Обжиг никелевого онцентрата в печах кипящего слоя

Введение

Медно-никелевые руды являются ценным металлургическим сырьём. Наиболее ярко они представлены месторождениями Урала и Алтая [1]. Никелевые руды разделяются на сульфидные и гидросиликатные (окисленные). В сульфидных рудах содержатся минералы: петландит (NiFe)S, миллерит NiS, а также водные растворы никеля в пирротине. Наряду с никелем в рудах, как правило, присутствует медь (в результате чего руды называют медно-никелевыми), а также железо, кобальт, металлы платиновой группы. В пустой породе содержатся окислы (сульфиды и силикаты) железа, кремнезём, глинозём и в небольших количествах окислы кальция и магния.
Содержание никеля в сухой руде составляет 0,9…1,5%. В пустой породе содержатся гидраты окислов железа, алюмосиликаты, кремнезём, окись магния, тальк и другие составляющие [2].
Из-за низкого содержания металлов сульфидные руды предварительно обогащают с целью выделения концентратов. В зависимости от генезиса сульфидных руд и степени взаимной вкраплённости минералов при обогащении получают различные по составу медные, никелевые и смешанные концентраты.
Цель работы – рассмотреть сущность и химизм основных процессов обжига на примере переработки никелевых концентратов, изучить методику расчёта материального баланса процесса.


1. Процесс обжига никелевого концентрата в печах кипящего слоя
Обжиг никелевого концентрата в печах кипящего слоя является одной из завершающих стадий производства никеля (рисунок 1.1) [1].

Рисунок 1.1 – Технологическая схема производства никеля
Схема производства никеля включает подготовку шихты к металлургической переработке, восстановительно-сульфидирующую плавку на штейн, конвертирование штейна, окислительный обжиг концентрата, восстановительную плавку оксида никеля, получение огневого никеля, который в гранулированном состоянии без дополнительного рафинирования отправляется потребителю, в основном, в чёрную металлургию. Очистка никеля от таких примесей, как Fe, Cu, Co и S происходит в процессе всей многостадийной технологии.
Продуктом обжига никелевого концентрата в печах кипящего слоя является никелевый штейн, в котором железо и никель находятся в форме устойчивых сульфидов FeS и Ni3S2 (70…75%) и свободных металлов (20…30%) [1].
Штейн в расплавленном виде поступает в конвертер, в котором он подвергается продувке воздухом в присутствии кварцевого флюса

. В результате свободное железо и его сульфид окисляются кислородом дутья. Взаимодействуя с кремнезёмом, оксиды железа образуют шлак, состоящий в основном из фаялита: 2FeOSiО и магнетита Fe3О4.
Процесс длится 24…30 ч. В конвертерных шлаках содержатся кобальт, медь и другие цветные металлы, поэтому их направляют в электропечи или добавляют в шихту шахтной плавки для извлечения этих металлов [3].
После удаления шлака в конвертере остаётся никелевый концентрат. Главным его компонентом является сульфид никеля Ni3S2 и металлический никель. После охлаждения концентрат дробится, измельчается и направляется на обжиг в печи кипящего слоя (КС). Назначение процесса обжига заключается в переводе сульфидного и металлического никеля в форму оксида NiO с тем, чтобы далее получить металлический никель восстановительным процессом по схеме [3]:
NiO + С = Ni + СО.
Пренебрегая небольшим количеством примесей, будем считать, что концентрат целиком состоит из Ni3S2 и Nі. Обозначим процентную долю Ni3S2 и Ni соответственно а и k, объёмную долю кислорода в дутье печи КС - q, долю азота в дутье – q1, расход кислорода по массе на 100 кг концентрата - , его теоретический объёмный расход - , коэффициент избытка кислорода сверх теоретически необходимого – αН.
Уравнение реакций окисления:
Ni3S2 + 3,5О2 = 3NiO + 2SО2 + Q1, (1.1)
Ni + 0,5О2 = NiO + Q2. (1.2)
Данные реакции являются базовыми для расчёта материального баланса процесса обжига.


2. Технологическое оборудование и продукты процесса обжига
При обжиге в кипящем слое концентрат подают впечь в измельчённом виде, а снизу через решетчатый под вдувают соответствующий газ. Газ участвует в реакции обжига и в то же время поддерживает руду в состоянии, похожем на кипение