автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка научных основ и новых высокоэффективных технологий переработки медных, никелевых и медно-никелевых концентратов, промежуточных и техногенных продуктов



^.-О&Ъ&ъ 2.

- а

'еГ

На правах рукописи

т •

МИРОЕВСКИЙ Геннадий Павлович

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ И НОВЫХ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ _ ПЕРЕРАБОТКИ МЕДНЫХ, НИКЕЛЕВЫХ И МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ, ПРОМЕЖУТОЧНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ

Специальность: 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и

редких металлов

Диссертация

в виде научного доклада на соискание ученой степени

л , С С И И

осудил ученую степень ДОКТ^^

I'

|1 Начал.

Работа выполнена в ОАО "Комбинат Североникель"

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, ^ профессор 1

доктор технических наук, профессор, член-корр. РАН

^^ Панфилов С.А.

Цветков Ю.В.

доктор техни' профессор

ЙА.Г

Ведущее предприятие

Защита диссертант на заседании диссертац; , научно-исследовательед, "ГИНЦВЕТМЕТ" (1295 тел. (095) 215-39-82, фаг

с. О0 мин. арственном металлов ива, 13).

С диссертацией можко ошаю ■ Автореферат разослан "/¿С" ,

•шцзетмета.

Ученый секретарь диссертационного совета

1'30ССИ у

г<>суда;Ч:"

ВИВЛИО

т. к

3

1114*1- 3 -оЯ

Херсонская И.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Медь и никель являются металлами, имеющими большое народнохозяйственное значение. Их выпуск составляет сотни тысяч тонн в год. Технологии переработки сырья, содержащего никель и медь, являются многоступенчатыми, энергоемкими и не всегда экологически безопасными.

До недавнего времени в плавильном цехе Балхашского ГМК использовалась классическая технология переработки медных концентратов, основанная на их отражательной плавке и конвертировании штейнов. Эта технология характеризуется большим расходом топлива, трудностями в утилизации бедных по содержанию 80г газов. В последние годы в металлургической практике широкое распространение получили автогенные процессы переработки сульфидного медного сырья. Многолетняя практика показала, что для переработки медных рудных концентратов одним из наиболее эффективных автогенных процессов является плавка Ванюкова. Целесообразно дальнейшее расширение использования этого процесса, для чего необходимо продолжение исследований его различных аспектов.

На комбинате "Североникель" обнаружены большие запасы техногенного сырья - илов, содержащих цветные металлы. Показана экономическая целесообразность их переработки в рудных электропечах. Однако структура и физико-химические свойства илов не исследованы. Не отработана рациональная технология их переработки, не установлен оптимальный состав шихты. При переработке медно-никелевого сырья в качестве промпродукта получается файнштейн, который подвергается флотационному разделению с получением медного и никелевого концентратов. Богатый по содержанию меди (68-69% Си) маложелезистый (=3% Бе) медный концентрат на АО "Комбинат Североникель" частично плавится в отражательной печи, частично подвергается сушке. Высу-\ печи перера-

\ I анной техно-

)и окислении ии связаны с содержанию " завершено кого агрегата бходима раз-цей получать элностью ис-эбеслечивала реход меди в

\

КНИГА ИМЕЕТ

>< ■т # О р. И .о • >- с ■ . 3 со В перепл., един, соедин №№ вып. 1 Таблиц н-. о ■ . 1 1 Иллюстр. \ I ю а> С о) иг 'X ■.а х О О £ о| ¡^ Ч 7 и 5 % ё.

1 Л] И о

Никелевый концентрат от разделения файнштейна перерабатывается по технологии "обжиг в печах КС - восстановление огарка в трубчатых печах - плавка в электропечах на аноды". Эти переделы являются энергозатратными и характеризуются повышенными потерями ценных металлов. Необходимо Совершенствование этих переделов за счет оптимизации окислительного обжига концентратов, более глубокого восстановления огарка, плавки огарка. Необходимо сочетание разработки физико-химических основ рассматриваемых процессов и технологических исследований.

Цель работы

Разработка научных основ и новых высокоэффективных технологий переработки медных, никелевых и медно-никелевых концентратов, промежуточный и техногенных продуктов.

Научная новизна

1. С применением методов дифференциальной высокотемпературной масс-спектрометрии выполнены измерения парциальных давлений компонентов расплавов Си-№, Си-Б и Си-№-Б, по составу соответствующих белому матгу, "сырой" и черновой меди, и штейновых расплавов, образующихся при плавке илов. Установлено, что в системе Си-№ имеют место значительные положительные отклонения от закона Рауля.

Установлено, что в интервале температур 1359-1500К в паре над расплавом Си28 присутствуют только атомарная медь и двухатомные молекулы серы. Парциальные давления меди и серы при 1500К составляют 0,34+0,02 и 0,15+0,02 Па, соответственно. Установлено, что при 1500К активность серы в медном расплаве, содержащем ~2% ат. серы, составляет 0,31 и снижается до 0,05 при уменьшении содержания ее в расплаве до 0,09% ат. Получены зависимости парциальных давлений и активностей компонентов от состава для медных расплавов, содержащих менее 2% серы и около 20% серы.

Диапазон содержания компонентов штейнов составлял, % ат.: медь 0,3-15,4; железо 35,2-80,6; никель 10,4-30,7; сера 0,2-36,6. Получены зависимости парциальных давлений и активнбстей компонентов от состава.

2. Исследованы-механизм и кинетика взаимодействия дутья, содержащего пары воды, с сульфидными расплавами. Установлено, что химизм реакции десульфуризации зависит как от состава сульфидно-металлического расплава, так и от состава газовой фазы. Установлен адсорбционно-химический механизм процесса десульфуризации. При высоких концентрациях паров воды их вклад в общую скорость десульфуризации невелик, и им можно пренебречь.

3. Исследованы состав, структура и некоторые физико-химические свойства техногенного сырья - илов. Они содержат, % масс.: № - 9,26; Си - 1,11; Бе— 2,74; Б - 1,17; С - 8,63; БЮг - 5,86; ППП- 34,5. Установ-

лено, что основой пробы является стеклообразная структурная составляющая, содержащая несколько фаз, в основном - СаБОд, СаО, Са28Ю4, М§2§Ю4, гидроксиды железа, причем часть из них содержит скрытую (кристаллическую) воду. Среди этих фаз две содержат заметное количество никеля: фаза №-Са, % масс.: - 0,7; А1 - 1,9; - 1,1; Б - 1,4; Са - 11,2-4,5; Ре - 4,4-6,5; N1 - 19,6-23,3; Си - 2,2; О - -50 и Бе-№ оксидная фаза, % масс.: Б-1,9;Бе-29,1;№-6,6;Си-2,4;О—50.

4. Изучено строение раскристаллизованного штейна плавки медного концентрата в печи Ванюкова и распределение Си, Бе, Б и примесей 2п, РЬ, Ag, Аз, БЬ по фазам. Установлено, что основу штейна составляет борнитовый твердый раствор, в нем коллектируется более 70% меди и ~50% серебра, содержащихся в штейне. Остальная медь (~20%) и ~50% серебра ассоциированы в металлической меди. Цинк образует при кристаллизации самостоятельную тугоплавкую фазу - сульфид (Бе, гп)Б, аккумулирующую более 90% всего цинка расплава. Свинец коллектируется в жидкой фазе, имеющей самую низкую температуру плавления, которая кристаллизуется в форме тройной перитектики и содержит около 95% общего содержания свинца. В этой структурной составляющей коллектируется также мышьяк (~85%). Сурьма распределена между этой составляющей (~40%) и сульфидом цинка (~60%).

5. Изучено строение и распределение компонентов по фазам раскристаллизованного и закаленного шлака, полученного при плавке медного рудного концентрата в печи Ванюкова.

Установлено, что в корольках закаленного шлака концентрируется около 100% всей сурьмы, никеля и серебра, содержащихся в шлаке, и ~30% меди шлака. Растворимые потери меди составляют около 70%, в основном в форме Си28, растворенного в силикатном расплаве. Цинк, свинец и мышьяк практически полностью находятся в силикатном расплаве и при кристаллизации свинец и мышьяк коллектируются в остаточном стекле, а цинк ассоциирует с железом и распределен между силикатными и оксидными фазами.

6. Методами РЭМ и РСМА определены формы нахождения меди, никеля и кобальта в шлаках автогенной плавки медного концентрата от разделения файнштейна. Установлено, что в оксидно-силикатной форме находится 75-95% меди, 40-60% никеля, 80-95% кобальта. В тугоплавких шпинелях находится 0,5-1,0% меди, 30-50% никеля, 5-20% кобальта. В металлических корольках находится 5-20% меди, 1-10% никеля и 0,1-1% кобальта. Показано, что формы нахождения цветных металлов оказывают определяющее влияние на их поведение в процессе обеднения шлаков сульфидным концентратом.

7. Исследована структура продуктов и механизм восстановления промышленной закиси никеля. Установлены отличия механизма восстановления, определяющие степень восстановления и активность про-

дукта. Пробы активного никелевого порошка, получаемого в кипящем слое при восстановлении продуктами неполного сжигания дизельного топлива, имеют развитую поверхность и относительно высокое значение цементационной активности. Частицы проб восстановленной закиси никеля, получаемой при восстановлении коксовой мелочью, имеют сплошную оплавленную поверхность, значительно различаются по размерам й степени восстановления каждой из них. Различие строения и свойств продуктов восстановления определяется как природой восстановителя (газовый восстановитель; твердый восстановитель), так и температурой процессов (800-850°С и 1000-1150°С соответственно).

8. Разработан и экспериментально проверен метод расчета электропроводности электролитов рафинирования меди в широком интервале температур и концентраций основных компонентов для последующего определения напряжения электролиза. Определены величины катодных плотностей тока, обеспечивающих получение компактных осадков высококачественной меди.

Практическая значимость

1. Усовершенствована технология плавки медных концентратов в печи Ванюкова за счет использования продукта вельцевания цинковых кеков - клинкера - и сокращения шихтоуноса. Технология освоена на Балхашском ГМК. Получены следующие показатели работы: извлечение меди в штейн (без учета пыли) - около 97%; нылевынос - около 1%; потери: свинца со шлаками - 25%, цинка - 60-70%. Возврат пыли в печь позволил повысить извлечение меди в штейн до 98%. Извлечение рения в газовую фазу достигает 60-70%. В штейн переходит до 40% мышьяка и до 60% селена. До 10% фтора переходит в шлак, остальной поступает в газовую фазу.

2. Разработана и освоена технология переработки техногенного сырья, содержащего никель, медь и кобальт.

3. Разработана усовершенствованная технология флотационного разделения медно-никелевого файнштейна путем изменения режима его измельчения и вывода магнитной фракций, что позволяет иовысить извлечение благородных металлов на 1% абс.

4. Усовершенствована технология обжига никелевогоконценграта от разделения файнштейна в печах КС за счет более рациональной переработки пылей и изменения конструкции агрегата. ■ ■;

5. Усовершенствована технология восстановления промышленного огарка в трубчатой печи с применением в качестве дополнительного восстановителя жидкого мазута, подаваемого в агрегат. За счет этого повышена степень восстановления огарка до 84-86% и достигнута экономия электроэнергии при последующей плавке огарка на 15-25%.

6. Разработана экологически безопасная автогенная технология переработки медного концентрата от разделения файнштейна с получени-

ем меди заданного состава: "сырой" меди с содержанием в ~1-2%; черновой - менее 0,05%. Технология находится в стадии внесения.

7. Разработан и экспериментально проверен метод расчета электропроводности электролитов рафинирования люди в широком интервале температур и концентраций основных компонентов для последующего определения напряжения электролиза. Определены величины катодных плотностей тока, обеспечивающих получение компактных осадков высококачественной меди.

8. Разработана экстракционная технология очистки медных электролитов от мышьяка с использованием экстрагента Д2ЭГМФ. Рекомендованы параметры процесса: продолжительность контакта фаз - 5-60 с, температура экстракции - не выше 40°С. При реэкстракции мышьяка из органической фазы продолжительность контакта фаз та же.

При кислотности исходного раствора 1,5 моль/л НгБОд и соотношении фаз 0:В=1 экстракцию можно осуществить на 80-85%. Разработана экстракционная технология очистки медного электролита от сурьмы (+3). При проведении процесса в замкнутом цикле при использовании Д2ЭГФК возможно снижение содержания этой примеси в электролите почти в 200 раз.

9. Испытана технология электрохимической очистки промывной серной кислоты и отработанного медного электролита от мышьяка с применением медного скрапа, магнетита или других железосодержащих отходов, которая позволяет снизить количество меди и увеличить количество мышьяка в мышьяковистых кеках, повысить сортность купоро-сов, практически исключить сернокислые стоки.

10. Предложен и реализован комплекс разработок, который позволил снизить потери серебра с катодной медью на 30%.

11. Общий экономический эффект от внедрения результатов работы по соверщенстэованшо технологии переработки медных рудных концентратов составил на Балхашском ГМК 1,5 млн. долларов и полупродуктов и техногенного сырья на комбинате "Североникель" -3,8 млн. долларов США.

Ожидаемое увеличение прибыли от внедрения разработанных технологий на комбинате "Североникель1' составит 9,3 млн. долларов США. . . ^ ."'

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований физико-химических закономерностей металлургических процессов (термодинамические свойства системы Си-М-Б и богатых медао-никелевых штейнов, кинетика взаимодействия расплавов РеБ-СигЗ с парами воды, структура штейнов и шлаков автогенной плавки медных рудных концентратов, структура шлаков автогенной плавки медного концентрата разделения файнштейна, структура и физико-химические свойства техногенного сырья и продуктов его переработки, особенности вещественного состава медно-никелевых

файнштейнов, механизм и особенности восстановления промышленной закиси никеля).

2. Результаты исследований и освоения технологии плавки медных рудных концентратов в печи Ванюкова.

3. Результаты исследований и освоения технологии плавки техногенного сырья в электротермической печи.

4. Результаты совершенствования технологии разделения файн-штейна и продуктов его переработки.

5. Результаты исследований технологии автогенной плавки медного концентрата от разделения файнштейна.

Апробация работы

Основные результаты доложены и обсуждены на:

совещании "Состояние и перспективы внедрения автогенных процессов в отрасли", Балхаш, 1987; Всесоюзной научно-технической конференции "Теоретические и технологические предпосылки интенсификации производства тяжелых цветных металлов и комплексного использования сырья", Москва, 1988; I Всесоюзной научно-технической конференции, "Эффективность внедрения автогенных процессов в производстве тяжелых цветных металлов", Москва, 1988; Всесоюзном научно-техническом совещании "Разработка и внедрение эффективных способов вывода и обезвреживания мышьяка на предприятиях цветной металлургии и использование его в народном хозяйстве", Москва, 1988; V Всесоюзном научно-техническом совещании "Химия, технология и аналитический контроль рения", Москва, 1990; конференции "Металлургические технологии и экология" РЭСТЕК "Металлургия-2000", С.-Пб, 1316 июня 2000; научно-техническом совещании "Электротермия-2000", СтПб., 2000; на X Российской конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов", Екатеринбург-Челябинск, 2001; на заседании НТС Балхашского ГМК; на заседании НТС АО "Институт Гипроникель"; на заседании HCT АО "Комбинат Североникель"; на заседании НТС РАО "Норильский никель"; на заседании НТС КОЛЬСКОЙ Горно-металлургической компании.

Публикации. По материалам диссертации опубликована 101 научная работа, в том числе 19 авторских свидетельств и 10 патентов.

Структура и объем работы

Работа состоит из трех глав, общих выводов; содержит 1Э8 страницу текста, в том числе 37 рисунков, 35 таблиц, список литературы из 101 наименования.

Автор выражает сердечную благодарность д.т.н., проф. Л.Ш. Цемехману и д.т.н., проф. A.B. Тарасову за творческую помощь при планировании, организации работы и обсуждении полученных результатов.

9 РОССИЙСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕН:-! А Я ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ БИБЛИОТЕКА

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ МЕДНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ РАЗЛИЧНОГО СОСТАВА, ТЕХНОГЕННОГО

НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ И ПОЛУПРОДУКТОВ МЕДНО-НИКЕЛЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА

В технологической части настоящей работы рассматриваются вопросы разработки технологии автогенной плавки медного рудного концентрата и концентрата от разделения медно-никелевого файнштейна, электроплавки техногенного сырья, совершенствования технологии переработки медно-никелевого файнштейна (флотационное разделение, окислительный обжиг никелевого концентрата и восстановительный обжиг огарка, восстановительная анодная плавка). Разработка новых и совершенствование существующих пирометаллургических процессов возможны лишь на базе современных физико-химических исследований, включающих изучение термодин�