автореферат диссертации по металлургии, 05.16.03, диссертация на тему:Разработка усовершенствованной технологии переработки медных концентратов на стадиях плавки и получения катодной меди

ч?

О

«л

ОАО «Комбинат Североникель»

На правах рукописи

МИРОЕВСКИЙ Геннадий Павлович

РАЗРАБОТКА УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ МЕДНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ НА СТАДИЯХ ПЛАВКИ И ПОЛУЧЕНИЯ КАТОДНОЙ МЕДИ

Специальность 05.16.03 - «Металлургия цветных

и редких металлов»

Диссертация

в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1999

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Парецкий В.М.

кандидат технических наук Левин A.M.

Ведущее предприятие: Московский Государственный

институт стали и сплавов (Технологический университет)

Защита состоится Дт 1999 г. в7 О часов на засе-

дании диссертационного совета Д 139.05.01 в Государственном научно-исследовательском институте цветных металлов «Гинцветмет» по адре-су:129515, г. Москва, ул. Академика Королева, 13: тел. (095) 215-39-82, факс (095)215-34-53.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Гинцветмета. , ,у Диссертация в виде научного доклада разослана г -У 1999 г. Г

10/50-29

Ученый секретарь диссертационного совета

Нелидова Г. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

До недавнего времени классической технологией переработки медных концентратов являлась технология, основанная на их отражательной плавке, конвертировании штейнов, анодном и электролитическом рафинировании. Долгие годы эта технология применялась для переработки рудных концентратов в плавильном цехе Балхашского ГМК. С определенной модификацией она используется в медеплавильном цехе комбината "Североникель" для переработки медных концентратов от разделения файнштейна. Эта технология характеризуется большим расходом топлива, трудностями в утилизации бедных по содержанию Б02 газов. В последние годы в России и за рубежом широкое распространение получили автогенные процессы переработки сульфидного медного сырья. Многолетняя практика показала, что наиболее эффективными автогенными процессами являются плавка Ванюкова и плавка в стационарном агрегате с верхним кислородным дутьем. Целесообразно дальнейшее расширение их использования, для чего необходимо продолжение исследований различных аспектов этих процессов, в том числе технико-экономических обоснований, применительно к концентратам различного состава.

Качество получаемой катодной меди не всегда удовлетворяет современным требованиям. Необходимо проведение специальных исследований теоретического и прикладного характера для отработки условий получения высококачественной меди, удовлетворяющей требованиям Лондонской биржи металлов.

Цель работы.

Разработка усовершенствованной технологии переработки медных концентратов различного состава на стадиях плавки и получения катодной меди.

Научная новизна.

, 1 .Изучено строение раскристаллизованного штейна и распределение •'•б№Овных;(Сц, Бе, Б) и примесных (2п, РЬ, Ag, Аб, БЬ) элементов по фазам. УстанойЛецо, что основу штейна составляет борнитовый твердый раствор, «•нем коллектируется более 70% меди и -50% серебра, содержащихся в ¡тейне. Остальная медь (-20%) и -50% серебра ассоциированы в метал-лческой меди. Показано, что цинк образует при кристаллизации само-■ оятельную тугоплавкую фазу - сульфид (Бе, 2п)8, аккумулирующую бое 90% всего цинка расплава. Свинец коллектируется в жидкой фазе, : меющей самую низкую температуру плавления, которая кристаллизуется ь 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%).

2. Изучено строение и распределение компонентов по фазам раскри-сталлизованного и закаленного шлаков. 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 СигБ, 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.

3. Исследованы механизм и кинетика взаимодействия дутья, содержащего пары воды, с сульфидными расплавами. Установлен адсорбцион-но-химичесйий механизм процесса десульфуризации. Показано, что даже при высоких концентрациях паров воды их вкладом в общую скорость де-сульфурации можно пренебречь.

4. Определены величины катодных плотностей тока, обеспечивающих получение компактных осадков меди, а также разработана методика определения предельной плотности тока на катоде при стационарном электролизе на основе данных, полученных в нестационарном гальванодинамическом методе.

5. Исследованы экстракционные свойства ди-2-этилгексилметил-фосфоната по отношению к мышьяку (+5) в сернокислых средах и изучены условия экстракционного извлечения мышьяка (+5) из медного электролита и растворов его переработки. Определены изотермы экстракции Ав (+5) Д2ЭГМФ при 20°С для двух кислотностей водной фазы.

6. Исследован механизм экстракции сурьмы (+3) из сернокислотных растворов с использованием широкого класса экстрагентов. Изучено влияние активности сурьмы, содержащейся в водной фазе, и температуры на переход ее в органическую фазу.

Практическая ценность и реализация результатов работы.. ^

1. Усовершенствована технология плавки медных концентратов в печи Ванюкова за счет использования продукта вельцевания цинковых ке-ков - клинкера - и сокращения шихтоуноса. Технология освоена на Балхашском ГМК Получены следующие показатели работы: извлечение меди в штейн (без учета пыли) - около 97%; пылевынос - 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% се-

лена. До 10% фтора переходит в шлак, остальной поступает в газовую фазу.

2. Разработана и внедрена АСУ ТП металлургического производства.

3. Разработан и экспериментально проверен метод расчета электропроводности электролитов рафинирования меди в широком интервале температур и концентраций основных компонентов для последующего определения напряжения электролиза. Предложенные уравнения могут быть использованы для расчета значений удельного сопротивления электролитов рафинирования меди при температурах 30-75°С с точностью ±5%.

4. Определены величины катодных плотностей тока, обеспечивающих получение компактных осадков высококачественной меди.

5. 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%.

6. 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 купоросов, практически исключить сернокислые стоки.

7. 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.

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

9. Выполнен комплекс технико-экономических исследований по обоснованию эффективности и необходимости завершения строительства комплекса автогенной плавки медного концентрата от разделения файн-штейна в стационарном агрегате с верхним кислородным дутьем на комбинате "Североникель". Показана высокая эффективность данного процесса.

10. Общий экономический эффект от внедрения результатов настоящей работы составил 1,5 млн. долларов США.

На защиту выносится:

1. Разработка и внедрение усовершенствованной технологии переработки медных концентратов на стадиях плавки за счет использования про-

дукта вельцевания цинковых кеков - клинкера - и сокращения шихтоуноса и получения катодной меди.

2. Результаты изучения взаимодействия сульфидных расплавов с дутьем, содержащим влагу.

3. Результаты исследований и усовершенствования технологии электролитического рафинирования меди (определение удельного электрического сопротивления медного электролита и предельных токов выделения меди в условиях электрорафинирования, исследование и разработка технологии экстракционной очистки электролита от мышьяка и сурьмы, исследование причин и разработка. путей уменьшения потерь серебра с катодной медью).

4. Результаты технико-экономической оценки эффективности внедрения технологии автогенной плавки медного концентрата от разделения файнштейна на АО «Комбинат Североникель».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 50 научных работ, в том числе две брошюры, 19 авторских свидетельств на изобретения, 6 патентов.

Апробация работы.

Основные положения и отдельные результаты доложены и обсуждены:

- на совещании «Состояние и перспективы внедрения автогенных процессов в отрасли»,. Балхаш, 1987, (4 сообщения);

- на Всесоюзной научно-технической конференции «Теоретические и технологические предпосылки интенсификации производства тяжелых цветных металлов и комплексного использования сырья», Москва, 1988, (2 сообщения);

- на 1 Всесоюзной научно-технической конференции, «Эффективность внедрения автогенных процессов в производстве тяжелых цветных металлов», Москва, 1988, (2 сообщения);

- на 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, (2 сообщения);

- на V Всесоюзном научно-техническом совещании «Химия, технология и аналитический контроль рения», Москва, 1990;

- на заседаниях НТС Балхашского ГМК;

- на заседании НТС РАО «Норильский никель»;

- на заседании НТС АО «Институт Гипроникель»;

- на заседании НТС АО «Комбинат Североникель».

Структура работы. Диссертация представляет собой обобщенное изложение (научный доклад) работ, выполненных лично автором или под его руководством, включает 51 страницу машинописного текста, содержит 19 таблиц, 16 рисунков.

1. Изучение и совершенствование технологии переработки

медных концентратов на Балхашском ГМК.

1.1.Освоение технологии плавки медных концентратов

в печи Ванюкова

■ Долгие годы в плавильном цехе Балхашского ГМК применялась технология отражательной плавки концентратов с последующим конвертированием штейнов с получением черновой меди, после огневого рафинирования которой получали анодную медь. В связи с вводом в строй в 1974 г. Джезказганского медеплавильного завода на Балхашский горнометаллургический комбинат резко сократились поставки высококачественных джезказганских концентратов, изменился состав сырья, в частности, увеличился объем небольших партий концентратов с различных предприятий и из-за рубежа. Классическая технологическая схема в условиях ухудшения качества сырья не могла поддерживать достигнутый уровень производительности, резко ухудшилась экологическая обстановка в регионе/Возникла необходимость замены отражательной плавки на более перспективную автогенную технологию.

Одним из наиболее эффективных автогенных процессов является плавка Ванюкова, которая при высокой удельной производительности весьма компактна и наиболее приемлема для реализации в действующих промышленных цехах.

В 1985 г. на Балхашском ГМК была пущена первая очередь промышленного комплекса; в 1988 г. - второй комплекс. Были достигнуты следующие устойчивые показатели:

- извлечение меди в штейн (без учета пыли) — около 97%,

- пылевынос - около 1%,

-потери: свинца со шлаками - 25%,

цинка - 60-70%.

Пыль возвращается в печь, что позволяет повысить извлечение меди в штейн до 98%.

Извлечение рения в газовую фазу достигает 60-70%.

До 10% фтора переходит в шлак, остальной поступает в газовую фазу. Повышение содержания фтора в газовой фазе потребовало значительных изменений технологического режима работы промывного отделения

сернокислотного производства, так как возникла необходимость в защите оборудования от фторсодержащих соединений.

При получении богатых штейнов в них переходит до 40% мышьяка. До 60% селена извлекается в штейн, остальная - в газовую фазу, что влечет за собой значительное увеличение содержания селена в промывной кислоте и требует разработки способов его извлечения.

Плавка Ванюкова требует добавки восстановителя. Ранее для этих целей использовали пылеуголь. Значительное содержание летучих компонентов и большой унос угля в газоходный тракт вызывали их догорание в газоходе. Высокая температура (600°С) и образование слипающихся настылей в газоходе и на дымососах потребовали замены пылеугля другим сырьем. Для этих целей подобран клинкер - продукт вельцевания цинковых кеков - гранулы из шлакообразующегося материала с вкраплениями мелкодиспергированного угля, содержащими включения благородных металлов. Клинкер подают в шихту из расчета 20%-го содержания углеродного материала. Достигнутые показатели работы комплекса представлены в табл. 1.

Таблица 1

Усредненные технологические показатели работы ПВ-1 за 1993-1997 г.г.

№ п/п Показатели Ед. изм. 1993 год 1994 год 1995 год 1996 год 1997 год

1. Проплавлено шихты т 286292 311782 278929 204956 294325

2. Часовой расход т/ч 48,03 52,3 45,1 47,4 51,9

3. Расход технич. кислорода тыс'нм^/ч 13,65 12,6 11,6 11,2 13,0

4. Получено штейна т 84805 81853 71864 62784 90055

5. Содержание меди в штейне % 44,8 43,4 40,0 42,3 42,1

6. Получено шлака т 191379 180297 174901 62606 29395 в тупик 204585

7. Содержание Си в шлаке % 0,85 1,18 1,08 1,4 4,82- туп. 1,0

8. Расход угля т/ч 1,54 1,38 1,71 2,1 1,40

Средний состав шихты приведен в табл.2, состав полученного штейна - в табл. 3.

Работы по совершенствованию конструкции печи были направлены на сокращение шихтоуноса при плавке. Положительные результаты получены при сепарации пыли в радиационной части котла-утилизатора. Предложены и осуществлены конструктивные решения по совершенствованию

. римская

газодинамики в надслоевом пространстве печи, по изменению направления и динамике движения шихты в шахте печи.

Таблица 2

Состав шихты ПВ-1

Годы Состав шихты, %

Си БЮ2 Бе АЬО, Б РЬ Ав Хп

1993 15,6 14,6 27,8 4,03 32,79 0,54 0,40 0,93

1994 13,96 13,56 28,5 3,4 32,14 0,68 0,31 1,33

1995 14,6 12,4 28,8 4,0 32,0 0,5 0,34 0,45

1996 16,95 10,43 28,16 2,82 31,14 1,50 0,30 1,75

1997 15,48 8,78 29,49 2,25 32,03 1,18 0,27 2,15

Содержание золота колебалось от 2,7 до 8,7 г/т,

серебра - от 70 до 130 г/т , рения - около 0,00015%.

Таблица 3

Состав штейна ПВ-1

Годы Состав штейна, %

Си Бе Б РЬ Ав гп

1993 44,5 27,5 23,7 0,45 0,063 0,71

1994 44,2 27,0 24,11 0,81 0,039 1,05

1995 41,5 27,0 24,5 0,56 0,045 1,0

1996 42,75 26,4 24,32 1,0 0,040 1,75

1997 41,34 25,14 23,35 1,48 0,047 1,96

Содержание золота - 7- 33 г/т , серебра -185-340 г/т

В настоящее время на медьзаводе Балхашского ГМК действует разработанная АСУ второго уровня управления технологическими процессами - система оперативно-диспетчерского управления медеплавильным производством (АСУ МП). Основной целью создания системы является координация режимов работы смежных производств медьзавода.

Исследование структуры штейнов и шлаков ПВ

Нами были исследованы пробы штейна и шлака (закаленного и рас-кристаллизованного) ПВ, отобранные в декабре 1998 года. Состав исследованных проб (по данным ЛАК АО «Институт Гипроникель») приведен в табл. 4.

В штейне и шлаке также определены незначительные примеси никеля и кобальта: в штейне - 0,03 и 0,03% масс., в шлаке - 0,01 и 0,02% масс, соответственно.

Таблица 4

Состав исследуемых материалов

Материал Состав, % масс.

Си Fe S Pb As Sb Zn Ag Si02 AI2O3 CaO

Штейн 46,9 19,1 23,6 4,06 0,045 0,009 3,76 0,057 - - -

Шлак 0,86 43,7 2,0 0,79 0,083 0,005 3,86 H.a. 24,0 4,0 2,5

Все пробы изучены методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и рентгеноспектрального микроанализа (РСМА). Использовано следующее оборудование:

- растровый электронный микроскоп CamScan 4 , оснащенный Si(Li) детектором для анализа рентгеновского излучения по энергии (EDS), детектором отраженных электронов и системой обработки LINK ISIS 200;

- рентгеновский микроанализатор MS-46 с волновой дисперсией (WDS).

Использование Si(Li) детектора - энергодисперсионного спектрометра - дает возможность экспрессного количественного анализа объектов (фаз, структурных составляющих) сложного состава (до 15-20 компонентов) в тех случаях, когда не требуется определение следовых количеств элементов.

Детектор отраженных электронов (с программным комплексом TETRA) обеспечивает получение изображений образцов в сигнале