автореферат диссертации по металлургии, 05.16.03, диссертация на тему:Пути совершенствования методов обеднения шлаков никелевого и медного производств и их термодинамическое обоснование

ч!з г з ч

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи

УДК 669.243:669.253:669.33

СЕЙСЕНБАЕВ Аскер Есеналиевич

ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ ОБЕДНЕНИЯ ШЛАКОВ НИКЕЛЕВОГО И

МЕДНОГО ПРОИЗВОДСТВ И ИХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Специальность 05.16.03 — «Металлургия цветных и редких

металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена на кафедре металлургии тяжелых цветных металлов Московского института стали и сплавов.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ЗАЙЦЕВ В. Я.

Официальные оппоненты: доктор технических наук БРЮКВИН В. А., кандидат технических наук КУКОЕВ В. Л.

Ведущее предприятие: ПО «Балхашмедь»

Защита состоится « » ¡рР^/г/Я^^ 1992 г. на заседании специализированного совета К-053.08.04 по присуждению ученых степеней при Московском институте стали и сплавов по адресу: Москва, Крымский вал, дом 3.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « » 1992 г.

Справки по телефону: 237-22-24.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук

Л. С. СТРИЖКО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

■хЛ'т- ''Актхальность_2аботы.В настоящее время широкое распространение в1 производстве тяжелых цветных металлов из сульфидного сырья получили автогенные процессы. Разработанный в СССР процесс Ваню-кова не уступает зарубежным аналогам, а по ряду показателей значительно превосходит их.Процесс отличается высокой комплексностью использования сырья,высокой производительностью,низкой требовательностью к качеству сырья. В процессе обеспечивается достижение состояния расплавов близкого к равновесному и большая скорость разделения гадких фаз и низкая доля механических; потерь цветных металлов.

Расширяется номенклатура использования процесса ПВ в цветной металлургии.Относительно недавно кафедрой металлургии тяжелых цветных металлов МИСиС было предложено использовать аппаратуру процесса ПВ для переработки не только сульфидных, но и оксидных материалов. В частности,было получено авторское свидетельство на переработку окисленных никелевых руд. В отличии от традиционной шахтной плавки, где применяется в качестве источника тепла дорогостоящий кокс,в процессе ПВ для переработки окисленных никелевых •руд можно использовать более доступные и более дешевые углеродистые материалы: природный газ,уголь.

Предполагается ведение процесса плавки на богатые /ло 40$ никеля/ штейны,что требует расширения теоретических знаний о свойствах сульфидных и оксисульфидннх фаз и характера их взаимодей-• ствия со шлаком. Такие данные практически отсутствуют в литературе.

Плавки любых материалов* на богатые штейны,сульфидных или оксидных, неизбежно приводит к получению шлаков с высокой онцен-трацией цветных металлов,которые требуют специального внепечиого обеднения. Несмотря на обилие работ.посвященных различным способам обеднения ишаков,их строгая систематизация,с учетом доли растворенных и механических потерь в промышленных расплавах,пока отсутствует. Практически нет данных о кинетике взаимодействия капель, извлекающей фазы,которую используют при всех способах обеднения промышленных шлаков различных производств.Все эти данные необходимы для создания новых экономичных методов обеднения промышленных шлаков никелевого и медного ироизводс*ва. -

Создание теоретических основ для:

- термодинамического обоснования прогнозирующих расчетов /математического моделирования/ поведения никеля при переработке окисленных никелевых руд способом ПВ;

- термодинамического обоснования путей снижения потерь никеля со ишаками и использование полученных данных при разработке новой технологии обеднения шлаков;

- получения кинетических характеристик взаимодействия капель извлекающей фазы с промышленными шлаками, что необходимо для выбора способа обеднения последних и последующего расчета габаритов . любого обеднительного агрегата или обеднителыюй зоны;

- предложения и проверки в лабораторных и полупромышленных уояовиях новых методов обеднения промышленных пшаков никелевого и медного производства.

_Матоды^исследования. Для исследования термодинамики системы никелевый штейн - Газовая фаза и системы никелевый штейн-шлак-газовая фаза создана лабораторная установка проточного типа .Для определения возможности обеднения прославленных ишаков и выбора извлекающей фазы разработала и создана новая лабораторная установка, позволяющая промывать шлаки отдельными каплями извлекающей фазы и фиксировать их количество. Полупромышленные испытания некоторых'новых методов обеднения шлаков проведены на печи ПВ Рязанского опытно-экспериментального металлургического завода института Гинцветмет.

Изучение фазового состава полученных образцов всех экспериментов проводилось на оптическом микроскопе "НЕОФОТ-21". Состав шлаков и штейнов определялся химическим анализом по обычным методикам. Содержание кислорода в никелевых штейнах и железа/Ш/ в конденсированных фазах - на ЯГР-спектроыетре "Хеллинг". Состав газовой фазы определялся на хроматографе ЛХМ-8ВД.

Б работе были использованы современные методы обработки данных с использованием пакета прикладных программ на ПЭВМ "АВС-26" и "LaЬ^om ».

1}аучная_новизна. Экспериментально получены данные о равновесном состояли системы никелевый штейн-газовая фаза при контролируемых значениях парциальных давлений кислорода и серы в интервале 1(Г4- Ю-6 Па 'и 10^- 104 Па при соответственном изменении со-

держания никеля в штейне до 40% и температура 1523 К. Показано изменение характера раотворимооти оеры и киолорода в штайне в зависимости от парциальных давлений сэры и киолорода в газовой фазе. В литература эти данные отсутствовали. На основе полученных показателей яродогакэна термодинамическая модель штейновой системы нике лыко л а з о -с е ра -ки о л ор од.

Впервые получены экспериментальные данные о равновесной растворимости нйкеля, кобальта и оеры в аюлезосиликатных шлаках, содержащих А0% & (>2, при изменении содержания никеля в штейне от 5 до 40$, температуре 1373 К и Рд) в газовой фаза 0-Т70 гПа применительно к равновесию в системе никелевый штейн-шшк-газ.

На специально созданной установке для оценки кинетики взаимодействия штейновой и шлаковой фаз капельным методом изучена скорость обедпвния промышленных шлаков, ■

Рассчитаны значения активности компонентов никелевых штейнов для различных режимов работы плавильных агрегатов. Показано, что при плавке на штейн с содержанием до 40$ никеля количество растворенного в шлаке никеля сильно зависит от окислительного потенциала оистемы. Сульфадируюший потенциал влияет на степень металлизации штейна и таким образом существенно влияет на потеря никеля оо шлаком. Минералогический анагиз шлифов никелевых штейнов показал, что опасения оппонентов процесса ПВ о возможности настылеобразования в ойэднительной зоне воледотвии металлизации дадного штейна не подтвердились. .

Произведен термодинамический анализ сиотеыы А^'-Ге-^-О. Полученная термодинамическая модель четвертой системы, ооног-.нпзя на уравнении Ыаргулеса, позволяет рассчитывать активности /¿'¿¡меля.

Результаты исследований системы никелевый шгвйн-пшак-газовая фаза показали, что шлаки, образуемые в окислительной зоне при переработке окисленных никелевых руд процессом Ш, должны подвергаться обеднению в том же агрегате.

Предложенная новая технология обеднения промышленных шлаков непосредственно в плавильном агрегате набольшим объемом сульфида-затора. На основе лабораторных и полупромышленных испытаний поданы две заявки на предполагаемые изобретения "Способ обеднения шлаков цветных металлов" (№ 4696365/22-02, приоритет от 29.05.09 г. и "Способ обеднения шаков плавки цветных металлов" (# 4718178/22-02, приоритет от 29.05.89 г.). На -обе заявки получено

положительное решение.

Апробацкя^аботы. Основные положения работы доложены и обсуж-денн на:

- Всесоюзной научно-технической конференции "Теоретические и технологические предпосылки интенсификации производства тяжелых цветных металлов и комплексного использования-сырья" в г.Свердловске в июне 1988г.

По теме диссертации опубликовано 3 статьи, и поданы 2 заявки на изобретение с положительным решением.

Стщктдэа_и_объем_работы. Диссертационная работа состой-т из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Ра. бота изложена на 175"стр. машинописного текста,содержит 26 рисунков,18 таблиц. Библиогра5ия насчитывает 254 наименования.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

-Процесо Ванюкова характеризуется достаточной гибкостью в производстве .низкой требовательностью к качеству сырья и при этом обеспечивает достижение состояния близкого к равновесному,большой скоростью разделения фаз,низкой долей механических потерь цветных металлов. В то же время при работе на богатые штейны необходимо обеднение шлаков.

В связи с вышеуказанным, представляет интерес переработка окисленных никелевых руд в печи ПВ.,схема которой представлена на рис.1. Печь для переработки окисленных никелевых руд представляет собой агрегат шахтного типа с двумя перегородками - кессонами, разделяющих, шлаковый расплав на три зоны: плавильную /где плав-

ПрОЧСХСОКГ

ленив шихты^а счет нагрева шлакового расплава от сгорания природного газа или угольной пыли/; восстановительную /где происходит селективное восстановление магнетита на углеродистом фильтре/ и' обеднительную /где происходит промывка ишака извлекающей сульфидин рующей й>зой- сульфидизатором/. Расчеты показывают, что донный штейн сбеднителыюй зоны будет содержать Ь - 10% никеля. За счет организации Противотока шлака и штейна и в результате взаимодей- • ствия со шлшсо-штейноБой эмульсией донный штейн будет обогащаться. На выходе 'из печи штейн будет содержать до 35-4С$ никеля.

Для управления процессом плавки окисленных никелевых руд в

Печь ПВ для переработки окисленных руд

Рис. 1.

печи ПВ необходимы данные по физико-химическим свойства" штейно-вой и шлаковой фаз. Однако данных для термодинамического обоснования процесса ПВ по переработке окисленных никелевых руд в настоящее время 'явно недостаточно.

Из анализа литературный данных по термодинамическим параметрам систем Ге-Э , У/-8 , Ре-//'-3 ,Те-0,//7- О, Рв-Э- ( и 0 следует,что система железо-никель-сера-кислород,

аппроксимирующая никелевые штейны зовы обеднения, практически не исследовалась.

Практический интерес для переработки окисленных никелевых руд в печи ПВ представляет изучение термодинамических характеристик' _ системы Ре- л/<-$- 0 при температуре 1523К и изменении содержания никеля в системе от 5 до 40'!.

При изучении литературных данных но потеряй никеля и меди со шлаками рассмотрена влияние различных $акго ров. /состав конденсированных и газовой фаз,температура,вязкость и т.д./ на величину

механических и растворенных потерь и соотношения этих форм нахождения цветных металлов в ишаках. Установлено,что в большинстве агрегатов шлаковый расплав находится в равновесии не с донным штейном, а с корольками взвешенного в нем штейна /вследствие обширной поверхности раздела штейно-шлаковой эмульсии/. Причем состав корольков штейна отличается от состава донного штейна. Единственным процессом, в котором состав донного итейна и взвешенных в ишаке корольков совпадает, является процесс Ванюкова.

Анализ литературных данных по потерям меди показал,что исследований- по определению форм потерь Си со шлаками проведено немало, что позволило моделировать на ЭВМ процесс плавки медного сырья. В то же время данных для создания математической модели управления процессом переработки никелевбго /особенно окисленного/ сырья явно недостаточно.

Данные по потерям цветных металлов показывают,что промышленные тарки должны подвергаться обеднению путем создания благоприятных условий для процесса коале'сценции штейновых капель и уменьшения растворимости цветных металлов в шлаке.

Разбор методов обеднения шлаков медного и никелевого производств показал преимущество использования для этих целей восста-новительно-оульйЕадирукщего обеднения ишаков.

2. ВЫБОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕТОДИКИ ИССЛЩОЗАНИЯ СОСТАВА ШТЕЙНА

Наличие надежной информации о термодинамических свойствах штейиовой системы в зависимости от ее состава и в контролируемых внешних условиях является теоретической основой при решении вопроса переработки окисленных никелевых руд по технологии с использованием печи ИВ Поэтому в настоящем исследовании поставлена задача - разработать экспериментальную методику для исследования равновесия между- никелевым штейном и серосодержащей газовой фазой.'

Для однозначного задания .но^н-вариантногс состояния системы О' быта зафиксированы температура,парциальные давления серы и кислорода в газовой фазе и содержание никеля в исходном штейне.

Выбран проточный вариант установления равновесия синтетичес-

кого никелевого штейна с газовой фазой, состоящей из смеси СО-СС^ - 502• Анализ состава газовой Фазы на входе в реактор проводился методом газовой хроматографии на хроматографе ЛХМ-8ВД. Проточный в вариант позволяет одновременно производить несколько экспериментов при одинаковых внешних условиях.

При приготовлении исходных материалов использовались никель класса Н-0, металлическое карбональное особо чистое железо и сера масса "ОСЧ". В качестве исходных материалов выбраны сульфиды тройной системы никель-железо-сера с постоянным содержанием серн /25®/при варьировании содержания никеля /5,10,20 и 40 вес.%/. Синтез сутьфидов производился в двойных отпаянных кварцевых ампулах при температуре около 7ССК и 10-тичасовой выдержке до полного усвоения металлами серы с последующей переплавкой продуктов синтеза и 8-часовоЙ выдержкой при температуре 1473К.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕВВДШАМИКИ ЖЕЛЕЗИСТЫХ' НИКЕЛЕВЫХ ШТЕЙНОВ В УСЛОВИЯХ КОНТРОЛИРУШОЙ АТМОСФЕРЫ.

С учетом результатов литературного обзора,а также перспективности проведения процесса плавки окисленных никелевых руд в печи ПВ выбрал интервал варьирования парциальных давлений серн и кислорода в ходе эксперимента соответственно от 10^ до 10^ Па и от 10~6 до Ю-4 Па.

Для расчета состава газовой фазы, а такте для уточненных значений парциальных давлений компонентов в равновесной газовой фазе ьри температуре проведения экспериментов использована программа линейной корреляционной модели, разработанной на кафедре ЯЦМ института МИСиС.

С точки зрения условий проведения экспериментов полученные результаты можно разделить на три группы,'отличающиеся друг от друга значениями кислородного потенциала системы:

- группа Г.

Р0 = 10"6 Па; Р$ = /0,20*5,46/.10^ Па; Р30 =/0,13+0,72/.

2 2 '2- л02 11а

- группа 2.

Р02=10-5Па; Р3 = /0,10*9,ве/ЛО^а; Рдс^/0,9.9+12, В6/.102Па

- группа 3.

Р02=10~4Еа; Р5 = /0,11+4,37/' Ю^Па; Р50п= /1,05*7,07/-102Па

Эксперименты проводились при температуре 1523К,продолжительность экспериментов была 14-16 часов. Содержание никеля,железа и серы в штейнах определялось химическим анализом,содержание кислорода - путем пересчета количества кислородосодерхащих соединений железа.определенных при расшифровке диаграмм ЯТР-спектров. Результаты экспериментов приведены в табл.1.

Таблица 1.

Составы синтетических штейнов.равновесные парциальные давления серы и кислорода в газовой фазе и значения

F^ и Fg термодинамической модели * __________ _ _ _

Jé Ц£юб-! Содержание в штейне,вес % !р. р ть ! р ! г Експ I раз. j 1ё"; v7"ТiРз2' ' | Fi | ^

_-1_L2._L_3__L._Í_1_J__LLU__L_1_____\_________! ID

"l." 1-5 67,63 ~3~94~25,15 3,30 3~47~P<- =l"Í9'10^ 1,286 0,583

1-10 63,90 7,88 24,90 3,16 3.22 K 1,714 0,953

1-20 54,52 18,21 24,40 2,85 2,69 Р™=0,98- 10~b 2,231 1,182 _____lzlO_35aQ3_38i34_24J13_2i35_2i31__^__________З.Ы2 1,529

2-. 2-5 66,92 4,17 25,71 3,27~3,40 P4 =2,71-102 1,584 0,754

2-10 63,18 8.28 25,40 3,10 3,14 K 1,607 0,914

2-20 53.71 19,ЬО 24,91 2,80 2,55 Pn =0,99.10-b 2,380 1,224 _____2-40 33,98 39,25 24,60 2.30 2,67 u2__________3,901 1,465

3. ~3-5 64,51 4,32 27,97"з,21~ЗдГРо =ПЙ2-103 1,618 0,253

3-10 60,62 8,97 27,45 3,02 2,83 b2 K 1,972 0,541

3-20 52,22 18,53 26,50 2,70 2,38 Pn =l,01-10~b 0,589 0,987 _____3-40_33J51_37i84_25j.6Q_2_l26_2i06___2__________3,920. , lt321

4. 4-5 64,11 4,51 28,44 2,97 3,02 Pc =1,59-103 1,825 0,383

4-10 60,12 3,24 27,74 2,90 2,75 ъ2 с 2,177 0,606 , 4-20 51,85 18,78 26,34 2,50 2,24 Pn =1,15-10~ь 2,885 1,085

_____4г|0_33л45_38а24_26^01_1^98_2л01___2__________4,183 1,522

0. 5-5 '63,84 4,62 2B.S2'2,90 2,95 Pc =2,02-103 1,827 0,273

5-10 59,73' 9,56 27.99 2,70 2,67 S2 - 2 297 0 657

5-20 51,54 18,89 27.25 2,30 2.24 Pn =l,10-10-b 2,884 1,094 _____5-40_ЭЗл41_38а65_2бА26_1а70_1^90___2__________^342__1Х762

• 6. 6-5 62,73 4,81 29,38 2,64 2,69 pj =4,51-103 2,105~0,199

6-10' 59,62 9,59 28,44 2,40 2,41 c 2,681 0,759

6-20 51,75 18,91 27,51 2,05 2,13 Pn =l,00-10"b 3,334 1,278' _____§rl0_33i35_38_148_26i43_li6O_lJl73___2__________4,670 1,714

7. 7-5 €3,63 5,06 29,80 2,53*2,64 Pc =5^46-103" 2,310 0,364

7-10 59,51 9,61 28,72 2,22 2,39 ^2 , 2,824 0,905 -7-20 52,06 -18,38 26,65 1,85 2,01 Pn =0,99.10-b 3,406 1,378

7-40 33j.32 30а30 26,51 lx40 1,69 • U2

Продолжение таблицы 1

__1_1_2__1_3__1__4__I__5__1_6__I__7__1______8_____\__9 ! 10

~8. ¿5 €6,95 4~81~23,41 4,74 4,50 Рс =1,00'103 3,513 1,552

8-10 63,05 9,06 23,49 3,99 4,14 °2 ц 3,778 1,883 ¡3-20 52,51 19,52 23,58 3,22 3,43 Рп =1,01-10"° 4,241 2,178

_____8-4С 34,56 38,81 23,65 2,65 2,71 и2__________§¿024.-2*494

9. 9-5 66,03 4,41 24,82 4,10 4,06 Ре =1,01-103 2,650 1,364

9-10 62,19 Ь,66 24,73 3,63 3,71 ь2 , 2,435 1,836 9-20 52,27 19,11 24,76 3,02 3,00 Рп =0,99-10"^ 2,Ь97 2,152

_____9-40_34х06_38^16_24х80_2±30_2^30___2__________4А296Л_2Л580

15. 10-5 65,19 3,47~26,92 3,84 3,72 Р* =0,99-10? 2,770 1,315 10-10 61,87 7,05 27,11 3,35 3,40 э2 3,005 1,632

10-20 50,98 16,99 27,38 2,80 2,67 Рп =1,32-10"й 3,233 .1,757 ____10Г40_33^04_36136_27Л§9_2А18_1^Ь7___2__________4Х281__2Х261

11. 11-5 65,80 4,60 £3,30 5,50 5,40 Рс =1,08-105 0,718 1,961

11-10 60,21 9,52 23,65 5,05 4,87 ь2 , 1,043 2,293

11-20 50,91 20,01 24,03 3,87 3,99 Рп =1,01-10"4 1,733 2,943 ____11-40 31,41 .40,25 24,44 2,98 2,91 и2___________3А571__3^313

12. 12-5 65,22 4,71 24,41 5,09 4,94 Р< =1,6о-Ю3 1,855 2,145

12-10 59,67 9,01 24,84 4,50 4,45 62 , 2,074 2,455

12-20 50,67 20,00 25,43 3,54 3,55 Р0 =1,00-10~4 2,604 2,838 ____12г40_31_132_4д^25_26а20_2^44_2^45___2__________3^991__3^444

13.13-5 65,13 4,52 25,04 4,88 4,68 Рс =4,37-103 2,477 2,138

13-10 59,Ы 8,90 25,82 4,12 4,17 ъ2 , 2,611 2,393 13-20 50,80 17,43 26,31 3,24 3,39 Рп =1,07-10"4 2,959 2,747

____13-40_33Л50_37^59_27Л08_2Х35_2Х23___2___________4А197__3А383

В результате статистической обработки экспериментальных данных по содержанию кислорода в штейне в зависимости от различных факторов получены уравнения множественной линейной регрессии: % 0=1,15314+2',08808-Ю2-^. +0,125285-%£в-1,77958-10~2-■6$?$ 2+0,035592-^-1,09249"-10"3 - %Те-,460006

1= 0,98 К/= 5;6 где Р02 и йыракены в Па.

Видно,что при росте парциального давления кислорода в системе растет содержание кислорода и несколько снижается содержание сэры • в штейне,повышение сульфидируицего-потенциала приводит к противоположному результату.Повышение содержания никеля в системе при . прочих равных условиях ведет к снижению растворимости как кисло--рода,так и серы в штейне.

Пройденная работа является шагом к построению математической модели,которую можно положить в основу АСУТП переработки уральских окисленных никелевых руд в печи ГШ для прогнозирования поведения донного штейна по всей длине ьанин.

Исходя из реакций:

Iû+l/2S2 = FeS /1/

Л £ = - 151020 + 53,31- Т Ре + 1/2 02 = РеО . /2/

А & = - 263182 + 64,22-Т

получаем: QïeS

КРП*?Г71У2 ^ ^ТеЗ+ HeS-^e" AAFe ~ ^^

°ГеО

. А Кр2= ¿WjeO+M'eO-^re-^e " ^^

Обозначив величины фиксируемые в экспериментах и l/2^P52-^peS + /л^д + fo Кр1

F2= 1/2Ù)T0 + ^ Kp2

получаем следующую связь термодинамических параметров и этих величин: '

b'bïPes-^^e

^ ре 0 -^Fe

Значения Р^ и Pg, рассчитанных из термодинамических данных, также приведены в табл. 1.

Анализ возможности использования модели регулярных растворов показывает невозможность описания в ее рамках экспериментальных данных четверной системы с фиксированными потенциалами в газовой фазе. • '

Анализ модели Маргулеса показал, что изменение одной из величин Fj или ^ /Σ Pq /не дает возможность определить '

рее параметры взаимодействий. При одновременном использовании обеих величия Fi и F2 получается полностью определенная система.

..Применение .стандартного-МНК для переопределенных систем !х! • ! V/ ! = ! Р !.образуемых при использовании объединенных матриц тшха

! у ! '! р !

| Х1 I „ I ± 1 I

х =:---±_- й р --¿_-

! х2 ! , Г 2 ,

дает слишком неточные значения параметров взаимодействия компонентов ^ . Обзор этих проблем показывает, что наиболее статистически обоснованным явтяегся использование ангулярного разложения или ридж-регрессии, называемой методом Левенберга-Мараквардта. Окончательные величины коэффициентов модели V/ приведены в табл.3.

Таблица 2

Величины коэффициентов модели Маргулеса

! ( ( ___¿_ ГеБ А-Л1- 1 ^ 1 1 РеО |

! РеЭ ! - ! 3,066 ! - 1,964 ! з 0^900__!

.1. 1,832 I - 4.862 л_ 5.353 \

! Ре 5 -3,267 .! -3,553 ! 11,524 !

4- РеО -5,447- Т -1,850 Т -23,594 \ ' 1

Полученная модель позволяет определить активности компонентов ' //¡$ ,У/0, РеЭ , РеО ,Ре и ГвдО^ как для стандартного состояния жидкости, так и - твердое вещество.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАВНОВЕСИЯ В СИСТЕМЕ НПЕЙГ - ШЛАК ПРИ КОНТРОЛИРУЕМОМ ДАВЛЕНИИ ОКСВДА СЕРИ/1У/ В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ

В настоящей части исследования быЯи поставлена задача - изучить влияние состава штейна,, контролируемых окислительного и суль-фидирутощего потенциалов газовой фазы на растворимость никеля в шлаке при заданной температуре. Второй задачей является обработка экспериментальных данных и расчет активности компонентов в зависимости от изменения факторов для построения прогнозирующей модели растворимости никеля в ишаках при переработке уральских окис--ленных никелевых руд. Эта модель может быть использована как для существующего процесса шахтной плавки, так и для предлагаемого процесса ПВ.

Для исслодоваяия равновесия никелевый шгейн-шлак-газовая фаза был выбрал известный проточный метод с раздельным плавлением штой-

на и шлака в наклонной лодочке во избежание образования механической мелкодиспесной взвеси сульфидов в жидком шлаке. В качестве газовой среды использовалась смесь оксида серыДУ/ и очищенного аргона. Проточный вариант позволил устанавливать в реактор сразу 4 лодочки. Интервал варьирования P^q^ ограничен 170 гПа во

избежание,гетерогенизации шлака по магнетиту.^Минералогический анализ шлифов ишаков подтвердил отсутствие механической взвеси штейна в шлак.

Синтетический штейн использовался тот же, что и в предыдущем эксперименте. Синтетический шгак выбирался так, чтобы был по составу близок к шлакам, получаемых при переработке уральских окисленных никелевых руд.

• Приведены результаты экспериментов для парциальных давлений оксида серыДУ/ 0,50,114 и 170 гПа. Выяснено,что при повышении PgQ до 50гПасодержание никеля в шлаке растет незначительно, в

то время как при Р^ выше 120 гПа происходит скачкообразный рост потерь никеля со ша§ом. Максимальное содержание растворенного никеля в гомогенном шлаке достиг 0,61^ при штейне, содержащем 40,5$ никеля, и Р5П = 170 гПА.

OUo

Для получения количественных характеристик зависимости содержание никеля в шлаке от различных факторов получено уравнение множественной линейной регрессии: . 0.718.10Л l,719.10-3.PSo2. SWuul£ffi+ 4.604.10-3.

• ^штейн" 3,43.10-5.PS(V где P^q выражено в гПа.

На рис.2 пршведен график зависимости содержания никеля в шлаке от содержания кислорода и соотношения //¡fi¡& в штейне. График сопоставлен с результатами Гримсея, исследовавшего промышленные' данные никелевых предприятий Канады. Хорошая сопоставимость полученных результатов с литературными данными говорит о возможности их использования для прогнозирования потерь никеля со шлаками при переработке уральских окисленных никелевых руд методом шахтной плавки и ПВ.

В виду отсутствия диаграммы изоактивностей системы z ~ FeO- PeS /как это существует для системы CHgS - РеС- Ре5,А.Язава/

Растворимость никеля, в насыщенном кремнеземом ишаке в зависимости от содержания кислорода и соотношении Л^/Ре в штейне.

У'штейн

числе - соотношение -р5----

10ш.тейн

I г 3 4 5"

Содержите кислорода в штейне,вес %

Рис. 2.

для расчета активностей компонентов воспользовалась методом расчета, использованный Бурлеем и Гакебе.

Предложили, что арэд не отклоняется от закона Рауля /аре^ =

= ^Ре<4 /• Известно, что в области гомогенности системы Р'еО-Ре^О.;

2 3"

- 5/02 ауе0 практически не меняется и равна 0,3-0,35. Принимаем, что а?е0= 0,35.

Для уравнения /3/

2 ГеБ + 3 09= 2 РеО + 2 50,

О О ¿>

/ 3 /

Р1

я2 рЗ~ аРеЭ 0о

при 1573К Кр = 3,9.1022. Зная Р50 . вре& и Оре0 можно вычислить величину Р0 .которая менялась в пределах Ю-4- Ю-3 Па 9 в 2

/10""- 10 атм/, причем для более богатых штейнов соответствует

большое значение Рп .

и2

Рс. определялось из уравнения / 4 / 2

32 + 2 02 = 2 S02 / 4 /

р2 S02

^ "рГТРГ s2 2

1 fi

При 1573К Кр = 2,29.10 . Величина , определенная по

2 о 2о с п

уравнению /2/, изменялась в пределах 10 - 10 IIa /10 -Ю'^атм/,

причем с ростом концентрации никеля в штейне Рс монотонно убы-

¿>2

вает.

Активность магнетита огпеделяли из уравнения /5/ 3 Fe304+ Fe$ = 10 FeO+ S02 / 5 /

я10 ' P

v _ а FaO SOo к —n-------г

Рз aFe304- aFe5 IIпи 1573К Крз= 4.6.10"3. Зная значения Кр , аре0, Рд0 и aFeS м°тао определить значение q

—;—1 34

J aFeO • fS02

аРеоО,= Г---------;----

3 4 FeS "• Кр3

Для проверка правильности полученных расчетных значений активности компонентов был построен график зависимости apSrQ от

у-г 3 4

V Pq - Экстраполяция кривой до ар0 q = 1 показывает, что вы-2 3 4 о

[рдение магнс-ига в шлаке произойдет при Рп = 7,7.10""''' Па, что

• и2

согласуется с данными ряда исследований. Таким образом, допущения и методика расчета активностей компонентов можно считать выбранными п равилыю.

Проведенную работу можно использовать для построения матема-

тической модели при прогнозировании взаимодействия шлака и штейна в плавильной и восстановительной зонах печи ПВ по переработке окисленных никелевых руд.

5. ОБЕДНЕНИЕ ИШАКОВ НИКЕЛЕВОГО И МВДНОГО ПРОИЗВОДСТВ

Цель данного раздела исследований - изучение возможности обеднения ишаков никелевого и медного производства и возможности использования полученных результатов для совершенствования технологии процесса Ванюкова, а также традиционных процессов /шахтной плавки и конвертирования/.

Лабораторные исследования возможности обеднения шлаков проведена двумя методами: методом промывки шлаков крупными каплями извлекающей фазы /капельный метод/ и методом перемешивания шлаков с извлекающей сульфидной фазой /метод перемешивания фаз/. Задачей первого метода было - оценить относительную скорость взаимодействия извлекающей фазы /штейн различного состава/ с компонентами промышленных шлаков различных предприятий. Это необходимо при выборе технологам и проектировщикам альтернативных путей обеднения шлаков и размеров обеднительных агрегатов. В лйтературе эти сведения отсутствуют. Второй метод - был направлен на проверку полученных закономерностей, уже в реальном его воплощении при обеднении промышленных шлаков различных производств, в лаборатор--ных и полупромышленных условиях.

Проведены исследования по обеднении промышленных шлаков печи Ванюкова Балхашского ГМК /ПВ ЕГМК/, шахтной плавки Уфалейского никелевого комбината /ШП УНК/ и конвертирования Норильского ГЖ /конв. НГМК/.

Результаты обеднения ишаков капельным методом приведены в табл. 4.

Составы исходных материалов /вес.$/:

- шлак ПВ ЕГМК: Си- 1,52; 5'02- 31,60; СаО - 5,40; МдО -1,60;

Ге0(5щ- 34,2; Те3+ - 3,4.

- штейн ПВ ЕШК: Си- 48,3; 5- 23,9; Реобщ - 27,7:

- ишак ШП УНК: У» -0,114; Со - 0,020; СаО - 15,30; М^О - 10,40;

Si02- 48,00; Feo6i¡í- 15,32; Ге3+ - 0,5.

- штейй ШП УНК: /V/- 14,6; Со - 0,34; Геобщ- 59,70; S - 24,5.

- конвертерный ишак НГМК: л/i - 0,67; Со - 0,21; Си - 0,92;

Sî02- 20,52; MgO - 0,80; Реобщ- 43,75; Fe3+- н/а.

- конвертерный штейн НГМК: У/ - 23,21; Со - 0,1; Си - 21,91;

Геобщ- 34,01; S - 18,51.

- Лениногорский пиритный концентрат: Си - 0,86; S - 39,1; Рв-0,58;

2п- 3,0; Реойщ- 32,1; $¡Og- 16,0; СаО - 0,6; A^Og - 2,6.

При применении донного штейна ПВ ЕГМК в качестве извлекающей фазы содержание меди в плаке снизилось до равновесной растворимости, что следует рассматривать как результат хорошей коалес-ценции механической взвеси крупными каплями извлекающей фазы .Для случая применения пиритного концентрата в качестве извлекающей $эзн требуется значительно большее время контакта извлекающей фазы со шлаком для достижения равновесия.

В случае опытов со шлаком ШП УПК содержание никеля в шлаке снизилось до 0,050 - 0,057 %. Исследования с вариацией состава синтетического штейна показали, что степень металлизации штейна в выбранных пределах при неизменности содержания никеля практически не влияет на остаточное содержание никеля в шлаке, в то время как вариация содержания никеля в штейне при неизменности содержания серы показывает область оптимума в интервале 10 - 20^ никеля в штейне.

V, в опытах с конвертерным шлаком 1Ш содержание цветных металлов /особенно никеля/ уменьшилось при промывке всеми видами извлекающей фазы. Результаты промывки шлака оказались не столь удачными ввиду того, что в исходном шлаке было слишком много магнетита /25/2/, и изатекающая фаза расходовалась в основном на вос-CTfiHODiis;¡iie îè3. Интенсивное выделение диоксида серы было отмечено при промывке шлака каплями извлекающей фазы.

Приведет ие в табл.3 данные показывают, что процесс коалесцен-ции взвеси штейна в шлаках имел место во всех случаях промывки • ишаков. Однако по сравнению с промышленными штейнами процесс коа-лесиоиции взвеси штейна в шлаке с преобладанием растворенных потерь протекал значительно эффективнее в том случае, когда в ка-

§

fc* « M »

a

FM

&

8

t

A

<

a

<

d t i

n M

t

á

t

<

1

rJ

t CH (

»!

I

< ¡

s

i <

(

i á M o

'fe

( »

Mi

LO C- 00 (O O LO in

co o O* o" o o o o

(N M m CP f « o O)

■J C0 «í CO s CM N 8 8 s m M

s M eo oo CJ OI CM (J) O H CJ CO CO IO CJ

o* o o o o o" o* o

U) m rr CT1 •<* M" en IO irt iB 10 1

o o o o o o* o

irj LO

<í in n

IT)

V)1

I I

I I I

I I

M El (O U) H

o o> -

CV1 co CvJ W <M

p E¡5 £5

® 8 f3

■<(• o

M CJ IO IO

to IO « "¡C

to ra tn

^ H H

M o

Ct M CO M

H a) oo ni

IO M M M

U> f-l OJ f-

HN (>) S3

* 3 3 ss

lililí

I I I I I I I

a

n &

a

<D §

i§

§1 I ti) W £ 01 ti I

* s

o o.

M CM (O <f m (O |>

I I

oooooooo

momm'íio'f'í in J ra in id in m" in

MMMMUMMM ilHIOOOllDNH

o o o" o o o o o"

lililí

c3 a o o

íO in CM C\J

o o

o o <M M

o o

o o o

N OI N

o o o

OOOOOOOOQ

M O)

M o

s §

o o

O <T> co o o

o o o o

M &

co

ra

CO n (O

o 0

co tji o

N CJ W CM

m ^

M oo

f- IO

® lo

CO CJ

(O o

® K

M O

CO M

o- 00 B5

O OJ C"-

«5 C0 C--

o o o

o o o

M M

ra co cj fc • »

to co

N SI !M

*rfi <T>

co -31 oo

S"

CO 00

I I I I I I I I I

£3 g

S S 5510

o o o o o o

o w o S? 3

o o

N O M H1 O ID

o

R ln

c^oanMoaícooo M M M M co co

oooooooo

mmminmmmm NnnwNN.NM

loo^oiootno m o "í ") -í i/j in

líf.H)(D»)innn

lililí

IO LO IO m

o 1 o 1 o 1 o 1

o o o o o o

o o

o o o o o o

to in M w CJ CM rr

# • • • • • •

CJ co IO to ¡> co <n

( oo ta • M in

¡3"

tn ta

n O -í ^

o o o o*

00 M <M U3

lO ÍO to w M M M M

m 03 (M en

(O (O U) Oí

o o o o o

A

I

(

( -a1

<N 1-1

1 M m

aw h

I I

S 8

o o

o o

8 8

o o

o o

B fe

0) (O H

o o o o

LO LO

o o

o o

o w

(3

• ^

OH ( I

t „

00. I o

ta to. ta

w

M o

IÍ3 tP ■>*< O O O CO

(O o o o o"

' M

te! o c\T ( CV

IT10.

I oo {

(

( (

OH

fe N (O IS

- en «o -O • - "ir

t-t <r> O M

o o

p" oo

o3 M

o o

O N H

t- IV s

I I I

o o o

t* »

i g

.8

P. O

mi 8

0

CEJ CS ^CJ CD co ^ GJ ^OT ^ 03 ^td'tstsnsssiisiii

" "E5

(Ti lO H H OI N co ** ■>!< "3" ^

MMMNMMfHMt-HM

OJ O M O CO U>

S S 8 3 8 w

<D u5 íó ff> m m ooooooooo o

HpHNOop-ajoi^m WOScjtHMFHMMMR

o o o* o o o o o oo

O- CT> m tn (O C! rf CM

o o o" o

% fe CO "(Di» N M N /<£> W O CTCM

M o

1-1 is

CD - CO •

NON O) Htm n o

M -sí

«j co «7 co

N *

H H tfl CO

H K w •>» co Cvj

o o o o

ES

to co c\¡ co

o o

CO -N Tjl » CM

co o o -

N crt « Oi

.CO co

w co

■0< co o

ts> cvj

00 OO C0

M M W O O K o

» №

<n

CO rf

a 8

V •

W O)

<M

CO » 03 CD CO

N <J5 NN N

tx¡ o w w ®

o o o o o o o

m 10 tn c* o oo

N N W N fl H

o o o o o o o

o 11) «) lO (D O « !> <x> m co co i> r-

£ «I

s s

O. CD

as o §w

£•§

¡s w

OO H

E-I H

o o,

ti ' o

. w ñé

lililí

I I I I I

o o o o o o

o o o o

•^t M H M

• ••• • ••• «o

HMf)-ílOU¡[.IB(nH

честве извлекающей $азы применяли, пиритный концентрат ши бедные по ценному металлу штейны.

Результаты обеднения шлаков капельным методом показали,что скорость коалесценции и изменения растворимости сульфида железа настолько велики, что если бы удалось обеспечить тесный контакт между корольками извлекающей фазы и промышленным шлаком, то этот процесс протекал бы с очень большой скоростью.

Исследования по обеднении шлаков методом перемешивания показал, что содержание цветных металлов в шлаках значительно снизилось при добавке дополнительной извлекающей фазы, бедной по меди и никелю. Однако при этом происходит значительное разубоживание донного штейна.

При добавке дополнительной извлекающей фазы в виде угольно-' пиритных окатышей на лигнине практически тот же результат был получен при значительно меньшем расходе извлекающей фазы ¡\-Ъ% ди-ритного концентрата от веса шлака/. При этом разубоживання донного штейна практически не происходит.

Результаты лабораторных исследований по обеднению промышленн пых шлаков пиритно-угольными окатышами показали возможность глубокого обеднения промышленных шлаков вплоть до отвальных при минимальном расходе извлекающей фазы.

На основании полученных лабораторных данных по обеднению промышленных ишаков были проведены полупромышленные испытания на печи Ванюкова /ПВ/ Рязанского опытно-экспериментального металлургического завода /РОЗМЗ/ Гинцветмата при переработке медно-щшко-вого концентрата Алавердинского ГМК.

В качестве сульфидизатора использовались сульфидно-коксовые брикеты, приготовленные в отделении иихгоподготовки РОЗМЗа путем смешения в барабадном смесителе коксовой мелочи крупностью 1-8км с Лениногоским пиритным концентратом в соотношении 7:3 при добавке в качестве связующего 1% разбавленного водой лигнина.Шихта брикетировалась на валковом прессе при давлении 120 атм.

Коксопиритные брикеты загружались на поверхности расплава в восстановительной зоне печи IB, где в результате интенсивного взаимодействия с барботируемым окисленным расплавом происходили восстановлений магнетита, промывка и обеднение шлака. Расход коксо-пиритных брикетов составил 12$ /или 3,5% пиритного концентрата/

. 22

от веса полученного шлака.

Результаты полупромышленных испытаний приведены в табл. 4.

Таблица 4 Содержание меди в материалах плавки концентрата АПК

№ ! !__Содержание ^еди±_%_________

пп ! ; Наименование ¡до загрузки !в ходе загрузки ;сульфидизатора!сульфидизатора

1. Масса окислительной зоны ПВ 1,6 1,6

2. Масса восстановительной зоны ПВ 4,4 1,1

3. Шлак с перетока ПВ 0,57-0,9 0,45-0,75

4. Штейн из ПВ 63,4 52,7

5. Шпак из электроотстойника 1,3 0,44

Минералогический анализ массы восстановительной зоны до загрузки брикетов показал, что содержание магнетита в шлаке около 15$, взвешенные корольки штейна крупностью от 10 мкм до ОД мм обогащена медью до &0%. Шлаки восстановительной зоны во время загрузки брикетов сульфидизатора содержали около 7% магнетита, около 90л! корольков штейна были с содержанием меди менее 45%. При этом корольки в шлаках с перетока во время испытаний и из элек-троогстойника после обмена шлака содержали оксло 40^ меди.

ВЫВОДЫ

1. На проточной установке прямым исследованием впервые осуществлен термодинамический анализ расплавов части системы железо-никель-сера-кислород, представляющей интерес для моделирования печи ПВ по переработке уральских окисленных никелевых руд, в условиях контролируемой по 50 и 02 газовой фазы. Получено уравнение регросспт-, описывающее содержание кислорода в штейнах. Проведанное исследование и полученные результаты являются базой для широкого спектра термодинамических расчетов выходных параметров различных процессов с установлением оптимального состава продуктов правки.

?,. Впервые изучена растворимость никеля и кобальта в распла--ту. системы 1!икгльсод9р?:оший штейп-ашак при низких концентрациях

никеля в штейнах и контролируемой по PgQ атмосфере. Получено

уравнение регрессии, описывающее содержание никеля в шлаке в зависимости от парциального давления оксида серы/1У/ в газовой фазе, содержания никеля в штейне и содержания Ге/Ш/ в ишаке.

3. Произведен расчет активности серн.кислорода и магнетита,

а такжа зависимости аГа п от Р^ . Полученные данные могут лечь iö3u4 2

в основу математического моделирования процессов взаимодействия шлако-штейновых систем любых существующих и разрабатываемых процессов никелевого производства.

4. Создана оригинальная установка промывки промышленных шлаков капельным методом, позволяющая качественно оценивать скорость взаимодействия фаз.

5. Изучение возможности обеднения промышленных шлаков никелевого и медного производств . показало ¡эффективность их промывки крупными каплями извлекающей фазы различного состава. Скорость коалесценции и изменения растворимости сульфида железа в шлаке настолько велики, что если бы удалось обеспечить тесный контакт между корольками извлекающей фазы и промышленным шлаком, содержащий как механические, так и растворенные потери ценного металла, то процесс обеднения шлака протекал бы с очень большой скоростью. Необходим поиск простых в эффективных методов обеднения,обеспечивающих тесный контакт извлекающей фазы 'с объемом промышленного шлака.

6. Изучена кинетика обеднения промышленных шлаков медного и никелевого производств методом перемешивания с извлекающей фазой . различного состава, реализуемый в обеднктельной /восстановительной/ зоне печи ПВ. Полученные результаты показали высокую эффективность восстановительно-сульфидирующего обеднения шлаков при совместной подаче углеродистого восстановителя и сульфвдизатора

в виде окатышей /гранул/. На основании проведенных лабораторных исследований предложен способ обеднения промышленных шлаков.оформленный в качестве заявки на изобретение.

7. Проведены полупромышленные испытания по обеднению шлаков при плавке медно-цинкового концентрата АГМК в печи IIB Рязанского опытно-металлургического экспериментального завода. Результаты испытаний подтвердили высокую эффективность восстановительмо-сулхф]-

дирующе^о обеднения промышленных шлаков при использовании коксо-пкритных брикетов в качестве извлекающей фазы. По результатам полупромышленных испытаний подана заявка на изобретение на способ обеднения промышленных шлаков.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Исследование термодинамики и потерь металлов со шлаками никелевого производства /В.Я.Зайцев,А..Е.Сейсенбаев,А.А.Малевский и Н.М.Манцевич.//Научно-техническая конференция "Теоретические и технологические предпосылки интенсификации производства тяжелых цветных металлов и комплексного использования сырья". Тезисы докладов - Свердловск: НТО Щ, 1988 - С.88-89.

2. Исследование равновесий в системе никелевый штейн - шлак-серосодержащая Газовая фаза Д.Е.Сейсенбаев, В.А.Каплав, Н.М.Манцевич и др.//Сборник рефератов депонированных рукописей. - М.,1989 -вып.6 - Деп. в ЦНЖАтомивформ - № РЖ - 16/452.

3. Сейсенбаев А.Е..Зайцев В.Я. Обеднение промышленных шлаков с помощью капельной,промывки штейновой фазой.//Цветные металлы -1990.- й 3.- С.22-26.

4. Способ обеднения шлаков цветных металлов /В.Я.Зайцев,В.П.Еыс-тров,И.И.Кириллин,А.Е.Сейсенбаев и др.//Заявка Л 4696365/22-02

с положительным решением от 29.05.89г.

5. Способ обеднения шлаков плавки цветных металлов /В.Я.Зайцев, В.П;Енстров,И.И.Кириллин,А".Е.Сейсенбаев и др.//Заявка

№ 471.8178/22-02 с положительным решением от 29.05.89г.

Московский институт стали и сплавов Ленинский проспект, 4

Заказ__^___.Объем 1п.л.Тираж ЮОэкз

Типография ШСиС ,ул .Орджоникидзе ,8/9.