автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Строение и свойства шлаков процесса непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов

На правах рукописи

ПИГАРЕВ Сергей Петрович

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ШЛАКОВ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО КОНВЕРТИРОВАНИЯ МЕДНЫХ НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩИХ ШТЕЙНОВ И КОНЦЕНТРАТОВ

Специальность 05.16.02- Металлургия черных,

цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ! .... /; 2013

С АНКТ-ПЕТЕРБУРГ-2013

005538020

005538020

Работа выполнена в ООО «Институт Гипроникель»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Цымбулов Леонид Борисович

Официальные оппоненты:

Попов Игорь Олегович доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», кафедра металлургических технологий, профессор

Коновалов Георгий Владимирович кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра металлургии, доцент

Ведущая организациях ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт цветных металлов «ГИНЦВЕТМЕТ»

Защита состоится «29» ноября 2013 г в 14 час 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 196106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 28 октября 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ х/п)^--БРИЧКИН

диссертационного совета (¿У Вячеслав Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В последнее время в мировой практике производства меди из медного сульфидного сырья отмечается явная тенденция к переходу на технологии получения черновой меди непрерывным конвертированием. Периодический способ конвертирования в горизонтальных конвертерах Пирс-Смита, традиционно применяемый в производстве меди, не отвечает современным требованиям экологического характера.

Среди наиболее известных зарубежных процессов непрерывного конвертирования, уже внедренных в производство, следует отметить: «Mitsubishi» (Япония);«Кеппесои-ОииЖитри» фирмы «Outotec» (Финляндия); «Ausmelt» (теперь «Outotec» Финляндия); кислородно-взвешеное конвертирование компании «Vale Inco».

В последние годы в ООО "Институт Гипроникель" совместно со специалистами предприятий ОАО "ГМК "Норильский Никель" ведется разработка новой технологии непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов в двухзон-ной конверторной печи Ванюкова (ДКПВ) с получением черновой меди и шлаков, содержащих в значительных количествах медь и никель.

Процесс непрерывного конвертирования в ДКПВ может быть представлен следующим образом. В окислительную зону печи подается медное никельсодержащее сульфидное сырьё, флюсы и уголь. Через фурмы печи подается кислородно-воздушная смесь и природный газ. Образующиеся в процессе плавки черновая медь и шлак с высокой концентрацией оксидной меди, поступают в восстановительную зону печи, где происходит обеднение шлака по меди газовой смесью, формирующейся в результате сжигания природного газа в кислородно-воздушной смеси в условиях дефицита кислорода. Обедненный шлак и черновая медь выпускаются из печи непрерывно.

Технология прошла значительную экспериментальную проверку, включая опытно-промышленные испытания. Полученные результаты показали очевидные преимущества этого процесса перед альтернативными способами конвертирования медного никельсо-держащего сульфидного сырья.

Несмотря на представительный масштаб испытаний, ряд важных аспектов нового процесса изучен явно недостаточно. В частно-

сти, до настоящего времени не определён оптимальный состав шлаков по флюсующим компонентам, не исследован процесс обеднения шлаков, характеризующихся высоким содержанием оксидов меди, железа и никеля. Отсутствуют сведения о таких важнейших свойствах шлака, как плотность, поверхностное натяжение и вязкость, особенно важных при реализации процессов барботажного типа.

Цель работы - выбор оптимальных составов шлаков процесса непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов для достижения высоких технологических показателей и безаварийной эксплуатации ДКПВ.

Научная новизна

1. Показано, что шлаковые расплавы непрерывного конвертирования системы Ре0-Ре203-8Ю2-Са0-А120з-Си20-1ЧЮ, склонны к насыщению шпинелью на основе треворита (№1:е204). Установлена взаимосвязь межу содержанием шпинели в шлаке, его составом и температурой.

2. Определены температуры ликвидуса шлаков системы РеО-Ре20з-8Ю2-Са0-А120з-Си20-ЫЮ в широком диапазоне составов.

3. Получены данные о растворимых формах нахождения меди в шлаковых расплавах непрерывного конвертирования. Определено наличие растворённой меди нулевой валентности. Установлена взаимосвязь между отношениями БЮг/СаО и Ре3+/Ре2+ в шлаке и соотношением растворённых металлической и оксидной меди.

4. Определены плотность и поверхностное натяжение шлаковых расплавов систем: 8Ю2-Ре0х-Си20, 8Ю2-Ре0х-Си20-МЮ и Ре0-Ре20з-8Ю2-Са0-А120з-Си20-№0 в широком диапазоне составов и температур.

5. Определена вязкость шлаковых расплавов, системы РеО-Ре20з-8Ю2-Са0-А120з-Си20-№0, в широком диапазоне составов и температур.

Практическая значимость работы

1. На основе выполненных исследований строения и свойств шлаков определен их оптимальный состав для окислительной и восстановительной стадий процесса непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов и установлен оптимальный температурный режим.

2. Установленные закономерности изменения технологических параметров процесса в зависимости от состава загружаемого металло-

содержащего сырья и флюсов могут быть использованы при разработке алгоритма управления процессом непрерывного конвертирования с получением черновой меди.

3. На основании выполненной работы разработан технологический регламент на проектирование технологии непрерывного конвертирования медного никельсодержащего сульфидного сырья в ДКПВ применительно к его реализации на Медном Заводе ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель». На основании технологического регламента выполнены технико-экономические расчёты. Результаты ТЭР показали, что решение экологических проблем по технологии непрерывного конвертирования существенно эффективней, чем с использованием действующей технологии в конвертерах Пирс-Смита. Капитальные вложения составят 298 млн. $, что на 314 млн.$ меньше, чем по существующей технологии. Сравнительный чистый дисконтированный доход составляет 328,3 млн. $.

Методы исследований. Термодинамический анализ, экспериментальные исследования процесса непрерывного конвертирования с получением черновой меди. Для исследований использовались: методы химического анализа продуктов, растровая электронная микроскопия (РЭМ), рентгеноспектральный микроанализ (РСМА), рентгенофазовый анализ (РФА), дифференциально-термический анализ (ДТА). Для определения поверхностного натяжения и плотности шлаков применяли метод максимального давления в газовом пузырьке, для определения вязкости - вибрационный метод.

Основные защищаемые положения

1. Содержание тугоплавкой шпинели на основе треворита в шлаковых расплавах системы РеО-РегОз-вЮг-СаО-АЬОз-Си20-1ЧЮ контролируется температурой и суммой концентраций в шлаке (Ре+№).

2. Степень обеднения шлаков окислительной стадии процесса непрерывного конвертирования определяется кондиционным содержанием никеля в черновой меди.

3. Выбор оптимального состава шлака для реализации процесса непрерывного конвертирования базируется на знании таких важнейших свойств шлаковых расплавов как плотность, поверхностное натяжение и вязкость с учётом полученных данных об их строении и температуре ликвидус.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена соответствием между данными термодинамического анализа и данными экспериментальных исследований, обусловленных использованием современных и надежных методов исследований.

Апробация работы. Результаты работы доложены на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ООО «Институт Гипроникель» 17 июня 20 Юг; на Fray International Symposium «Metals and Materials Processing in a Clean Environment», November 27- December 1,2011, Cancun, Mexico; на научно-техническом совете (HTC) ООО «Институт Гипроникель» 14 марта 2012г.; на НТС ОАО «ГМК «Норильский никель» 20 апреля 2012г.

Личный вклад автора состоит в анализе существующих процессов непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов; постановке задачи и разработке общей методики исследований; термодинамическом анализе нового процесса; проведении, обработке и обобщении экспериментальных исследований; непосредственном участии в разработке технологического регламента на проектирование процесса непрерывного конвертирования в ДКПВ и подготовке публикаций.

Автор выражает сердечную благодарность за внимание, содействие и поддержку на различных этапах выполнения диссертационной работы д.т.н. Ерцевой JT.H., (ООО «Институт Гипроникель», г. С.-Петербург), д.т.н. Селиванову E.H., д.т.н. Чумареву В.М. (Институт металлургии УрО РАН, г. Екатеринбург).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из них 5 научных работ - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 209 страниц машинописного текста, 97 рисунков, 35 таблиц, список литературы из 121 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается актуальность работы, ее научная и практическая значимость, постановка задачи исследования. Дано краткое описание технологического процесса.

В главе 1 выполнен аналитический обзор процессов непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и

концентратов с получением черновой меди, рассмотрены вопросы о выборе флюсующих компонентов, применяемых в процессах непрерывного конвертирования, а также способы обеднения шлаков с высоким содержанием меди.

В главе 2 рассмотрен термодинамический анализ процесса непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов применительно к его реализации в ДКПВ.

В главе 3 исследовано строение и определена температура ликвидус шлаков, образующихся на окислительной стадии процесса непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов.

В главе 4 исследованы закономерности поведения цветных металлов и железа при обеднении шлаков непрерывного конвертирования.

В главе 5 определены плотность, поверхностное натяжение и вязкость шлаковых расплавов, образующихся в процессе непрерывного конвертирования. Обобщены результаты исследований строения и свойств шлаковых расплавов, выбраны оптимальные составы шлаков.

В главе 6 представлены результаты расчётов процесса непрерывного конвертирования в ДКПВ, с учётом выбранных оптимальных составов шлаков.

Заключение отражает обобщённые выводы по результатам исследований в соответствии с поставленной целью и решёнными задачами.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Содержание тугоплавкой шпинели на основе треворита в шлаковых расплавах системы РеО-РегОз-ЯЮг-СаО-АЬОз-СигО-МО контролируется температурой и суммой концентраций в шлаке (Ее+№).

Процесс непрерывного конвертирования с получением черновой меди в ДКПВ изучали путем термодинамического анализа и экспериментальных исследований.

Исходными материалами для проведения термодинамических и экспериментальных исследований были: медный штейн печей Ва-нюкова Медного завода и медный концентрат от флотационного разделения файнштейна (УРФ) Никелевого завода Норильского комбината. Массовое соотношение штейна и концентрата составля-

ло 4/1. Состав штейна, % (масс.): 60,5 Си; 3,3 №; 12,2 Ре; 0,065 Со; 22,6 8. Состав концентрата, % (масс.): 69,0 Си; 3,4 N1; 3,3 Ре; 0,17 Со;21,7 8.

Экспериментальные исследования проводили в высокотемпературной печи при рабочей температуре ~1350°С. Расплавленную шихту, массой 100 грамм (80г штейна +20г концентрата) продували кислородом, расход которого составлял 0,5 л/мин. Во время продувки на расплав порционно загружали флюсующие компоненты -кварцит и известняк. После продувки расплав выдерживали 15 минут, далее в шлак опускали стальной стержень, предварительно охлаждённый в жидком азоте, и отбирали закаленную пробу шлака. Затем тигель с расплавом вынимали из печи, охлаждали и отделяли шлак от меди. Шлаки изучали методами РЭМ и РСМА, РФА, ДТА, а также химическими методами, металлический сплав меди - химическими методами.

Общая закономерность окислительной стадии процесса непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов, отображающая влияние окислительного потенциала

Рисунок 1- Зависимость концентрации меди в шлаке от концентрации никеля в черновой меди Из рисунка 1 видно, что экспериментальные данные хорошо согласуются с данными термодинамических исследований.

Влияние температуры на процесс непрерывного конвертирования. Анализ выполнен в температурном диапазоне 1225-1400°С. Одним из требований к составу шлака для процесса плавки в печи Ванюкова является низкий уровень содержания кристаллического магнетита или других шпинелей на его основе.

8

Как видно из графика, представленного на рисунке 2 шлаковый расплав остается гомогенным до Т ~ 1335°С. При дальнейшем снижении температуры наблюдается достаточно резкий рост содержания шпинели, основой которой является треворит (№Ре204). Средний состав шпинели, % (масс.): 18-19 N1; 49-51 Ре; 0,2-0,4 Со; 2,1-3,1 А1; 0,15-0,2 Мв; 28-29 О.

На основании практики эксплуатации печей Ванюкова не следует вести процесс с образованием больших количеств шпинели. В качестве критической точки следует считать количество шпинели на уровне 10%, что приблизительно соответствует температуре 1300иС и, следовательно, окислительная стадия должна осуществляться при более высоких температурах - 1350 С.

Шпинель, % масс. 25

20

Г5

ГО

О

1200 Г250 <300 <350 МО0 ИЖ

т,°с

Рисунок 2 - Зависимость концентрации шпинельной фазы в шлаковом расплаве (в % масс.) от температуры

Влияние расхода флюсующих компонентов на фазовый состав шлаков и концентрацию в нем кристаллических шпинелей. В результате выполненных исследований установлено, что склонность шлаков системы ЗЮг-СаО-АЬОз-РеОх-СигО-МЮ к насыщению шпинелью, в значительной степени зависит от расхода флюсующих материалов и, как следствие этого, от изменяющейся суммы концентраций в шлаке Ре+№ или суммы концентраций БЮг+СаО.

На рисунке 3 -а,б представлены зависимости, показывающие экспоненциальный характер изменения содержания шпинели в шлаке по данным термодинамических и экспериментальных исследований, хорошо согласующихся между собой. Насыщение шлакового расплава треворитом приводит к изменению его строения (см. рисунок 4).

Увеличение твердой шпинели в шлаке сопровождается ростом температуры ликвидуса шлака от 1300°С до 1400°С , причём её рез-

кий рост наблюдается при увеличении суммы железа и никеля в шлаке выше 27%, в связи с чем рекомендуется не превышать сумму концентр

— (Си) -16 - 32%; К = 0,94 I'2 --- (Си)-18-22%;К = 0.95у*

" эаций в шлаке (Ре+ТЧі) свыше указанной величины.

55 50 .45 §40

= 35 .30 з 25

24 28 32 (1=е+М),%

40

1 - содержание меди в шлаке в пределах, %масс. : (Си) - 16-32; 8іО ?/СаО - 2,29-2,81;

2 — содержание меди в шлаке в пределах, % масс.: (Си) - 18-22; 8Ю2/СаО - 2,29-2,45

Рисунок 3 - Изменение массового содержания шпинели в шлаках в

зависимости от суммы концентраций в нем железа и никеля (а)-данные термодинамических исследований; (б)-экспериментапьные

данные

500 рт I . .Л, .... . .1

'2

\ ; 2

1

0

500 ут і.....І...... I 1

б в г

1 - силикатная основа; 2 -шпинель а) Шпинель - 0,3%, (Ре+Щ - 18,25%; б) Шпинель -4,4%, ре+т) - 28,40%; в) Шпинель-27,3%, (Ре+Ж) - 30,68%;г) Шпинель - 49,0%, (Ге+Щ - 36,54%

Рисунок 4 — Типичные микроструктуры шлаков с различной концентрацией шпинельной фазы, % масс. Метод РЭМ и РСМА Влияние отношения основных флюсующих компонентов (БЮ2 и СаО) на строение и температуру ликвидуса образующегося шлака. Правильный выбор оптимального отношения 8Ю2/СаО в шлаках непрерывного конвертирования является одной из важнейших технологических задач. В связи с разнообразием точек зрения в выборе оптимального состава шлака, выполнены собственные исследования в широком диапазоне отношений 8Ю2/СаО.

В результате термодинамических исследований определено

очевидное преимущество шлаков, для реализации процесса, с преобладающей долей БЮг, при этом рекомендовано соотношение 8Ю2/(8Ю2+Са0)=0,6-0,8, что соответствует диапазону отношений 8Ю2/СаО =1,8-4/1. Показано, что шлаки с указанным диапазоном отношений оптимальны по совокупности основных технико-экономических показателей процесса: расход кислорода и топлива, количество отходящих газов и концентрация в них 802.

Как показали результаты экспериментальных исследований, получать медь, соответствующую параметрам черновой и гомогенный шлак в широком диапазоне отношений 8Ю2/СаО возможно при изменении соотношения в шлаке 8Ю2/(8Ю2+СаО) от 0,25 до 1,0, если сумма концентраций в шлаке (Ре+1Ч0 не превышает 27%.

На основании литературных данных определено, что шлаки следующих систем: Ре203-8Ю2-Са0; РеОп-8Ю2-СаО; РеО-8Ю2-СаО, при изменении отношения 8Ю2/СаО в широких пределах, характеризуются минимумом температуры ликвидуса шлака. В ходе проведения исследований шлаков системы 8Ю2-СаО-А12Оз-РеО-Ре203-Си20-№0 установлено, что зависимость температуры ликвидуса шлака от отношения 8Ю2/СаО также характеризуется минимумом, равным 1325°С при 8Ю2/СаО=2 (см. рисунок 5). С учетом целесообразности поддержания температуры процесса на минимальном уровне рекомендован диапазон соотношений 8Ю2/(8Ю2+Са0)=0,6-0,7 (8Ю2/СаО=1,8-2,3), что хорошо согласуется с результатами термодинамических исследований.

1 — содержание меди в шлаке в пределах, %масс.: Си - 14-21;

2 -содержание меди в шлаке в пределах, %масс.: Си - 15-18;

0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95 (БЮг/^Юг+СаО))

Рисунок 5 - Изменение температуры ликвидуса шлака в зависимости от отношения 8Ю2/(8Ю2+СаО) Влияние отношения концентраций Fe/[Cu+Ni] в перерабатываемой медьсодержащей шихте на строение и температуру ликвидуса образующихся шлаков. На непрерывное конвертирова-

ние могут поступать штейны и концентраты разного качества, т.е. с различным отношением Ре/[Си+М]. В связи с этим исследовали влияние состава медного штейна на технологические показатели процесса, а также на строение и температуру ликвидуса образующихся шлаков.

Термодинамический анализ показал, что чем выше качество перерабатываемого штейна, тем лучше большинство технологических показателей процесса. Однако, как видно из графика, представленного на рисунке 6, извлечение меди в черновую медь имеет максимум в области значений по содержанию меди в исходной шихте 65-70%. Снижение извлечения объясняется резким ростом концентрации меди в шлаке при увеличении концентрации меди в перерабатываемом штейне свыше 70%.

80

75

70 65

45 55 65 75

[Сц] в исх.шихте,%

Рисунок 6 - Зависимость извлечения меди в черновую медь от содержания меди в исходной шихте Результаты исследований закалённых образцов шлаков методами РЭМ и РСМА, полученных при переработке медного никель-содержащего сульфидного сырья, содержащего от 60 до 77% меди, показали, что полученные шлаки являются гомогенными даже для очень богатых штейнов, при конвертировании которых шлаки содержат значительные концентрации N¡0 (до 12% масс.). Согласно ДТА снижение содержания меди в исходной шихте, от 77 до 60% приводит к увеличению температуры ликвидуса шлака с 1260 °С до 1340°С. С учетом того, что температура ликвидус шлаков не должна быть выше 1330°С, не рекомендуется перерабатывать штейны с содержанием в них меди ниже 60%.

Окончательный выбор оптимального расхода и соотношения флюсующих компонентов для технологии непрерывного конвертирования, а также оптимальный состав штейна, должен быть сделан с

12

Извлечение Си в черновую медь,%

учётом анализа плотности, поверхностного натяжения и вязкости шлаков.

Формы нахождение меди в шлаках непрерывного конвертирования. Представляло интерес определение форм нахождения меди в шлаках характеризующихся высоким окислительным потенциалом, а также высоким содержанием меди и никеля. В ходе проведения исследований, методами РЭМ и РСМА, РФА установлено, что в шлаках непрерывного конвертирования медь представлена, главным образом, в растворимом виде. При этом установлено, что растворенная в силикатном расплаве медь присутствует как в ассоциации с кислородом (оксидная растворимость), так и вне этих ассоциаций (металлическая растворимость). Также установлено, что при снижении суммы железа и никеля в шлаке, увеличении отношения 8Ю2/СаО и, соответственно, уменьшении отношения Ре3+/Ре2+ происходит изменение соотношения оксидной и металлической меди в пользу последней, что объясняется с позиций термодинамики обменного взаимодействия: 2Ре0+Си20=2Си+Ге20з (1)

Динамика увеличения содержания растворенной металлической меди наглядно представлена на рисунке 7 , из которого хорошо видно, что с увеличением отношения Ре3+/Те2+ и, следовательно, суммы концентраций (Ре+№) в шлаке растет число микрокапель металлической меди, выпавших из силикатного расплава и диагностированных при охлаждении, что установлено методом РСМА и подтверждается методом РФА.

Ре^е2*

Рисунок 7 - Зависимость отношения растворенных в силикатном

расплаве металлической и оксидной меди от отношения концентрата 3+/г: 2+ ции в шлаке ге /ге

На основании выполненных исследований следует считать установленным факт наличия в шлаковых расплавах непрерывного конвертирования растворенной меди, не ассоциированной с

кислородом или другими неметаллами (серой и прочими).

2. Выбор оптимальной глубины обеднения шлаков окислительной стадии процесса непрерывного конвертирования определяется кондиционным содержанием никеля в черновой меди

Согласно разрабатываемой технологии, образующиеся в окислительной зоне ДКПВ шлак и черновая медь передаются в зону восстановления, где шлак подвергается продувке (обеднению) восстановительной газовой смесью, формирующейся в результате сжигания природного газа в кислородно-воздушной смеси в условиях дефицита кислорода, т. е. с величинами "альфа"а < 1. Обеднять данный шлак следует настолько, насколько это возможно без ухудшения качества черновой меди.

Исходный шлак для проведения экспериментальных исследований имел следующий состав, % (масс.): Cu-17,85; Ni-3,63; Fe-16,63; Si02-28,2; СаО-11,25.

Экспериментальные исследования проводились в высокотемпературной индукционной печи при рабочей температуре ~1350°С. Шлаковый расплав, массой 150 грамм продували восстановительной газовой смесью (% об.: СО-44; С02-38; Н2-18), расход которой составлял 0,8 л/мин, а=0,6. Периодически отбирались закалённые пробы шлака. По окончанию продувки тигель с расплавом вынимали из печи, охлаждали и отделяли шлак от меди. Шлаки изучали методами РЭМ и РСМА, а также химическими методами, металлический сплав меди - химическими методами.

Общая закономерность восстановительной стадии процесса непрерывного конвертирования представлена на рисунке 8.

В результате термодинамического анализа восстановительной стадии процесса установлено, что может быть достигнуто снижение концентрации меди в шлаке на 40% отн. при условии получения черновой меди, на выходе из печи с содержанием Ni не более 0,5%.

На основании полученных экспериментальных данных построена зависимость концентрации меди в шлаке от концентрации никеля в общей меди, образующейся в результате реализации двух стадий процесса - окислительной и восстановительной (см. рисунок 9-а) и соответствующий график извлечений меди в общую черновую медь и никеля в конечный шлак (см. рисунок 9-6). Экспериментальные данные показали хорошее согласование с данными термодинамических исследований.

р>5], % касс.

Рисунок 8- Зависимость концентрации меди в шлаке от концентрации никеля в восстановленном металлическом сплаве

а б

Рисунок 9 - Зависимость изменения меди в шлаке от никеля в общей черновой меди (а) и извлечений N1 в шлак и Си в общую черновую медь при восстановлении шлака газовой смесью (б) Из рисунка 9 видно, что кондиционной черновой меди с содержанием никеля 0,5% масс., соответствует содержание меди в шлаке, равное 11% масс., т.е. на восстановительной стадии процесса удаётся достичь снижения содержания меди в шлаке, без существенного ухудшения её кондиционных качеств по никелю, с 18% масс, до 11% масс. (~ на 40% отн.), при этом извлечения меди в черновую медь составляет 90%, что на 3% абс. выше, чем по существующей технологии на Медном Заводе ЗФ ОАО ГМК «Норильский никель». Полученные результаты показывают целесообразность организации процесса в две стадии.

3. Выбор оптимального со- става шлака базируется на

15

определении плотности, поверхностного натяжения и вязкости шлаковых расплавов с учётом полученных сведений об их строении и температуре ликвидус

Правильный выбор состава шлака для реализации технологии непрерывного конвертирования является одной из первостепенных технологических задач. Состав шлака, в свою очередь, определяет его строение и свойства, от изменения которых зависят не только технологические параметры процесса (производительность, извлечение металлов и прочие), но и безопасность эксплуатации металлургического агрегата.

Плотность и поверхностное натяжение шлаков систем 8Ю2-Ре0х-Си20, 8Ю2-Ре0х-Си20-№0 и 8Ю2-Са0-А1203-Ре0х-Си20-N¡0 в широком диапазоне изменения составов и температур (1300°С-1500°С) измерена методом максимального давления в газовом пузырьке. Вязкость шлаков системы 8Ю2-СаО-А12Оз-РеОх-Си20-№0 измерена в широком диапазоне изменения составов и температур (1300°С-1450°С) вибрационным методом.

В ходе проведения исследований установлено, что на строение и свойства шлаковых расплавов непрерывного конвертирования значительное влияние оказывает содержание твёрдой шпинели на основе треворита, соотношение 8Ю2/СаО в шлаке, а также качество поступающего на переработку штейна. Установлено также, что для обеспечения высоких технологических показателей и безопасного ведения процесса поверхностное натяжение не должно быть ниже 240 мН/м, вязкость - выше 30 Пз, а плотность шлака необходимо иметь как можно более низкой.

Выбор оптимального состава шлака покажем на примере диаграмм, представленных на рисунке 10. Как видно из рисунка 10-а, содержание шпинели накладывает ограничения практически на все свойства шлака. При этом лимитирующим фактором является температура ликвидуса шлака. По этому параметру содержание шпинели в шлаке не должно быть выше 10%, что достигается расходом флюсов: 8 Ю2-содержащего флюса (в пересчёте на чистый 8Ю2) 1316% и СаО-содержащего флюса (в пересчёте на чистый СаО) 5-7% от массы перерабатываемого медного сульфидного сырья.

Как видно из рисунка 10-6, плотность, поверхностное натяжение и вязкость в широких диапазонах изменения соотношения

О 10 20 30 40 50 60 Содержание шпинели в шлаке,%

щмН/м

0 10 20 30 40 50 60 Содержание илинели в шлаке,%

ц,Пз

Л =0,99

50 40 30 20

10 20 30 40 50 60 Содержание шпинели в шлаке,%

О 10 20 30 40 50 60 Содержание шпинели в шпаке,%

1405 1385 1365 1345 1325 1305

т „ "С

р,г/см3

сг, мИ/м

17, Лз

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0.2 0.3 0,4 0,5 0.6 0,7 0.8 0.9

8Ю2/(8Ю2+СаО)

8Ю2/(5Ю2+СаО)

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ЭЮ^а+СаО)

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 5Ю2/(5Ю2+СаО)

1405 1365 1325 1285 1245 1205

Т ,„„,°С

55

р, г/см3

Я = 0,98

60

65 70 [Си],%

75

80 55

а, мН/м

Ц П]

65 70 [Си],%

Рисунок 10- Выбор оптимального состава шлака для реализации процесса непрерывного конвертирования медного никельсодержащего

сульфидного сырья в двухзонной печи Ванюкова

Таблица 1 - Основные технологические показатели плавки в ДКПВ

№ п/п Наименование показателя Единицы измерения Показатель

1 Переработка штейна ПВ т/год 515038

2 Переработка медного концентрата УРФ т/год 129967

3 Переработка песчаника т/год 131630

4 Переработка известняка т/год 87120

Площадь сечения ДКПВ на уровне фурм м1 26,0

с В том числе:

э Окислительной зоны м2 20,2

Восстановительной зоны м2 5,8

Показатели окислительной зоны ДКПВ

6 Расход технологического кислорода нм'Учас 18840

7 Расход воздуха нм3/час 1800

8 Расход природного газа нм'Учас 1570

9 Количество газов окислительной зоны. Состав газа, % об.: 802-41,7; 02-1,6; Ы2-14,3; Н20-29,7; С02-12,7 о нм /час 31350

Показатели восстановительной зоны ДКПВ

10 Расход технологического кислорода нм^/час 1275

11 Расход воздуха нм^/час 125

12 Расход природного газа нм"7час 840

13 Количество газов восст. зоны (в аптейке). Состав газа, % об.: 02-4,0; 1М2-18,3; Н20-52,0; С02-25,7 •з нм /час 5252

Общие показатели

14 Количество черновой меди. Состав черновой меди, % масс.: Си-98,7; N¡-0,5; Ре-0,01; Со-0,009; 8-0,04 т/год 378576

15 Извлечение меди в черновую медь % 91

16 Количество оборотного шлака (состав шлака см.выше) т/год 311256

17 Извлечение никеля в шлак % 92

8Ю2/(8Ю2+СаО) не имеют указанных ограничений, а лимитирующим фактором является температура ликвидуса шлака. С учётом целесообразности поддержания температуры ликвидуса на минимальном уровне (1330°С) рекомендован диапазон отношений 8Ю2/(8Ю2+СаО) равный 0,6-0,7 (8Ю2/СаО~1,8-2,3). В качестве оптимального выбрано отношение 8Ю2/СаО в шлаке, равное 2,3/1.

Как видно из рисунка 10-в, основные свойства шлака (плотность, поверхностное натяжение и вязкость) в широких диапазонах изменения состава штейна от 60 до 77 не имеют указанных ограничений, а лимитирующим фактором является температура ликвидуса шлака, которая накладывает ограничение на штейны с содержанием в них меди ниже 60%.

Выполненные исследования основных свойств шлака восстановительной зоны, содержащего -11% меди, показали, что его плотность, поверхностное натяжение и вязкость находятся в области допустимых значений, что отвечает оптимальным условиям протекания барботажного процесса в восстановительной зоне ДКПВ.

Таким образом, совокупность представленных на рисунке 13 диаграмм и выполненных исследований позволили определить оптимальные составы шлаков для окислительной и восстановительной стадий нового процесса: стадия окисления, % масс.: Си-18,00; 5,57; Ре-19,0; БЮ2-27,89; СаО-12,25 (ТЛИК=1330°С; р=3,55г/см3; ст=300мН/м; г|=1,9Пз); стадия восстановления, % масс.: Си-11,1; N1-6,06; Ре-20,9; 8Ю2-30,65; СаО-13,47 (ТЛИК=1325°С; р=3,5г/см3; ст=265мН/м; т|=2,5Пз).

На основании полученных данных разработан технологический регламент на процесс непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов в ДКПВ. Основные результаты расчётов представлены в таблице 1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации поставлена и решена задача научно-технического обоснования выбора составов шлаков системы 8Ю2-Са0-А1203-Ре0-Ре203-Си20-№0, образующихся при переработке медных никельсодержащих штейнов и концентратов на черновую медь, для обеспечения достижения высоких технологических пока-

зателей плавки и безаварийной эксплуатации ДКПВ.

Основные выводы и рекомендации:

1. Выполнен термодинамический анализ процесса непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов.

Установлена оптимальная температура ведения процесса-1350°С. Оценены области гомогенности шлаковых расплавов в зависимости от расхода флюсующих компонентов и температуры шлака.

Показано, что на восстановительной стадии снижение концентрации меди в шлаке может быть достигнуто на 40% отн., при условии получения кондиционной по никелю черновой меди (Ni<0,5% масс.).

2. Методами РЭМ, РСМА, РФА и ДТА исследовано строение и определена температура ликвидус шлаков в широких диапазонах изменения их составов. Установлено, что:

2.1. Шлаки непрерывного конвертирования, представляющие собой систему Fe0-Fe203-Si02-Ca0-Al203-Cu20-Ni0, склонны к насыщению шпинелью на основе треворита (NiFe204). Показано, что для поддержания концентрации шпинели на безопасном уровне необходимо обеспечивать концентрацию (Fe+Ni) в шлаке не более 27%;

2.2. Шлаки непрерывного конвертирования в диапазоне отношений Si02/(Si02+Ca0) от 0,25 до 1,0 являются гомогенными, если сумма концентраций (Fe+Ni) в них не превышает 27%. Показано, что рассмотренный диапазон характеризуется минимумом по температуре ликвидуса, который и определяет оптимальное отношение для процесса, Si02/(Si02+Ca0) равное 0,65 (Si02/Ca0=2,3).

3. В шлаках непрерывного конвертирования медь представлена, главным образом, в растворимом виде (оксидная и металлическая растворимость). При этом установлено, что растворенная медь присутствует как в ассоциации с кислородом, так и вне этих ассоциаций (металлическая растворимость). Показано, что увеличение отношения Si02/Ca0 и уменьшение отношения Fe3+/Fe2+ в гомогенном шлаковом расплаве приводит к изменению соотношения оксидной и металлической меди в пользу последней.

4. Изучен процесс обеднения шлаков окислительной стадии (% масс.: Cu-17,85; Ni-3,63; Fe-16,63; Si02-28,2; СаО-11,25) с использо-

ванием восстановительных газовых смесей. При этом определена предельная глубина обеднения такого шлака по меди (до 11% масс.) без ухудшения качества конечной черновой меди по никелю (до 0,5% масс.). Установлено, что в результате реализации процесса непрерывного конвертирования в две стадии достигается извлечение меди в черновую медь 90%, что на 3 абс. % выше, чем по существующей технологии Медного завода ЗФ ОАО ГМК «Норильский Никель».

5. Измерены плотность и поверхностное натяжение шлаков систем 8Ю2-Ре0х-Си20, 8Ю2-Ре0х-Си20-№0 и 8Ю2-Са0-А1203-Ре0х-Сц20-№0 в широком диапазоне изменения составов и температур (1300°С-1500°С). Рекомендуемые составы шлаковых расплавов имеют плотность 3,5-3,6 г/см3, поверхностное натяжение 265-320 мН/м, что обеспечивает приемлемые условия для реализации нового процесса.

6. Измерена вязкость системы 8Ю2-Са0-А1203-Ре0х-Си20-№0 в широком диапазоне изменения составов и температур (1300°С-1450°С). Установлено, что в рабочем температурном диапазоне (1250°С-1450°С) вязкость находится в пределах 0,5-3,5 Пз, что обеспечивает необходимую жидкотекучесть шлака, для реализации процесса непрерывного конвертирования.

7. На основании комплекса выполненных исследований по строению и свойствам шлаковых расплавов непрерывного конвертирования определены оптимальные составы шлаков, на которые необходимо ориентироваться при реализации окислительной и восстановительной стадий в ДКПВ: шлак стадии окисления, % масс.: Си-18,00; N1-5,57; Ре-19,0; 8Ю2-27,89; СаО-12,25 (ТЛИК=1330°С; р=3,55г/см3; ст=300мН/м; г|=1,9Пз); шлак стадии восстановления, % масс.: Си-11,1; N¡-6,06; Ре-20,9; 8Ю2-30,65; СаО-13,47 (ТЛИК=1325°С; р=3,5г/см3; ст=265мН/м; г1=2,5Пз).

8. Разработан технологический регламент на проектирование технологии непрерывного конвертирования медного никельсодержащего сульфидного сырья в ДКПВ применительно к его реализации на Медном Заводе ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель». Результаты технико-экономических расчётов показали, что решение экологических проблем по технологии непрерывного конвертирования существенно эффективней, чем с использованием действующей технологии в конвертерах Пирс-Смита. Кап. вложения составят 298 млн. $,

что на 314 млн.$ меньше, чем по существующей технологии. Сравнительный чистый дисконтированный доход составляет 328,3 млн. $.

Основные результаты диссертации представлены в следующих печатных работах:

1. Цымбулов Л.Б. Термодинамический анализ процесса конвертирования медных штейнов и концентратов в двухзонной печи Ванюкова / Л.Б. Цымбулов, С.П. Пигарев, Е. Жак // Цветные металлы, 2011. -№8/9. - С. 62-72.

2. Leonid Tsymbulov. Composition and Characteristics of Slags from Continuous Converting of Copper Matte and Concentrate (Keynote) / Leonid Tsymbulov, Florian Kongoli, Sergey Pigarev // Fray International Symposium, Metals and Materials Processing in a Clean Environment.

2011, Vol.1: Sustainable Non-Ferrous Smelting in 21st Century (FIS),

2012, P. 229-249.

3. Цымбулов Л.Б. Строение и свойства шлаков непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов. Часть I. Влияние расхода флюсующих компонентов на строение и температуру ликвидуса шлаков / Л.Б. Цымбулов, С.П. Пигарев, E.H. Селиванов, В.М. Чумарев // Металлы, 2011. - № 3. - С. 3-14.

4. Пигарев С.П. Строение и свойства шлаков непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов. Часть И. Влияние отношения Si02/Ca0 на строение и температуру ликвидуса шлаков / С.П. Пигарев, Л.Б. Цымбулов, E.H. Селиванов, В.М. Чумарев // Металлы, 2012. - № 2. - С.3-11.

5. Пигарев С.П. Строение и свойства шлаков непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов. Часть III. Влияние состава шлака на поверхностное натяжение и плотность шлаков / С.П. Пигарев, Л.Б. Цымбулов, E.H. Селиванов, В.М. Чумарев, С.А. Красиков // Металлы, 2012. -№ 6. - С. 3-9.

6. Пигарев С.П. Строение и свойства шлаков непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов. Часть IV. Влияние температуры и состава шлака на вязкость шлаковых расплавов. / С.П. Пигарев, Л.Б. Цымбулов, С.А. Истомин, E.H. Селиванов, В.М. Чумарев // Металлы - 2013, -№ 2. - С.13-21.

Заявка 2013134057 на патент РФ, С22В15/00. Способ переработки медных никельсодержащих сульфидных материалов на черновую медь. / С.П. Пигарев, Л.Б. Цымбулов. Дата поступления 19.07.2013.

РИЦ Горного университета. 24.10.2013. 3.540. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

ООО "ИНСТИТУТ ГИПРОНИКЕЛЬ"

04201453372

На правах рукописи

ПИГАРЕВ Сергей Петрович

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ШЛАКОВ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО КОНВЕРТИРОВАНИЯ МЕДНЫХ НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩИХ ШТЕЙНОВ И КОНЦЕНТРАТОВ

Специальность: 05.16.02 - Металлургия чёрных, цветных и редких металлов

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Леонид Борисович Цымбулов

Санкт-Петербург - 2013

Оглавление

Введение....................................................................................... 5

Глава 1 Аналитический обзор процессов непрерывного конвертирования медных и медных никельсодержащих штейнов и концентратов с получением черновой меди................................................................................. 13

1.1 Процессы непрерывного конвертирования медных и медных никельсодержащих штейнов и концентратов применяемые в мировой металлургической практике............................................................. 13

1.2 Флюсующие компоненты, применяемые в процессах непрерывного конвертирования медных и медных никельсодержащих штейнов и концентратов................................................................................... 29

1.3 Известные способы обеднения шлаков, образующихся при непрерывном конвертировании медных и медных никельсодержащих штейнов и концентратов.................................................................. 31

1.4 Выводы по главе 1........................................................................ 34

Глава 2 Термодинамический анализ процесса непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов......... 37

2.1 Исходные данные и методика термодинамического анализа........... 38

2.2 Термодинамический анализ окислительной стадии процесса........... 42

2.2.1 Влияния температуры на основные технологические показатели..................................................................................... 43

2.2.2 Влияние расхода флюсующих компонентов на основные технологические показатели........................................................... 48

2.2.3 Влияние отношения БЮг/СаО в шлаке на основные технологические показатели........................................................... 59

2.2.4 Влияние отношения Ре/[Си+Ш] в перерабатываемой медьсодержащей шихте на основные технологические показатели................................................................................. 67

2.3 Термодинамический анализ восстановительной стадии

процесса.......................................................................................... 72

2.4 Выводы по главе 2........................................................................... 77

Глава 3 Исследование строения шлаков образующихся на окислительной стадии процесса непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов.................................................................... 81

3.1 Методика проведения лабораторных исследований.......................... 81

3.2 Результаты исследований и их обсуждение.................................. 88

3.2.1 Влияние расхода флюсующих компонентов на строение

и температуру ликвидуса шлаков................................................... 90

3.2.2 Влияние отношения SiOj/CaO на строение и температуру

ликвидуса шлаков......................................................................... 108

3.2.3 Влияние отношения концентраций Fe/[Cu+Ni] в

перерабатываемой медьсодержащей шихте на строение и

температуру ликвидуса шлаков................................................... 120

3.3 Выводы по главе 3...................................................................... 126

Глава 4 Исследование закономерностей поведения цветных металлов и железа при обеднении шлаков непрерывного конвертирования................... 129

4.1 Методика проведения экспериментальных исследований.................. 130

4.2 Результаты исследований и их обсуждение..................................... 134

4.3 Выводы по главе 4....................................................................... 147

Глава 5 Исследование плотности, поверхностного натяжения и вязкости шлаков, образующихся в процессе непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов...................................................... 149

5.1 Влияние состава шлака на поверхностное натяжение и

плотность....................................................................................... 149

5.1.1 Методика проведения экспериментальных исследований.......... 149

5.1.2 Результаты исследований и их обсуждение............................. 151

5.1.3 Выводы по разделу 5.1.......................................................... 159

5.2 Влияние температуры и состава шлаков на вязкость шлаковых

расплавов......................................................................................... 161

5.2.1 Методика проведения экспериментальных исследований....................161

5.2.2 Результаты исследований и их обсуждение..........................................................162

5.2.3 Выводы по разделу 5.2........................................................................................................................169

5.3 Выбор оптимального состава шлака для технологии непрерывного конвертирования с позиции выполненных исследований строения и

170

свойств шлаковых расплавов.............................................................

Глава 6 Технологические расчёты процесса непрерывного конвертирования медного никельсодержащего сульфидного сырья для выбранных

оптимальных параметров......................................................................................................................................175

6.1 Материальный и тепловой баланс непрерывного конвертирования

в двухзонной печи Ванюкова............................................................................................................................175

6.2 Продукты и полупродукты, получаемые в процессе непрерывного конвертирования в двухзонной печи Ванюкова........................................................................177

6.3 Производительность двухзонной печи Ванюкова по черновой меди.. 179

6.4 Обоснование размера печи........................................................................................................................179

6.5 Основные технологические параметры..................................................................................181

Заключение..............................................................................................................................................................................183

Список литературы.......................................................................... 186

Приложение А............................................................................... 197

Приложение Б................................................................................ 206

Введение

Актуальность работы. В последнее время в мировой практике производства меди из медного сульфидного сырья отмечается явная тенденция к переходу на технологии получения черновой меди непрерывным конвертированием. Периодический способ конвертирования в горизонтальных конвертерах Пирс-Смита, традиционно применяемый в производстве меди, не отвечает современным требованиям экологического характера.

Среди наиболее известных зарубежных процессов непрерывного конвертирования, уже внедренных в производство, следует отметить: «Mitsubishi» (Япония) - в виде комплекса из трёх печей [1-7]; «Kennecott-Outokumpu» фирмы «Outotec» (Финляндия) [8-14]; «Ausmelt» (теперь «Outotec» Финляндия) [15-21]; кислородно-взвешеное конвертирование компании «Vale Inco» [22-31]. Из российских технологий следует отметить успешно реализованную в 90-х годах на комбинате Тинчуань (КНР) технологию конвертирования медного концентрата от флотационного разделения файнштейна в агрегате с верхним кислородным дутьём с получением «сырой» никелистой меди. [32-34].

Особое место в производстве черновой меди из медного сульфидного сырья занимают процессы непрерывного конвертирования медного никельсодержащего сульфидного сырья - медных никельсодержащих штейнов и концентратов от флотационного разделения файнштейна, т.к. основной сложностью, возникающей при удалении никеля в существующих технологиях, является образование тугоплавких соединений в шлаке - шпинелей на основе NiO. Неизбежное наличие в таких шлаках механически запутавшихся частиц черновой меди увеличивает оборот этого металла через никелевую ветвь предприятия и его дополнительные потери.

В последние годы в ООО "Институт Гипроникель" совместно со специалистами предприятий ОАО "ГМК "Норильский Никель" ведется разработка новой технологии непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов в двухзонной конверторной печи

Ванюкова с получением черновой меди и шлаков, содержащих в значительных количествах медь и никель (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схематическое изображение двухзонной печи Ванюкова для непрерывного конвертирования

Процесс переработки медных никельсодержащих штейнов и медных концентратов от разделения файнштейна в двухзонной печи Ванюкова представляется следующим образом. В окислительную зону печи подаются совместно медный штейн и/или медный концентрат от разделения файнштейна, флюсы и уголь. В качестве флюсов используются кварцит и известняк. Через фурмы подается кислородно-воздушная смесь и газообразное топливо. Использование газообразного топлива и углеродистого восстановителя необходимо для поддержания теплового баланса печи и регулирования степени окисления сульфидного сырья. Получающийся в процессе плавки шлак с высокой концентрацией оксидной меди, поступает в восстановительную зону печи, где ведется его восстановление газовой смесью, образующейся в результате сжигания газообразного топлива в условиях дефицита кислорода. Цель восстановительной

стадии - обеспечить частичное восстановление оксидной меди из шлакового расплава. Образующиеся в зоне восстановления корольки металлического сплава оседают в донную фазу черновой меди, полученной на окислительной стадии. Шлак восстановительной зоны поступает в сифон, откуда происходит его непрерывный слив через порог.

Одним из важнейших достоинств двухзонной печи Ванюкова является возможность получения черновой меди с низким содержанием основных примесей (Б и М) при одновременно относительно низком содержании меди в шлаке, т.е. по сочетанию качества черновой меди и концентрации меди в шлаке данный процесс является, на наш взгляд, наилучшим.

Другим существенным достоинством двухзонной печи Ванюкова является возможность ведения процесса на максимальном обогащении дутья кислородом вплоть до работы на чистом технологическом кислороде. Это дает возможность получать концентрированные по 802 газы, что особенно важно при производстве из них элементной серы. Этим же достоинством обладают и процессы взвешенного конвертирования КеппесоИ-ОиШкишри и 1псо.

Однако процесс взвешенного конвертирования Кеппесои-ОЩокитри требует значительных затрат на измельчение штейна перед плавкой, в то время как для печи Ванюкова достаточно более дешевой грануляции.

Процесс взвешенного кислородного конвертирования 1псо также обеспечивает получение богатых по 802 газов, однако конструкция печи не позволяет применять более глубокое окисление и в результате конечным продуктом является «сырая» никелистая медь, требующая организации конвертерного передела для удаления остатков серы и никеля. На комбинате Тинчуань (КНР) плавка идет также на «сырую» никелистую медь (8-2%; N1-5-6% масс.), которая подвергается доводке в конверторе типа Калдо.

Технология непрерывного конвертирования медного никельсодержащего сульфидного сырья прошла значительную экспериментальную проверку, включая опытно-промышленные испытания [35-38]. Полученные результаты показали

очевидные преимущества этого процесса перед альтернативными способами конвертирования медного никельсодержащего сульфидного сырья.

Несмотря на представительный масштаб испытаний, ряд важных аспектов нового процесса изучен явно недостаточно. В частности, до настоящего времени не определён оптимальный состав шлаков по флюсующим компонентам, не исследован процесс обеднения шлаков, характеризующихся высоким содержанием оксидов меди, железа и никеля. Отсутствуют сведения о таких важнейших свойствах шлака, как плотность, поверхностное натяжение и вязкость, особенно важных при реализации процессов барботажного типа.

Является общеизвестным, что для получения шлаков с заданными свойствами необходимо добавлять в процессе плавки флюсующие компоненты. В процессах непрерывного конвертирования медных штейнов и концентратов в качестве флюсов используют 8Ю2- и СаО-содержащие материалы при различных отношениях этих компонентов. Естественно, необходимо стремиться к минимальному расходу флюсов, так как на их расплавление тратится значительное количество энергии и снижается извлечение меди за счет увеличения выхода шлака. С другой стороны, чем меньше расход флюсов, тем выше вероятность гетерогенизации шлака за счет образования тугоплавких шпинелей (типа магнетита), что недопустимо в процессах барботажного типа из-за опасности вспенивания шлака. В связи с этим представляет интерес исследование влияния расхода флюсующих компонентов на строение и свойства шлаковых расплавов.

Необходимо отметить также, что среди исследователей существуют различные точки зрения на оптимальное отношение 8Юг/СаО в шлаках непрерывного конвертирования. Разнообразие точек зрения на выбор шлаков непрерывного конвертирования вызывает необходимость исследования шлаковых расплавов, с определением плотности, поверхностного натяжения и вязкости, в широком диапазоне отношений 8Юг/СаО, включая предельные случаи в которых используются только СаО- или только 8Ю2- содержащие флюсы.

На непрерывное конвертирование могут поступать штейны и концентраты разного качества, т.е. с различным отношением концентраций Ре/[Си+№]. Переработка штейнов и концентратов с высоким содержанием железа приводит к образованию значительных количеств оборотного шлака. С другой стороны, переработка штейнов и концентратов с низким содержанием железа приводит к получению шлаков с высокой концентрацией Си20 и тугоплавкого №0, что в свою очередь может приводить к изменению строения и свойств шлакового расплава. В связи с этим представляет интерес определение оптимального отношения концентраций Ре/[Си+№] в исходной шихте на основе изучения строения и свойств шлаковых расплавов.

В результате реализации процесса непрерывного конвертирования медного штейна в смеси с концентратом УРФ в двухзонной печи Ванюкова, на окислительной стадии процесса образуются черновая медь (с содержанием никеля -0,5 % масс.) и жидкотекучий шлак, которые поступают во вторую (восстановительную) зону печи, где происходит обеднение шлакового расплава, главным образом, по меди. Обеднять данный шлак следует настолько, насколько это возможно без существенного ухудшения качества черновой меди по никелю, т.к. наряду с восстановлением меди может происходить и восстановление никеля и даже железа.

В связи с этим необходимо изучить поведение цветных металлов и железа на восстановительной стадии процесса с определением глубины обеднения шлака без ухудшения кондиционных качеств черновой меди.

Для определения оптимальных составов шлаковых расплавов нового процесса, как с точки зрения достижения высоких технологических показателей, так и с позиций безаварийной работы двухзонной печи Ванюкова в непрерывном режиме (исключение вспенивания расплав) требуются всестороннее исследования, включающие: изучение строения шлаков методами рентгенофазового анализа (РФА), растровой электронной микроскопии (РЭМ), рентгеноспектрального микроанализа (РСМА); определение температуры ликвидуса шлаков методом дифференциально-термического анализа (ДТА), а

также определение таких важнейших свойств шлаковых расплавов как плотность, поверхностное натяжение и вязкость в широком диапазоне изменения их составов.

Цель работы - выбор составов шлаков процесса непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов для достижения высоких технологических показателей и безаварийной эксплуатации двухзонной печи Ванюкова.

Научная новизна

1. Показано, что шлаковые расплавы непрерывного конвертирования системы Ре0-Ре20з-8Ю2-Са0-А120з-Си20-№0, склонны к насыщению шпинелью на основе треворита (№Ре204). Установлена взаимосвязь межу содержанием шпинели в шлаке, его составом и температурой.

2. Определены температуры ликвидуса шлаков системы РеО-Ре2Оз-8Ю2-Са0-А120з-Си20-№0 в широком диапазоне составов.

3. Получены данные о растворимых формах нахождения меди в шлаковых расплавах непрерывного конвертирования. Определено наличие растворённой меди нулевой валентности. Установлена взаимосвязь между отношениями БЮ2/СаО и Ре /Ре в шлаке и соотношением растворённых металлической и оксидной меди.

4. Определены плотность и поверхностное натяжение шлаковых расплавов систем: 8Ю2-Ре0х-Си20, 8Ю2-Ре0х-Си20-М0 и Ре0-Ре203-8Ю2-Са0-А1203-Си20-N10 в широком диапазоне составов и температур.

5. Определена вязкость шлаковых расплавов, системы РеО-Ре2Оз-8Ю2-Са0-А1203-Си20-№0, в широком диапазоне составов и температур.

Практическая значимость работы

1. На основе выполненных исследований строения и свойств шлаков определен их оптимальный состав для окислительной и восстановительной стадий процесса непрерывного конвертирования медных никельсодержащих штейнов и концентратов и установлен оптимальный температурный режим.

2. Установленные закономерности изменения технологических параметров процесса в зависимости от состава загружаемого металлосодержащего сырья и флюсов могут быть использованы при разработке алгоритма управления процессом непрерывного конвертировани�