растворяется в штейне, образуя металлизированный штейн. Металлическое железо служит восстано­ вителем для меди, никеля, кобальта. Поэтому его содержание в штей­ не является важнейшим условием получения бедных отвальных

шлаков. При прочих равных условиях (содержание Ni, Си, Со

вштейне; S i0 2 в шлаке и т. д.), чем выше содержание металлического железа в штейне, тем беднее отвальные шлаки. Введение в шихту восстановителя вызывает одновременно с металлизацией штейна обеднение шлака железом и обогащение его кремнеземом. Это при­ водит к улучшению состава шлака по содержанию FeO и S i02 и спо­ собствует уменьшению потерь металлов с отвальными шлаками.

Обратимся к примерам из заводской практики: на комбинате «Североникель» при плавке необожженной рудной шихты и жидкого конвертерного шлака с добавкой восстановителя в количестве 2% от массы твердой шихты содержание металлического Fe в штейне увеличилось с 1—4 до 8— 10%. При этом содержание никеля в отваль­ ных шлаках снизилось на 10% и кобальта на 15%. Аналогичные результаты были получены и при введении восстановителя в шихту электроплавки на комбинате «Печенганикель». Особенно эффективно протекает процесс обеднения шлаков при введении восстановителя

вшихту, составленную из обожженных материалов (агломерат, обожженные окатыши). В такой шихте содержится значительное количество легко восстанавливаемых окислов железа, которые в процессе восстановления обогащают штейн металлическим железом.

На электропечах Норильского комбината при плавке агломерата

состаточным содержанием углерода (1— 1,5%) содержание металли­ ческого железа в выплавляемых штейнах составляет 8—10%. При

178

введении в шихту дополнительно 1,5—2% восстановителя от массы агломерата содержание металлического железа в штейне повыша­ ется до 15—20%, что способствует значительному сокращению потерь металлов с отвальными шлаками. Из рис. 81 следует, что при увеличении содержания металлического железа в штейне с 8 до 15% содержание никеля в отвальном шлаке уменьшается на 38% (с 0,163 до 0,1%), меди — на 12% (с 0,12 до 0,109%), кобальта — на 38% (с 0,46 до 0,028%). Однако увеличивать содержание металли­ ческого железа в штейне свыше 18% нецелесообразно, так как при

Б о л ь ш и е р е з е р в ы с н и ж е н и я п о т е р ь м е т а л ­ л о в с о ш л а к а м и таятся в правильной организации плавки богатого (обожженного) и бедного (необожженного) сырья. Известно, что состав штейновой фазы во многом определяет потери металлов со шлаком. При прочих равных условиях (состав шлака и штейна, температура продуктов электроплавки) между штейном и шлаком устанавливается определенное равновесие и постоянное отношение концентраций металлов в продуктах плавки. При этом, чем беднее будет полученный штейн, тем меньше металлов содержится в шлаке.

О распределении металлов между штейном и шлаком можно судить по величине коэффициента распределения L, определяемого как отношение концентраций металла в штейне [Ме \ и шлаке (Me): L = [Ме]!(Ме). Так, при содержании никеля в штейне 10% ив шлаке 0,091% L = 10:0,091 = ПО.. По известному составу штейна и коэф­ фициенту распределения можно легко подсчитать содержание металла в шлаке.

Используя закон распределения металла между штейном и шла­ ком, металлурги «Гипроникеля» и комбината «Печенганикель» разработали технологию плавки, обеспечивающую резкое снижение потерь металлов со шлаком. .Новая технология предусматривает плавку обожженного сырья (окатыши) и малосернистой богатой руды в печи № 1. В результате плавки получают богатые штейн и шлак. Затем богатый шлак по желобу самотеком направляют в печь № 2, в которой перерабатывается необожженное сырье (руда) и ведут плавку на бедные штейн и шлак. Для осуществления перетока шлака из печи № 1 в печь № 2 уровень шлаковой ванны печи № 1

поддерживают на 300—400 мы выше, чем на печи № 2. При такой технологии содержание металлов в отвальных шлаках, полученных как из обожженной части сырья, так и из необожженной, будет определяться составом бедного штейна печи № 2.

При новой технологии весь конвертерный шлак заливают в печь

№1, где плавится богатое сырье. За счет увеличения в два раза времени пребывания конвертерного шлака в печах (сначала в печи

№1, а затем в печи № 2) происходит более полное восстановление

содержащихся в нем окислов кобальта и никеля, что уменьшает содер­ жание металлов' в отвальном шлаке электроплавки. Показатели процесса приведены в табл. 23, из которой следует, что новая тех­ нология позволит снизить содержание металлов в шлаке: никеля на 0,01%, кобальта на 0,004%.

§ 31. Пуск в эксплуатацию новой электропечи

При пуске в эксплуатацию вновь построенной электропечи необ­ ходимо следующее:

-а) высушить кладку электропечи; б) подготовить электроды к спеканию;

в) подготовить печь к включению поднапряжение; г) обжечь электроды; д) разогреть кладку печи и ошлаковать ее;

е) создать в печи уровень расплава, достаточный для работы на заданной мощности.

180