Разработка технологии термомагнитного обогащения пирротиновых концентратов

Сульфидные медно-никелевые руды, как правило, содержат повышенные количества пирротина. Возрастающие требования защиты окружающей среды от вредных выбросов в атмосферу потребовали резкого сокращения количества серы в концентратах, поступающих в металлургическое производство. Это может быть осуществлено при обогащении руд при достаточно полном выводе пирротиновых концентратов в самостоятельный продукт, не попадающий в плавильное производство. На предприятиях Канады пирроти-новый концентрат в настоящее время полностью складируется. Однако в выводимых пирротиновых концентратах содержатся цветные и благородные металлы. В связи с этим актуальна задача вовлечения пирротиновых концен- > тратов в переработку, исключающую выделение серы в атмосферу.

В Заполярном Филиале ОАО «ГМК «Норильский никель» в 1979 году в составе Надеждинского металлургического завода было сдано в эксплуатацию гидрометаллургическое производство переработки пирротинового концентрата с получением элементной серы, концентрата цветных металлов, не содержащего серу, и отвального железистого кека. Концентрат цветных металлов поступает на взвешенную плавку совместно с никелевым концентратом.

Однако технология переработки пирротинового концентрата на НМЗ является весьма затратной. Ее применение может быть оправдано лишь при высоких ценах на цветные металлы. В связи с этим значительная часть образующегося пирротинового концентрата продолжает складироваться.

Автор выраэюает глубокую признательность д. т. н. Л. Н. Ерцевой за творческое сотрудничество и соруководство при выполнении работы.

Необходима разработка новой более эффективной технологии переработки пирротинового концентрата. Одним из вариантов является технология, основанная на его термическом обогащении. Данная технология позволяет получать обогащенный цветными металлами металлический полупродукт и отвальный сульфидный концентрат.

Целью диссертационный работы является разработка технологии термообогащения пирротиновых концентратов с получением металлического полупродукта на основе железа, коллектирующего цветные и благородные металлы, содержащиеся в исходном пирротиновом концентрате, и отвального сульфидного продукта — сульфида железа.

Реализованы эксперименты по термическому обогащению пирротиновых концентратов в контролируемой атмосфере с использованием лабораторных и пилотных установок. В качестве исходных использованы концентраты ЗФ ГМК «Норильский никель»: пирротиновый концентрат текущей добычи, лежалый пирротиновый концентрат хвостохранилища, малоникелистый пирротиновый концентрат. Все материалы изучены с применением методов химического, рентгенофазового, дифференциального термического анализов, а также методов световой микроскопии, растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа.

Работа содержит литературный обзор современного состояния технологии переработки пирротиновых концентратов, характеристику пирротиновых концентратов ГМК «Норильский никель» и сведения о превращениях основных минералов концентратов при нагреве в различных средах. Одна из глав посвящена исследованию термодинамических закономерностей взаимодействия халькопирита, пирротина и пентландита с восстановительными газами — водородом и закисью углерода. Основная часть работы содержит результаты исследования процесса восстановительной термообработки различных промышленных типов пирротиновых концентратов ЗФ ГМК «Норильский никель» в трубчатой и в конвейерной печах и печи КС при изменении технологических параметров процесса. Кроме того, изучены продукты магнитной сепарации огарков восстановительной термообработки. На основании полученных данных выполнен расчет исходных данных для ТЭР.

Научная новизна работы.

1. Выполнен термодинамический анализ процесса взаимодействия восстановительных газов Н2 и СО с основными минералами медно-никелевых руд — пирротином, пентландитом и халькопиритом в диапазоне температур 500−1500°С при различном отношении твердое/восстановитель. Установлено, что водород в этих процессах является заметно более эффективным восстановителем, чем СО. Расчетная степень восстановления меди халькопирита в исследованном диапазоне не превышала 32,1%, а никеля пентландита -50,49%.

2. Изучены физико-химические закономерности процесса и механизм образования металлической фазы, коллектирующей никель, кобальт, платину, палладий при восстановлении разных типов технологических пирротино-вых концентратов: текущего, лежалого и малоникелистого.

3. Изучены физико-химические закономерности процесса восстановления технологических пирротиновых концентратов в печи КС, в том числе, исследовано вещественное строение продуктов восстановления и состав отходящих газов по ходу процесса. Установлено, что продуктами восстановительной термообработки являются металлический сплав, коллектирующий никель и кобальт исходного концентрата, и отвальный сульфид железа.

4. Установлено существование равновесия процесса перехода никеля, содержащегося в пирротине исходного концентрата, в металлическую фазу, образовавшуюся в процессе восстановительной термообработки.

Методы исследования.

Выполнен термодинамический анализ процессов взаимодействия халькопирита, пентландита и пирротина с газообразными восстановителями (СО и Н2). Реализованы эксперименты по термическому обогащению пирротино-вых концентратов в контролируемой атмосфере с использованием лабораторных и пилотных установок. В качестве исходных использованы концентраты ЗФ ГМК «Норильский никель»: пирротиновый концентрат текущей добычи, лежалый пирротиновый концентрат хвостохранилища, малоникелистый пирротиновый концентрат. Все материалы изучены с применением методов химического, рентгенофазового, дифференциального термического анализов, а также методов световой микроскопии, растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа.

Практическая значимость.

Разработана технология переработки пирротиновых концентратов, включающая термическую обработку в неокислительной среде с последующей магнитной сепарацией полученного огарка с получением магнитного полупродукта, содержащего цветные и благородные металлы, и выведением сульфида железа в отвальный продукт.

На защиту выносятся:

1. Результаты термодинамического анализа процессов взаимодействия халькопирита, пентландита и пирротина с газообразными восстановителями (СО и Н2).

2. Результаты исследования процесса восстановительной термообработки различных промышленных типов пирротиновых концентратов ГМК «Норильский никель» в трубчатой и конвейерной печах и печи КС при изменении технологических параметров процесса, а также исследования продуктов магнитной сепарации огарков восстановительной термообработки.

3. Технология термического обогащения разных типов технологических пирротиновых концентратов с получением магнитной металлической составляющей, коллектирующей цветные и благородные металлы.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на заседаниях НТС ГМК «Норильский никель» 1992;2004 гг., на I и II Международных симпозиумах «Проблемы комплексного использования руд», С-Пб, 1994, 1996 гг., на Международном симпозиуме «Advanced processing of metals and materials», San Diego, USA, 2006 и др.

X. Современное состояние технологии переработки пирротиновых концентратов (литературный обзор).

Одним из главных источников цветных (никеля, меди, кобальта) и драгоценных (элементов платиновой группы, золота и серебра) металлов в мире являются сульфидные руды, образование которых связано с ультраосновным и основным магматизмом.

В работе геолога А.Дж. Налдретта [1], крупнейшего исследователя и знатока магматических сульфидных медно-никелевых и платинометальных месторождений, с использованием новейших данных изложена их классификация, особенности геологии и состава.

Им выделяются две группы месторождений: к первой относятся объекты, ценность руд которых определяется в первую очередь цветными металлами, ко второй — объекты с преобладанием стоимости заключенных драгоценных металлов.

Соответственно при добыче и обогащении руд первой группы на металлургию поступают концентраты с очень высокой долей основных носителей цветных металлов — сульфидов железа, никеля и меди: пирротина, пент-ландита, халькопирита и кубанита. А во второй — концентраты с пониженным количеством этих сульфидов и повышенной долей минералов драгоценных металлов (самородных металлов, арсенидов, станнидов, висмутидов, теллуридов, сульфидов и т. п.).

Главные эксплуатируемые в России сульфидные месторождения Норильского, Талнахского и Печенгского рудных полей могут быть отнесены к первой, богатой сульфидами группе. При этом руды Норильского промышленного района аномально обогащены драгоценными металлами и некоторые их разности по соотношению заключенной ценности цветных и драгоценных металлов занимают промежуточное положение.

Как печенгское, так и норильско-талнахское сырье подвергается предварительному обогащению, основная суть которого сводится к отделению сульфидных минералов (в виде коллективных или селективных концентратов) от нерудных фаз (хвостов обогащения).

В печенгском рудном поле на обогатительную фабрику поступают руды с рядовым содержанием никеля — 0.45−0.65% [2]. Богатые по содержанию никеля руды (более 2%) направляются непосредственно в пирометаллургиче-ский передел. Содержание сульфидов в рядовых рудах изменяется в пределах 5−7%. Среднее отношение пентландита к халькопириту и пирротину составляет 2:1:3.

Наиболее поздняя сводка особенностей химического состава, минералогии цветных и драгоценных металлов норильско-талнахских рудг. изложена в работе Козырева С. М., Комаровой М. З. и др. [3].

Добыче, обогащению и металлургической переработке в Норильском промрайоне подлежат три промышленных типа сульфидных руд: сплошные (богатые), вкрапленные в интрузивных породах (вкрапленные) и прожилко-во-вкрапленные во вмещающих породах («медистые»).

Основная доля богатых руд подвергается обогащения, часть руд обогащенных медью (>15−16%) поступает непосредственно в плавку.

Поступающие на обогащение богатые руды в зависимости от сорта содержат 45−70% пирротина (его преобладающих моноклинной и гексагональной структурных разновидностей, а также менее распространенного троили-та), 6−20% халькопирита, 0−10% кубанита и 8−17% пентландита, 1−10% приходится на магнетит и 1−30% - на нерудные минералы.

Основные разности вкрапленных руд содержат 3−10 сульфидов, которые в свою очередь распределены (% отн.) на пирротин 50−70, халькопирит 20−35, пентландит 12−15, кубанит до 7.

Наиболее распространенные «медистые» руды включают 15−50% сульфидов, представленных на 25−60% пирротином., 7−10% пентландитом, 25−65% халькопиритом.

Таким образом, основным минералом, поступающим на металлургический передел после обогащения всех типов норильско-талнахского сырья является пирротин, меньшая доля относится на пентландит и халькопирит. Особенности строения и состава пирротинов, а также распределения в них никеля и кобальта изложены достаточно подробно, например, в работах [4−8].

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Исследованы закономерности процесса восстановительной термообработки текущего, лежалого и малоникелистого пирротиновых концентратов с использованием железосодержащих добавок и без них, твердым и газообразным восстановителями.

2. Проведен термодинамический анализ процессов взаимодействия халькопирита, пентландита и пирротина с СО и Н2 в диапазоне температур 500−1500°С при различном отношении твердое/восстановитель. Показано, что наиболее полно с восстановительными газами взаимодействует пентландит, несколько менее — пирротин, и наименьшая степень превращения характерна для халькопирита. Водород в этих процессах является заметно более эффективным восстановителем, чем СО. Расчетная степень восстановления меди халькопирита в исследованном диапазоне не превышала 32,1%, а никеля пентландита — 50,49%.

3. Предложен способ термического обогащения пирротиновых концентратов, включающий термообработку в восстановительной среде в. трех вариантах оборудования: трубчатая печь, конвейерная печь, печь КС, с последующим разделением огарка методом магнитной сепарации на металлический полупродукт, коллектирующий цветные и благородные металлы, и отвальный сульфид железа.

4. Установлено, что при реализации процесса термообогащения пирротиновых концентратов в трубчатой печи вследствие затрудненного газообмена целесообразно использование железосодержащих добавок, первичное восстановление которых приводит к образованию металлической фазы в объеме 15−20%, коллектирующей никель и кобальт пирротина. При термообработке текущего концентрата образуется металлическая фаза с содержанием никеля ~11−13%, кобальта ~ 0,7−0,8%. При термообработке лежалого концентрата — с содержанием никеля 12−14% и кобальта ~ 0,9−1,0% масс.

5. При реализации процесса в конвейерной печи в условиях стационарного процесса, медленного перемешивания и затрудненного газообмена при восстановлении текущего концентрата с железосодержащей добавкой формируется металлическая фаза в объеме до 15%, с содержанием никеля и кобальта до 36% и 1,2% масс, соответственно. При восстановительном обжиге малоникелистого концентрата формируется металлическая фаза (3−5% об.) с содержанием никеля и кобальта до 42 и 1,2% масс, соответственно.

6. При реализации процесса в печи КС (высокие скорости перемешивания и газообмена) при восстановлении текущего, лежалого и малоникелистого пирротиновых концентратов без железосодержащей добавки металлическая составляющая (5−10% об.) образуется за счет восстановления непосредственно сульфидных минералов и содержит 6,5- 16,5% № и 0,2−1,5% Со. При восстановлении концентратов с железосодержащей добавкой объем металлической составляющей возрастает до 10−15% с соответствующим уменьшением среднего содержания никеля и кобальта. Остаточное содержание никеля и кобальта в сульфиде железа составляет 0,2−0,6 и 0,05−0,11% масс, соответственно.

9. Установлено, что для полного извлечения образовавшейся металлической фазы в магнитный продукт необходимо, чтобы ее крупность в ассоциациях с сульфидом железа составляла не менее 30−40 мкм, что достигается при температуре термообработки 900−950°С и времени восстановления более 30 минут. В результате магнитной сепарации получен магнитный продукт следующего состава, % масс.: № - 10,7- Си — 2,0- Со — 0,52- Бе — 80,3- 8 — 5,0. Схема сепарации и состав продуктов сепарации приняты за основу при выборе исходных данных для ТЭР.

10. На основании полученных результатов разработаны исходные данные для ТЭР процесса термомагнитного обогащения текущего пирротинового концентрата, включающего восстановительный обжиг в печах КС и магнитную сепарацию огарка с перспективой реализации на ЗФ ГМК «Норильский никель». Ожидаемый экономический эффект составляет 1,8 млн. долларов в год.