Поведение примесей при конвертировании ферроникеля

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года», утвержденных ХХУ1 съездом КПСС, детально сформулированы задачи дальнейшего развития цветной металлургии [I].

В соответствии с решениями съезда в одиннадцатой пятилетке в отрасли должно увеличиться производство алюминия на 15−20 $, меди — на 20−25 $, никеля и кобальта — не менее чем в 1,3 раза, повыситься производство цинка, свинца, титана, магния, драгоценных металлов, а также вольфрамовых и молибденовых концентратов и других легирующих элементов. Предстоит значительно увеличить сбор, заготовку и переработку лома и отходов цветных металлов. Все это должно быть достигнуто в основном за счет роста производительности труда.

Необходимость опережающего роста выпуска цветных металлов объясняется растущими потребностями отраслей, определяющих темпы технического прогресса.

Никель, благодаря комплексу таких ценных свойств как анти-коррозийность, прочность, ферромагнитность, высокая пластичность и др., находит все более широкое применение в самых разнообразных отраслях промышленности (машиностроение, авиация, автомобилестроение, химическое машиностроение, электротехника, приборостроение, химическая, текстильная, пищевая).

Особое значение он имеет как металл стратегического назначения.

Производство металлического никеля в капиталистических и развивающихся странах в 1980 году, по данным /27, оценивалось в 536 тыс. т (на Щ% больше, чем в 1979 году), а потребление составило 540 тыс.т.

К 1985 году мощности существующих предприятий по производству никеля увеличатся до 700 тыс. т/год /3/.

Согласно прогнозам ежегодный прирост его потребления в период до 1990 года составит 4−6,5% /V.

Мировой спрос на никель будет равен I млн. т в 1985 году и 1,3 млн. т в 1990 году, а к 2000 году потребность в этом металле возрастет более чем в 4 раза [ъ].

85 $ выпускаемого никеля расходуется на производство легированных сталей и сплавов.

Общие запасы никеля в рудах в промышленно развитых и развивающихся странах оцениваются в 95,7 млн. т, находящихся более, чем в 20 странах Гб].

Мировое производство никеля базируется на переработке сульфидных и окисленных никелевых руд. На долю окисленных руд приходится почти 80 $ всех запасов [1], и они являются важнейшей сырьевой базой никелевой промышленности.

Применяемая в отечественной практике восстановительно-сульфи-дирующая плавка этого сырья на штейн в шахтных печах приводит к полной потере такого ценного компонента, как железо, и большим выбросам сернистого газа в окружающее пространство.

Поэтому целесообразно получать в процессе переработки окисленных никелевых руд продукцию, в которой вместе с никелем концентрируется и железо, тем самым приобретая товарную ценность. Такой продукцией является ферроникель, выплавка которого по сравнению с другими способами переработки окисленных никелевых руд отмечается рядом технико-экономических преимуществ.

В нашей стране на единственном предприятии — Побужском никелевом заводе-осуществлено производство ферроникеля плавкой в электропечах с последующем рафинированием чернового металла в кислородных конвертерах дуплекс-процессом.

Освоение и совершенствование новой технологии переработки окисленных никелевых руд на ПНЗ позволит в перспективе осуществить строительство Буруктальского никелевого завода и оказать существенную помощь в строительстве никелевого предприятия в Югославии.

В настоящее время на ПНЗ освоен выпуск нескольких марок ферроникеля, состав которых приведен в таблице I.

Таблица 1.

Химический состав ферроникеля, выпускаемого на ПНЗ.

Марка Химический состав, % ферроникеля № + Со, не менее Со, в том числе Примеси, не более ¦

S L Сг С Си. S Р.

I 2 3 4 5 в 7 8 9.

Ш-5 6,0 0,40 0,10 0,30 0,10 ОДО 0,04 0,04 $Н-5у 6,0 0,40 одо 0,20 0,10 0,06 0,03 0,03 ffl-6 3,5 0,55 не менее 3,5 не менее 1,0 не менее 1,5 не менее ОД ОДО 0,15.

Ш-7 3,85,3 0,40 не менее 3,56,0 не менее 2−3 не менее 0,5 не менее 4,56,5 0,15 0,15.

Для определения химического состава ферроникеля всех стадий производства, а также аттестации товарной продукции, применяют отечественные вакуумные квантометры ДФО-41.

Перспектива развития Побужского никелевого завода предусматривает рост выпуска ферроникеля марок ФН-5 и ФН-5у, для производства которых помимо чернового металла используют вторичный никельсодержащий лом.

Использование вторичных никельсодержащих отходов в конвертерах ферроникелевого производства является более рациональным, чем существуювдя в практике других заводов никелевой промышленности технология переработки этого сырья в конвертерах совместно со штейном /" 8/.

В связи с этим актуальной становится проблема комплексного использования вторичного никельсодержатего сырья в конвертерном переделе завода. Для ее решения необходимо исследовать поведение примесей при переработке никельсодержащего сырья в конвертерах, а также потери никеля со шлаками. Большой практический интерес представляет установление оптимального соотношения между жидким черновым ферроникелем и холодными металлоотходами, а также между составляющими металлолома, так как соблюдение указанных соотношений должно значительно улучшить технико-экономические показатели работы конвертеров.

Актуальным является вопрос поведения газов: кислорода, водорода, азота в ферроникеле в процессе конвертирования, поскольку их содержание в ферроникеле в конце конвертирования определяет условия раскисления и, следовательно, должно учитываться при разработке технологии раскисления.

Решение этих вопросов требует проведения экспериментальных и теоретических исследований.

Целью диссертационной работы является изучение поведения приыесеи ферроникеля при конвертировании в условиях повышенного расхода холодных никельсодержащих материалов в конвертерном процессе, а также исследование газонасыщенности металла на различных стадиях переработки.

Автор выражает сердечную благодарность к.т.н. В. Д. Линеву за научное соруководство и помощь в организации и проведении работы.

I. Литературный обзор

I.I. Основные направления переработки окисленных никелевых руд.

Огромные запасы окисленных никелевых руд требуют изыскания рациональной технологии переработки этого сырья в зависимости от конкретных экономических задач.

В настоящее время в капиталистических и развивающихся, странах, работает около 40 никелевых заводов /7/.

Ухудшение общехозяйственной конъюнктуры, резкое усиление инфляции, удорожание топлива и электроэнергии, необходимость проведения дорогостоящих мероприятий по снижению загрязнения окружающей среды приводят к росту затрат на производство никеля за рубежом. Вместе с тем возможность повышения цен на никель для их компенсации существенно ограничена конкуренцией на никелевом рынке. Возможным путем удешевления производства никеля остается совершенствование используемой технологии и внедрение новых более прогрессивных технологических процессов.

В мировой практике окисленные никелевые руды перерабатывают пирометаллургическими и, частично, гидрометаллургическими методами.

Г. идрометаллургические способы извлечения никеля начали применять в промышленности в конце сороковых годов. В настоящее время разработана технология переработки окисленных никельсодержа-щих материалов с использованием аммиачных и сернокислых растворов. В нашей стране большие исследования по переработке окисленных никелевых руд гидрометаллургическими способами проводятся в институте Гипроникель.

До недавнего времени основным способом переработки окисленных никелевых руд в Советском Союзе являлась восстановительно-сульфидирующая плавка на штейн. Это обусловлено тем, что металлургические заводы страны строились в 30-х годах, когда еще не были известны другие способы переработки этих руд.

А.А-Цейдлер /9/ в обзоре металлургии никеля за рубежом обобщил сведения о строительстве заводов по переработке окисленных никелевых руд и сделал вполне определенный вывод: «шахтную сульфидирующую плавку считают устаревшим процессом, не пригодным для нового завода и рассматривают в качестве основной технологии переработки этих руд электроплавку на ферроникель». Главные недостатки штейновой плавки однозначно определены Л. Ш. Цемехманом и др. [Ю], И. Ф. Худяковым и др. filj и сводятся, в основном, к следующим:

— высокий расход дефицитного металлургического кокса;

— сравнительно низкое извлечение никеля и кобальта в штейн;

— повышенный пылевынос;

— полная потеря всего железа руды;

— загрязнение воздушного бассейна серусодержащими газами.

Весьма прогрессивным способом переработки окисленных никелевых руд является пирометаллургическая технология с получением ферроникеля. В 80-х годах эта технология получит дальнейшее распространение за счет строительства новых предприятий в Индонезии, Колумбии, Бразилии, Японии и других странах, а также расширения производства в Греции и Индонезии.

Известно несколько способов получения ферроникеля из окисленных никелевых руд. Незначительное распространение имеет кричный процесс и плавка на никелистый чугун в доменных и низкошахтных печах [12].

Ферроникель можно получать также в мартеновских печах- /13/ и реакционных ковшах /14/• Возможно осуществление процесса плавки на ферроникель в печах с погруженным факелом Д5,.

Большое распространение получила плавка руды на ферроникель в рудно-термических электропечах.

В зарубежных странах при электроплавке окисленных никелевых руд в основном стремятся извлечь никель, в связи с чем плавку ведут на богатый ферроникель. Окисленные никелевые руды СССР характеризуются низким содержанием никеля. Их рентабельная переработка возможна лишь при условии выплавки относительно бедного ферроникеля До/.

Производство ферроникеля в промышленных масштабах за рубежом впервые было освоено французской фирмой SLff в начале 50-Х годов на заводе «Дониамбо», Новая Каледония, затем в Японии, США, Бразилии, Греции, Доминиканской Республике и Индонезии. Самой крупной фирмой в этой области остается SLJf, производящая более 75 тыс. т/год никеля в ферроникеле.

На заводе «Дониамбо» перерабатывают руду, содержащую в среднем, %: 3,7 C/tfi +Со) — гО^е^- 37Sl02- 2,2 А£203- 23 М^О- 0,3 СаО- 0,3 МпОII, 3% составляют потери при прокаливании и 20−30 $ - влага /Д/.

В качестве ооновной технологии выбран метод восстановительной электроплавки на ферроникель.

Полученный черновой ферроникель имеет средний состав, %: 20−23 (ffi +Со) — 68−70 Fe- 2−4SL — 1,8−2,2 С- 1,5−1,7 Сг- 0,25−0,35 S- 0,039 Р.

В отвальном шлаке содержится, %: 0,2 Xi- 5−9 Fe- 53 Sc 0^- 38 м^о- 2 Ае2о3.

Рафинирование чернового ферроникеля производится по двух-стадиальной схеме. В первой стадии удаляют серу, во второй ~ хром, кремний, углерод и часть фосфора. В настоящее время на заводе внедрена новая технологическая схема, предусматривающая попутное извлечение кобальта: получение штейна сульфидированием чернового ферроникеля в конвертерах.

Окисленные никелевые руды в Греции начали добывать в провинции Локрис и на острове Увбее в 1966 г. Ежегодно добыча руд составляет I млн. т /17/.

Производство ферроникеля в этой стране осуществляет компания «Ларимна». Завод перерабатывает латеритовую руду, содержащую от 1,1 до 1,6 $ tfi fl7j.

Руда после предварительного восстановления имеет следующий состав, %: 3,0 С- 42,5 FeO- 919,8 Si02- 4,9 CaO- 2,3 MgO- 13,6 Ae203- 2,8 Сг203- 1,5 Ai + Co.

Огарок плавится в электропечах с получением чернового ферроникеля следующего состава, %: 14−17 Со) — 0,015 С- 0,25 S- 0,2 АЕ — 0,5SL — Р, Мп, Си — следы.

Ферроникель обогащают в вертикальных конвертерах емкостью 10−15 т путем продувки кислородом сверху до суммарного содержания в нем никеля и кобальта, равного 30 и 90 $. Ферроникель с 30 $ никеля отправляют на сталеплавильные заводы, а с 90 $ никеля разливают в аноды и подтвергают электролизу.

Завод «Ханна Никель» (США) перерабатывает руду, содержащую в среднем, $: I, 4J^- 0,02 Со- 8−15 Fe- 25−30 MgO- 45−55 Si 02- 2 А£20^- 1,5 C?203- Г, 5 CaO.

Плавку ведут не на ферроникель и отвальный шлак, а только на расплавление руды с получением богатого шлакового расплава, имеющего температуру 1650 °C. Технология внепечной переработки расплавленной в электропечах руды заключается в семикратном перемешивании смеси рудного расплава ферроникеля и ферросилиция.

Затем массу отстаивают в течение 3-х минут, сливают шлак и отправляют его на грануляцию. По мере накопления в реакционном ковше ферроникеля часть его выводят на рафинирование, а некоторое количество используют в качестве затравки при последующей внепечной обработке расплавленной руды.

Процесс рафинирования сводится, в основном, к дефосфорации, для чего сплав обрабатывают железной рудой и известью. Рафинированный ферроникель разливают в слитки. Товарный ферроникель содержит, 48,5^- 0,5 Со- 0,1 Си- 0,005 5- 0,01 Р- 0,02 С- 0,02 Cz- 0,9 Sl и остальное — железо /10,187. Извлечение никеля в товарный продукт составляет 90.

В Японии производится никель, в основном, из руд Новой Каледонии. Электроплавка на ферроникель в этой стране является самым распространенным способом переработки окисленных никелевых руд. Этот способ применяют заводы «Сибато», «Тояма» — «Итабаси», «Хиюга» и «Хатинохе». Технологические схемы переработки руд на японских заводах включают предварительную агломерацию или прокалку руд в трубчатых печах и последующую плавку в электропечах агломерата или огарка. В результате плавки горячего огарка получают черновой ферроникель следующего состава, 24,32 Q/fi + Со) — 2,45 СгЫ- 0,067S- 0,015 Рi, 68 Cz.

На никелевом заводе «Протополис» (Бразилия) перерабатывают на ферроникель руду, содержащую около 2 $ никеля., 6% железа, W Si02- 25% М^О- 8−25% влаги.

На Побужском никелевом заводе перерабатывают окисленные никелевые руды железисто-кремнистого и железисто-магнезиального типов /19/. Рудную базу завода составляют шесть собственных месторождений, которые расположены в 5 километрах от завода. Добыча руды осуществляется открытым способом без применения буровзрывных работ. На заводской склад емкостью 150 тыс. т руда поступает большегрузными самосвалами и после усреднения укладывается в три шта беля.

Химический состав руд по месторождениям представлен в таблице I.I.

Принципиальная технологическая схема производства товарного ферроникеля марок ФН-5, ФН-5у на Побужском никелевом заводе приведена на рисунке I.I.

Усредненная руда, а также восстановитель и флюсы подаются в дробильное отделение.

Обжиг производится во вращающихся трубчатых печах диаметром 4,5 м и длиной 70 м. Время пребывания материала в печи 2−3 часа. Температура огарка в зависимости от производительности печей по шихте колеблется в пределах 680−830°С.

Горячий огарок вагон-кюбелем транспортируется в бункера руднотермических печей. Пыль из газов улавливается в электрофильтрах и пневмотранспортером возвращается для подшихтовки в.

РУДУ*.

Восстановительная плавка горячего огарка на ферроникель осуществляется в двух руднотермических прямоугольных шести-электродных печах мощностью 48 тыс. кВА каждая. Продуктами электроплавки являются бедный по никелю черновой ферроникель, отвальный шлак и запыленные газы. Уловленная в системе двухстадиальной мокрой газоочистки пыль вновь возвращается в производственный цикл.

При выпуске чернового ферроникеля из электропечи одновременно осуществляют внепечное рафинирование расплавленной содой. В процессе дальнейшей его переработки в «кислом» и «основном» конвертерах и раскислении получают товарный сплав.

При получении товарного ферроникеля в виде литейного (лигатуры) марки ФН-6 черновой ферроникель подвергается внепечной десульфурации расплавленной содой для частичного удаления серы без рафинирования в конвертере. При получении ферроникеля марки ФН-7 (медистого ферроникеля) черновой ферроникель подвергается внепечной десульфурации и переработке совместно со вторичным медьсодержащим сырьем только в «кислом» конвертере.

Химический состав руд по месторождениям Побужского никелевого завода.

Наименование Компоненты в % (на сухой вес) пп месторождений и участков Ж Fe Si02 MgO СаО Т£02 Сг203 Си ?>5 S03.

I Деренюхское а) Центральное 0,90 21,68 44,1 3,4 5 Д 1,94 0,5 хд 0,009 0,09 0,04 б) Южное 0,93 19,86 43,7 4,1 6,5 2,64 0,4 1,28 0,01 0,02 0,04.

2 Капитан ов с кое а) Центральное 0,98 23,7 40 8,9 6,6 1,44 1,5 7,16 — 0,14 сл. б) Бурты 1,03 29,4 33,0 4,9 4,2 0,91 0,2 1,28 0,016 0,07 0,18.

3 Липовеньковс-кое а) Западное 0,93 21,59 44 7,8 5,6 1,4 0,4 2Д6 0,01 0,05 0,19 б) Школьное 0,93 20,36 45 7,0 5,2 1,8 0,5 2,49 0,01 0,06 0,22.

— ^^ тгж, — 1— ¦ | —.. — Г.-,-., — — MB «изЁестняк u/mt'S дро&пе, ние Г шихтоВка.

I шихта.

Цкксгоно&/телшый о&киг огарок i.

SI l пугабха огарка? электропечах черно$Ьи т$ий?а?

MOKf. стас очистка гам й) есуль срубай, ия S KoSiua * feffiOMUKtt. I кислород ^ Р*9 В, рафинирование ft /сислам конберл/ере шрамы.

Кислород скрап «1 ~ 11 пол чпродикт ustecmH&r рафинирование #кон8ер терах с основной фхтероКк магнигныи Магниткой Wffwr/xtT сепарачиа немагнитная фракция 8от? ал юЁарный (рерроникем. рсили? ка ма машину ^ тпоёарныи ферроникель S чашках на склад ртстойним шла>1 наперерс£ злектро-печах | стайииназ очистка газа шлам на перер. ё jj>- печах.

РисЛ.1. Принципиальная технологическая схема производства товарного ферроникеля на Побужском никелевом заводе.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Усовершенствована методика экспрессного анализа ферроникеля за счет внедрения вакуумного квантометра ДФС-41. Определена взаимосвязь между качеством отбираемой из конвертера для: анализа пробы и количеством вводимого при раскислении алюминия. Установлено, что его содержание должно лежать в пределах 0,16−0,18%. Усовершенствована система доочистки аргона, позволившая понизить содержание в нем кислорода до 2Ч0~^% и значительно расширить аналитические возможности прибора • Произведена оценка точности квантометрического метода путем сравнения с результатами химического метода анализа. Рассчитан коэффициент вариации, составивший для металлов 2−3%, а для неметаллов — 4%. Экономический эффект от замены химического метода анализа ферроникеля квантометрическим составил 50 тыс. руб. в год.

2. Изучено влияние вторичного никельсодержащего сырья в количестве от 0 до 30% (от массы жидкого ферроникеля) на процесс шлакообразования в кислом конвертере. Установлено, что. содержание диоксида кремния по ходу продувки непрерывно увеличивается, достигая максимального значения на 8−10 минуте, а содержание окислов железа за это время снижается с 45,0 до 10,0%. Содержание окислов хрома в кислых шлаках зависит от содержания хрома в черновом ферроникеле и вторичном сырье. Шлаки с минимальным содержанием окислов хрома, достигающем 15,0- 20%, соответствуют плавки с загрузкой 20−30% лома, содержащего до 40% хрома.

Установлено, что изменение состава кислого шлака за счет замещения части окислов железа на окись кальция приводит к резкому (в ряде случаев на порядок) снижению в нем содержания никеля.

3. Исследован процесс шлакообразования в основном конвертере. Установлено, что содержание в основных шлаках окислов железа по мере выгорания кремния и углерода увеличивается, достигая максимального значения 50 $, при одновременном снижении содержания диоксида кремния с 50,0 до 2,0 $." Содержание в шлаке окислов хрома в первый период продувки увеличивается с 5,0 до 21,0 $ и определяется как содержанием хрома в металлошихте, так и скоростью ее плавления. Содержание окиси кальция в основном шлаке колеблется в пределах 18,0−30,0 $.

4. Методом рентгеноспектрального микроанализа закаленных и раскристаллизованных образцов изучены формы потерь никеля со шлаками кислой и основной стадий конвертирования. Показано, что растворимые потери никеля составляют 15−40 $ отн. и в конечном итоге не зависит от времени продувки, а определяются взаимодействием капли металла со шлаком.

5. Установлено, что загрузка 30 $ лома от массы жидкого ферроникеля приводит к понижению температуры ванны в начальный период продувки в кислом конвертере в среднем на 50 °C, по сравнению с вариантом конвертирования без вторичного сырья. Выведены уравнения, описывающие поведение кремния и углерода по ходу продувки ферроникеля в кислом конвертере с загрузкой (1,2) и без загрузки (3,4) вторичного сырья, полученные обработкой экспериментальных промышленных данных методом наименьших квадратов:

Ш''= 1−0,05 ?) (I) Ш= 1−007Г (3).

L-J* Jo J о -0,036 с) (2) Ш'= 1−0,0441 (4).

1СЛо [СЪ где:

Установлено, что загрузка в кислый конвертер 30% лома является максимальной, т.к. дальнейшее повышение доли лома в металлошихте приведет к торможению процесса окисления кремния и углерода.

6. Исследовано влияние вторичного никельсодержкащего сырья на поведение примесей при рафинировании ферроникеля в основном конвертере. Выведены уравнения, описывающие поведение кремния, углерода и хрома по ходу продувки ферроникеля с загрузкой (5,6,7) и без загрузки (8,9,10) вторичного сырья:

Му 1−0,49^ +0,lC* -0,0l?3 +0,0005^-0,1 (5) с J о.

1-Ю, 1881 -0,112^ -Ю, 0145^-0,74£*+0,13£г (6).

ЕЛ0 ' j.

1−0,123^ -0,1 it4 +0,0125tS-0,511^+0,11^ (7).

Сг10.

1−0-59^ -Ю, 14^ -0,016t3−0,0008^ -0,16^ (8) о? .3 **.

1−0,038^-0,0251 +0,171 +0,69^-0, ооооо V fg) 1−0,108^-0,091^+0,0145^-0,411 +0,1^' МО).

С?1о.

На основании полученных в работе данных установлено, что аагруака в основной конвертер вторичного никельсодержащего сырья в количестве 20 $ к весу жидкого ферроникеля является максимальной.

7. Изучено влияние химического состава ферроникеля и различных технологических факторов на содержание кислорода и водорода в металле при переделе чернового ферроникеля кислородно-конвертерным дуплекс-процессом.

Установлено, что при снижении содержания кремния в черновом ферроникеле от 8f0 до 3,1 $ концентрация кислорода возрастает <

0,01 до 0,03%, а водорода — от 0,1*Ю~3 до 4,5*Ю~3 $. Определено, что содержание кислорода в ферроникеле после продувки в кислом конвертере остается на уровне чернового металла, а водорода.

Я —3 повышается до 1,0−10 -6,0' 10%. Показано, что в металле, подвергнутом глубокой кислородной продувке в основном конвертере при снижении содержания кремния до 0,02 $, а углерода до 0,05% содержание кислорода резко повышается, составляя 0,3%,.

В товарном ферроникеле, в зависимости от условий раскисления и разливки, содержится 0,01−0,1% кислорода и 0,9−2,9.10% водорода.