Разработка технологии брикетирования сульфидного высокомагнезиального медно-никелевого сырья

Плавильный цех является одним из важнейших звеньев в технологической схеме ОАО «Кольская ГМК» и расположен на промышленной площадке пгт. Никель. Цех перерабатывает рудные медно-никелевые концентраты и богатую руду.

В довоенное время цех располагался на территории, расположенной в Финляндии. Первый проект металлургического завода по производству файнштейна был разработан канадской Интернациональной никелевой компанией (ИНКО) в 1938 г. по заказу финской фирмы «Петсамо-Никели» .

В 1942 г. немецкие и финские предприниматели сдали производство в эксплуатацию в составе рудника «Каула-Котсельваара» и плавильного цеха, включающего дробильно-шихтовочный участок, две 6-ти электродные руд-но-термические печи, выполненные по шведскому проекту фирмы ASEA (мощностью 12 МВт и площадью пода 120 м² каждая), и два 80-тонных конвертера.

После войны в 1946 г. была восстановлена и введена в эксплуатацию РТП-1, а в 1949 г. введена в эксплуатацию РТП-2.

Плавильный цех продолжал перерабатывать высокомагнезиальную руду с производством файнштейна.

В 1965 г. по проекту института Механобр была запущена обогатительная фабрика (ОФ) № 1, на которой начали перерабатывать вкрапленные руды с получением медно-никелевого концентрата. В 1965 г. введен в строй цех обжига, на котором из концентрата получали обожженные окатыши, которые поступали на плавку.

Для очистки конвертерных газов и утилизации серы в 1979 и 1987 г. г. были построены две очереди цеха по производству серной кислоты.

Автор выражает сердечную благодарность за творческую помощь в проведении работы д.т.н. Ерцевой Л. Н., д.т.н. Цымбулову Л. Б. к.т.н. Блинову В. А., ст.н.с. Портову А. Б., к.т.н Чумакову Ю.А.

По технологическим признакам плавильный цех разделен на следующие участки:

— Участок окомкования и обжига (УОиО), который территориально находится на площадке г. Запролярный. На участке выпускаются медно-никелевые окатыши, которые поступают в думпкарах на склад привозного сырья промплощадки п.г.т. Никель, с последующей переработкой на рудно-термических печах.

— Производственный участок подготовки сырья и шихты (ПУПСиШ), включающий: отделение по приему сырья (ОПС) и отделение подготовки сырья и шихты (ОПСиШ), в которое входит дробильное отделение, дробильный комплекс, склад привозного сырья (СПС) и два тракта подачи шихты.

— Производственный плавильно-конвертерный участок (ППКУ), включающий: две рудно-термических печи (№ 3 и 4), пять 100-тонных конвертеров, разливочный пролет, установку обезвоживания шлака (УОШ).

— Участок производства серной кислоты (УПСК).

В настоящее время на площадке Печенганикель перерабатывается концентрат, содержащий, %(масс.): № - 8−10, Си — 3−4, Бе -25−28, 8 — 18, -10−12. Существующая технология переработки рудных концентратов, разработанная в конце 50-х годов прошлого века, включает их окатывание и обжиг окатышей, плавку холодных окатышей в электропечах с получением штейна и отвального шлака. Штейны подвергаются конвертированию с получением файнштейна, конвертерного шлака, заливаемого в рудные электропечи для обеднения, и газов, частично направляемых в сернокислотное производство.

Данная технология имеет ряд существенных недостатков. В первую очередь это:

— образование большого количества бедных по содержанию 802 обжиговых, электропечных и значительной части конвертерных газов, которые не могут быть использованы для производства серной кислоты и выбрасываются в атмосферу;

— получение больших количеств относительно бедных по содержанию цветных металлов штейнов, что предопределяет использование широко развитого конвертерного передела;

— переработка на электропечном переделе охлажденных окатышей приводит к повышенному расходу электроэнергии.

В мировой металлургической практике на смену этой технологии пришли процессы, основанные на обжиге концентратов в печах КС и плавке горячего огарка в электропечах. Такая технология позволяет достаточно легко регулировать степень удаления серы и получать штейны с практически любым содержанием суммы цветных металлов.

Для никелевых концентратов по данной технологии в настоящее работают два завода [1,2].

По экономическим соображениям на большинстве предприятий от этой технологии отказались и перешли на автогенные процессы, основанные на плавке концентратов и конвертировании в одном агрегате за счет использования тепла от окисления сульфидов [3,4].

В мировой практике известны различные автогенные процессы [4]. Наибольшее распространение нашла взвешенная плавка фирмы Оутокумпу [5]. В частности, на Надеждинском металлургическом заводе ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» в эксплуатации находятся две печи, перерабатывающие медно-никелевые концентраты [6]. На этом же заводе работает печь Ва-нюкова для плавки медного концентрата от разделения файнштейна. На медном заводе ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» работают две печи Ванникова для плавки медного рудного концентрата с получением богатого штейна и отвального шлака. Аналогичные агрегаты работают на медных предприятиях Урала и Казахстана [7, 8].

Для плавильного производства КГМК в течение длительного времени для совершенства технологии, в основном для решения экологических проблем, рассматривались следующие варианты переработки концентрата:

— переработка в печи взвешенной плавки,.

— плавка в печи Ванюкова,.

— обжиг концентрата в печах КС и плавка горячего огарка в электропечах,.

— плавка концентрата в герметичных электропечах;

— плавка в двухзонной печи Ванюкова.

Предпочтение было отдано плавке в двухзонной печи Ванюкова. Проект прошел Госэкспертизу и утвержден руководством ОАО «ГМК «Норильский никель».

В этом проекте предполагалось металлургическое производство разместить на площадке «Североникель», для чего с целью упрощения транспортировки концентрата проводить его брикетирование на площадке «Пе-ченганикель», а брикеты транспортировать в г. Мончегорск.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка технологии брикетирования концентрата.

В литературном обзоре рассмотрены методы окускования различных материалов, особое внимание обращено на брикетирование медных концентратов и окисленных никелевых руд. Проанализированы теоретические основы брикетирования, результаты исследовательских работ, промышленных испытаний и практики брикетирования различных материалов.

Проведен широкий комплекс исследований брикетирования сульфидного высокомагнезиального медно-никелевого концентрата на пилотной установке. Проведены промышленные испытания брикетирования этого материала на различных промышленных установках. Установлены закономерности процесса.

В заключении рассмотрена возможность плавки брикетов в двухзонной печи Ванюкова и руднотермической электропечи.

Научная новизна.

1. Установлено влияние минералогического состава концентрата на прочностные характеристики брикетов, полученных из сульфидного высокомагнезиального медно-никелевого концентрата. Показано, что повышение в его составе сульфидной составляющей, как и содержания талька негативно сказывается на прочности брикетов.

2. С применением рентгеноспектрального микроанализа (растровый электронный микроскоп Tescan 5130 ММ с системой микроанализа SPIRIT (ED-спектрометр) и YAG-кристаллом в качестве детектора отраженных электронов) проведено исследование образцов лежалого концентрата. Установлено, что образцы содержат крупные конгломераты частиц двух типов: отдельные частицы практически неизмененных рудных сульфидных минералов — пентландита, халькопирита, пирротина, пирита и более крупные частицы серпентина. Все это находится в связующей массе, представляющей собой сульфат никеля (% масс.: 23,2 Ni- 0,41Со- 3,3 Fe- 1,6 Mg- 17,7 S- 54 О) с реликтами пентландита. Имеются также конгломераты отдельных частиц рудных сульфидных минералов — пентландита, халькопирита, пирротина, пирита, более крупные частицы серпентина и частицы магнетита. Все это связано в конгломерат не сульфатами, а тонкой фракцией концентрата, в основномсиликатной.

3. Исследован механизм влияния лигносульфоната, влажности шихты и возврата на прочностные характеристики брикетов.

4. Путем статистической обработки полученных экспериментальных данных получено уравнение множественной регрессии, определяющее зависимость прочности брикетов на сжатие от технологических параметров процесса брикетирования.

Практическая значимость.

На основании проведенных исследований на пилотной и промышленных установках разработана технология брикетирования высокомагнезиального сульфидного медно-никелевого концентрата, определены оптимальные расходы связующего (лингосульфоната), влажности и температуры шихты, давления прессования, возврата, различных отходов. На основании полученных данных разработан технологический регламент, на основе которого проектной частью ООО «Институт Гипроникель» выполнен проект промышленного комплекса брикетирования для Кольской ГМК производительностью 530 тыс. т концентрата в год общей стоимостью 2 млр. 200 млн руб. Срок окупаемости определяется, в основном, стоимостью связующего. В настоящее время ведется строительство с окончанием в декабре 2011 года. Пуск первой очереди состоялся в июле с.г.

Показано, что плавка брикетов в двухзонной печи Ванюкова протекает без каких-либо осложнений. При плавке брикетов в РТП при содержании влаги в брикетах более 3−3,5% происходят хлопки и выбросы расплава.

Основные защищаемые положения.

1. С целью обеспечения требуемого качества брикетов высокомагнезиальных сульфидных медно-никелевых концентратов, в процессе брикетирования следует учитывать химический и минералогический состав концентрата, тип и расход связующего, влажность, давление прессования, состав и температуру шихты.

2. Для обеспечения высоких показателей плавки высокомагнезиальных сульфидных медно-никелевых концентратов в двухзонной печи Ванюкова шихту следует вводить после брикетирования в установленном режиме, что обеспечивает получение богатых штейнов, шлаков с низким содержанием цветных металлов и высокосернистых газов, пригодных для последующей утилизации.

3. Для обеспечения безаварийного и безопасного режима плавки брикетированных высокомагнезиальных сульфидных медно-никелевых концентратов в рудно-термических электропечах следует использовать брикеты с содержанием влаги не более 3−3,5%.

8.3. Выводы по главе 8.

Комплекс исследований, проведенных в настоящей работе на укрупненных установках, показал, что при плавке брикетов в электропечах, для безопасной работы содержание влаги в брикетах не должно превышать 3−3,5%. При более высоком содержании влаги при переворачивании откосов и соприкосновении их со штейном неизбежно приведет к выбросам расплава из печи со всеми вытекающими последствиями.

На сегодняшний день в плавильном цехе КГМК флюс, поступающий в РТП, особенно в зимний период, часто имеет повышенную влажность. По существующей технологии при плавке окатышей, которые имеют достаточно высокую собственную температуру, влажность флюса не оказывает сильного влияния на работу РТП, так как есть возможность его высушить на слое окатышей. В случае перехода на брикеты такой возможности не будет, и влажность флюса становиться одним из критических параметров безопасной работы РТП.

Для исключения возможности взрывов в РТП при переработке влажных брикетов (не более 3%) максимально допустимая высота откосов в ванне печи должна быть не более 600 мм от уровня расплава. Вероятность переворачивания откосов такой высоты мала. Для стабильной работы на малых откосах необходима реконструкция системы подачи шихты с автоматизацией и автоматическим контролем высоты откосов по аналогии системы, использующейся на Жезказганском медеплавильном заводе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящее время на площадке «Печенганикель» перерабатывается концентрат, содержащий, %(масс.): Ni — 8−10, Си — 3−4, Fe — 25−28, S — 18, MgO — 10−12 по технологии, включающей его окатывание и обжиг, и плавку холодных окатышей в электропечах с получением штейна и отвального шлака. Данная технология характеризуется повышенным расходом электроэнергии и большими выбросами S02 в атмосферу. Для решения этих проблем разработана технология брикетирования концентратов и плавка брикетов.

1. С использованием методов РЭМ, РСМА и РФА исследован вещественный состав исходного высокомагнезиального сульфидного медно-никелевого концентрата. Установлено, что проба концентрата содержит крупные конгломераты частиц двух типов.

— конгломераты содержат отдельные частицы практически неизмененных рудных сульфидных минералов — пентландита, халькопирита, пирротина, пирита и более крупные частицы серпентина. Все это находится в связующей массе, представляющей собой сульфат никеля с реликтами пентландита. Состав сульфата, % масс.: 23,2 Ni- 0,41 Со- 3,3 Fe- 1,6 Mg- 17,7 S- 54 О, что соответствует примерно пяти-шестиводному сульфату никеля с примесью других сульфатов, в первую очередь, железа и магния.

— конгломераты содержат отдельные частицы рудных сульфидных минералов — пентландита, халькопирита, пирротина, пирита, более крупные частицы серпентина и частицы магнетита. Все это связано в конгломерат не сульфатами, а тонкой фракцией концентрата, в основном — силикатной.

2. На пилотной установке института Гипроникель — валковом прессе В050 производства фирмы «K.R. Komarek, Inc.» (США) проведен широкий комплекс исследований брикетирования сульфидного высокомагнезиального медно-никелевого концентрата. Проведены полупромышленные и промышленные испытания процесса брикетирования на установках фирмы «Maschinenfabrik Koppern GmbH & Co. KG» (Германия), валковом прессе ЗАО «НПО Спайдермаш» и на промышленном брикет-прессе производства фирмы «Koppern» на ООО «Медногорский медно-серный комбинат». Результаты пилотных и промышленных испытаний хорошо согласуются между собой. Установлено, что:

— для получения максимально возможного количества целых брикетов в продуктах брикетирования необходимо повышенное содержание связующего в шихте и поддержание влажности шихты в пределах 3,5−5,3%- выход целых брикетов, полученных при брикетировании засульфаченного концентрата, заметно выше, чем при брикетировании свежего концентрата;

— требуемый выход возврата (не более 15%) достигается при содержании жидкого лигносульфоната в шихте не менее 8% при брикетировании свежего концентрата или 5,5% при брикетировании лежалогопри применении в качестве связующего сухого лигносульфоната, достаточное количество возврата образуется при его содержании в шихте в количестве более 6,2%- содержание влаги в шихте во всех случаях не должно превышать 3,7%;

— сырые брикеты из свежего концентрата удовлетворительной прочности на сброс (выход фракции +10 мм более 85%) можно получить при брикетировании шихты, содержащей не менее 8,3% жидкого лигносульфоната или 5,6% сухого, а влажность шихты должна находиться в пределах 3,2−4,7%- получение необходимой прочности на сжатие (140 кГ/брикет и более) на сырых брикетах проблематично, в то время как при брикетировании лежалого концентрата в широкой области содержаний лигносульфоната в шихте величина прочности сырых брикетов на сжатие заведомо выше указанного значения;

— проведение упрочнительной сушки брикетов приводит к значительному повышению их прочностипри использовании в качестве связующего жидкого лигносульфоната достижение необходимой прочности на сжатие сушеными брикетами, изготовленными из свежего концентрата, наблюдается при содержании лигносульфоната в шихте более 7,8−8,2%, а прочности на сброс — более 4,3% при влажности шихты 3,2−5,8%- прочность на сжатие сушеных брикетов из лежалого концентрата значительно выше прочности брикетов из свежего концентрата, и даже в отсутствие связующего превышает требуемые значения по прочности в широком диапазоне содержаний влаги в концентрате;

— не менее эффективным средством повышения прочностных характеристик брикетов является подача на брикетирование шихты с повышенной температурой (60−90°С) — это в сочетании с низкой влажностью шихты, переходом при брикетировании части механической энергии пресса в тепло дает эффект упрочнительной сушки брикетов.

— предельным значением влажности шихты, при котором сохраняется работоспособность брикет-пресса, является 3,5%- выше этого значения при брикетировании рудного медно-никелевого концентрата начинается залипание рабочих ячеек брикет-прессапри своевременном контроле за состоянием валков пресса последующей аварийной ситуации на прессе можно избежать путем подачи на валки пресса материала пониженной влажности, что приводит к самоочистке ячеек от залипшего материала;

— сравнительный анализ качества продуктов брикетирования, полученных на различных промышленных и полупромышленных валковых прессах, показал хорошую согласованность результатов и построенных на их основе зависимостей показателей брикетирования от состава шихтыэто говорит о несущественном влиянии различий в конструкции и работе прессов на показатели брикетированиясовпадение в последовательности изменения свойств брикетов, изготовленных из фактически лежалого концентрата на пилотной установке фирмы «Koppern» и промышленном прессе Медногорского МСК (с повышением содержания жидкого лигносульфоната в шихте) свидетельствует о существенных различиях в брикетировании свежего и лежалого концентратовполучение брикетов из свежего концентрата удовлетворительной прочности возможно или при введении повышенного количества связующего в брикетируемую шихту, или при проведении упрочнительной сушки брикетов, или операции подачи горячей шихты на валки пресса с последующим вылеживанием брикетов, аналогичной проводимой на Медногор-ском МСК.

3. На основании результатов проведенных испытаний предложены три варианта технологии брикетирования рудного медно-никелевого концентрата:

— со смешением концентрата с жидким лигносульфонатом до его подсушки до необходимой влажности, сушкой шихты в сушильном барабане, брикетированием ее на валковом прессе, упрочняющей сушке брикетов в ленточной сушилке;

— с приготовлением шихты по той же схеме, но без упрочняющей сушки брикетов;

— с двукратным вводом связующего (жидкий лигносульфонат): до и после подсушки шихты в сушильном барабане и без упрочняющей сушки брикетов.

По совокупным результатам исследований, проведенных на укруп-нено-лабораторном валковом прессе В050 производства фирмы «K.R. Ко-marek, Inc.» и промышленных брикет-прессах предприятий, возможных поставщиков оборудования для брикетирования рудного медно-никелевого концентрата на ОАО «Кольская ГМК», предпочтение отдано третьему варианту технологии с использованием в качестве основного.

Ii I11 t i 1 / «оборудования брикет-пресса 92/10−8D 1225 DG2E производства фирмы «Maschinenfabrik Koppern GmbH & Co. KG» (Германия). Разработан технологический регламент для проектирования промышленного комплекса брикетирования производительностью 530 тыс. т концентрата в гНачато освоение промышленного комплекса.

4. На комбинате «Североникель» Кольской ГМК в опытно-промышленной двухзонной печи Ванюкова проведены плавки брикетов. Получены данные, необходимые для проектирования установки по плавке брикетов. Выполнен проект, который прошел Госэкспертизу и утвержден руководством ОАО «ГМК «Норильский никель».

5. В связи с тем, что решение о строительстве двухзонной печи не принято, брикеты должны будут перерабатываться в существующих электропечах.

Проведены исследования на укрупненных установках плавки брикетов в электропечах. Установлено, что при плавке брикетов в электропечах, для безопасной работы содержание влаги в брикетах не должно превышать 3−3,5%. При более высоком содержании влаги при переворачивании откосов и соприкосновении их со штейном неизбежно произойдут выбросы расплава из печи со всеми вытекающими последствиями.