§3. Получение никеля из окисленных руд

Переработка окисленных никелевых руд основана на том, что никель обладает большим химическим сродством к сере, чем

720

Рис. 242 Схема выплавки никеля из окисленных руд

к кислороду. Поэтому, чтобы отделить никель от пустой породы руды, его переводят в виде сульфида в штейн и далее из штейна получают никель.

Схема переработки окисленных руд приведена на рис. 242, а отдельные ее стадии описаны ниже.

Выплавка никелевого штейна

Штейн из окускованных окисленных никелевых руд обычно выплавляют в шахтных печах. По устройству и размерам они подобны печам, предназначенным для медной шахтной полу-пиритной плавки. Ширина печи 1,6-1,7, длина 10-16, высота около 7 м. Печь обычно снабжают 12–18 щелевидными фурмами размером 70x1200 мм. В качестве дутья используют воздух. Печи оборудованы наружным горном, где происходит разделе-

721

ние шлака и штейна, непрерывно выпускаемых из нижней части печи. Кессоны, из которых выполнена шахта печи, охлаждаются проточной водой или работают на испарительном охлаждении.

Целью плавки является максимальное извлечение никеля в штейн и перевод пустой породы руды в шлак.

Плавка является восстановительной, ее ведут с высоким расходом кокса (25–30 % от массы агломерата). В печь загружают шихту, состоящую из агломерата или брикетов, гипса или пирита, известняка и кокса. Кокс служит топливом, известняк вносит необходимый для формирования шлака оксид СаО, гипс CaSO₄ • Н₂О и пирит FeS₂ являются сульфидизато-рами, т.е. вносят необходимую для процесса серу.

В нижней части шахты у фурм кокс сгорает до СО с выделением тепла, температура. в этой зоне составляет около 1000 °С (в фокусе горения у фурм ~ 1600 °С). Газы, поднимающиеся навстречу шихте, нагревают ее, сами охлаждаясь (их температура на выходе из печи равна 500–600 °С), а часть СО расходуется на восстановление оксидов шихты. Помимо окисления кокса в зоне высоких температур протекают следующие процессы:

• термическая диссоциация пирита (FS₂ = FeS + l/2S₂) и известняка;

• восстановление гипса после потери им гидратной влаги CaSO₄ + 4СО = CaS + 4СО₂;

• частичное восстановление газом СО никеля и железа из оксидов;

• химическое взаимодействие между составляющими шихты с образованием легкоплавких соединений, расплавление шихты;

• сульфидизация никеля ранее образовавшимися FeS и CaS:

3NiO + 3CaS = Ni₃S₂ + ЗСаО + l/2S₂; 3NiO + 3FeS = Ni₃S₂ + FeO + l/2S₂.

В нижней части шахты и в наружном горне расплав расслаивается на штейн и шлак. Получающийся никелевый штейн – это сплав сульфидов Ni₃S₂ и FeS, в котором в небольших количествах растворены свободные металлы – железо и никель. Выход штейна составляет 5–8 % от массы агломерата. В штейне содержится 15–20 % Ni, 55–63 % Fe, 17–23 % S и небольшое количество кобальта.

722

Вторым жидким продуктом является шлак, содержащий, %: 43-46 SiO₂, 4-10 А1₂О₃, 18-22 FeO, 15-20 СаО, 8-12 MgO и около 0,15 Ni, главным образом в виде корольков штейна. Выход шлака составляет 100–120 % от массы агломерата.

Конвергирование никелевого штейна

Цель конвертирования – получить никелевый файнштейн (сплав Ni₃S₂ и Ni) путем окисления железа и связанной с ним серы. Процесс осуществляют в горизонтальных конвертерах вместимостью 20–30 т, конструкция которых схожа с конструкцией горизонтальных конвертеров, применяемых для конвертирования медных штейнов (см. рис. 241). Дутьем служит воздух.

Штейн продувают постепенно, т.е. заливают порциями по 2–4 т с одновременной подачей кварцевого флюса для ошла-кования железа. При продувке вначале окисляется металлическое железо, его окисление длится до 45 мин, за это время накапливается количество штейна, соответствующее вместимости конвертера.

Основная реакция этого периода имеет вид 2Fe + О₂ + + SiO₂ = (FeO)₂ ■ SiO₂. В результате этой экзотермической реакции расплав разогревается. Температуру рекомендуется держать на уровне 1300 °С. Чтобы не превышать этот уровень, в конвертер дают холодные присадки (ферроникель, твердый штейн).

В дальнейшем протекает окисление сульфида железа:

2FeS + ЗО₂ + SiO₂ = (FeO)₂ ■ SiO₂ + 2SO₂.

Окисляется также значительная часть кобальта. Общая длительность продувки равна 8–12 ч.

Получаемый файнштейн представляет собой сплав Ni₃S₂ с Ni, файнштейн разливают в изложницы. Он содержит 76–78 % Ni, 19-21% S, 0,2-0,4% Fe, 0,3-0,5% Со и < 2 % Си.

Конвертерный шлак содержит 26–30 % SiO₂, 55–60 % FeO, около 1 % Ni и 0,2–0,5 % Со. Такой шлак, с целью извлечения кобальта и никеля, подвергают обеднению (обрабатывают штейном в обогреваемом конвертере или в электропечи), получая кобальтовый штейн, содержащий 4–5 % Со и 24–30 % Ni. Этот штейн направляют в кобальтовое производство для извлечения кобальта и никеля.

723

Обжиг файнштейна

Окислительный обжиг файнштейна имеет целью удалить серу до содержания < 0,02 % и перевести никель в NiO.

В связи с тем, что глубокое удаление серы требует высоких температур, a Ni₃S₂ легкоплавок (t _пл = 788 °С) и может при высоких температурах спекаться, обжиг проводят в две стадии. Первую стадию осуществляют в печах кипящего слоя, окисляя серу до содержания 1–2 % и поддерживая для предотвращения спекания частиц файнштейна температуру около 1000 °С.

Печь кипящего слоя для обжига файнштейна (рис. 243) футерована, имеет площадь пода 7–8 м² и расширяется кверху, чтобы уменьшить скорость отходящих газов и тем самым вынос пыли (частиц файнштейна). В поду из жароупорного бетона расположено множество (до 2000) отверстий (сопел) для подачи воздуха. Для загрузки шихты служит

воронка, а с противоположной стороны печи имеется разгрузочное устройство.

Процесс обжига автогенный и непрерывный, через воронку в печь непрерывно загружают измельченный до < 0,5 мм файн-штейн. Восходящий снизу из сопел поток воздуха поддерживает зерна файнштейна во взвешенном состоянии и они совершают движение, похожее на кипение жидкости, что обеспечивает хороший контакт частиц с дутьем. Витающие в кипящем слое частицы файнштейна окисляются по реакциям:

Рис 243 Печь кипящего слоя для обжига файнштейна 1 – под, 2 – загрузочное устройство, 3 – кожух, 4 – футеровка, 5 – сопло, 6 – разгрузочное устройство, 7 – воздухораспределительная коробка

724

Ni₃S₂ + 3,5O₂ = 3NiO + 2SO₂ и Ni+ l/2O₂ = NiO с выделением тепла. Для повышения тугоплавкости шихты в нее добавляют оборотную пыль. Через разгрузочное устройство непрерывно стекает продукт обжига – огарок. Выход огарка составляет 60–70 %, а пыли 30–40 %.

Вторую стадию обжига осуществляют в трубчатых вращающихся печах. Такая печь (барабан) диаметром 2–3 и длиной до 50 м, футерована изнутри и установлена под углом 2–3° к горизонтали; благодаря наклону печи пересыпающийся при ее вращении мелкокусковой материал передвигается от верхнего конца к нижнему. Печь отапливают природным газом или мазутом, подаваемыми через горелку в нижнем ее конце.

Шихту, т.е. огарок с температурой 700–800 °С, загружают в верхний конец печи, двигаясь вниз, шихта нагревается факелом до ~ 1300 °С и высыпается из нижнего конца печи. Высокая температура и наличие в топочных газах кислорода (8–10 %) обеспечивают почти полное окисление серы огарка. Получаемый оксид никеля содержит, %: Ni ~ 78; Си 0,4; Со 0,4-0,5; Fe 0,2-0,4.

Огарок из обжиговой печи выходит с температурой ~ 950 °С, ранее огарок просто охлаждали, а в настоящее время тепло используют для частичного восстановления NiO. Огарок ссыпают в трубчатый реактор, добавляя туда 4–8 % нефтяного кокса. За счет физического тепла огарка происходит восстановление части (до >. 40–50 %) NiO углеродом кокса. Предварительное восстановление ускоряет и удешевляет последующую плавку в электропечах.

Восстановительная плавка монооксида никеля

Целью восстановительной электроплавки является получение жидкого никеля из оксида NiO или предварительно частично восстановленного NiO. Плавку осуществляют в электродуговых печах за счет тепла, выделяющегося при горении электрических дуг между электродами и металлом. Печи по устройству схожи с дуговыми сталеплавильными электропечами, вместимость печей 5–25 т, футеровка магнезитовая.

* Перед этим, если огарок печи кипящего слоя содержит > 0,45 % Си, проводят дополнительную операцию – обезмеживание. Огарок при 700–800 °С подвергают обжигу в реакторе, подобном трубчатой печи, добавляя в него 10–15 % сильвинита (КС1 • NaCl), в результате чего медь переходит в растворимые в воде соединения СиС1₂ и CuSO₄, которые затем удаляют из огарка, растворяя в подкисленной воде.

725

Шихтой служат NiO, малосернистый нефтяной кокс (восстановитель), известняк. Плавку проводят периодическим или полунепрерывным процессом. Плавка периодическим процессом длится 6–8 ч и включает загрузку шихты, расплавление, доводку и выпуск металла. После слива предыдущей плавки в печь загружают смешанные в заданной пропорции NiO и коксик. При плавлении шихты происходит восстановление NiO углеродом кокса:

NiO + С = Ni + CO

с образованием жидкого никеля, а также растворение углерода в никеле. После окончания восстановления проводят доводку с целью удаления избыточного углерода – в печь вводят NiO и углерод окисляется, реагируя с кислородом оксида. В этот период в печь загружают известняк, наводя известковый шлак, в который удаляется сера.

При полунепрерывном процессе в печи всегда имеется жидкий металл. Шихту непрерывно загружают на поверхность жидкой ванны через* отверстие в своде печи. После набора требуемой массы восстановленного никеля загрузку прекращают и проводят доводку, после чего большую часть металла выпускают из печи, а далее вновь ведут непрерывную загрузку шихты и наплавление ванны.

Готовый жидкий никель гранулируют, сливая в бассейн с водой, получая так называемый огневой никель в виде гранул, он содержит более 98,6 % Ni, менее 0,1 % С и менее 0,6% Си.