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

например в щелочах. Не окисляется никель и при нагреве до 700— 800° С. В соляной и серной кислотах он медленно растворяется; нестоек никель и в азотной кислоте.

' В металлургии важное значение имеют соединения никеля с кислойодом (NiO), серой (Ni3Sa) и окисью углерода [Ni (СО)4]. С ме­ таллами никель образует различные сплавы, из которых наибольший интерес представляют сплавы с железом, кобальтом, медью, цинком, хромом, молибденом. Никель'придает сплавам разнообразные цен­ ные свойства, например пластичность, вязкость, кислотоупорность, жаропрочность, уменьшает коэффициент ■теплового расширения, изменяет магнитные свойства, придает сплавам красивый внешний вид и т. д. В настоящее время известно более 3000 составов никеле­ вых сплавов, удовлетворяющих самые высокие запросы современной •техники.

Статистика потребления никеля по отраслям промышленности за рубежом показывает, что 80% всего потребляемого никеля расхо­ дуется на получение различных сталей и сплавов, причем 60% из них составляют конструкционные, нержавеющие и жаропрочные стали (см. ниже), %:

Легированные никелем стали находят широкое применение в машиностроении, автотракторной, судостроительной и военной про мышленности, %:

В последние годы в связи с созданием реактивной техники боль­ шое значение приобрели жаропрочные литые сплавы на никелевой и кобальтовой основах. Эти сплавы применяют в конструкциях стационарных газовых турбин, реактивныхдвигателей самолетов и реактивных снарядов. Никель и сплавы на основе никеля широко используют в атомной технике. Нержавеющие хромоникелевые стали применяют в атомных реакторах в качестве защитных высоко­ температурных оболочек для предохранения от коррозии урановых стержней «твердого топлива», для изготовления трубопроводов, трубок теплообменников и т. д. Кроме того, сплавы никеля с цвет­ ными металлами применяют в авиационной, автомобильной, электро­ технической и других отраслях промышленности. На эти цели расходуется до 30% всего потребляемого в промышленности никеля.

10

В чистом виде никель применяют в основном для создания на железе и других металлах защитных покрытий от коррозии в хими­ ческих средах. Защитные покрытия создают как электрохимическим путем (никелирование), так и плакированием. Из чистого никеля изготавливают различные аппараты высокой коррозионной стой­ кости, например резервуары и цистерны для хранения и транспор­ тировки химических реактивов, пищевых продуктов, щелочей, эфирных масел и т. д. Из чистого никеля изготовляют также при­ боры для радиолокации, телевидения и атомной техники. Катали­ тические свойства никеля позволяют применять его в качестве ката­ лизатора при гидрогенизационных процессах.

Приведенные примеры не охватывают все области применения чистого никеля, однако расход его составляет не более 20—25% от общего потребления никеля промышленностью. Соли никеля применяют в основном для производства катализаторов, для нике­ лирования, в производстве щелочных аккумуляторов.

§3. Никелевые руды

'Понятие о рудах

По данным академиков В. Н. Вернадского и А. Е. Ферсмана, а также других ученых, основная масса земной коры состоит из следующих восьми химических элементов: кислорода (46,59%), кремния (27,72%), алюминия (8,13%), железа (5,01%), кальция (3,63%), натрия (2,85%), калия (2,60%) и магния (1,09%).

На долю остальных 96 элементов таблицы Д. И. Менделеева, содержащихся в земной коре, приходится 1,38%. Содержание в зем­ ной коре важнейших цветных металлов очень невелико: 0,01% никеля, 0,01% меди, по 0,001% кобальта и свинца, 0,04% олова, 0,05% цинка, 0,0000005% золота.

В процессе образования земной коры химические элементы рас­

значительно превышает цифры, характеризующие средний состав земной коры. Так, в медно-никелевых рудах содержание никеля достигает 5,5%, меди 11%. Руда представляет собой совокупность

в таких количествах, что их использование нецелесообразно, назы­ ваются пустой породой.

В настоящее время никелевые заводы перерабатывают два типа руд, резко различающихся по своим свойствам: окисленные (сили­ катные) и сульфидные медно-никелевые. В 1970 г. на зарубежных заводах 35% никеля выплавлялось из окисленных руд, 65% —

И

из сульфидных. Однако запасы никеля в рудах за рубежом сосредо­ точены главным образом в окисленных рудах и по перспективным планам развития производства никеля роль окисленных руд должна увеличиться.

Окисленные руды

Окисленные никелевые руды образовались в результате длитель­ ного разрушения (выветривания) серпентинитов — горных пород, состоящих в основном из водных силикатов магния, железа и каль­ ция. В окисленных рудах никель находится в соединении с кисло­ родом в виде закиси никеля NiO, большей частью связанной с дру­ гими окислами.

Никельсодержащие минералы представляют собой соединения закиси никеля с окисью магния и кремнекислотой. В состав этих минералов входит также окись железа, окись алюминия и вода. Состав никелевых минералов может быть представлен общей форму­

В Советском Союзе выплавка никеля из окисленных руд дости­ гает значительных размеров. Главнейшие промышленные месторож­ дения окисленных руд расположены на Южном и Среднем Урале, на Украине, а за рубежом — на островах Куба и Новая Каледония, в США, Бразилии! Греции.

Сульфидные руды

Сульфидными рудами называют руды, в. которых рудные мине­ ралы представлены сульфидами — химическими соединениями ме­

минерале — пирротине Fe,Ss— в виде твердого раствора в сульфиде железа.

В сульфидных рудах основным спутником никеля является медь, содержащаяся в виде минерала халькопирита CuFeS2. По­

12

нии магмы в первую очередь кристаллизовался силикатный расплав, а затем сульфидный.

Если магма остывала быстро, то капельки сульфидов кристалли­ зовались в смеси с основной массой силикатов магмы, что приводило к образованию вкрапленной руды. Если магма остывала медленно, то отдельные капли сульфидов успевали просачиваться через всю толщу магмы и застывали в трещинах в виде сплошных жил чистых

в виде тонких жил и вкраплений. Рудные тела могут располагаться как полого, так и с крутым наклоном. Часто рудное тело, выходит на поверхность и сульфидную руду добывают открытым способом. С большой глубины руду добывают подземнымспособом.

При эксплуатации ряда месторождений (Каула, Норильск в Со­ ветском Союзе, Седбери в Канаде) руду добывают как открытым, так и подземными способами. В сульфидных медно-никелевых рудах содержится от 0,3 до 5,5% никеля, от 0,2 до 17% меди, от 0,02 до 0,2% кобальта (табл. 2). В Советском Союзе месторождения сульфид­ ных медно-никелевых руд находятся в северных районах страны: на Кольском полуострове и на полуострове Таймыр. За рубежом главнейшие разведанные запасы медно-никелевых ,руд сосредото­ чены в Канаде (в провинции Онтарио и Северной Манитобе) и Авст­ ралии.

13

14

§4. Общая схема переработки сульфидных медно-никелевых руд и концентратов

Медно-никелевая сульфидная руда служит полиметаллическим рудным сырьем, так как, кроме никеля, меди и кобальта, в ней могут содержаться платиноиды, золото, серебро, селен, теллур. При хорошо организованном производстве из руды извлекают до четырнадцати ценных элементов (например, на Норильском горнометаллургическом комбинате).

Технологическая схема переработки сульфидных медно-никеле­ вых руд представляет собой цепь последовательных операций, в результате которых исходное сырье претерпевает различные физико-химические превращения, сопровождающиеся постепенным увеличением концентрации никеля и других металлов в продуктах каждой технологической операции.

Основные технологические операции процесса получения никеля из сульфидных медно-никелевых руд следующие (рис. 1): подго­ товка руды к плавке, плавка руды и концентрата на медно-никеле­ вый штейн, конвертирование штейна с получением файнштейна, флотационное разделение медно-никелевого файнштейна на никеле­ вый и медный концентраты, обжиг никелевого концентрата до закиси никеля, восстановительная электроплавка закиси никеля на анод­ ный металл, электролитическое рафинирование анодов.

В настоящее время богатые сплошные сульфидные медно-никеле­ вые руды плавят в шахтных и электрических печах. Подготовка богатой руды к плавке состоит в дроблении ее до соответствующей крупности, подсушке рудной мелочи и приготовлении такой усред­ ненной шихты (смеси) из руды, флюсов, кокса и т. д., которая обес­ печивала бы высокие технологические показатели плавки.

Вкрапленную и отсортированную бедную руду, содержащую более 15% пустой породы, нецелесообразно перерабатывать без предварительной подготовки, так как при ее плавке расходуется много электроэнергии или топлива (для получения одной тонны металлургического никеля). Поэтому бедные руды перед плавкой подвергают обогащению.

Основным методом обогащения служит -флотация. В результате флотации получают коллективный (общий) медно-никелевый кон­ центрат, в который извлекаются сульфидные металлсодержащие минералы, и так называемые хвосты — пустая порода, направляе­ мая в отвал. Кроме этого, при необходимости коллективный кон­ центрат можно разделить флотацией на медный и никелевый.

Полученный концентрат в зависимости от последующей техноло-- гии его переработки может быть подвергнут обжигу (заводы «Томп­ сон» и «Коппер-Клифф», Канада), агломерации (Норильский комби­ нат), окатыванию с последующим окислительным обжигом окатышей на ленточных конвейерных машинах («Североникель», «Печенганикель»).

Подготовленный концентрат плавят в отражательных («КопперКлифф»), шахтных («Конистон» и «Фальконбридж», Канада) и элек-

15

концентрата . Плавка

J Кварц

Электроплавка на анодйі Конвертирование

1

§?

%

1

&

Рис. I. Технологическая схема переработки медио-ннкелевых руд иа отечественных заводах

іб

никеля и меди, что благоприятно влияет на качественные показа­ тели последующей операции — флотационного разделения файнштейна на медный и никелевый концентраты.

После дробления и тонкого измельчения файнштейн подвергают флотации, в результате которой получают два продукта: никеле­ вый концентрат, содержащий 68—69% Ni и 3,0% Си, и медный концентрат, содержащий 70% Си и 3,5% Ni.

Полученный при флотационном разделении файнштейна никеле­ вый концентрат подвергают окислительному обжигу для перевода сульфида никеля Ni3S2 в легко восстановимую закись никеля NiО:

2Ni3Sа + 702 = 6NiO +4SCC.

В процессе обжига необходимо возможно полнее удалить серу. Обжиг никелевого концентрата ведут в печах кипящего слоя. Обож­ женная закись никеля содержит не более 0,5% S.

Для получения металлического никеля проводят восстановитель­ ную плавку закиси никеля в электропечах. Закись никеля смеши­ вают с малосернистым восстановителем и загружают в электропечь. В печи закись никеля восстанавливается до металла по реакции NiO -f- СО = Ni + С02. Наряду с никелем восстанавливаются медь, кобальт и железо, которые растворяются в никеле, поэтому полу­ ченный металлический никель содержит 6—8% примесей, в том числе 2—4% Си, 0,6—1,5% Fe, 0,5—1,0%.Со, 0,2—1% сульфидной серы и сотые доли процента платиноидов.

Для очистки от примесей никель в виде пластин-анодов, отливае­ мых после восстановительной плавки, направляют на электролити­ ческое рафинирование (электролиз). Электролитическое рафинирова­ ние никеля осуществляют в электролизных ваннах. В качестве электролита применяют раствор сернокислого никеля.

Аноды погружают в электролит ванны, где под действием постоян­ ного электрического тока они растворяются. При электролитическом растворении анодов создают такие условия, при которых никель

ценен, чем основной ' металл.

При электролизе электролит непрерывно выводят из ванны для очистки от железа, меди, кобальта. Очищенный от примесей раствор поступает в диафрагмы (прямоугольные деревянные рамки, обтя­ нутые брезентом), внутри которых висят катодные основы — листы никеля толщиной 1— 1,5 мм. На осдовах осаждается металлический никель.

После растворения основной массы анодов их нерастворившуюся часть (анодный скрап) извлекают из ванны, а в ванну помещают новые аноды. Достигшие определенной толщины катоды извлекают из ванны и на их место подвешивают новые катодные основы. Катод­ ный никель промывают, сортируют, упаковывают и отправляют потребителю.

18

Согласно ГОСТ 849—70, катодный никель марки НО содержит не менее 99,99% Ni -{--Со (не более 0,005% Со) и не более 0,01% примесей. '

Медный концентрат, получаемый в результате селективной фло­ тации руд и флотационного разделения файнштейна, плавят в отра­ жательных электропечах или печах кислородно-взвешенной плавки. Образовавшийся при плавке медный штейн (Cu2S, FeS) направляют в конвертер, где продувают до черновой меди. После огневого рафи­ нирования (очистки) металлическую медь отливают в аноды и под­ вергают электролитическому рафинированию. Электролитная медь содержит (в зависимости от марки) не менее 99,0—99,95% Си.

Кобальт получают сочетанием гидрометаллургических операций

спирометаллургическими.

Впроцессе конвертирования кобальт стремятся возможно полнее перевести в файнштейн. С целью максимального извлечения кобальта, никеля и меди в файнштейн жидкие конвертерные шлаки перераба­ тывают в электропечах восстановительной плавки. При флотацион­

кобальта ведут после осаждения меди, железа и марганца. Кобальт осаждают, окисляя его газообразным хлором в щелочной среде. Образовавшийся осадок гидрата кобальта отфильтровывают и для извлечения никеля подвергают кислотной репульпации в чанах с воздушным перемешиванием. В результате получается кобальто­ вый концентрат, содержащий в основном черный гидрат окиси кобальта Со (ОН)3.

Кобальтовый концентрат растворяют в концентрированной сер­ ной кислоте; полученный раствор очищают от примеси меди, железа и марганца, а затем направляют на осаждение гидроокиси кобальта газообразным хлором при одновременном вводе в раствор кальци­ нированной или каустической соды. Осадок гидроокиси отфильтро­ вывают, промывают и путем прокалки в электропечи переводят

вокись кобальта СоО. Окись кобальта смешивают с восстановителем

иплавят в электропечи на металлический кобальт, который в виде слитков цилиндрической формы направляют затем потребителю.

Химический состав металлического кобальта марки К1 следую­ щий, %: не менее 99,0 Со; не более 0,39Ni; 0,2Fe; 0,2С; 0,02S; 0,0lCu; 0,01As.

На одном из заводов Канады (компания «Шеррит Гордон») и на заводе в Австралии (компания «Вестерн Майнинг») сульфидные медно­ никелевые концентраты перерабатывают гидрометаллургическим спо­ собом. Описание этого способа в книге не приводится.

2*