автореферат диссертации по металлургии, 05.16.03, диссертация на тему:Исследование и разработка технологических энергоресурсосберегающих режимов плавки окисленных никелевых руд

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ -

государственный научно-исследовательский институт цветных металлов

На правах рукописи

ВОЛКОВ Владимир Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ ПЛАВКИ ОКИСЛЕННЫХ НИКЕЛЕВЫХ РУД

Специальность 05.16.03 - "Металлургия цветных и редких металлов"

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Тарасов A.B.

Москва -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................:...................................4

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................................................................................7

1.1. Технология переработки окисленных никелевых и медных сульфидных руд.....7

1.2. Охлаждение высокотемпературных отходящих газов печей цветной металлургии.......................................................................................................................13

1.3. Теплообмен в дисперсных сквозных потоках........................................................19

1.4. Теплообмен в циклонных устройствах...................................................................22

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАВКИ ОКИСЛЕННЫХ НИКЕЛЕВЫХ РУД НА ШТЕЙН И ФЕРРОНИКЕЛЬ....................................................29

2.1. Лабораторные исследования сульфидирования окисленных никелевых руд ..29

2.1.1. Постановка задачи и исходные материалы..........................................................29

2.1.2. Методика эксперимента........................................................................................31

2.1.3. Результаты опытов и их анализ...........................................................................31

2.2. Изучение плавки окисленной никелевой руды на ферроникель в лабораторной печи......................................................................................................................................33

2.2.1. Цели экспериментов...............................................................................................33

2.2.2. Методика опытов и исходные материалы...........................................................34

2.2.3. Полученные результаты и их обсуждение............................................................35

2.3. Моделирование перемешивания расплавов...........................................................37

2.3.1. Постановка задачи.................................................................................................37

2.3.2.Методика проведения эксперимента.....................................................................38

2.3.3.Результаты исследования.......................................................................................38

2.4. Восстановительно-сульфидирующая плавка окисленной никелевой руды на штейн в пилотной плазменно-дуговой печи.................................................................41

2.4.1. Описание установки и цель работы......................................................................41

2.4.2.Резулътаты исследований.......................................................................................44

2.5. Переработка окисленной никелевой руды на ферроникель в пилотной плазменно-дуговой печи..................................................................................................50

2.6. Выводы по главе.........................................................................................................53

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА ПОЛИДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПОЛУПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКЕ ШАХТНОГО ЦИКЛОННОГО ТЕПЛООБМЕННИКА.........................................................................................................54

3.1. Методика проведения исследований......................................................................54

3.2. Результаты исследования теплообмена в шахтном циклонном теплообменнике.................................................................................................................59

3.3. Выводы по главе.........................................................................................................71

глава 4 ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ШАХТНОГО ЦИКЛОННОГО ТЕПЛООБМЕННИКА НА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ................................................................................................................................72

4.1. Условия моделирования............................................................................................72

4.2. Исследование пылевыноса.......................................................................................75

4.3. Исследование аэродинамических характеристик в рабочем объеме шахтного циклонного теплообменника...........................................................................................81

4.3.1. Описание установки...............................................................................................81

4.3.2. Задачи исследования и полученные результаты...................................................83

4.3.3. Выводы по главе......................................................................................................88

Глава 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПЕРЕРАБОТКИ ОКИСЛЕННОЙ НИКЕЛЕВОЙ РУДЫ В БАРБОТАЖНОМ АГРЕГАТЕ С ГЛУБОКОЙ УТИЛИЗАЦИЕЙ ТЕПЛА.............................................................................89

5.1. Выбор способа бескоксовой плавки........................................................................89

5.1.1. Введение..................................................................................................................89

5.1.2. Принципиальные положения нового агрегата......................................................90

5.2. Теплотехнические расчеты плавки окисленной никелевой руды на ферроникель........................................................................................................................91

5.3. Плавка окисленной никелевой руды на никелевый штейн в б АГУТе................96

5.3.1. Технологические расчеты плавки...........................................................................96

5.3.2. Технико-экономические показатели плавки.........................................................100

ВЫВОДЫ.............................................................................................................................103

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................106

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................................................116

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для переработки медного и никелевого сырья применяют, главным образом, пирометаллургические процессы. Выбор того или иного процесса для плавки зависит, в основном, от содержания серы в концентрате и выбранного способа подготовки шихты.

Основными пирометаллургическими процессами переработки окисленной никелевой руды (ОНР) является шахтная плавка на штейн и плавка в электрических печах на ферроникель. Эти технологические процессы достаточно хорошо отработаны и надежны в работе.

Технология переработки сульфидного медного и никелевого сульфидного сырья совершенствуется на основе разработок новых и освоения действующих автогенных процессов нескольких разновидностей. Самые известные из них:

- взвешенная плавка на воздушном подогретом и частично обогащенном кислородом дутье (ВП);

- кислородно-факельная плавка на чисто кислородном дутье (КФП);

- плавка в расплаве - процесс плавки Ванюкова (ППВ).

Все разновидности автогенных процессов характеризуются хорошими экономическими и экологическими показателями. Среди большого количества работающих установок, использующих автогенную технологию для плавки шихты, выделяется ППВ своим высоким удельным проплавом, достигаю-

л

щим 60-80 т/м сутки и низким пылевыносом, составляющим 1-1,5%.

Вместе с тем все рассмотренные выше пирометаллургические процессы обладают недостатками.

Так, для процессов ВП и КФП необходимо проводить глубокую сушку шихты, что вызывает дополнительные капитальные и эксплуатационные затраты. Вынос пыли для печей КФП и ВП достигает 6,3-9% от производи-

тельности, что осложняет работу котлов-утилизаторов, увеличивает количество оборотных материалов.

Содержание ценных компонентов в шлаках достигает 0,5-1,7% в зависимости от содержания меди в штейне. Необходимо проводить дополнительную обработку с целью снижения потерь металлов со шлаками. Шлаки 1111В, в которых содержится 0,5-0,6% меди, фактически не являются отвальными.

Для ведения технологического и теплового процессов в шахтных печах необходимо дорогое и дефицитное топливо - металлургический кокс. Уральские предприятия, перерабатывающие ОНР, потребляют 90% кокса, используемого в цветной металлургии. Постоянное снижение содержания никеля в ОНР приводит к ухудшению технологических показателей процесса.

Отходящие газы, содержащие диоксид серы, выбрасываются в атмосферу, тем самым наносится значительный экологический ущерб.

Переработка ОНР на ферроникель, в какой-то степени, устраняет недостатки шахтной плавки на штейн и упрощает технологию, но кобальт не извлекается в самостоятельную фазу, а является примесью товарного металла.

Тепловая работа печей автогенных плавок (исключение составляет автогенная шахтная плавка пирита) характеризуется образованием больших количеств высокотемпературных отходящих газов, содержащих диоксид серы, которые направляются в котлы-утилизаторы, вырабатывающие пар. Трудности, возникающие при эксплуатации котлов-утилизаторов, связаны с большой запыленностью отходящих газов и высоким содержанием диоксида серы в газах.

Высокая температура отходящих газов является причиной значительных потерь тепла в процессе плавки. Так, при плавке на воздушном дутье сульфидных концентратов, обнаруживается дефицит тепла, выделяющегося от окисления сульфидов. Недостаток тепла для процесса можно устранить за счет нагрева шихтовых материалов перед загрузкой в печь в теплообменнике, используя для этого физическое тепло отходящих газов. Тем самым дефицит

тепла может быть восполнен увеличением приходной статьи теплового баланса. В рассматриваемом варианте тепло газов используется по регенеративной схеме - возвращается непосредственно в технологический процесс.

Рассмотренные современные пирометаллургические процессы и их аппаратурное оформление в большей или меньшей степени обладают недостатками. Из всех плавильных агрегатов заслуживает внимания ППВ (если не считать содержание металлов в шлаках).

Особенностью ОНР, перерабатываемой в шахтных печах, является низкое содержание никеля, около 1%. Из-за высоких цен на кокс и потерь никеля и кобальта шахтная плавка является убыточной и дальнейшее использование данной технологии для производства никеля и кобальта является нецелесообразным. Применение зарубежных технологий для переработки бедных ОНР на ферроникель будет также нерентабельно, так как они используются для руд, содержащих до 2,8% никеля.

Перспективным технологическим процессом для переработки ОНР является процесс плавки в расплаве ППВ, если сократить расход топлива на плавку за счет нагрева шихты теплом отходящих газов и эффективно обеднить шлаки по никелю и кобальту в одном агрегате. В ППВ имеются реальные предпосылки для решения этих сложных технологических задач.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Технология переработки окисленных никелевых и медных сульфидных руд

В настоящее время для пирометаллургической переработки медных сульфидных концентратов используют различные технологические процессы - от существующей много лет плавки в отражательных печах до современных плавильных агрегатов, работающих по автогенной технологии с применением автоматики для управления технологическим процессом /1/.

Отражательные печи и другие известные способы переработки медных концентратов, такие, как плавка в электрических и шахтных печах, являются надежными и хорошо освоенными плавильными агрегатами, но они уже не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным технологическим процессам.

Производительность отражательных печей и электропечей низкая, поэтому их нельзя отнести к интенсивным процессам. Десульфуризация невысокая, из-за чего обогащение штейна по меди незначительно превышает содержание меди в исходном концентрате. Отходящие газы выбрасываются в атмосферу, так как они не пригодны для дальнейшего использования из-за низкого содержания в них диоксида серы. Расходы энергоресурсов высокие, а извлечение ценных компонентов низкое.

Рассмотренные выше технологические процессы производства меди из-за неудовлетворительных технологических показателей работы стали причиной поиска новых совершенных металлургических процессов, отвечающих современным требованиям.

На данный момент наиболее совершенными процессами, с точки зрения комплексного использования перерабатываемого сырья и минимальных энергетических затрат, являются процессы автогенной плавки.

Конструктивное и технологическое оформление автогенных процессов может быть различным. Технологически эти процессы отличаются в основном способами окисления сульфидов, находящихся в разных агрегатных состояниях.

Независимо от вида автогенного процесса - плавка во взвешенном состоянии, в факеле или в расплаве, все они обладают хорошими технологическими показателями, одни в меньшей, другие в большей степени /2/.

Автогенная плавка обеспечивает высокий удельный проплав при минимальных энергетических затратах, дает возможность регулировать состав штейна и получать отходящие газы с таким содержанием диоксида серы, при котором возможна дальнейшая переработка газов, например, на серную кислоту. Извлечение ценных компонентов тоже находится на высоком уровне. Необходимо отметить, что среди всех процессов, использующих автогенную технологию, ППВ выделяется своим удельным проплавом, достигающим 6080 т/м2сутки и низким пылевыносом, составляющим 1-1,5%.

Единственным существенным недостатком рассмотренных процессов является высокий процент меди в шлаках, которые требуют дополнительной обработки с целью снижения содержания в них меди. Даже шлаки ППВ, содержащие 0,5-0,6% меди нельзя считать отвальными. Учитывая большое количество шлаков, образующихся при плавке, потери меди могут быть значительными.

В настоящее время основным пирометаллургическим процессом переработки ОНР в России является шахтная плавка на штейн, с последующим конвертированием штейна до файнштейна, который затем переводят в металлический продукт - огневой никель. В этом процессе предусмотрено попутное извлечение кобальта /3/.

Схема переработки ОНР в шахтной печи имеет свои технологические особенности:

- ОНР в шахтной печи можно перерабатывать только в виде брикетов или агломерата;

- в ОНР не содержится серы, поэтому для ведения процесса плавки (образование штейна) необходимо добавлять сульфидизатор;

- конечными продуктами технологии шахтной плавки являются металлический никель, отвальные шлаки и кобальтовый штейн, получаемый при обеднении конвертерных шлаков, направляемый на производство кобальта.

Такая технология переработки ОНР существует давно и хорошо освоена. Однако существенные ее недостатки не позволяют рентабельно перерабатывать ОНР с содержанием никеля ниже 1%.

Шахтная плавка ОНР - технологический процесс с высоким расходом дефицитного и дорогого кокса, с низким извлечением никеля и кобальта, с полной потерей железа, содержащегося в руде. Кроме того, схема рассматриваемой технологии очень сложная, наносящая значительный экологический ущерб, так как выбрасывается в атмосферу часть серы сульфидизатора.

Данные, приведенные в работе /4/, свидетельствуют о том, что, несмотря на достигнутые улучшения технологических результатов за счет нагрева и обогащения дутья кислородом, повышения скорости дутья, показатели плавки остаются низкими.

Удельный проплав составляет 30-40 т/м сутки, тогда как при шахтной плавке медного агломерата на воздушном дутье он составляет 60120 т/м2сутки.

Извлечение никеля в штейн составляет не более 75%, потери никеля со шлаком составляют 18%. Извлечение кобальта не превышает 45-50% даже при получении металлизированных штейнов.

Другим пирометаллургическим способом переработки ОНР является плавка на ферроникель в электрических печах /5/. В процессе плавки осуще-

ствляется восстановительная обработка ОНР, при которой оксиды железа, никеля и кобальта восстанавливаются, образуя металлический сплав - ферроникель, содержащий 5,5-40% никеля, в шлаках никеля 0,04-0,2%.

Технологическая схема переработки ОНР при таком способе упрощается, повышается извлечение никеля, используется железо, экономится кокс, но не решается вопрос повышения извлечения кобальта, его потери остаются высокими (кобальт остается в ферроникеле), значительный и расход электроэнергии.

Таким образом, существующие пирометаллургические способы переработки ОНР, несмотря на некоторые достигнутые улучшения технологических показателей за счет, например, нагрева дутья, применения кислорода в шахтных печах все же не удовлетворяют современным высоким требованиям к технологическим процессам. Главная причина заключается в несовершенстве самих процессов, используемых для переработки ОНР. Необходим поиск принципиально новых решений в создании технологии переработки ОНР, так как проведенные мероприятия с целью повышения показателей существующих технологий не приводят к коренному совершенствованию самой технологии и достижению современных технологических и экологических результатов плавки.

Практическим шагом на пути поиска нового технологического процесса переработки ОНР являются испытания, проведенные на полупромышленной установке ППВ в металлургическом цехе РОЭМЗа /6/.

Основная задача опытных плавок заключалась в исследовании возможности плавки ОНР в расплаве и распределения компонентов в продуктах плавки. При плавке использовалась шихта, подобная той, которая перерабатывается в шахтной плавке и состояла из агломерата ЮУНКа (76,46%) и известняка (23,54%>). Содержание никеля �