|
Реферат: Производство железа, чугуна и алюминия (Металлургия)
Получение чугуна
Для производства чугуна в доменных печах необходимо иметь следующие
исходные материалы: железные руды, топливо и флюсы. Эти исходные материалы
называются шихтой.
Железные руды представляют собой оксиды и карбонаты железа, и другие
соединения. Оксиды: Fe2O3-красный железняк, Fe3O4-магнитный железняк,
Fe2O3·пH2O-бурый железняк.
Карбонаты: FeСО3-шпатовый железняк.
Топливом для доменной плавки служит кокс продукт сухой перегонки каменного
угля.
Как частичные заменители кокса могут быть использованы природный газ, мазут
или пылевидное топливо.
В качестве флюса используют известняк CaCO3 или доломитизированный
известняк nCaCO3 ·mMgCO3.
Пустая порода вместе с флюсами образует жидкий шлак. Флюс придает шлаку
необходимые состав и свойства, благодаря чему обеспечиваются заданный режим
работы печи и очистка чугуна от серы.
При сжигании топлива в доменной печи первым процесс является сгорание
углерода.
2С+О2=2СО+Q
Второй процесс характеризуется восстановлением железа, марганца кремния
фосфора серы и других элементов. Восстановителями являются СО,
Н2(образующийся в результате воздействие углерода на влагу дутья в виде
водяного пара) и твердый углерод С.
3 Fe2O3+СО=2Fe3O4+ СО2+Q;
Fe3O4+ СО=3FeО+СО2-Q;
FeО+ СО=Fe+ СО2+Q.
Восстановленное в доменной печи железо активно поглощает углерод
(науглероживается)
также капли жидкого металла интенсивно взаимодействуют с углеродом при
контакте с раскаленным коксом.
3Fe+2CO= Fe3C+ СО2+Q;
3Fe + С= Fe3C.
Насыщенное углеродом железо имеет пониженную (до 1150…1200єС) в сравнении с
чистым железом (1539єС) температуру плавления. Выделяется чугун.
Марганец восстанавливается твердым углеродом.
MnO+C=Mn+CO-Q
MnSiO3+CaO+C=Mn+CaSiO3+CO-Q
Восстановление кремния осуществляется по реакции.
SiО2+2C=Si+2CO-Q
В доменном процессе удалению серы из металла придается большое значение.
FeS+CaO+C=CaS+Fe+CO.
7 8
6
5
4
3
2
1
Рисунок доменной печи
1 шлаковая летка, 2 лещадь, 3 горн, 4 чугунная летка, 5 шахта, 6 выпуск
газов, 7 вагонетка, 8 наклонный мост.
Таким образом, в результате процессов восстановления окислов железа ,
растворения в железе С, Mn, Si, P, S в печи образуется чугун. В нижней
части печи образуется шлак в результате с плавления окислов пустой породы
руды, флюсов и золы топлива. По мере скопления чугуна и шлака их выпускают
из печи. Чугун выпускают через 3-4 ч., а шлак через 1,0-1,5 ч. Чугун
выпускают через чугунную летку, а шлак через шлаковую летку.
Переработка чугуна в сталь.
В настоящее время применяется два главных способа переработки чугуна в
сталь. Оба они основаны на окислении содержащихся в чугуне примесей.
Бессемеровский способ заключается в продувании сквозь расплавленный чугун
сильной струи воздуха.
Бессемерование производится в огромных стальных грушевидных сосудах, так
называемых конверторах, выложенных внутри кирпичом из керамзита и вмещают
до 40-50 т чугуна. Конвертор может вращаться на горизонтальных цапфах при
помощи зубчатого колеса. Ко дну конвектора, в котором находится много
мелких отверстий, приделана воздушная камера для нагнетания воздуха.
Конвектор наполняют расплавленным чугуном, а в воздушную камеру нагнетают
воздух. Проходя через отверстия в дне конвертора, воздух пронизывает всю
массу чугуна и окисляет примеси.
Прежде всего, выгорает, переходя в шлак, кремний и марганец, затем уже
углерод. Весь процесс бессемерования продолжается 19-20 мин, после чего
конвектор можно опорожнить, повернув его отверстием вниз.
Бессемеровским способом получают сталь, содержащую менее 0,3% углерода.
Если желают получить сталь с большим содержанием углерода, то или
заканчивают продувание воздуха раньше, пока еще не весь углерод выгорел,
или прибавляют в конвектор к полученной стали некоторое количество богатого
углеродом чугуна и еще некоторое время продувают воздух для перемешивания.
Если чугун содержит фосфор, то удалить, последний при обыкновенной обкладки
конвектора не удается. Между тем удаление фосфора необходимо, так как
присутствие его делаёт сталь ломкой. В таких случаях по предложению Томаса
обкладка конвектора делается из смеси окислов магния и кальция получаемые
прокаливанием минерала доломита MgCO3·CACO3, а, кроме того, к самому чугуну
прибавляют 10-15% извести. Образующийся при сгорании фосфора фосфористый
ангидрит Р2О соединяется с известью, причем получаются шлаки, используемые
в качестве удобрения так называемые томасшлаки.
Вторым основным способом получения стали, является получение в
мартеновских печах. При плавке в мартеновских печах составляющими шихты
могут быть стальной скрап, жидкий и твёрдый чугуны.
1. Скрап-процесс, при котором основной частью шихты является стальной
скрап; применяют на металлургических заводах.
2. Скрап-рудный процесс, при котором основная часть шихты состоит из
жидкого чугуна (55-75%), а твёрдая часть шихты скрап и железная руда;
этот процесс применяют на заводах где есть доменные печи.
3. Кислым мартеновским процессом выплавляют качественные стали. Они
содержат меньшее количество растворённых газов, неметаллических
включений. Используют при получении металлическую шихту. Детали из этой
стали, получают такие как: коленчатые валы крупных двигателей, роторов
мощных турбин.
Получение алюминия
Горные породы с высоким содержанием оксида алюминия (бокситы, нефелины,
алуниты, каолины) называются алюминиевыми рудами.
Алюминий - самый распространенный в земной коре металл. Главная масса его
сосредоточена в алюмосиликатах. Чрезвычайно распространенным продуктом
разрушения образованных ими горных пород является глина, основной состав
которой отвечает формуле Al2O3.2SiO2.2H2O. Из других природных форм
нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al2O3.xH2O и минералы
корунд Al2O3 и криолит AlF3.3NaF.
В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом
раствора глинозема Al2O3 в расплавленном криолите. Al2O3 должен быть
достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с
большим трудом. Температура плавления Al2O3 около 2050 оС, а криолита 1100
оС. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al2O3, содержащую
около 10 масс.% Al2O3, которая плавится при 960 оС и обладает электрической
проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими
проведению процесса. При добавлении AlF3,,CaF2 и MgF2 проведение
электролиза оказывается возможным при 950 оС.
Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух,
выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно, собранное из блоков
спрессованного угля, служит катодом. Аноды располагаются сверху: это -
алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами.
Al2O3 = Al3+ + AlO33-
На катоде выделяется жидкий алюминий:
Al3+ + 3е- = Al
Алюминий собирается на дне печи, откуда периодически выпускается. На
аноде выделяется кислород:
4AlO33- - 12е- = 2Al2O3 + 3O2
Получение меди.
В настоящее время медь добывают только из руд. В зависимости от характера
входящих в их состав соединение, подразделяют на оксидные и сульфидные.
Сульфидные руды имеют наибольшее значение, поскольку из них выплавляются
80% всей добываемой меди. Важнейшими минералами, входящими в состав медных
руд, являются: халькозин, или медный блеск,Cu2S; халькопирит, или медный
колчедан,CuFeS2; куприт Cu2О и малахит CuCO3·Cu(OH)2.
Медные руды, как правило, содержат такое количество примесей, что
непосредственное получение из них меди экономически невыгодно. Поэтому в
металлургии меди особенно важную роль играет флотационный способ обогащения
руд, позволяющий использовать руды с очень небольшим содержанием меди.
Для получения меди из сульфидных руд обожженную руду сплавляют в шахтных
или отражательных печах с кремнеземом и коксом. При этом большая часть
железа переходит в шлак в виде силиката железа FeSiO3 , медь же
превращается в сульфит Cu2S, который вместе с остающимися еще в руде
сульфидом железа образует штейн, собирающийся на дне печи под слоем шлака.
Дальнейшая обработка штейна с целью удаления из него оставшегося железа
ведётся в конверторах. Сквозь находящийся в конверторе расплавленный штейн,
к которому добавлено необходимое количество песка, продувают воздух или,
что более эффективно, кислород.
Химические процессы, происходящие в конверторе, довольно сложны.
Находящийся в штейне сульфид железа превращается в закись железа и
удаляется в виде силиката в шлаке:
2FeS+3O2=2FeO+2SO2
2FeO+2SiO2=2FeSiO3
Медь восстанавливается до металла. При этом, вероятно, происходят
следующие реакции:
2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO2
2CuO+ Cu2+6Cu+ SO
Выделяющиеся при этих реакциях тепло поддерживает в конверторе
температуру 1100-1200єС и делает излишним расход топлива.
Вдувание воздуха продолжают до тех пор, пока не восстановится вся медь, о
чём можно судить по характеру вырывающего из конвертора пламени.
Расплавленную медь выпускают из конвектора в песчаные формы, где она и
застывает в виде толстых пластин.
Получение титана
Титан очень распространен в природе; составляя 0,61 вес. % земной коры, он
стоит впереди таких широко используемых в технике металлов, как медь,
свинец и цинк.
Минералы, содержащие титан, находятся в природе повсеместно. Важнейшими
из них являются: титаномагнетиты FeTiO3 ·nFeO4, ильменит FeTiO3, сфен
CaTiSiO5 и рутил TiO2. Несмотря на большую распространенность титана
в природе, его до последнего времени относили к редким элементам и
он находил, лишь весьма ограниченное применение. Однако за последнее
время этот элемент стал предметам обширных и обстоятельных
исследований в большинстве стран мира.
Такое внимание титану объясняется тем, что исследование свойств
чистого титана, впервые полученного в 1925 г., показало, что в чистом
виде этот металл весьма пластичен и легко поддается
механической обработке. Он хорошо куется и прокатывается в листы и
даже в фольгу. Это, в сочетании с высокой коррозионной
устойчивостью и жаропрочностью, делает титан ценнейшим конструкционным
материалом для многих областей новой техники, в частности для
авиации и ракетостроения.
Сущность получения металлического титана заключается в восстановлении
четыреххлористого титана или окислов титана или натриетермическим
способом. В результате значительного количество исследований
разработан ряд способов получения чистого титана. Из них наибольшее
значение имеет способ, заключающихся в переводе титановой руды в
чистую двуокись титана с последующим ее хлорированием в присутствии
угля или молотого графита:
TiO2 + 2C12 + 2C TiC14 + 2CO
Образовавшийся четыреххлористый титан восстанавливают металлическим
магнием или натрием:
TiC14 + 2Mg Ti + 2MgC12
TiC14 + 4Na Ti + 4NaC14
Металлический титан плавится при 1725єС; плотность его равна 4,54
гсм.
Реферат на тему: Производство никеля
Московский Государственный Авиационный Институт
(Технический Университет)
кафедра «Конструкционные материалы»
Реферат
на тему:
«Производство никеля»
|Студент: Павлюк Д.В. | |
|группа 02-206 | |
|Преподаватель: Тазетдинов Р.Г. | |
2000г.
Содержание:
Введение……………………………………………………………………………….3
Общие сведения о производстве никеля на различных предприятиях……………4
Схема обжига флотационного концентрата с полным возвратом пыли…………..5
Схема обжига флотационного концентрата с частичным возвратом пыли……….7
Обогащение никелевых руд………………………………………………….……….9
Флотация……………………………………………………………………………….9
Переработка медно-никелевых штейнов…………………………………………….11
Переработка файнштейна…………………………………………………………….11
Получение металлического никеля………………………………………………….13
Электролитическое рафинирование…………………………………………………14
Список использованной литературы ………………………………………………..16
ВВЕДЕНИЕ
Кобальт и никель как индивидуальные химические элементы открыты лишь в
середине XVIII в. Но их минералы были известны с древнейших времен.
Минералы никеля употреблялись в Китае за 235 лет до н. э. для
изготовления монет, в которых содержалось 78% меди и до 20% никеля (этот
сплав назывался пагфонгом). В Европе аналогичный минерал был открыт в 1094
г. в Саксонии. Но так как извлечь из него металл не умели, то назвали
«купферникель», что означает «дьявольская медь».
Никель был открыт шведским ученым А. Ф. Кронштедтом и 1751 г. в минерале
николите. Первое практическое применение он обрел в 1824 г., когда в Европе
появилась имитация китайского пагфонга, а с 1850 г. в ряде стран началось
производство мелких никелевых монет.
В конце XIX и начале XX в. были открыты многие исключительно ценные
свойства кобальтовых н никелевых сплавов и с этого времени оба металла
приобретают все подрастающее значение. И кобальт, и никель принадлежат к
стратегическим металлам, н применяются в очень важных областях играющих
первостепенную роль в научно-техническом прогрессе.
Кобальт и никель широко применяются для изготовления магнитных сплавов.
Качество постоянных магнитов определяется величиной остаточной индукции (в
гауссах) и коэрцитивной силой, т. е. сопротивлением размагничиванию (в
эрстедах). Кроме того, магниты должны быть устойчивы к температурным и
механическим воздействиям (вибрации) и поддаваться обработке.
Никель и кобальт не принадлежат к числу наиболее распространенных
элементов, но они широко распространены в природе. Оба металла обнаружены в
солнечной короне и найдены в метеоритах, а на земле встречаются
повсеместно: в горных породах, в морской и речной воде, в каменных углях и
почве, в растительных и животных организмах. Их абсолютное и относительное
количество в каждом случае варьирует в довольно широких пределах, но, как
правило, никеля больше, чем кобальта.
В земной коре кобальт и никель находятся преимущественно в виде сульфидов
и арсенидов или продуктов их окисления, а также в виде силикатов, образуя
самостоятельные минералы и сопровождая аналогичные минералы железа, меди,
марганца и некоторых других элементов. По-видимому, близость ионных и
атомных радиусов этих металлов допускает взаимное замещение. При этом в
никелевых и железных рудах, а также в силикатных горных породах соотношение
Со : Ni в ряде случаев примерно такое же, как и в метеоритах, В отдельных
месторождениях Сибири и Урала никель был найден в металлическом состоянии.
Полагают, что пo мере охлаждения земной коры различные химические
элементы выделялись как бы в три этажа: в более глубоких внутренних слоях
тяжелые металлы, за ними сульфиды и, наконец, в самом внешнем поясе —
силикаты. В результате дифференциации магмы кобальт и никель
концентрируются в основном в ультраосновных горных породах, причем их
содержание выше в тех скалах, которые выделились раньше. Так, например, в
базальтах относительное количество обоих металлов в 6 раз выше, чем в
олигоклазах, а в гранитах совершенно ничтожно.
Если судить по составу метеоритов, то можно полагать, что в недрах земли
содержится до 8—10% кобальта и никеля, в сульфидах от 1 до 4%, а в
силикатах 0,001% Со и 0,02% Ni. По данным, общее содержание никеля в земной
коре 0,02% и соответственно кобальта 0,001%. Однако за последние годы и
ряде работ приводятся иные данные: содержание кобальта в них оценивается в
0,004%, никеля 0,01%.
Следы никеля обнаружены в продуктах вулканических извержений и в нефти, в
минеральных источниках и в пахотной земле, в растениях и в живых организмах
(в частности, он содержится в поджелудочной железе).
В основном минералы никеля и кобальта представляет собой сульфиды,
арсениды, арсенаты и силикаты. Они часто образуют соединения с примесью
железа, меди или марганца, свинца и некоторых других металлов. При этом
кобальта больше в сульфидах и арсенидах, а никеля — в силикатах.
Собственно никелевых минералов и минеральных видов известно около 50. В
основном это сульфиды, арсениды и силикаты. Силикаты никеля содержат следы
кобальта, a арсениды сопровождаются аналогичными кобальтовыми минералами.
Наиболее важное промышленное значение в настоящее время имеют пентландит,
никелин и гарниерит. Никель входит в состав многочисленных минералов других
элементов, среди которых особенно важное значение имеет пирротин. Хотя
содержание никеля здесь не превышает 0,6%, но распространенность пирротина,
мощность его месторождений и сравнительная доступность никелевых включений
делает извлечение этого металла из руд практически целесообразным.
Никелевые и медно-никелевые руды часто сопровождаются минералами не
только кобальта, но и некоторых других ценных металлов, в том число платины
и ее аналогов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ НИКЕЛЯ НА РАЗНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ.
Производство никеля из руд включает несколько стадий переработки сырья с
получением на каждой из них соответствующего полупродукта. В мировой
практике на большинстве предприятий, производящих никель, такими
полупродуктами являются никелевый концентрат или никелевый (медно-
никелевый) файнштейн. Они направляются на окислительный обжиг для возможно
более полного удаления серы из материала перед последующей переработкой его
на анодный металл.
Содержание серы в закиси никеля перед ее плавкой на аноды должно быть в
пределах 0,01-0,5 %. Такое низкое содержание можно получать окислительным
обжигом сульфидного материала лишь при 1100—1250 С. Нагрев никелевого
сульфидного материала до такой температуры сопровождается спеканием и
оплавлением его зерен уже при 650—750 С, что и явилось тем барьером,
который долго не могли преодолеть во время испытаний обжига этих материалов
в печах кипящего слоя.
До внедрения окислительного обжига никелевых сульфидных полупродуктов в
промышленных печах кипящего слоя(КС) его подготовку к высокотемпературной
обработке осуществляли в две стадии: первую — в многоподовых печах при
температурах до 840-860°С с механическим перегреванием материала на 12
подах и пересыпанием его с пода на под и вторую — в трубчатой вращающейся
печи с нагревом закиси никеля до 1100—1250(С. На первой стадии обжига зерна
сульфидного материала медленно нагревались до 840-860°С, окисляясь с
поверхности, что предотвращало их спекание в интервале температур 650-
750°С. Процесс осуществляли в сложных по конструкции, громоздких и трудно
управляемых печах, занимавших большую площадь, требовавших большого расхода
углеродистого топлива и тяжелого физического труда.
Вторую стадию окислительного обжига осуществляли без каких-либо
трудностей в трубчатых вращающихся печах, получение высокой температуры в
которых достигалось за счет сжигания углеродистого топлива.
Освоение процесса окислительного обжига в печах позволило устранить
крупные недостатки прежней технологии и перевести ее на автогенный режим.
Появилась возможность механизировать и автоматизировать отдельные операции
и весь процесс.
Получаемые при обжиге отходящие газы содержат повышенную концентрацию
сернистого ангидрида, что позволяет производить из него серную кислоту.
Избыточное тепло процесса можно отводить и использовать для технологических
нужд.
В настоящее время окислительный обжиг никелевых сульфидных материалов и
полупродуктов широко применяют в производстве никеля. В связи с тем, что
объемы производства никеля во всем мире непрерывно возрастают, дальнейшее
совершенствование технологии этого вида обжига имеет большое значение.
Необходимо изыскивать резервы для дальнейшего улучшения технико-
экономических показателей и повышения эффективности производства.
На никелевых предприятиях исходным материалом для обжига в кипящем слое
являются никелевые файнштейны и никелевые концентраты, получаемые при
разделении медно-никелевых файнштейнов методом флотации.
Никелевый файнштейн получают из окисленных никелевых руд. содержащих мало
меди, путем восстановительно-сульфидирующей плавки на штейн с последующей
продувкой его в конверторах. Так получают файнштейн на Уфалейском никелевом
заводе, комбинате "Южуралникель" в Советском Союзе, заводе "Дониамбо" в
Новой Каледонии, заводе "Сисакаима" в Японии и на других предприятиях.
Полученный из окисленных никелевых руд файнштейн содержит 77-82 % Ni, до 2
% Сu и 16-22 % S.
Из медно-никелевых руд также получают никелевый файнштейн. По этой
технологии осуществляют селективное разделение компонентов руды методом
флотации с высокой степенью отделения меди от никеля и получают раздельные
рудные концентраты: никелевый медный и пирротиновый. На заводе "Томпсон" в
Канаде в процессе переработки такого концентрата получают никелевый
файнштейн с 75 % Ni, 3 % Си и 20 % S, который направляют на переплавку и
отливку сульфидных анодов с последующим выделением никеля электролизом.
Необходимо отметить, что из-за очень сложного химического и
минералогического состава медно-никелевых руд операциями обогащения трудно
получить селективные никелевые концентраты с низким содержанием меди.
Поэтому в результате переработки таких концентратов получают медно-
никелевый файнштейн (Норильский горно-металлургический комбинат, завод
"Коппер Клифф" в Канаде, завод "Харьявалта" в Финляндии) .
На некоторых отечественных предприятиях, а также на заводе "Конистон"
(Канада) богатые медно-никелевые сульфидные руды подвергают плавке без
предварительного обогащения. Бедные никелевые сульфидные руды обогащают с
получением медно-никелевого концентрата (комбинат "Печенганикель", завод
"Фолконбридж" в Канаде). В обоих случаях в процессе переработки рудного
сырья получают медно-никелевый файнштейн. в котором содержится 35—65 % Ni,
20—50 % Сu, примеси благородных и редких металлов.
Большую часть металлического никеля в мире — электролитного,
карбонильного, восстановленного порошкообразного никеля, закиси никеля и
других продуктов— получают из медно-никелевых файнштейнов путем их
предварительного флотационного разделения на медный и .никелевый сульфидные
концентраты с последующим окислительным обжигом никелевого концентрата.
Флотационный метод разделения медно-никелевого файнштейна в Советском
Союзе был разработан в 40-х годах в Ленинградском горном институте под
руководством проф. И.Н.Масленицкого. В 1951 г. этот способ был внедрен на
НГМК, а в 1956 г. — на "Североникеле". За рубежом флотационное разделение
файнштейна было внедрено впервые на заводе "Коппер Клифф".
Современный процесс разделения медно-никелевого файнштейна состоит из
медленного охлаждения, дробления, измельчения и разделения на медный и
никелевый концентраты методом флотации. При этом медь концентрируется в
пенном продукте, а никель — в нижнем сливе. Никелевый концентрат содержит
67-73 % Ni. 0,6-4.0 % Сu. 22—25 % S. а также благородные и редкие металлы.
Процесс окислительного обжига флотационного никелевого концентрата
осуществлен на НГМК и "Североникеле", на заводах "Коппер Клифф" и
"Мацусако".
Никелевый концентрат получают также из окисленной латеритовой руды в
процессе ее автоклавного сернокислотного выщелачивания и осаждения
сероводородом никеля вместе с кобальтом. Этот концентрат содержит до 53 %
Ni и 35 % S. На Буруктальском никелевом заводе его обжигают в печи с
максимальным удалением серы и получением закиси никеля, которую направляют
на дальнейшую переработку.
Таким образом, на большинстве отечественных и зарубежных никелевых
предприятий применяют окислительный обжиг богатых сульфидных никелевых
полупродуктов — файнштейнов, флотационных концентратов и концентратов
гидрометаллургической переработки окисленных никелевых руд.
Практическое осуществление процесса обжига сульфидных никелевых
материалов определяется их физико-химическими свойствами, термодинамикой и
кинетикой окислительных процессов. Знание этих процессов и их
термодинамических характеристик имеет большое значение для расчетов
оптимальных режимов окислительного обжига никелевых сульфидных материалов в
кипящем слое перед их последующей переработкой на металл.
ОБЖИГ ФЛОТАЦИОННОГО КОНЦЕНТРАТА С ПОЛНЫМ ВОЗВРАТОМ ПЫЛИ
На Норильском горно-металлургическом комбинате никелевый концентрат
получают путем, флотационного разделения медно-никелевого файнштейна,
содержащего, %: 35-45 Ni; 30-40 Сu; 1,5-3,0 Fe; 21-23,7 S. После медленного
охлаждения и последующих операций дробления, измельчения и флотации
получают два основных и один промежуточный продукт.
Рис. 1. Технологическая схема обжига никелевого концентрата на НГМК:
1 - сгуститель; 2 - барабанный вакуум-фильтр; 3 - ленточный транспортер;
4 -бункер для кека; 5 — бункер для пыли; 6 — бункер для шихты; 7 - печь КС;
8-циклон; 9 — дымосос; 10 — электрофильтр; 11 — бункер для угля; 12 —
трубчатая печь; 13 — скруббер
К основным продуктам относятся никелевый и медный концентраты,
промежуточным является магнитная фракция. Никелевый концентрат и магнитную
фракцию направляют для последующей переработки окислительным обжигом в
печах КС. В никелевом концентрате содержится 65,5 % Ni и 24 % S; в
магнитной фракции 68,7 % Ni и 4,2 % S. Содержание класса крупности частиц
меньше 53 мкм в концентрате составляет 88—95 %, в магнитной фракции 10—15%.
После сгущения и фильтрации пульпы кек транспортером подается в бункер
шихтарника печей КС. Совместно с никелевым концентратом эти операции
проходит часть оборотной пыли, подаваемой в сгуститель пневмотранспортом из
электрофильтров и в мокром виде из скрубберов. Доля пыли, подаваемой в
оборот, составляет 15—20 % от общего ее количества.
Из бункера кек влажностью 7—8 % тарельчатым питателем выгружается в
лопастный двухвальный смеситель. Сюда же из параллельного бункера поступает
сухая оборотная пыль из циклонов и газоходов. За счет добавки сухой пыли
шихта после смесителя имеет влажность не более б%.
.
Пройдя двухвальный смеситель, шихта приобретает однородную и хорошо
сыпучую структуру. Ленточным транспортером ее подают в бункер, откуда
ленточным питателем загружают через свод загрузочной камеры в печь КС.
Готовый продукт с уровня пода печи по наклонной течке самотеком
непрерывно поступает в трубчатую вращающуюся печь. Часть закиси никеля
отгружается для приготовления активного никелевого порошка и на доводку
анодного никеля при его выплавке.
Газы из обжиговой печи проходят грубую очистку в циклонах и газоходах. На
печи параллельно работают два газохода. Газоходные отверстия расположены в
стенке печи под сводом. Отсос газов из печи осуществляется дымососом ВГД-
20, который направляет газы в электрофильтры. После электрофильтров газы
выбрасываются через 160-м трубу в атмосферу. Пыль из циклонов и газоходов
подается в кюбелях на шихтарник с помощью мостовых кранов.
Схема обжига в целом характеризуется полным возвратом пыли на обжиг.
Причем, кроме собственной (обжиговой пыли), в печь КС подается пыль из
трубчатых и анодных печей. Следует, однако, заметить, что выход пыли
трубчатых и анодных печей сравнительно мал. Схема обжига характеризуется
также отсутствием утилизации тепла и серы газов и отсутствием охлаждения
слоя. Обогащение кислородом дутья не применяют. На обжиг подается
неокатанная шихта.
Основные технологические показатели обжига на отдельных печах несколько
отличаются, что объясняется их конструктивными особенностями. В целом эти
показатели можно характеризовать следующими данными:
Удельная производительность по концентрату:
на площадь пода, т/(м2 ·сут) .…………………………...................... 13
на внутренний объем печи, т/ (м2·сут) ...............……………………. 1,1
Удельный расход воздуха на 1 т концентрата, м3/т .......…………... 1800
Температура в слое, °С. ........................……………………………... 1140
Пылевынос, %:
от загрузки .....………………………………………........................... 30—35
от концентрата. ...........................…………………………………….. 40—45
Высота слоя в насыпном состоянии, м ...............………………….... 1,5
Давление воздуха в дутьевой камере (под подиной печи), кгс/см2…. 0,45
Содержание SO, в газах после электрофильтров, % ....………….... 4,5
В совокупности с характеристикой продуктов обжига приведенные
технологические показатели дают достаточно «полное представление о
результатах обжига никелевого концентрата на Норильском комбинате.
Обращает на себя внимание очень высокая температура обжига. Ранее высокая
температура обжига была недостижима из-за чрезмерного укрупнения материалов
в слое. Существенное повышение температуры обжига объясняется увеличением
давления дутья, что позволило увеличить массу (высоту) слоя. Если раньше
давление воздуха под подиной было 0,14 кгс/см2, то теперь оно составляет
0,4—0,5 кгс/см2. Большая масса слоя воспринимает и в значительной мере
гасит резкие колебания изменения содержания серы в шихте, позволяя
поддерживать высокий средний температурный уровень без резкого укрупнения
частиц. Кроме того, увеличение высоты слоя позволяет увеличивать поток
концентрата, не уменьшая среднего времени пребывания материала в слое.
Соответственно загрузке изменяется и поток воздуха, т.е. увеличение
загрузки концентрата на единицу площади пода печи приводит и к увеличению
скорости дутья. Увеличение же скорости дутья позволяет поддерживать
безаварийную работу печи на более крупном материале (более крупной закиси
никеля).
Таким образом, увеличение давления дутья под подиной (увеличение высоты
слоя) объективно приводит к возможности работы на повышенных температурах
обжига. Увеличение температуры обжига, в свою очередь, обеспечивается
интенсификацией загрузки, а также снижением коэффициента расхода дутья. При
небольшой удельной производительности невозможно обеспечить низкий
коэффициент расхода дутья по гидродинамическим условиям, так как скорость
дутья при прочих равных условиях прямо пропорциональна удельной
производительности по загрузке и удельному расходу дутья:
[pic],
WК.С. — скорость дутья на площадь пода, м/с (при нормальных условиях);
[pic] ( удельная производительность печи по сырью (концентрату),
т/(м2·сут);
[pic] — удельный расход воздуха, м3/т концентрата; Т— температура в
слое. К;
К — коэффициент, учитывающий размерность параметров и температуру в
слое.
При указанных размерностях [pic][pic] и К == 1,157 • 10-5 при определении
скорости дутья, приведенного к нормальным условиям, и К = 4,239 • 10-8 при
определении скорости дутья, приведенного к температуре в слое. и
нормальному давлению (избыточное давление отсутствует).
Следует отметить, что наличие магнитной фракции как отдельного вида сырья
для обжиговых печей сопряжено с усложнением обжигового передела в целом.
Магнитную фракцию надо либо точно дозировать к основному потоку никелевого
концентрата, что затруднительно, либо обжигать в отдельной печи.
Как показала практика НГМК, обжиг одной магнитной фракции характеризуется
показателями, значительно отличающимися от показателей обжига никелевого
концентрата. Резкие колебания химического состава и физической структуры
частиц магнитной фракции определяют и нестабильность технологии ее обжига.
В заключение можно отметить, что схему обжига никелевого концентрата на
НГМК нельзя отнести к сложным, однако она обладает ограниченными
возможностями по существенному повышению удельной производительности из-за
увеличения пылевыноса. К недостаткам следует отнести также отсутствие
утилизации тепла и серы обжиговых газов.
ОБЖИГ ФЛОТАЦИОННОГО КОНЦЕНТРАТА С ЧАСТИЧНЫМ ВОЗВРАТОМ ПЫЛИ
На комбинате "Североникель", как и на НГМК. никелевый концентрат выделяют
при разделении медно-никелевого файнштейна методом флотации. Концентрата
среднем содержит, %: 67,3 Ni; 3,0 Сu; 1,7 Fe; 0,5 SiO; 24 S. Степень
измельчения концентрата характеризуется содержанием фракции менее 0,044 мм
в количестве 92 %.
Рис. 2. Технологическая схема обжига никелевого концентрата на комбинате
"Североникель":
1 - сгуститель; 2 - барабанный вакуум-фильтр; 3 -.бункер с тарельчатым
питателем; 4 - печь КС; 5 - котел-утилизатор; 6 - циклон; 7 - эксгаустер; 8-
электрофильтр; 9 — трубчатая печь; 10 — холодильник
Действующая в настоящее время технологическая схема переработки
никелевого концентрата приведена на рис.2. В соответствии с этой схемой
пульпа никелевого концентрата после флотационного разделения файнштейна
поступает в сгуститель. Туда же подают пневмотранспортом оборотную пыль в
количестве около 10 % от массы концентрата. После сгущения и фильтрации на
барабанных вакуум-фильтрах кек влажностью 8—9 % поступает в бункер, куда
подают также влажные обороты цеха электролиза никеля. Из бункера материалы
ленточным транспортером передаются в лопастный двухвальный смеситель, куда
поступает также оборотная пыль в количестве 5—10 % от массы концентрата.
Далее шихту загружают через свод загрузочной камеры. Горячая закись никеля
с температурой 1080—1150 °С из печи КС с помощью двухсекторного
регулируемого затвора самотеков поступает в трубчатую печь.
Газы от обжига никелевого концентрата попадают сначала в котел-утилизатор
и параллельно ему работающий водоохлаждаемый газоход, где охлаждаются до
400 °С, проходят грубую очистку в батарейных циклонах и эксгаустером
направляются в электрофильтры УГТ-40/з и затем — на производство серной
кислоты.
Часть пыли на "Североникеле" является готовой продукцией печи КС. Это в
значительной мере ухудшает качество закиси никеля, выходящей из печи КС.
Ниже приведен ее наиболее характерный гранулометрический состав,%:
Крупность фракции,
мм ............ +1 -1+0,63 -0,63+0,4 -0,4+0,31 -0,31
Выход, % .....7 15 50 18
10
Закись никеля получается при "жестких" условиях обжига: температуре выше
1100 °С, содержании серы в шихте 21,5-22,5 %. Однако добавка пыли делает ее
значительно мельче: средневзвешенное содержание мелочи меньше 0,20 мм в
смеси закиси из слоя и пыли вместо 3—6 % составляет 20—30 %. Смесь закиси
никеля и пыли представляет собой пылящий материал. Это заметно и по
материальным балансам последующего передела закиси КС в трубчатых печах:
чем больше загружают в трубчатую печь такой шихты, тем больше получают пыли
в котлах-утилизаторах за трубчатыми печами. При загрузке одной пыли в
трубчатую течь пылевынос из нее достигает 50—60 %.
Кроме того, подача пыли в готовую продукцию значительно повышает
содержание серы в ней. Если закись никеля, выгружаемая из слоя, имеет
содержание серы 0.1—0,2 %, то в смеси этой закиси и пыли оно достигает
0.5%.
Таким образом, подача части пыли в готовую продукцию, уменьшая общую
циркуляционную нагрузку на обжиг, приводит к существенному ухудшению
качества продукта по крупности и содержанию серы.
Важной особенностью технологической схемы комбината "Североникель"
является утилизация серы и тепла отходящих газов.
Основные технологические показатели обжига характеризуются следующими
данными:
Удельная производительность по концентрату:
на площадь пода, т/(м2 ·сут)..........………………….......... 15
внутренний объем печи, т/(м3. сут) ...........……………... 0,8
Удельный расход воздуха на 1 т концентрата, m'/t ......... 1900
Коэффициент расхода дутья ...................………………... 1.3
Температура в слое, С. ............….......…………………...... 1120
Пылевынос, %:
от загрузки............................……………………………...... 30
от концентрата........................…………………………….. 40
Высота слоя в насыпном состоянии, м .………................. 1,7
Давление воздуха в дутьевой камере (под подиной печи), кгс/см2 0,47
Содержание SO2 в газах после электрофильтров, % .......... 5,5
В целом значения показателей близки к таковым на НГМК. И в том и в другом
случаях отмечается большой пылевынос. При обжиге никелевого концентрата на
"Североникеле" прямой выход закиси никеля, выгружаемой из печи КС, меньше,
чем на НГМК, что соответствует балансу кругооборота пыли:
ФП.К. =ФП. – ФП.О.
где ФПК — поток пыли. выделяющейся непосредственно от загруженного
концентрата;
ФП. — общий поток пыли из печи КС;
ФП.О. — поток оборотной пыли в печь КС.
При ФП. = ФП.О., выход закиси никеля ФЗ.Н. по массе соответствует
загрузке концентрата ФК
ФЗН = ФК ?ЗН /100
Этот случай отвечает схеме обжига с замкнутым циклом пыли — вся пыль
обжига возвращается в печь КС.
При ФП < ФПО на обжиг подается большее количество пыли, чем получается в
печи КС. В этом случае непосредственный выход закиси никеля, выгружаемой из
печи, больше, чем загружается никелевого концентрата.
Схема с таким циклом соответствует норильской: там в печь КС возвращается
вся пыль собственная, и к ней добавляется пыль из трубчатых и анодных
печей.
Схема комбината "Североникель" характеризуется соотношением ФП > ФПО. В
этом случае из печи КС выдается меньше закиси никеля, чем загружено
концентрата. Положительной стороной этой схемы является уменьшение
грузопотока пыли в цикле печей КС. Кроме того. с уменьшением возврата пыли
уменьшается пылевынос из печи, и получается более крупная закись никеля.
Крупная закись никеля при достаточно высоких скоростях дутья в меньшей
степени подвержена конгломерированию и залеганию, легко выгружается из печи
КС даже при очень высоких температурах. В конечном итоге изъятие части пыли
из кругооборота позволяет интенсифицировать обжиг усложняющих
предварительных операций по окатыванию шихты.
ОБОГАЩЕНИЕ НИКЕЛЕВЫХ РУД
В характеристике никелевых руд была отмечена та особенность, что они
обычно содержат минералы — пирротин, пентандит, халькопирит, а также
платиновые металлы в основных породах, арсеииды и сульфиды никеля и
кобальта в кислых магмах.
В коре выветривания никель находится в значительной части в виде
силикатов — гарниерита и других минералов — и методами механического
обогащения не извлекается.
Если пирротин содержит изоморфно связанный с ним пентландит, а меди мало,
то все сульфиды извлекаются коллективно и дальнейшее разделение
производится металлургическим путем. Можно использовать для извлечения
пирротина его магнитные свойства. Хвосты магнитной сепарации после
дробления измельчаются и флотируются.
Так как пирротин легко окисляется, то его необходимо быстро выводить из
процесса. Это дает возможность сразу получить сульфидный концентрат и
хвосты.
На фабрике фирмы Inеrnational Nikel Co. (Канада), где перерабатываемая
руда содержит 3,4% Сu и 1,7% Ni, проводят селективную флотацию с получением
одного медного, а потом железо-никелевого концентратов. Медный концентрат
три раза переочищают, что дает концентрат, содержащий 25% Сu и 1% Ni.
Исследована руда, являющаяся оруднением габбро-диабаза с нормальной и
тонкой вкрапленностью сульфидов меди и никеля.
Основными рудными минералами являются пирротин, халькопирит, пентландит и
магнетит. Руды содержат — 0,34% Ni и — 0,45% Сu. Основная масса породы
представлена полевыми шпатами (20%), пироксенами (5—6%), оливином (2—3%) и
вторичными минералами. Руда перерабатывалась но двухстадийной коллективно-
селективной схеме. Черновой концентрат перед селекцией подвергался
перечистке с подачей соды в количество 300 г/т концентрата.
Изучалась возможность депрессии вторичных минералов в кислой среде.
Исследования показали, что время флотации, необходимое для достижения
извлечения—97%, в случае применения депрессоров и трансформаторного масла в
кислой среде, сокращается до 3—5 мин вместо 15 мин, при флотации в содовой
среде. При расходе 367 г/т Na2SiF6 и 184 г/т Na2CO3 содержание Ni
увеличивалось в 2 раза при высоком извлечении металла в концентрат.
Другая схема предусматривает коллективную флотацию халькопирита и
никеленосного пирротина со свободным пентландитом с последующей селективной
флотацией коллективного концентрата в содовой среде и с депрессией
пентландита и пирротина.
В институте «Гинроникель» приведены опыты по восстановительному
селективному обжигу никелевых руд в кипящем слое.
В никелевых рудах часто находятся легко флотируомые шламы магнезиальных
силикатов, которые загрязняют концентрат. Для депрессии шламов пустой
породы применяют органические депрессоры, например щелочной раствор
крахмала, сульфонаты и сульфаты органических веществ, получающихся в
целлюлозной промышленности и др. Особенно эффективна
карбоксилметилцеллюлоза.
Этиловый ксантогенат можно с успехом применять для извлечения Ni и Со из
различных растворов методом ионной флотации. Разработанный метод
заключается в осаждении металлов и флотации их ксантогенатных осадков в
обычных флотационных аппаратах с небольшими добавками вспенивателя.
Присутствующие в водах шламы не ухудшают процесс ионной флотации.
Прогресс регенерации этилового ксантогената из соответствующих солей
никеля заключается в обработке ионного продукта водным раствором, щелочи.
Степень регенерации зависит от времени перемешивания, температуры процесса
и расхода щелочи и при оптимальном режиме составляет 70—80 %.
За последнее время для ряда сульфидных руд нашло применение бактериальное
выщелачивание, хотя выполнение процесса оказалось довольно трудной
операцией. Приготовление чистой суспензии бактерий с помощью
центрифугирования требует много времени и малоэффективно. Поэтому
предприняты попытки флотационного выделения бактерий из раствора.
ФЛОТАЦИЯ
Ионная флотация. В настоящее время известны три разновидности флотации:
собственно ионная флотация, ионное фракционирование и флотоэкстракция.
Пенное фракционирование представляет собой такую разновидность ионной
флотации, при которой образуется устойчивая пена. Ее собирают но фракциям,
содержащим преимущественно один из извлекаемых компонентов, достигая таким
образом селекции различных компонентов раствора или пульпы.
Флотоэкстракцией предлагается называть такую разновидность флотации ионов
молекул или коллоидно-дисперсных частиц, при которой извлекаемые компоненты
выносятся из объема на поверхность с помощью воздушных пузырьков, а затем
последние приходят через слой экстрагента (обычно органические вещества), в
которых растворяются извлекаемые из водного раствора соединения.
Сущность ионной флотации в наиболее типичном случае состоит в том, что
раствор (или суспензия), содержащий полезный компонент, в значительной мере
в диссоциированном на ионы виде выводят реагентом (собирателем), также
диссоциированным на ионы. Ионы собирателя должны быть противоположны по
знаку ионам, содержащим полезный компонент. В результате их взаимодействия
должно образоваться малодиссоциированное соединение, обладающее
поверхностной активностью. При таких условиях пропускание воздуха
представляет собой такую разновидность ионной флотации, при которой
образуется устойчивая пена. Ее собирают но фракциям, содержащим
преимущественно одни из извлекаемых компонентов, достигая таким образом
селекции различных компонентов раствора или пульпы
Для практического ознакомления с флотацией приводим описание флотации на
двух заграничных фабриках. Фирма Tompson находится в Канаде. Она
перерабатывает медно-никелевую сульфидную руду (отношение меди к никелю
равно 1 : 15), минералы халькопирит, пентландит и никельсодержащий пирротин
(соотношение 1 : 2,2). Флотация проводится по следующей схеме:
Руду дробят в две стадии, а измельчение проводят сначала в стержневой
мельнице, а затем в галечных мельницах в замкнутом цикле с гидроциклоном.
Халькопирит и пентландит переходят в концентрат медно-никелевой флотации, а
никельсодержащий пирротин флотируется в процессе никелевой флотации.
Реагентами для медно-никелевой флотации служат амиловый ксантогенат и
спиртовой пенообразователь. Для депрессии пентландита при селекции модно-
никелевого концентрата используется известь. Медный концентрат переочищают
4 раза в присутствии реагента депрессора (органический коллоид, готовится
на основе декстрина). В никелевую флотацию для активации пирротина кроме
дополнительного количества собирателя и пенообразователя подают медный
купорос.
руду, добываемую подземным способом, подвергают дроблению в две стадии, а
затем измельчают также в две стадии; первую стадию измельчения осуществляют
в стержневой мельнице, работающей в открытом цикле, а вторую — в галечных
мельницах в замкнутом цикле с гидроциклонами. В качестве дробящей среды в
галечных мельницах служат куски размером 150 мм.
В концентрат медно-никелевой флотации переходят халькопирит и пентландит,
а никельсодержащий пирротин флотнруется и процессе никелевой флотации.
Медно-никелевую флотацию осуществляют с помощью только двух реагентов —
амилового ксантогената и спиртового пенообразователя. Известь используется
для депрессии пентландита при селекции медно-никелевого концентрата. Медный
концентрат переочищают 4 раза в присутствии реагента депрессора,
являющегося органическим коллоидом, изготовленным на основе декстрина. Для
активации пирротина при флотации никелевых руд кроме дополнительного
количества собирателя и пенообразователя подают медный купорос. Всего для
флотации на фабрике установлено 139 флотационных камер механического типа
размером 1250 Х 1600 мм па трех уступах и предусмотрено место для установки
еще 170 таких же камер. Реагенты, применяемые для флотации на фабрике
Томпсона, и их расход приведены ниже:
Реагент Расход кг/м:
Амиловый ксантогенат калия 0,08
Спиртовой пенообразователь 0,025
Известь 0,75
Депрессор 0,04
Медный купорос 0,125
Финская медно-никелевая фабрика Каталахта имеет схему флотации, близкую к
схеме фабрики Томпсона. Ее производительность 1000 т/сутки. На фабрике
перерабатывают медно-никелевую руду, содержащую пентландит, халькопирит и
пирротин. Пустая порода состоит из амфибола, плагиоклаза, слюды и кварца.
Руду подвергают измельчению до крупности 74—210 мк. Из хвостов коллективной
флотации флотируют пирротин, активируя его медным купоросом.
Халькопирит и большую часть пентландита флотируют за 10—20 мин, но
пирротин значительно медленнее (30 мил). Применяемые реагенты и их расход,
принятые па фабрике Каталахта, приведены ниже:
Реагент Расход, кг/т
СаО 1,7
Амиловый ксантогенат калия 0,105
Флотол (сосновое масло) 0,07
Медный купорос 0,11
Декстрин 0,21
За последние годы проведены работы но флотации медно-никелевых руд, в
которых установлено, что с применением. сульфидов из нефти со
вспенивателями можно получить отвальные хвосты с более низким содержанием
никеля, чем в случае применения ксантогената.
ПЕРЕРАБОТКА МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ ШТЕЙНОВ
Штейны, получаемые при первой стадии переработки медно-никелевых
сульфидных руд, представляют собой в основном сплавы сернистых соединений
никеля, меди и железа.
Физико-химическая природа этих сплавов определяется характером
взаимодействия компонентов в четверной системе Ni—Cu—Fe—S. До настоящего
времени диаграмма состояния этой четверной системы еще не изучена.
Для понимания физико-химической природы сульфидных штейнов существенно
важна частичная тройная система, состоящая из трех сульфидов, Ni3S2, Cu2S
и FeS. Она составляет один из триангулярных разрезов в четверной системе
Ni—Сu—Fe—S.
В последнее время в Англии используется способ переработки медно-
никелевых и медно-кобальтовых штейнов, содержащих железо. По этому методу
путем обжига или присадки железа или меди штейны доводят до пониженного
содержания серы и получают обогащенный сплав никеля с железом, который
вместе с сульфидами меди и железа охлаждают с определенной скоростью (~5
град/ час). При этих условиях образуются крупные кристаллы сплава никеля с
железом (в виде твердых растворов) и сульфиды меди и железа с размерами
частиц ~100 мк. Такой штейн после охлаждения подвергают дроблению и
размельчению (до размера 150 мк) и магнитной сепарации. При этом отделяется
сплав никеля с железом (магнитная фракция). Сульфиды меди и сульфиды железа
разделяются методом флотации.
Выделенный из штейна сплав никеля с железом перерабатывается карбонильным
методом на чистый никель или непосредственно применяется для производства
стали и сплавов, содержащих никель. При применении этого способа
переработки медно-никелевого штейна исключается сложная операция получения
файнштейна и последующего его передела на никель.
ПЕРЕРАБОТКА ФАЙНШТЕЙНА
Известными методами переработки файнштейна являются: 1) метод Орфорда,
основанный на расслаивании меди никелевого файнштейна и расплаве с
сульфидом натрия и разделении двух слоев, обогащенных медью, с одной
стороны, и никелем — с другой; 2) метод Хибинетта, основанный на
избирательном выщелачивании меди серной кислотой из обожженного медно-
никелевого файнштейна; 3) метод Монда, состоящий из операции отделения
никеля от меди и других примесей путем образования легколетучего карбонила
никеля; 4) метод совместного окисления файнштейна н соответствующих окислов
никеля и меди с последующим их восстановлением н получением промышленного
сплава типа монель.
Теоретической основой процесса Орфорда является различное поведение
сульфидов никеля н меди но отношению к сульфиду натрия. Тройная система
этих сульфидов Na2S—Ni3S2—Cu2S . характеризуется расслаиванием. При
кристаллизации сплавов подобной системы образуется два слоя: одни более
легкий (так называемый «топ»), обогащенный сульфидами меди н натрия (с
примесью сульфида никеля), и другой более тяжелый (так называемый
«боттом»), состоящий из сульфида никеля с некоторым количеством сульфидов
меди и натрия.
В верхнем слое (в топе) концентрируется около 90% меди, а в нижнем слое
(в боттоме) остается около 96% никеля. Это разделение на два слоя —
обогащенный сульфидом меди (верхний слой) и обогащенный сульфидом никеля
(нижний слои)— вытекает из характера диаграммы состояния двойных систем
сульфидов Ni3S2—Na2S, Ni3S2—Cu2S, Cu2S—Na2S и составленной из этих двойных
систем тройной системы Ni3S2—Cu2S(Na2S. Благодаря ограниченной
смешиваемости в двойной системе Ni3S2—Na2S в тройной системе появляется
значительная область существования двух несмешивающихся слоев.
В практике применения процесса Орфорда вместо сернистого натрия применяют
смесь более дешевых сульфата и бисульфата натрия с углем. При
разделительной плавке сульфидов никеля и меди в шахтных печах эта смесь
восстанавливается до сульфида натрия, вступающего во взаимодействие с файл
штейном. В медно-никелевых рудах часто присутствует значительное количество
железа, которое, переходя в шлак, увлекает до 80% исходного кобальта.
Поэтому такие шлаки не направляются в отвал, а используются в качестве
исходного сырья для извлечения из них этого ценного металла. Степень
извлечения никеля в файнштейн составляет 85—87%; в шлаке его остается от
0,6 до 1,2%.
Кобальт и никель в конверторных шлаках увлекаются главным образом
магнетитом, файялитом и сульфидами, а медь — преимущественно сульфидами. В
магнетите медь почти отсутствует; в файялите ее примерно в 2—3 раза меньше
по сравнению с содержанием никеля и кобальта; больше всего содержится меди
в сульфидной составляющей шлака. Сульфиды представлены в шлаках в виде
обогащенной медно-никелевой сульфидной составляющей (с незначительным
содержанием в них железа).
Знание химического и минерального состава и физико-химической природы
шлаков имеет большое значение для характеристики распределения кобальта,
никеля и меди и выбора рациональных путей их извлечения из шлаков.
В медно-никелевой промышленности широко используется кислород как в пиро-
, так и в гидрометаллургии.
Описано применение электрохимической технологии для очистки сточных вод,
содержащих никель. На комбинате «Североникель» применяется
электролитическая флотация.
Отработан автоматический метод разливки файнштейна в тонкие слитки с
последующей термической обработкой но заданному режиму охлаждения.
Внедрение этого метода на комбинате «Североникель» позволило улучшить
качество файнштейна.
Драгоценные металлы — серебро и частично золото — переходят в топ, так
как серебро, золото и сульфид серебра легко растворяются в сульфиде и
металлической меди. Металлы платиновой группы благодаря хорошей
растворимости в никеле в основном концентрируются в боттоме. Серебро и
золото при бессемеровании топа переходят в черновую медь и при рафировании
меди электролизом переходят в шлаки, а металлы платиновой группы также
переходят в шлам при электрической рафинировке никеля. Эти шламы
подвергаются аффинажу с целью извлечения из них всех ценных металлов. В
шламе содержится ~42—43% никеля и меди; в нем же сосредоточены основные
металлы платиновой группы, серебро и золото. Схема переработки таких шламов
разработана Звягинцевым.
Второй боттом разделительной плавки, в котором сконцентрирован главным
образом никель после надлежащего выщелачивания для удаления сульфида натрия
и железа подвергается обжигу с получением закиси никеля, а закись никеля
потом восстанавливается с коксом или древесным углем в отражательной печи
или электропечи.
Восстановленный никель имеет состав (%): 95 Ni; 2—2,5 Сu, 0,75 Fe, 0,75
S. Жидкий черновой металл отливается в виде анодов, которые поступают на
электролиз для получения рафинированного катодного никеля.
Метод Хибипетта основан па избирательном выщелачивании раствором серной
кислоты значительной части меди из обожженного медно-никелевого файнштейна.
Этот процесс разработан и нашел наибольшее применение в Норвегии.
Первая операция по этому методу заключается в обжиге файнштейна для
перевода сульфидов меди н никеля в окислы. Обжиг измельченного файнштейна
производится в многоподовой печи до содержания серы ~1%. После размельчения
обожженный продукт подвергается выщелачиванию отработанным электролитом
медного электролизного процесса с содержанием 60 г/л Н2SO4 и 20 г/л Сu. При
выщелачивании в раствор переходит значительная часть меди (от 30 до 70 %) и
в остатке медь составляет около 1/3 от содержания никеля.
Для объяснения неполного выщелачивания меди при условий различной
растворимости окислов меди и никеля в данной концентрации серной кислоты
Уразов исследовал взаимодействие системы CuO—NiO при высоких температурах.
В результате исследования установлено, что в системе CuO—NiO образуются
ограниченные твердые растворы этих окислов. Точные пределы их взаимной
растворимости в работе не установлены; авторы считают, что этот предел
должен отвечать молекулярному отно-шению CuO : NiO == 1 : 4, т. с. примерно
тому, что отвечает предельному содержанию окиси меди, ниже которого смесь
NiO с CuO не подвергается выщелачиванию в 10%-ном растворе Н2SO4.
Остаток от выщелачивания с примерным содержанием 55—56%-Ni и 15—20% Сu
подвергается переплавке с древесным углем в электропечи; получается сплав,
содержащий 80% Ni, 18% Сu, 0,2—0,3% Fе н немного меньше 1% S. Из этого
сплава отливают аноды, которые поступают на дальнейшую рафинировку методом
электролиза для получения катодного никеля.
Отделение никеля от меди и других примесей карбонильным методом основано
на образовании легколетучего карбонила никеля. Это соединение легко
образуется при взаимодействии порошка никеля с окисью углерода, оно летуче
при температуре 43° С, а при температуре выше 180—200° С разлагается на
никель и окись углерода.
В отличие от никеля, медь не образует карбонила меди, а карбонил железа
Fe(CO)5 образуется только при 150—200° С; он устойчив при более высоких
температурах, чем карбонил никеля. Карбонилы кобальта Со(СО)з и Сo(СО)4
образуются только при большом давлении, а в нормальных условиях
неустойчивы.
Таким образом, замечательная реакция образования легколетучего карбонила
никеля, впервые открытая в 1889 г. Мондом и Лангером, легла в основу
карбонильного метода разделения и получения никеля, названного методом
Монда—Лангера. Первоначально этим методом перерабатывался непосредственно
медно-никелевый файнштейн, для чего он обжигался и подвергался
выщелачиванию меди сернокислотным раствором. Остаток от этого выщелачивания
восстанавливался водяным газом при температуре 350—400° С, и получаемый
порошкообразный никель подвергался в особой башне при температуре 50—80° С
взаимодействию с окисью углерода. Образовавшийся при этом карбонил никеля
отгонялся в другую башню для разложения карбонила. Сейчас этим методом
перерабатывается второй боттом разделительной плавки файнштейна.
Измельченный боттом подвергается вначале выщелачиванию для отмывки от
сульфида натрия, а затем обжигается до содержания серы ~1%. Обожженный
продукт поступает на восстановлен ние. Восстановительная башня напоминает
высокую многоподовую обжиговую печь, состоящую из 21 секции. Восстановление
осуществляется генераторным газом при 350—400° С. Окись углерода,
получаемая путем соответствующей очистки отработанных восстановительных
газов, используется для реакции образования карбонила никеля. Для этого
служит так называемая реакционная башня. Полученный карбонил никеля,
проходя через фильтры, очищается и поступает в башню для разложения; там он
разлагается и образуется порошкообразный никель.
Получаемый этим методом металл имеет следующий состав (вес.%): 99,4-99,8
Ni; 0,01-0,1 Fe; 0,02-0,1 Со; 0,01-0,3 Cu; 0,01—0,1 Si; 0,03—0,2 С и 0,002
S. Этот метод позволяет получить
чистый никель с незначительным содержанием примесей (кроме углерода),
присутствующих в металле в количестве до 0,20%. Металл такого состава
применяется для получения сплавов никеля.
Метод совместного окисления файнштейна и восстановления окислов никеля и
меди обеспечивает получение стандартного сплава, называемого монель-
металлом, нашедшего широкое применение в промышленности. Монель-металл —
это сплав ~67% Ni с 28% Сu, содержащего ~5% примесей. Для получения
подобных сплавов специально подбирают составы файнштейнов, примерно
отвечающие составам получаемого сплава. Такой файнштейн в измельченном виде
предварительно подвергается окислительному обжигу до полного удаления серы.
Обожженный материал смешивают с древесным углем и проводят
восстановительную плавку в отражательной печи или в электропечи. После
полного расплавления сплав выпускают их печи в ковш, где его раскисляют
металлическим магнием и разливают в изложницы. Метод весьма прост и дешев.
ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО НИКЕЛЯ
Металлический никель получают различными способами в зависимости от того,
для какой цели предназначается, этот металл. Существует ряд методов,
основанных на переработке его окислов или солей при высоких температурах:
восстановление водородом, окисью углерода или углеродом или электролиз
расплавов. Этим путем получают основную массу никеля, которая потребляется
в металлургии.
Для получения особо чистого металла используется реакция, основанная на
диссоциации карбонила никеля, который испаряется и разлагается на никель и
окись углерода при сравнительно невысоких температурах.
В данном реферате рассмотрю лишь выделения металлического никеля
электролизом из расплавов и, особенно, из растворов его солей.
Если же требуется провести никелиро | |
