автореферат диссертации по металлургии, 05.16.03, диссертация на тему:Разработка новой технологии конвертирования богатых никельсодержащих медных штейнов и концентратов в двухзонной печи Ванюкова

На правах рукописи

ДЕРЕВЦОВ Иван Валерьевич

РАЗРАБОТКА НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ НЕПРЕРЫВНОГО КОНВЕРТИРОВАНИЯ

БОГАТЫХ НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩИХ МЕДНЫХ ШТЕЙНОВ И КОНЦЕНТРАТОВ В ДВУХЗОННОЙ ПЕЧИ ВАНЮКОВА

Специальность 05.16.03 Металлургия цветных а редких металлов

Автореферат -----

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997

РГ6 од

Работа выполнена в ОАО "Институт Гипроникель Российского АО "Норильский Никель".

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, чл.-корр. АЕН РФ, доктор технических наук, профессор Л.Ш. Цемехман

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Л.М, Шалыгин

кандидат технических наук,

ведущий научный сотрудник А.Ю. Баймаков

Ведущая организация: АО "Комбинат Печенганикель".

Защита диссертации состоится У^г _(дд7 г>

в ч. -Зс> мин- на заседании диссертационного Совета

Д.063.15.09. в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова по адресу: 199026 Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, дом 2, ауд. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского горного института.

Автореферат разослан О^ПШ^Ь-Я- 1997 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

А. К. Орлов

С-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В состав Норильского ГМК входит Медный завод, где перерабатываются медные концентраты и богатая руда. Плавка ведется печах Ванюкова н отражательной печи. Получающиеся штейны содержат 30-55% суммы меди и никеля. В настоящее время медный концентрат от разделения медно-никелевого файнштейна на НГМК подвергается плавке в печи Ванюкова (на Надеждинском металлургическом заводе) с получением белого матта. Все штейны перерабатываются в горизонтальных конвертерах.

Если газы печей Ванюкова принципиально могут быть утилизированы с получением элементарной серы, то конвертерные газы в условиях Норильского ГМК не подлежат утилизации из-за низкого содержания в них диоксида серы.

В 1995 году институтом Гипроникель совместно с НГМК был выполнен ТЭР развития рафинировочных мощностей Медного завода, направленный, в основном, на решение экологических проблем. Было установлено, что без утилизации практически всех конвертерных газов невозможно выполнить экологические требования, стоящие перед предприятием. Выброс больших количеств вредных газов приводит помимо экологического ущерба к необходимости ежегодных выплат штрафов, измеряемых сотнями миллиардов рублей. Показано, что требования по коренному оздоровлению воздушного бассейна в районе Норильского ГМК могут быть выполнены только путем перехода в плавильном цехе Медного завода на непрерывное конвертирование. В ТЭО предпочтение было отдано непрерывному конвертированию твердых штейнов в печи Ванюкова, так как подобные агрегаты уже находятся в эксплуатации в цехе. При конвертировании твердого штейна принципиальных проблем не имеется, однако требуется изучение многих технологических н физико-химических проблем.

Автор выражает глубокую благодарность к.т.н. Н.П.Абрамову за научное соруководство, кт.н. О.А.Рыжову, к.т.н. О.И.Желдыбину, кх.н. Л.А.Павлиновой и Н.Л.Войханской за помощь в выполнении работы.

Задачи исследования. Разработать технологию непрерывного конвертирования богатых твердых никельсодержащих медных штейнов и концентратов на "сырую" черновую медь с одновременным глубоким обеднением шлаков в печи Ванюкова.

Методика исследования. Лабораторные исследования проводились на установке, включающей высокотемпературную печь Там-мана. Укрупненные испытания проводились на опытном двухзон-ном агрегате. Для исследований использовались: рентгеноспект-ральный микроанализ, атомно-эмиссионная спектрометрия, масс-спектрометрия, математические методы обработхи результатов экспериментов, электронно-вычислительная техника.

Научная новизна работы.

1. Установлено, что основные параметры окисления твердого никельсодержащего медного штейна шлаковым расплавом не зависят от крупности штейна при размерах частиц менее 3 мм.

2. Выявлены закономерности поведения никеля при окислении сернистой меди в зависимости от его исходного содержания и содержания серы в расплаве для различных температур.

3. Определены коэффициенты распределения металлов между фазами расплава при непрерывном конвертировании в двух- и трехслойном режимах, установлена их зависимость от содержания в шлаке кремнезема и окислительного потенциала системы.

Практическая значимость работы.

Разработана научно обоснованная технология непрерывного конвертирования твердых никельсодержащих медных штейнов и медного концентрата от разделения файнштейна в модернизированной двухзонной печи Ванюкова с получением "сырой" черновой меди. Разработана математическая модель данного процесса. На основе полученных данных разработан технологический регламент на проектирование. Ожидаемый экономический эффект от внедрения технология непрерывного конвертирования на Медном заводе НГМК составит 40 млн. $ в год, а срок окупаемости капитальных вложений с учетом получения дополнительной товарной продукции - около 2 лет.

Положения, выносимые на защиту.

1. Влияние крупности частиц медного никельсодержащего штейна на скорость окисления его шлаковым расплавом примени-

тельно к условиям непрерывного конвертирования твердого штейна в печи Ванюкова.

2. Поведение серы, никеля и меди в процессе непрерывного конвертирования штейнов с получением "сырой" черновой меди различного состава, в двух- и трехслойном режимах и их распределение между жцдкими фазами.

3. Оптимальные режимы процессов непрерывного конвертирования богатых никельсодержащих медных штейнов и медного концентрата от разделения файнштейна (МКРФ) и обеднения шлаков в двухзонной печи Ванюкова (ПВ).

Апробация и публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. Материалы доложены на 3-х конференциях и симпозиумах.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключительных выводов, списка литературы из 114 наименований, четырех приложений, содержит 45 таблиц, 58 рисунков и изложена на 147 страницах машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Влияние крупности частиц медного никельсодержащего штейна на скорость окисления его шлаковым расплавом применительно к условиям непрерывного конвертирования твердого штейна в лечи Ванюкова.

В первой серии опытов изучено окисление частиц штейна различной крупности шлаковым расплавом при постоянном соотношении количеств штейн: шлак, равном 1:8.

На рисунке 1 представлена наиболее характерная зависимость изменения содержания диоксида серы в отходящих газах от времени прохождения реакции взаимодействия частиц штейна крупности 2-3 мм. Характер кривых для других классов крупности сходен с этим.

Во всех случаях концентрация 502 по ходу реакции быстро (за 1-5 мин) возрастает до максимального значения, а затем плавно снижается в течение »20 мин.

Время задержки реакции возрастает от »20 с (для частиц менее 0,5 мм) до 30-35 с (для частиц размером 1-2 и 2-3 мм).

Максимальная скорость удаления серы в газовую фазу составляет «0,14 г/ мин и практически не зависит от крупности частиц штейна в изучаемом диапазоне.

Изучение влияния окислительной способности шлака, т.е. относительного содержания РегОз, на скорость и глубину протекания реакции окисления штейна проводилось со штейном крупности менее 0,5 мм и с соотношением штейн-шлак - 1:12 и 1:14.

Время задержки начала реакции при всех соотношениях штейн-шлак (1:8, 1:12 и 1:14) практически одинаково и колеблется в пределах 18-21 сек. Продолжительность реахции близка при соотношениях 1:8 и 1:12, составляя 23 и 24 мин, несколько уменьшается при соотношении 1:14 - до 18 мин. Максимальная скорость удаления серы, рассчитанная из данных по содержанию БОг в газовой фазе, составляет, соответственно, 0,15; 0,22 и 0,49 г/мин.

Удаление серы из штейна, рассчитанное по результатам химического анализа, составляет: 40,5; 62,8 и 68,8% при соотношении штейн-шлак 1:8; 1:12 и 1:14, соответственно.

Таким образом, результаты лабораторных исследований по окислению твердого медного никельсодержащего штейна шлаковым расплавом показали, что в данном процессе может использоваться штейн с крупностью частиц до 3 мм. Возможность использования штейна болъшеи крупности требует проверки в укрупненном масштабе.

во* %

X, мин

Рис 1. Зависимость содержания диоксида серы в отходящих газах от времени окисления штейна с крупно-стю частиц 2-3 мм шлаком

Поведение серы, никеля и меди в процессе непрерывного конвертирования штейнов с получением "сырой" черновой меди различного состава, в двух- и трехслойном режимах и их распределение между жидкими фазами.

Были проведены три серии лабораторных опытов по установлению продолжительности продувки медного никельсодержащего белого матта, поведения никеля н серы в процессе продувки расплава белого матта и шлака, поведения никеля и серы при продувке расплава белого матта.

На рисунке 2 представлена зависимость содержания диоксида серы в отходящих газах от времени продувки штейна, содержащего 3% № при 1250 и 1350°С, соответственно.

Аналогично выглядят зависимости, полученные при окислении штейнов с содержанием никеля 5 и 7% при всех рабочих температурах: в течение 8-10 минут происходит увеличение содержания диоксида серы до 1012%, затем, приблизительно в течение такого же времени - снижение содержания БОг до <0,5%.

Поведение никеля и серы в ходе продувки медного никель-содержащего штейна в присутствии шлака было исследовано во второй серии лабораторных опытов по содержанию никеля и серы в пробах, отобранных по ходу продувки. Из полу-ченых данных следует, что при одних и тех же исходном содержании никеля в штейне и содержании серы в расплаве концентрация никеля в нем более высокая при более высохой температуре. Например, при []М1]ИСХ=5% и [Э)расГ1П:= 0,5%, содержание N1 в распла-

ва, ,%

X. мин

Рис. 2. Зависимость содержания БОг в отходящих газах от времени продувки штейна при различных температурах

ве составляет »2,26; 2,5 и 3% при 1250, 1300 и 1350°С, соответственно. Темпы удаления никеля из расплава, естественно, более высокие при более высоком исходном содержании его в штейне. Конечные содержания никеля в расплаве составляют 0,21-0,69%, серы - 0,0001-0,0150%.

Общее уравнение, описывающее поведение никеля, имеет вид: [Ni] = (Ni]HCX • {-2 + 0.00166Т + 0,52[S]°'4e}, r=0,98 (1) По данным химического анализа о содержании серы и никеля в ходе продувки и с учетом веса отобранных проб рассчитаны степени удаления серы и никеля из расплава. Зависимости степени удаления никеля (Dn;) от степени удаления серы (Ds) из расплава выражаются следующими уравнениями:

1250'С: Dm =13,29+l,476-Ds-0,0225.Ds2+0,000156-Ds3, r=0,99 (2) 1300'С: Dm =4,626+1,811 -Ds -0,0347-DS2+0,000245-DS3, r=0,98 (3) 135Q*C: Djgj = 6,50+1,363-Ds -0,032-Ds2 +0,000257-Ds3 , r=0,97 (4) Из анализа полученных данных можно сделать вывод, что при одном и том же содержании серы в расплаве, например равном 1%, степень удаления никеля из расплава в шлак превышает 50% при 1250*С и приблизительно равна 30% при 1350*С.

В третьей серии опытов исследовали поведение никеля и серы при продувке штейна, содержащего 5% Ni, в отсутствии шлака.

Продолжительность продувки штейнового расплава в этом варианте не превышает 10 минут. В течение 3-5 минут содержание диоксида серы достигает максимального значения, а затем за 5-6 минут происходит его снижение до <0,5%.

При продувке штейна в отсутствие шлака происходит достаточно быстрое удаление серы из расплава при практически постоянном содержании никеля. Резкое снижение последнего происходит при содержании серы менее 0,1%.

Таким образом, анализ полученных данных свидетельствует о том, что процесс непрерывного конвертирования медных штейнов в двухслойном режиме можно вести в двух вариантах:

1. С максимальным сохранением никеля в "сырой" черновой меди. Это может быть достигнуто при ведении процесса при температурах выше 1350"С и содержании серы в металлическом расплаве не ниже 1%. В этом случае переход никеля в шлаки не пре-

высит 25-30 %.

2. С максимальным выводом никеля в шлак (более 80%). Процесс должен вестись при температурах 1220-1270°С и содержанием серы в "сырой" черновой меди на уровне 0,5%.

Изучение поведения никеля и меди при непрерывном конвертировании медных никельсодержащих штейнов при ведении процесса в трехслойном режиме проводилось путем равновесных плавок шихты, состоящей из "сырой" черновой меди, белого матта и шлака в атмосфере, содержащей «20% 502 при температуре 1300"С.

Была проведена серия плавок, шихта которых составлялась из расчета на исходный штейн, содержащий 50% цветных металлов. Переменным параметром был состав исходного шлака: содержание кремнозема в нем изменялось от 13 до 29%.

Результаты расчетов коэффициентов распределения железа, никеля и меди между тремя жидкими фазами показывают, что существует некоторая тенденция к снижению коэффициентов распределения никеля между медью и белым маттом н медью и шлаком по мере увеличения содержания БЮг в шлаках; среднее значение близко к 3. Что касается коэффициента (ШщяЛЫПбм, то здесь отсутствует зависимость от состава шлака, величина его близка к 1.

Коэффициенты распределения меди между шлаком и белым маттом имеют значения в интервале от 0,06 до 0,11.

Значения коэффициентов распределения железа между медью и белым маттом колеблются в пределах от 0,005 до 0,012.

На следующем этапе работы экспериментально исследовалось распределение перечисленных выше металлов между черновой медью, белым маттом и шлаком применительно к условиям автогенной плавки медного концентрата в двухслойном и трехслойном режимах.

Во всех экспериментах, как с высоким парциальным давлением 502, так и в атмосфере аргона, коэффициенты распределения кобальта между медью и белым маттом, медью и шлаком оставались постоянными в пределах разброса статистических данных при средних значениях 0,91 и 0,025 соответственно.

С увеличением содержания БЮа концентрации примесей в

меди уменьшаются. Это связано с тем, что в соответствии с экспериментом в замкнутой ампуле устанавливающееся парциальное давление сернистого газа однозначно определяет равновесное давление кислорода, так как равновесное давление серы практически постоянно и определяется равновесием между медной и сульфидной фазами. В свою очередь, р^ определяется отношением активностей магнетита и вюстита в шлаке

к» ' PS02 к2 * а2Ре304

Р«———-, (5)

Р S2 абРЮ

где значения констант ki и кг , а также р3ог зависят только от температуры. При наличии в расплавленном шлаке диспергированного магнетита равновесное давление р^ог в изотермических условиях определяется только активностью FeO, т.е.

1

PS02 - const--. (6)

a6FeO

Для шлаков с меньшим содержанием кремнезема активность FeO выше и, следовательно, равновесное давление сернистого газа и кислорода устанавливается меньше, что и обусловливает более высокое содержание примеси в меди и белом матте. Максимальное значение равновесного давления SO2 и, соответственно, окислительного потенциала в системе достигается при минимальной активности FeO, что соответствует насыщению шлака кремнеземом и магнетитом.

Анализ полученных результатов свидетельствует, что несмотря на разные установившиеся давления сернистого газа, значения коэффициентов распределения никеля, кобальта н железа между медью и белым маттом практически не меняются и не зависят от исходного содержания кремнезема в шлаке. Полученные средние значения (kN| - 2,83, ко, - 0.91, кРе - 0,21) достаточно хорошо согласуются с литературными данными.

Исследование распределения никеля, кобальта и железа между медью, белым маттом и шлаком, отвечающим по составу фаялиту, в атмосфере аргона при температурах 1300-1400°С дали похожие результаты. Средние значения коэффициентов распределения

между медью и белым маттом составили: к№-2,89, ксо-1,44, кре-0,2.

Несмотря на различные исходные составы шлаков влияние содержания 5Ю2 на коэффициент распределения между шлаком и металлической медью в экспериментах с контролируемым давлением сернистого газа в пределах 0,27-0,92 атм не обнаружено, что связано с получением шлаков, насыщенных магнетитом.

Средние значения коэффициентов распределения никеля и кобальта между медной фазой и шлаком составляют 1,07 и 0,032 соответственно. В то же время при равновесной плавке в атмосфере аргона со шлаком, содержащим 3% железа металлического, эти коэффициенты распределения составили 20,6 и 0,93, что подтверждает, что основным фактором, влияющим на переход никеля и кобальта в шлак, является степень окисления последнего.

Таким образом, коэффициенты распределения никеля, кобальта и железа между белым маттом и медью в диапазоне исследуемых концентраций не зависят от исходных составов белого матта, шлака н парциального давления сернистого газа, но в то же время конечное содержание этих металлов в металлической меди и шлаке и, соответственно, коэффициенты распределения их между медью и шлаком зависят как от содержания в шлаке кремнезема, так и от окислительного потенциала системы, определяемого давлением сернистого ангидрида.

Коэффициенты распределения никеля и кобальта между медью и шлаком (при двухслойном равновесии) в исследуемом интервале парциальных давлений ЭОг существенно зависят от давлений сернистого ангидрида и содержания БЮ^ в шлаке и изменяются для никеля от 24 до 6,5, а для кобальта от 0,4 до 0,01 по мере повышения давления и увеличения содержания кремнезема в шлаке.

Оптимальные редины процессов непрерывного конвертирования богатых ннхельсодергсшцих медных штейнов и медного концентрата от разделения файнштейна н обеднения шлаков в двухзониоА печи Ванюкова

Опытная укрупненно-лабораторная печь для проведения испытаний по непрерывному конвертированию представляет собой стационарный двухзонный агрегат прямоугольного сечения, включающий зоны конвертирования и обеднения (рис. 3).

Рис. 3. Опытный двухзонный агрегат

1 - перегородка между плавильной зоной и восстановительной; 2 -фурмы; 3 • шпур; 4 - желоб; 5 - закладной водоохлаждаемый элемент; 6 • конусный кессон шахты; 7 - цилиндрический кессон шахты; 8 - загрузочные устройства; 9 - газоход; 10 - окно-люк; И -электрод 12 - элехтрододержатель; 13 - шпур шлаковый; 14 - желоб; 15- шпур аварийны»; 16 - ванна расплава; 17 - электрод-фурма

На опытном агрегате проводились эксперименты по плавке МКРФ, конвертированию МКРФ и твердых богатых штейнов.

Состав белого матта, полученного за период испытаний по плавке МКРФ, колебался, %: медь - 68,80-71,40, никель - 3,765,21, железо - 1,60-3,55, сера - 18,40-20,5. Состав шлака (без обеднения), % : медь - 1,72-3,21, никель - 0,57-0,75, кобальт - 0,160,20, железо общее - 21,0-24,0, диоксид кремния - 30,2-32,7. Выход шлака 13-15%. Пылевьтос - около 1%.

В зависимости от дутьевого режима конвертирование МКРФ может вестись в двух- или трехслойных системах. При более

окислительном режиме дутья (а£1,5-1,0) з нлвякдько-окислительной зоне одновременно находятся шяак I? "сырая" черновая медь, при ое1,35-1,4 в плавильно-окпслительной зоне - трехслойная система, включающая дополнительно промежуточный слой богатого штейна (белого маттз).

Сопоставление составов продуктов в той и другой серии показывает, что ирн переходе на более окнслителнннй режи« пу-^ьр начинается резкий переход в шлак цветных металлов. Содержание меди в шлаке достигает 20-28%. В этом режиме может начаться окисление никеля с образованием №0, включая частичное ошда-кование N¡0 с образованием феррита (№0-Ре203). Шлак может стать более тугоплавким, плохо отделяемым от черновой меди.

В значительно меньшей степени эти процессы развиты при работе на трехслойной системе. Полученные в трехслойном режиме шлаки более жидкотекучи, содержат до 5-6% меди и не создают проблем при обеднении.

В опытных плавках на укрупненной установке конвертирование велось на двух материалах различной крутости: МКРФ крупность -200 меш и искусствэнно полученный штейн, лро&леп ный до крупности -5 мм.

Сравнение результатов конвертирования в обеих сериях плавок свидетельствует, что технологические показатели не завис$?~ от крупности дробления до -5 мм.

При испытаниях процесса конвертирования в дт»ух- и трехслойном режимах производился отбор проб расплава и металла с различных уровней плавильно-охнелительной зоны. Установлено, что при двухслойной системе отчетливо выделяются 2 слоя: нижний - близкий по составу "сырой" черновой меди и верхний слой -очень богатый по меди шлак. Имеется еще один слой, содержащий до 40% Си, который, очевидно, представляет собой механическую смесь шлака и металла, размещающийся по высоте зоны в районе фурм. Об этом свидетельствует наличие около 15% БЮ2 в пробе (РСМА показывает наличие в пробе 42,8% шлаковой фазы).

В пробах, отобранных в трехслойной системе, отмечено 4 различных слоя. Верхний и нижний слои - это, соответственно, довольно характерные по составу слой шлака и слой " сырой" черновой меди. Два промежуточных слоя в области фурм, очевидно, являются на уровне 285 мм смесью штейна со шлаком (33,45% Си н 21,18% БЮг), а на уровне 190 мм - штейна с "сырой" медью.

Основные технологические параметры плавки и конвертирования твердых штейнов и МКРФ в опытном агрегате приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные технологические параметры плавки и конвертирования

твердых ште] шов и МК Эф

Параметры Размерность Плавка МКРФ Конвертирование МКРФ Конвертирование штейна

Расход: кислорода воздуха природного газа нм3/час 60-80 200-250 40-60 63-72 185-220 31-39 68-96 192-220 33-37

Обогащение дутья кислородом % 35-40 39-46 40-51

Температура дутья 'С 490-510 495-510 480-510

Интенсивность дутья нм3/мин 12-15 10,6-12,3 11-12

Коэффициент расхода кислорода ед. 0,9-1,05 1,35-1,60 1,55-1,80

Производительность агрегата, макс. т/м2-сут 17,5 16,0 16,0

При всех опытных плавхах определялось фактическое содержание компонентов в отходящих газах плавильно-окислительной зоны на выходе из расплава. Отходящий газ при плавке МКРФ содержал минимальные количества S02, а при конвертировании МКРФ и твердого штейна состав газа колебался в пределах, %: S02 - 1,21-3,58; 02 - 10,44-12,33; С02 - 11,06-12,70; СО - 1,45-3,58. При исключении подсосов расчетное содержание S02 в газах при обогащении дутья кислородом 40% составляет 70%. При реализации процесса в промышленном масштабе с более благоприятным тепловым балансом и, соответственно, существенно более низким расходом природного газа, а также при работе с обогащением дутья кислородом до 65-70%, можно ожидать в отходящих газах непрерывного конвертирования содержание S02 на уровне 30-40%.

Из полученных при испытаниях данных следует, что процесс непрерывного конвертирования твердых медных никельсодержа-щих штейнов, близких по составу штейнам ПВ МЗ НГМК (Cus

50%), может вестись при следующих параметрах (без обеднения):

- содержание кислорода в дутье, % - 70;

- выход "сырой" черновой меди от штейна, % - 57,0;

- выход оборотного шлака (в плавильной зоке),% - 57,0;

- выход сухих газов, нм3/т штейна - 280;

- состав "сырой" черновой меди, %: Си - 90,65, № - 0,05, 5 1,50;

- состав шлака плавильной зоны, %:Си - 4,31, N1 - 0,82, Со - 0,16,

Ре - 38,84, Б - 0,54, 5Ю3 - 32,00;

- извлечение в "сырую" медь, %: Си - 95,43, N'1 - 87,99, Э - 3,72;

- извлечение в газы серы, % - 94,7;

- удельные расходы на 1 т штейна: О? - 255 м3, флюс, - 0,233 т

- пылевынос, % - 1,0

Процесс конвертирования ведется практически автогенно, для переработки оборотов на уровне 5% расход природного газа составляет 2,5 нм3 на 1 кг штейна.

На базе экспериментальных данных, полученных ь лабораторных опытах и на опытной установке, л с учетом опыта работы печен ПВ и конвертеров разработана математическая модель процесса и программа расчета основных технологических параметров процесса непрерывного конвертирования твердых яихельсодержа-ших медных штейнов различного состава с получением "сырой" черновой меди в агрегате типа печи Ванюкова в трехслойном режиме ("сырая" медь — белый матт — шлак). Модель позволяет определять: количество и состав продуктов процесса, расход флюса для получения шлака с заданным содержанием БЮ^, расход дутья, количество холодных металлсодержащих материалов для погашения избытка тепла процесса (количество природного газа для восполнения дефицита тепла процесса), удельные показатели процесса, извлечения цветных металлов в "сырую" черновую медь.

Для определения оптимальных режимов обеднения шлаков иерерывного конвертирования было проведено две серии лабораторных опытов. В первой серии обеднение шлаков проводилось только продувкой расплава газообразным восстановителем - метаном в смеси с. воздухом при а= 0,6; 0,7; 0,8; а во второй серии кроме продувки расплава в шихту добавлялся твердый восстановитель - коксик, количество которого варьировалось от 4 до 10% (от массы загружаемого шлака), при а= 0,7; 0,8; 0,9 и 1,0.

Снижение содержания меди, никеля и кобальта в шлаке в процессе обеднения (по ходу продувки) наиболее интенсивно протекает в первые 5 минут. За это время содержание меди в шлаке снижается с 3,5 до 0,2-0,5% ; никеля - с 0,7 до 0,02-0,05% ; кобальта - с 0,13 до 0,015-0,04% . Извлечение в металлическую фазу при этом составляет, %: меди - от 85,8 до 94,6; никеля - от 85,8 до 97,9; кобальта - от 75,6 до 93,2.

Исследования процесса обеднения шлаков непрерывного конвертирования проводились при различных значениях коэффициента расхода кислорода - от 0,6 до 1,0 и расхода твердого восстановителя - от 0 до 10%. В изученном диапазоне изменения а добавка твердого восстановителя является необходимым условием для достижения оптимальных показателей.

Зависимости извлечения меди, никеля и кобальта в металли-чекую фазу от извлечения железа описываются следующими уравнениями:

-для меди: у = 12,38 1пх + 49,78, сг=1,22; (7)

- для никеля: у = 17.37 1пх + 36,19, ст=1,61; (8)

- для кобальта; у = 22,01 1пх + 12,01, ст=2,34, (9)

где: у - извлечение меди; никеля и кобальта, соответственно;

х - извлечение железа; а - среднеквадратичное отклонение.

Таким образом, в результате проведенных экспериментов установлено, что наиболее оптимальным является следующий режим обеднения шлаков: а = 0,8, расход твердого восстановителя - 8% (от веса шихты); продолжительность продувки - 20 минут. Остаточное содержание цветных металлов в шлаке составляет, %: меди - 0,31; никеля - 0,018; кобальта - 0,017 и железа - 24,15. Полученная металлическая фаза содержит, %: меди - 46,1; никеля -10,7; кобальта - 1,20; железа - 42,0; серы - 0,48; углерода - 0,016.

Испытания процесса обеднения шлаков проводились на двух-зонном агрегате (рис.3) в двух вариантах: с подачей газа в при-электродную зону электропечи и с продувкой шлака газокислородно смесью с а<1 в присутстии твердого восстановителя. В первом варианте получены высокие показатели по обеднению, но, по причине отсутствия на Медном засводе НГМК свободных электрических мощностей, для промышленного внедрения рекомендован углетермический способ обеднения. При промышленной реализации процесса непрерывного конвертирования сплав, полученный в зоне обеднения, должен перерабатываться непосредственно в этом агрегате, т.е. железо должно окисляться в его плавильной зоне, а

цветные металлы - сосредотачиваться в "сырой" черновой меди.

По методу углетермнчеешго обеднения две плавки 3,4}

проведены при оптимальных условиях, определетших е результате лабораторных исследований, т.е. при а ~ 0,8 и расходе кохснка 8%. В плавке №1, по сравнению с оптимальными условиями, был меньше расход коксиха, а в плавке №2 - выше коэффициент: расхода кислорода в дутье (0,9). По результатам плавок построены зависимости содержания цветных металлов в шлаке от времени обеднения. Такая зависимость для никеля приведена на рис. 4.

Результаты укрупненных испытаний подтвердили выводы лабораторных исследований. Оптимальными услоттямн обеднения язляются: а=0.3; расход кохснка ■ 8% от массы обедняемого шлака. При а=0;9 (влакка №2) извлечение цветных металлов заметно ниже, особенно по кобальту. Это свидетельствует об определяющем влиянии коэффициента расхода кислорода в дутье на глубину обеднения шлака, что подтверждает результаты лабораторных исследований. Как следует из полученных данных, высокое извлечение цветных металлов в металлизированную фазу достигается при извлечении железа не менее 20%.

ВЫВОДЫ

1. Разработана новая технология непрерывного конвертирования твердых богатых медных никелсодержащих штейнов и медного концентрата от разделения файнштейна на основе агрегата типа модернизированной двухзонной печи Ванюкова применительно к производственным условиям Медного завода НГМК. Технология включает плавку и конвертирование исходного твердого материала в плавильной зоне печи с получением "сырой" черновой меди, бо-

Рис. 4. Зависимость содержания никеля в шлаке от времени его обеднения. Цифры на грфике соответ-

ствуют номерам плавок

гатых по цветным металлам шлаков и потока газов с высоким содержанием диоксида серы. Обеднение шлакового расплава производится во второй зоне агрегата.

2. Изучено влияние крупности твердого медного ннкельсодер-жащего штейна (в диапазоне 0,5-3 мм) на скорость его окисления шлаковым расплавом. Установлено, что максимальная скорость удаления серы в газовую фазу практически не зависит от крупности частиц штейна.

3. Исследованы зависимости между содержанием серы и никеля в черновой меди при ведении конвертирования в двухслойном режиме. Установлено, что при одном и том же исходном содержании никеля в штейне и при одном и том же содержании серы в расплаве концентрация никеля в нем более высокая при более высокой температуре (например, при [№]исх=5% и [5]распл =0,5%, содержание № в расплаве составляет «2,26, 2,5 и 3% при 1250, 1300 и 1350°С соответственно).

4. Исследовано поведение меди и никеля при непрерывном конвертировании в трехслойном режиме. Установлено, что зависимость содержания трехвалентного железа в шлаке от содержания в нем кремнезема описывается выражением: (Ре+3)=-12,27 1п(БЮг)+52,7, а содержания цветных металлов в продуктах конвертирования практически не зависят от содержания Б'Юд шлака.

5. Исследовано распределение железа, меди, никеля и кобальта между черновой медью, белым маттом и шлаком в трехслойном и двухслойном режимах. Показано, что для трехслойного режима коэффициенты распределения никеля, кобальта и железа между белым маттом и медью не зависят от исходных составов белого матта, шлака и парциального давления БОг, а конечное содержание этих металлов в меди н шлаке и, соответственно, коэффициенты распределения их между медью и шлаком зависят как от содержания в шлаке БЮз, так и от давления БОа. Для двухслойного режима коэффициенты распределения никеля и кобальта между медью и шлаком в исследуемом интервале парциальных давлений БОд существенно зависят от давления БОз и содержания БЮг в шлаке и изменяются для никеля от 24 до 6,5, а для кобальта от 0,4 до 0,01 по мере повышения давления БОг и содержания БЮ2 в шлаке.

6. На опытной укрупненной установке института Гипроникель проведены испытания технологии плавки и непрерывного конвертирования твердых никельсодержащих медных штейнов и МКРФ в двухзонном агрегате. Показано, что:

6.1. При плавке МКРФ на белый матт (без окисления) производительность агрегата может составить 80-100 т/м2-сут при обогащении дутья кислородом 60-70%. Извлечение в белый матт меди составляет 99,0-99,5%. Выход шлака находится на уровне 15% при содержании в нем меди 1,72-3,21% и никеля - 0,57-0,75%.

6.2. При конвертировании МКРФ полученные при двухслойном режиме конвертирования шлаки содержат: Си - 22,3-28,1%, № -1,04-1,33, а при трехслойном режиме - Си - 3,27-5,97%, N1 -0,35-0,7!%.

6.3. При конвертировании твердого штейна полученные при двухслойном режиме конвертирования шлаки содержат: Си -21,89-26,54%, № - 0,97-1,28%, а при трехслойном - Си - 4,116,03%, N1 - 0,65-0,74%.

7. Создана н программно реализована математическая модель непрерывного конвертирования твердых никельсодержащих медных штейнов в трехслойном режиме, позволяющая рассчитывать материальный н теплоиий балансы, расходы материалов к показатели процесса.

8. На основании результатов лабораторных и укрупненных исследований определены оптимальные условия обеднения шлаков непрерывного конвертирования двумя способами.

8.1. При подаче природного газа в приэлектродное пространство при интенсивности продувки расплава природным газом 0,7-

0,8м3/тмин, удельной мощности электропечи пе менее 400 кВт/м2, расходе природного газа 45 м3/т шлака и расходе электроэнергии 155 хВт-ч/т шлака извлечение цветных металлов в "сырую" черновую медь составляет, %: N'1 - 93,2-94,5; Со - 82,187,5; Си - 90,7-96,9, а содержание в отвальном шлаке, масс.%: N1 -0,05-0,07; Со - 0,03-0,04; Си - 0,08-0,25.

8.2. При обеднении смесью природного газа, воздуха и кислорода с добавлением твердого восстановителя в плавильно-окислительной зоне двухзонного агрегата при коэффициент расхода кислорода в дутье а=0,8, количестве твердого восстановителя 8% от массы обедняемого шлака и расходах природного газа, воздуха я кислорода 37, 29 и 56 м3/т шлака соответственно извлечение цветных металлов в "сырую" медь составляет, %: N1 -92,8-93,5; Со - 76,8-77,1; Си - 90,1-91,2, а содержание в отвальном шлаке, масс.%: № - 0,08-0,09; Со - 0,04; Си - 0,47-0,48.

9. Выдан технологический регламент для проектирования производства меди по технологии непрерывного конвертирования. На

основании полученных в работе данных проектной частью института Гипроникель выполнен ТЭР по оценке эффективности новой технологии. Расчеты показали, что годовая прибыль от внедрении непрерывного конвертирования составит 40 млн. $, а срок окупаемости капитальных вложений с учетом получения дополнительной товарной продукции - около 2 лет.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. В.Ф. Серебряков, А.М. Езрохнна, Л.Ш. Цемехман, И.В. Деревцов, Л.П. Лукашев. Распределение металлов между белым маттом, черновой медью и шлаком//Цветные металлы. - 1994. №11. - С. 22 - 25.

2. Деревцов И.В., Цемехман Л.Ш. Модель плавки медного концентрата от разделения файнштейна на "сырую" медь//Проблемы комплексного использования руд: Тез. докл. 1-го международного симпозиума 10-14 мая 1994. - С.-Пб., 1994.

3. Абрамов Н.П, Рябко А.Г., Цемехман Л.Ш., Деревцов И.В. и др. Непрерывное конвертирование твердых никельсодержащих медных штейнов в модернизированной печн Ванюко-ва//Проблемы комплексного использования руд: Тез. докл. 2-го международного симпозиума 19-24 мая 1996. - С.-Пб., 1996.

4. Абрамов Н.П, Павлинова Л.А., Цемехман Л.Ш., Деревцов И.В. и др. Изучение поведения серы и никеля в процессе непрерывного конвертирования медных штейнов/ /Проблемы комплексного использования руд: Тез. докл. 2-го международного симпозиума 19-24 мая 1996. - С.-Пб., 1996.

5. LSh. Tsemekhman, A.G. Riabko, L.P. Lukashev and I V. Der-evtsov. Autogenous smelting oí the copper/copper-nickel sulíide raw material and semiproducts in a stationary unit with top oxygen blow/ /CLEAN TECHNOLOGY FOR THE MINING INDUSTRY, University oí Concepción, Concepción-Chile, Proceedings oí III International Coníerence, 1996.

6. N.P. Abramov, LSh. Tsemekhman, O.A. Rygzov, E.I. Egzov, M.R. Rusakov and I.V. Derevtsov. The new process oí contlnuous converting oí solid copper mattes//CLEAN TECHNOLOGY FOR THE MINING INDUSTRY, University oí Concepción, Concepción-Chile, Proceedings oí III International Coníerence, 1996.

7. Абрамов Н.П., Цемехман Л.Ш., Рябко А.Г., Деревцов И.В. Переработка медных штейнов на черновую медь в печи Ванюко-ва// Цветные металлы. - 1997. - № 6.