Технология получения и рафинирования ферроникеля
Производство ферроникеля организовано на ООО «Побужский ферроникелевый комбинат» (Украина) с использованием окисленных никельсодержащих руд Побужского месторождения (0,9–1,0% Ni) и импортных – относительно богатых по содержанию никеля (2,0–2,7%). Добываемая открытым способом побужская никельсодержащая руда имеет следующий химсостав (в %):
| Ni | Fe | Co | SiO2 | Al2O3 | MgO | CaO | Cr2O3 |
| 0,9–1,0 | 0,05–0,09 | 32–44 | 5–7 | 4–6 | 1,2–2,0 | 1–2 |
При использовании побужской руды получают бедный ферроникель (4–6% Ni) при высоком удельном расходе электроэнергии. Импортная никелевая руда из Новой Каледонии позволяет выплавлять ферроникель с содержанием 15-25% Ni (табл. 14.2).
Технологическая схема получения ферроникеля в электропечах включает следующие основные стадии (рис. 14.8):
1. Подготовка и усреднение никельсодержащей руды на открытом складе.
2. Подготовка, дозирование шихтовых материалов и обжиг шихты, состоящей из руды, известняка, антрацита и оборотной пыли, во вращающихся барабанных печах.
3. Выплавка ферроникеля в рудовосстановительных электропечах типа РПЗ-40ЦИ1 с использованием горячей шихты (огарка) из вращающихся трубчатых печей.
4. Рафинирование ферроникеля методами внепечной десульфурации расплава в ковше, последующей продувкой ферроникеля кислородом сначала в конвертере с кислой, а затем с основной футеровкой.
5. Разливка рафинированного ферроникеля на разливочных машинах конвейерного типа.
Таблица 14.2.Химический состав ферроникеля производства Побужского ферроникелевого комбината
| Элемент | Содержание элемента, % | ||
| ФН-5М | ФН-6 (ФСН) | FeNi20* | |
| Ni | 5–25 | 12–18 | 15–25 |
| Co | 0,3–0,6 | 0,5–0,8 | ** |
| Si | не более 0,3 | не более 0,4 | не более 0,4 |
| C | не более 0,1 | 1,0-2,5 | 1,0-2,5 |
| Cr | не более 0,3 | не более 2,0 | не более 2,0 |
| S | не более 0,08 | не более 0,1 | не более 0,4 |
| P | не более 0,03 | не более 0,03 | не более 0,03 |
| Fe | основа | основа | основа |
* По международному стандарту ISO 6501:1998 (E)
** Отношение Co/Ni = 1/20 ¸ 1/40, только для сведения
Рис. 14.8. Технологическая схема производства ферроникеля: 1 – электропечь; 2 – шлаковый ковш; 3 – ковш для чернового никеля; 4 – конвертер с кислой футеровкой для удаления Si и Cr; 5 – конвертер с основной (периклазовой) футеровкой для дефосфорации; 6 – ковш для рафинированного ферроникеля; 7 – разливочная машина; 8 - железнодорожный вагон
При выплавке ферроникеля с использованием бедной побужской никелевой руды шихту для обжига в трубчатых вращающихся печах составляют из следующих компонентов: 1 т сухой руды, 352 кг известняка, 106 кг антрацитового штыба и 5 кг оборотной пыли. Печи имеют диаметр 3 м и длину 75 м. Зона обжига в печи составляет 9-12 м. В качестве топлива используют мазут, расход которого составляет 85,5 кг на 1 т сухой руды. Температура факела достигает 1200оС, а шихты – не выше 850оС во избежание перегрева и образования кольцевых настылей. Печи работают по принципу противотока. Температура отходящих газов 220–300оС, а шихты (огарка) 840оС.
Горячий огарок поступает из трубчатой печи в рудовосстановительную электропечь единичной мощностью 3х16,7 = 50,1 МВ∙А (рис. 14.9). Ванна печи имеет размеры 25,75х9,54х4,76 м. Футеровка ванны: подина и стены в области ферроникеля – огнеупорный кирпич, а в шлаковой зоне – углеродистые блоки. Печь оборудована шестью самообжигающимися электродами диаметром 1200 мм. Максимальный ток в электроде 41,4 кА. Процесс ведут на ступенях напряжения, соответствующих 500, 403 и 297 В. Выпуск продуктов плавки производится раздельно через летки для ферроникеля и для шлака. При проплавлении 1 т огарка получается 120–140 кг чернового ферроникеля и 650–700 кг шлака. Состав печного шлака приведен ниже, %:
| Ni | Co | Fe | SiO2 | CaO | MgO | |
| Шлак: | ||||||
| 0,02 | 0,023 | 10,5 | 51,7 | 4,5 | ||
| 0,06 | 0,006 | 8,4 | 50,0 | 6,0 |
Шлак используют в качестве строительного материала. При использовании импортной руды отвальный шлак имеет более высокое содержание MgO и Al2O3.
Рафинирование ферроникеля. Поскольку ферроникель имеет высокое содержание серы, поступающей из углеродистого восстановителя и из руды, он подвергается предварительной внепечной десульфурации в ковше карбонатом натрия (содой). Процесс удаления серы может быть в общем виде представлен реакцией:
[S]Fe-Ni + 2(Na2CO3) + [C] + [Si] = (Na2S) + (Na2SiO3) + 3CO.
При десульфурации ферроникеля в ковше (расход соды 4–5% от веса металла) (см. рис. 14.8) степень десульфурации составляет 50–60%. Очищенный частично от серы ферроникель заливают в конвертер с кислой футеровкой и подвергают продувке кислородом для удаления хрома и кремния. Окисление кремния протекает по реакции:
[Si]Fe-Ni + 2(FeO) = (SiO2) + 2[Fe].
Рис. 14.9.Схема печи для выплавки ферроникеля: 1 – кожух печи; 2 – футеровка; 3 – свод; 4 – уплотнение; 5 – токоподвод; 6 – механизм перемещения электрода; 7 – механизм перепуска электрода
Кислые шлаки способствуют переходу хрома из ферроникеля в шлак по реакции:
2[Cr]Fe-Ni + 2(FeO) + (SiO2) = (2CrO∙SiO2) + 2[Fe]Ni.
Отвальный шлак рафинирования ферроникеля в кислом конвертере имеет следующий состав, %: 52-55 SiO2; 15-25 Fe; 1,7 CaO; 2-6 MgO; 1-8 Cr2O3; 3 Al2O3; 0,09 Ni.
После рафинирования в конвертере с кислой футеровкой ферроникель заливают в конвертер с основной футеровкой (см. рис. 14.8) и подвергают конвертированию для удаления фосфора. Процесс окисления фосфора в основном конвертере при наличии высокоосновных шлаков происходит по реакции:
2[P]Fe-Ni + 5(FeO) + 4(CaO) = (4CaO∙P2O5) + 5[Fe].
При продувке расплава кислородом в конвертере, наряду с дефосфорацией при достижении более высокой температуры происходит и окисление углерода.
Ферроникель разливают на конвейерных машинах. Масса слитка 25-35 кг. Шлак основного конвертирования имеет следующий состав, %: СаО 15–20; SiO2 5–10; FeO 35–50; Ni 0,05; Co 0,005; Cr2O3 1–10. Шлак кислого и основного конвертирования подвергают магнитной сепарации для извлечения частичек ферроникеля. Удельный расход электроэнергии на металлургическую переработку 1 т побужской сухой никельсодержащей руды с 1% Ni составляет 810 кВт∙ч/т или 78200 кВт∙ч∙на 1 т никеля. При использовании импортной руды с 2,5–3,0% Ni удельный расход электроэнергии в два раза ниже.
Материальный баланс производства ферроникеля с использованием руды из Новой Каледонии*. Проведен материальный баланс процессов на стадии обжига шихты и электроплавки огарка при использовании никелевой руды из Новой Каледонии. По полученным данным** составлен сквозной баланс, выплавляющий обе стадии технологической схемы получения огарка и его электроплавки.
Для составления материального баланса в течение всей опытной кампании производства ферроникеля отбирали пробы исходных компонентов шихты, продуктов обжига (огарка, пыли) и электроплавки (ферроникеля, шлаков, отвального шлака и возвратной пыли (табл. 14.3).
Результаты составления материального баланса на стадии обжига и исходной руды с углеродистым восстановителем в трубчатых вращающихся печах (табл. 14.4) свидетельствует, что в опытный период израсходовано 41577 т сырой никелевой руды, 1306 т углеродистого восстановителя (в пересчете на сухую массу) и получено 23758,8 т огарка со средним содержанием 2,41% Ni.
В опытный период в двух рудовсстановительных электропечах израсходовано 23758,8 т огарка и 30,8 т электродной массы. В итоге получено 3364 т чернового ферроникеля (без рафинирования) со средним содержанием никеля 16,86% и сопутствующие материалы (отвальный электропечной шлак с 0,085% Ni, шламы газоочисток пыле газовых образований от электропечей и колошниковый газ (табл. 14.5).
________________________
* Новая Каледония – группа островов в юго-восточной части Тихого океана, названа Дж. Куком в память о старинном названии Шотландии – Каледония.
** Новиков Н.В., Капран И.И., Соколов К.А., Овчарук А.Н. Материальный баланс производства ферроникеля с использованием руды из Новой Каледонии //Металлургическая и горнорудная промышленность. 2005. №3, - С. 32-36.
Таблица 14.3. Средний химический состав продуктов переработки окисной никелевой руды
| Наименование материала | Содержание компонентов, % | |||||||||||
| Ni | Co | Fe | SiO2 | СаО | MgO | Cr2O3 | Al2O3 | Р | S | П.п.п. | Влага | |
| Руда никелевая | 2,25 | 0,07 | 13,85 | 39,46 | 0,6 | 22,92 | 1,51 | 1,37 | 0,0018 | 0,0073 | 11,5 | 32,4 |
| Огарок | 2,41 | 0,09 | 14,95 | 42,56 | 0,66 | 24,55 | 1,61 | 1,61 | 0,002 | 0,07 | 0,48 | - |
| Пыль электрофильтров | 2,67 | 0,11 | 24,61 | 34,48 | 1,049 | 17,05 | 1,376 | 1,59 | 0,0025 | 0,285 | 4,78 | - |
| Шлаки электропечные | 0,085 | 0,008 | 6,02 | 54,42 | 0,87 | 32,45 | 1,63 | 2,12 | - | 0,034 | - | - |
| Шламы электропечные | 1,09 | 0,06 | 15,47 | 58,43 | 1,31 | 13,88 | 0,94 | 1,03 | - | 0,46 | - | - |
| Ni | Со | Fe | Si | С | Сr | Р | S | Проч. | ||||
| Черновой ферроникель | 16,86 | 0,33 | 74,42 | 3,79 | 2,18 | 1,86 | 0,012 | 0,30 | 0,25 |
Таблица 14.4. Материальный баланс обжига исходной шихты (никелевой руды, углерод истого восстановите ля и оборотной пыли)
| Задано | тн | % | Получено | тн | % |
| Руда никелевая | 96,66 | Огарок | 23758,8 | 55,23 | |
| В пересчете на сухую массу | 28189,5 | 65,54 | Удаленная вода | 13387,9 | 31,12 |
| В т.ч. оборотная пыль | 2127,4 | 4,95 | Газы | 3100,6 | 7,21 |
| Восстанови-тель сырой | 1390,2 | 3,23 | Оборотная пыль | 2127,4 | 4,95 |
| В пересчете на сухую массу | 1306,8 | 3,04 | Утерянная пыль | 54,7 | 0,13 |
| Сера мазута | 45,5 | 0,11 | Невязка | 583,3 | 1,36 |
| Итого (на сырую массу) | 43012,7 | Итого | 43012,7 |
Таблица 14.5. Материальный баланс электроплавильного передела
| Задано | тн | % | Получено | тн | % |
| Огарок (обожжен-ная шихта) | 23758,8 | 99,87 | Ферро-никель | 14,14 | |
| Электродная масса | 30,8 | 0,13 | Шлак электропечной | 76,97 | |
| Шлак газоочисток | 184,5 | 0,78 | |||
| Колошни-ковый газ | 2479,6 | 10,42 | |||
| Невязка | -550,5 | -2,31 | |||
| Итого | 23789,6 | 23789,6 |
Результаты сквозного материального баланса обобщены в табл. 14.6.
Согласно данным сквозного баланса извлечение никеля в черновой ферроникель составляет 96,76%, потери никеля с пылью около 0,25%, в шламы переходит 0,34%; Ni в отвальные шлаки – 2,65% Ni. Распределение Ni и других элементов между продуктами получения огарка и его электроплавки при получении чернового ферроникеля приведено в табл. 14.7.
Таблица 14.6 Сквозной материальный баланс электроплавки огарка в дуговых электропечах с получением чернового (не рафинированного ферроникеля)
| Сквозной материальный баланс пирометаллургического передела | |||||
| Задано | тн | % | Получено | тн | % |
| Руда никлевая | 96,59 | Ферроникель | 7,82 | ||
| В пересчете на сухую массу | 28189,5 | 65,49 | Шлак электропечной | 42,54 | |
| В т.ч. оборотная пыль | 2127,4 | 4,94 | Шлам газоочисток | 184,45 | 0,43 |
| Восстановитель сырой | 1390,2 | 3,23 | Колошниковый газ | 2479,6 | 5,76 |
| В пересчете на сухую массу | 1306,8 | 3,04 | Газы трубчатых вращающихся печей | 7,2 | |
| Сера мазута | 45,5 | 0,11 | Оборотная пыль | 4,94 | |
| Электродная масса | 30,8 | 0,07 | Утерянная пыль | 54,7 | 0,13 |
| Невязка | 33,2 | 0,08 | |||
| Итого на сырую массу | 43043,5 | 43043,5 |
Источниками поступления серы в шихту являются углеродистый восстановитель и мазут (1,8% S), а фосфора – углеродистый восстановитель и никелевая руда. При обжиге в трубчатой вращающейся печи 32,13% серы переходит в огарок, остальное количество – в газы и пыль. Сера практически полностью переходит из восстановителя в огарок, а из мазута в огарок 16,48%. Фосфор поступает с никелевой рудой, восстановителем и практически полностью поступает в огарок в рудовосстановительной электропечи.
Выход огарка от заданного в переработку с сырья (никелевой руды, оборотной пыли и углеродистого восстановителя) колебался от 82% до 90% в зависимости от количества возвращаемой в производство пыли и в среднем составил 84%. Выход чернового ферроникеля составил 14,14%, выход шлака 76,97%. Кратность шлака основностью (%СаО + %MgO/%SiO2) равной 0,61 составила 5,45. В зависимости от состава исходной никелевой руды и содержания никеля получаемого в ферроникеле плотность шлака колебалась от 4,73 до 7,6 г/см3. Извлечение никеля в огарок 99,287%, а на стадии электроплавки огарка в черновой никель 97,44%. Сквозное извлечение никеля в черновой ферроникель из импортной руды по двух стадийной технологической схеме 96,74%, железа – 69,35%.
Таблица 14.7. Распределение основных извлекаемых в ферроникель между продуктами при получении огарка и чернового ферроникеля*
| Приход, % | Рудное сырье | В т.ч. исходная руда | В т.ч. оборотная пыль | Углеро-дистый восстановитель |
| Ni | 100,000 | 91,17 | 8,83 | |
| Fe | 99,125 | 86,57 | 12,56 | 0,88 |
| S | 11,742 | 2,80 | 8,94 | 21,19 |
| Р | 50,014 | 44,92 | 5,09 | 49,99 |
| Распределение по обжиговому переделу, относительно заданного в сырье, % | огарок | оборотная пыль ТВП | потери ТВП | |
| Ni | 90,52 | 8,83 | 0,23 | |
| Fe | 87,14 | 12,56 | 0,32 | |
| S | 32,13 | 8,94 | 0,23 | |
| Р | 96,72 | 5,09 | 0,10 | |
| Распределение по электрометаллургическому переделу, относительно содержания в огарке. % | ферроникель | шлак | шламы | |
| Ni | 97,44 | 2,67 | 0,35 | |
| Fe | 68,90 | 30,32 | 0,78 | |
| S | 46,28 | 28,31 | 3,81 | |
| Р | 40,59 | 14,85 | 9,50 | |
| Распределение сквозное, относительно заданного в сырье, % | шлак | металл | шламы | оборотная пыль |
| Ni | 2,42 | 88,20 | 0,31 | 8,83 |
| Fe | 26,42 | 60,04 | 0,68 | 12,56 |
| S | 9,10 | 14,87 | 1,22 | 8,94 |
| Р | 14,36 | 39,26 | 9,19 | 5,09 |
* Невязки элементов по балансу никеля и железа составили до ± 0,5%, а по балансу S и Р – несколько десятков %%.
В связи с относительно большим количеством оборотной рудной пыли, содержащей 2,41% Ni, необходимо ее окусковать, так как использование ее без окускования сопровождается усилением уноса ее из трубчатых вращающихся печей.
В России ферроникель выплавляют из руды с содержанием 1,0–1,2% Ni в трехфазной круглой печи мощностью 24 МВА на Бурухтальском заводе (Оренбургская обл.). Черновой ферроникель с 10–12% Ni конвертируют с получением товарного ферроникеля с 14–16% Ni.
В Институте металлургии УрО РАН разрабатывается технология получения ферроникеля методом продувки расплава железоникелевой руды восстановительным газом*. Согласно данным разработанных исследований, содержание никеля в получаемом продукте возрастает в десятки раз по сравнению с исходной рудой и составляет около 70%. Свежевосстановленный металл при перемешивании коагулирует и осаждается, формируя донную металлическую фазу – ферроникель. При добавке 20% известняка и при содержании никеля общего в шлаке 0,10%, концентрация никеля в ферроникеле достигает 70% при извлечении 93,1%. При этом извлечение железа в ферроникель составляет 4,2%.
ООО «ПФК» – экологически чистое современное электроферросплавное предприятие с малоотходной технологией. Все газы, аспирационные воздушные отсосы на всех участках сквозной технологической линии подвергаются очистке от пыли, которая возвращается в производство. На комбинате осуществлен полный водооборот. Отвальные электропечные и конвертерные шлаки реализуются потребителем для использования в качестве щебня и песка при автодорожном строительстве и других целей в смежных отраслях промышленности
* *
*
Современное состояние электрометаллургической переработки окисленных никелевых руд на заводах различных континентов представлены в аналитическом обзоре**. Отмечается, что химсостав используемых на зарубежных заводах никелевых руд колеблется в широких предела: % 1–2,9 Ni; 0,03–0,1 Co; 10–32 Feобщ; до 45 SiO2; до 28% MgO.
___________________
* Крашенников М.В., Леонтьев Л.И. Математическая модель процесса получения ферроникеля при продувке оксидного расплава восстановления газом //Расплавы, 2001. №2. – С. 37-41.
** Вейзегар М.Л., Онищин Б.П., Цемехман Л.Ш. Пирометаллургическая переработка окисленных никелевых руд //Электрометаллургия, 2005, №2. – С. 6–15.
Существуют планы строительства трех новых ферроникелевых заводов (в Индонезии, Новой Каледонии и Казахстане (г. Шевченко). На заводе в г. Шевченко предполагают использовать новую технологию выплавки ферроникеля, разработанную фирмой Mintek – плавку в печах постоянного тока, что позволяет плавить тонкие и пылевидные материалы, не загрязняя окружающую среду.