ВЫПЛАВКА НИКЕЛЯ ИЗ СУЛЬФИДНЫХ РУД И КОНЦЕНТРАТОВ

Концентраты и мелкие руды со сравнительно легкоплавкой пустой породой, не требующей много флюсов, плавят в отражательных печах.

Электроплавка применяется для шихт, образующих тугоплавкие шлаки, например, для руд и концентратов с повышенным содержанием оксида магния. Для плавки таких руд и концентратов в отражательных печах нужно много флюсов, в результате чего повышаются потери никеля и меди. В электрических печах можно поддерживать высокую температуру и работать на тугоплавких шлаках. Однако электроплавка выгодна только при дешевой электроэнергии.

Предварительный обжиг перед плавкой в отражательных или электрических печах необходим, когда непосредственная плавка не дает возможности получить богатый штейн из-за высокого содержания в сырье сульфидов железа.

1. Отражательная плавка медно-никелевого сырья мало отличается от медной плавки. Сера выгорает преимущественно за счет кислорода высших окислов железа. При плавке сырых концентратов и руд сера удаляется также в результате диссоциации высших сульфидов.

Основой плавки служат реакции меди и никеля с сульфидом железа, в результате которых медь и никель переходят в штейн, а железо – в шлак:

6NiO + 6FeS + 2O₂ + 3SiO₂ → 2Ni₃S₂ + 3Fe₂SiO₄ + 2SO₂,

2Cu₂O + 2FeS + SiO₂ → 2Cu₂S + Fe₂SiO₄.

Распределение меди, никеля и железа между штейном и шлаком зависит от сродства этих металлов к кислороду и сере.

Хорошее извлечение никеля и меди в штейн может быть достигнуто при такой десульфуризации, которая позволяет ошлаковать только часть железа. Кроме того, чем богаче штейн, тем больше потери в шлаке. Поэтому при плавке на штейн не стремятся к полному ошлакованию железа. Кобальт ведет себя при плавке подобно никелю и также концентрируется в штейне.

Устройство отражательных печей для медно-никелевой и медной плавок одинаково; близки и показатели их производительности. Проплав при плавке обожженных медно-никелевых шихт достигает 4,5 т/м² площади пода в сутки, расход условного топлива 11–12 %.

2. Электроплавку проводят в печах прямоугольной формы, например, размером 23,2 х 6 м и площадью 140 м² (рис 49).Через свод в печь опущены в один ряд три или шесть самоспекающихся угольных электродов диаметром до 1200 мм. Концы электродов погружены в жидкий шлак, который служит телом сопротивления.

Температура ванны поддерживается автоматически по заданной силе тока с помощью устройства, перемещающего электроды по высоте. Кроме того, температуру можно регулировать, изменяя напряжение питания в пределах от 420 до 570 в, а также графиком загрузки шихты и выпуска шлака.

Рис. 49. Разрез цеха электроплавки: 1 – электропечь; 2 – электроды; 3 – летка для выпуска штейна; 4 – летка для выпуска шлака; 5 – мостовой кран; 6 – конвертер; 7 – напыльник конвертера;  8 – площадка для чистки фурм; 9 – осадительная камера и газоход;10 – ковш для заливки конвертерного шлака

Через отверстия в своде шихту загружают близ электродов или «на электрод». Глубину слоя шлака для удобства регулирования температуры поддерживают в пределах 1,4–1,8 м.

Проплав в электрических печах достигает 14 т шихты на 1 м² площади пода в сутки, расход энергии – от 500 до 820 кВт•ч/т шихты. Извлечение в штейн меди, никеля и благородных металлов в связи с малым выходом шлаков и малыми потерями с пылью достигает 96%.

Современные электропечи для медно-никелевой плавки имеют мощность 15–35 Мв•А.

3. Плавка в шахтных печах пригодна для крупнокусковых богатых руд. Она выгодна при дешевом коксе, расход которого достигает 9 – 11 % от массы шихты. Медно-никелевая шахтная плавка подобна медной полупиритной. Из-за значительного содержания пирротина в рудах и повышенного расхода кокса десульфуризация здесь ниже, чем при медной плавке, и штейны получаются более бедные.

Путем тщательной сортировки руды по крупности, спекания мелочи и концентратов удается получать штейны с суммарным содержанием меди и никеля до 15–25 %. Выплавка более богатых штейнов была бы невыгодной из-за возрастающих потерь металлов в шлаках.

Суммарное содержание меди и никеля в шлаках не превышает 0,2–0,4 %. Извлечение меди, никеля и благородных металлов в штейн из-за высокого выхода шлака на единицу штейна достигает 90 % только при богатой шихте.

Проплав колеблется в широких пределах в зависимости от состава сырья и качества его подготовки. При плавке спека он выше, чем при плавке сырой шихты. Практически проплавляют от 70 до 140 т/м² площади сечения у фурм в сутки.

Примеры состава шлаков плавок сульфидных руд в разных печах приведены (табл. 15).

Таблица 15

Состав шлаков разных плавок

3. Продувка медно-никелевого штейна в конвертерах. Независимо от способа выплавки медно-никелевый штейн представляет собой сплав сульфидов меди, никеля и железа, содержащий растворенные ферриты, сульфид кобальта и платиноиды. В штейнах растворено также некоторое количество оксидов пустой породы. Содержание серы в медно-никелевых штейнах в среднем равно 25 %.

Цель конвертерного передела состоит только в окислении и ошлаковании железа для получения медно-никелевого файнштейна. Применяемые для этого конвертеры не отличаются от применяемых конвертеров в металлургии меди.

В соответствии с разностью сродства к кислороду и сере в конвертерный шлак переходит сначала железо, а затем кобальт. Стремясь оставить максимальное количество кобальта в файнштейне, окисляют не все железо, заканчивая продувку до того, как железо полностью перейдет в шлак.

Конвертерные шлаки дважды переплавляют в электропечах на слое бедного штейна, который возвращают в производство, а шлак направляют в отвал. В результате такой переработки в файнштейн извлекается из руды около 60 % кобальта. Учитывая малое его содержание в руде, эту цифру надо считать удовлетворительной.

Далее кобальт и платиновые металлы, которые везде сопутствуют никелю, отделяются от него при электролитическом рафинировании.

Медно-никелевый файнштейн представляет собой сплав сульфидов Ni₃S₂ и Cu₂S, содержащий остаток железа, кобальт и платиноиды; он имеет, например, такой элементарный состав: 45 % Ni; 28 % Сu; 1 % Со; 3 % Fe; 21 % S; 2% прочих.

При медленном охлаждении жидкого файнштейна под слоем песка со скоростью 5–10 град/мин в течение 36–40 ч создаются условия роста кристаллов Cu₂S. после измельчения файнштейна получается смесь частиц Cu₂S, Ni₃S₂ и сплава Ni + Cu, легко разделяемых флотацией.

4. Флотацию проводят в растворе соды при рН=12. Собирателем служит бутиловый ксантогенат, поверхностные пленки которого на сульфиде меди устойчивы, а на сульфиде никеля нестойки. В пену переходит медный концентрат, a Ni₃S₂ и частицы сплавов остаются в пульпе. Первый медный концентрат несколько раз перечищают, а никелевый подвергают контрольным флотациям. Пример выходов и состава продуктов флотации (табл. 16).

Таблица 16

Состав медно-никелевого файнштейна после флотации

Медный концентрат плавят в отражательных или электрических печах, получая почти готовый белый штейн. Этот концентрат можно в виде гранул загружать в конвертер при продувке медных штейнов.

Никелевый концентрат обжигают в печах кипящего слоя, для меньшего пылеобразования при обжиге его предварительно окатывают.

Сульфид никеля окисляется кислородом воздуха по реакции:

2Ni₃S₂ + 7О₂ = 6NiO + 4SO₂.

В кипящем слое поддерживают температуру около 1000 °С. В пыль переходит до 35% материала, ее улавливают циклонами и электрофильтром, а затем возвращают на обжиг. Огарок содержит около 0,1% серы.

Переработка огарка для восстановления из него оксида никеля (II) (закиси никеля) возможна при низких температурах. никель необходимо получить в жидком виде, поэтому восстановление его проводят в электрических трехфазных дуговых печах при температуре около 1500° С. В качестве восстановителя применяют малосернистый каменный уголь или антрацит.

Трехфазные печи применяют круглого сечения мощностью 2000 – 5000 кВ•а с кессонированным сводом. Стены и ванна футерованы периклазовым кирпичом, электроды графитированные диаметром 300 мм. Шихту загружают питателем в течение всей плавки через центральное отверстие в своде между электродами. Продолжительность передела с выдачей около 8,5 т никеля 6–8 ч. Расход энергии около 1100 кВт•ч на тонну никеля.

Для шлакования неизбежных, хотя и малых примесей и полного удаления из металла остатков серы добавляют известняк. Кремнезем, глинозем и другие оксиды, попавшие в оксид никеля (II) из-за износа огнеупоров в обжиговых печах, образуют небольшое количество основного известковистого шлака, в который переходит 0,2–0,4 % Ni.

После расплавления садки снимают шлак: углерод, растворенный в никеле, окисляют добавкой небольшого количества NiO, затем металл разливают в аноды для электролитического рафинирования.