Шихта для восстановительно-сульфидирующей плавки окисленных никелевых руд
CHARGING MATERIAL FOR REDUCING SULPHIDING MELTING OF OXIDIZED NICKEL ORE

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для восстановительно-сульфидирующей плавки окисленных никелевых руд на штейн в шахтных или руднотермических печах.
Основной задачей изобретения является возможность регулирования качества штейна при восстановительно-сульфидирующей плавке окисленных никелевых руд. Решение поставленной задачи планируется путем использования сульфидной медной руды в качестве сульфидизатора. Вводимые с сульфидизатором медь, кобальт, золото, серебро, платина и палладий в ходе переработки шихты переходят в штейн одновременно с никелем и кобальтом, содержащимися в окисленной никелевой руде. Изменением соотношения компонентов шихты можно добиться требуемого соотношения содержаний никеля и меди в штейне, определяемого условиями его последующей переработки с извлечением в целевые продукты всех ценных компонентов - никеля, меди, кобальта, золота, серебра, платины и палладия. Если это соотношение будет близко к соотношению, характерному для штейнов, получаемых при переработке сульфидных медно-никелевых руд, например, Заполярных месторождений России, то переработку штейна можно организовать известными методами, включающими операции конвертирования, охлаждения файнштейна и его флотационного разделения на медный и никелевый концентраты. В дальнейшем никелевый концентрат поступает на окислительный обжиг, огарок подвергается восстановительной плавке на металлический никель, из которого отливаются аноды, подаваемые на электролиз с выделением катодного никеля, кобальтового концентрата и шлама, содержащего драгоценные металлы. Медный концентрат перерабатывают окислительной плавкой с дальнейшим получением черновой меди, из которой после огневого рафинирования отливают аноды, подвергаемые электролизу с выделением катодной меди и шлама, содержащего драгоценные металлы.
Известна шихта [патент РФ №2065504, МПК С22В 23/00, 23/02, опубл. 20.08.1996] для плавки окисленных никелевых руд, в состав которой входят следующие компоненты, масс. %: окисленная никелевая руда 52,0-53,0, пиритсодержащий сульфидизатор 6,0-7,0, известняк 12,0-14,0, кокс 25,0-27,0, наждачная пыль 1,6-2,0 и металлоотходы 0,2. При ее переплаве получен штейн, содержащий, масс. %: 10,8-12,0 никеля, 0,17 меди, 0,4-0,5 кобальта, 19,9-20,7 серы, остальное - железо. Из рудной части шихты и сульфидизатора в штейн извлекается около 88% никеля и 64% кобальта.
К недостаткам шихты следует отнести высокое соотношение содержаний в штейне никеля и меди, составляющее около 65. При переработке штейна по традиционной технологии, включающей конвертирование, окислительный обжиг измельченного файнштейна (с промежуточным обезмеживанием продукта обжига) и восстановительную плавку огарка, получают огневой никель и кек, содержащий основной карбонат меди, передаваемый на медеплавильные предприятия. Кобальт извлекают при пирогидрометаллургической переработке конвертерных шлаков. Технология отличается многостадийностью, низким сквозным извлечением никеля, меди, кобальта и полной потерей драгоценных металлов, содержащихся в рудах и сульфидизаторе.
Известна шихта для сульфидирующей шахтной плавки [патент РФ №2020172, МПК С22В 23/02, опубл. 30.09.1994], в которой основные компоненты - никельсодержащий материал, пиритсодержащий сульфидизатор (колчедан), кальцийсодержащий флюс (известняк) и кокс - дополнены сланцем, заменяющим часть флюса и кокса. Предложенная шихта имеет следующий состав, масс. %: никельсодержащий материал 56,0-72,0, колчедан 2,3-4,5, сланец 10,7-20,5 и кокс 15,0-19,0.
Несмотря на снижение содержания никеля в отвальном шлаке с 0,16 до 0,15%, вариант сохраняет все перечисленные выше недостатки: штейн перерабатывают по схеме, не предусматривающей извлечение драгоценных металлов.
Известна шихта [Селиванов Е.Н, Сорокин А.А., Елькина Н.В., Фролова Л.Г., Данилушкин А.Л. Распределение примесных элементов при шахтной плавке руды Серовского месторождения. - Цветная металлургия. - 1993. - №10. - С. 17-20.] для плавки окисленных никелевых руд, в которой на 100 т окисленной никелевой руды, оборотных пыли и шлака, а также металлоотходов, вводят 8,8 т пиритсодержащего сульфидизатора, 39,7 т известняка и 44,1 т кокса. Шихта содержит в пересчете на массовые содержания, масс. %: окисленная никелевая руда и оборотные материалы 51,9-52,4, пиритсодержащий сульфидизатор 3,7-4,7, известняк 20,6-20,8 и кокс 22,9-23,1. В результате ее плавки выделен штейн, содержащий, масс. %: никеля 13,0, меди 0,41, кобальта 0,45 и серы 22,7. Выход штейна - 4,8% от массы шихты, в него извлекается 77,5% никеля, 72,5% меди и 66,7% кобальта. Отвальные шлаки содержат, масс. %: никеля 0,12, меди 0,012 и кобальта 0,015.
Наряду с высоким соотношением содержаний никеля и меди в штейне, равным 31,8, к недостаткам варианта следует отнести неполноту извлечения в этот продукт никеля и высокий расход известняка и кокса. Как и для предыдущих аналогов, извлечение драгоценных металлов из штейна от переработки шихты не предусматривается.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленной является шихта [Спитченко B.C., Жуков В.П. Общие принципы металлургии меди и никеля: учебное пособие. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. - с. 150], содержащая агломерированную окисленную никелевую руду, пиритсодержащий сульфидизатор, известняк и кокс, взятые в массовом соотношении 1,0:(0,05-0,10):0,20:0,25, что в пересчете на массовые содержания составляет, масс. %: окисленная никелевая руда 64,5-66,7, пиритсодержащий сульфидизатор 3,3-6,5, известняк 12,9-13,3 и кокс 16,1-16,7. Штейн, полученный в результате плавки шихты, содержит (по массе): 9-18% никеля, не более 0,6% меди, 0,5-1,0% кобальта, 18-22% серы и 55-60% железа. К достоинствам шихты следует отнести невысокий расход известняка и кокса. В то же время сохраняется повышенное (от 17 до 30) соотношение содержаний в выделяемом штейне никеля и меди, что предопределяет неэффективность известных методов разделения металлов. Существенным недостатком шихты являются невысокие показатели извлечения целевых металлов, составляющие 70-80% для никеля и 40-50% для кобальта. Предполагается, что драгоценные металлы, содержащиеся в сульфидизаторе, переходят в штейн, однако технология не предусматривает их извлечения в самостоятельный целевой продукт.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение комплексности переработки минерального сырья с извлечением никеля, меди, кобальта и драгоценных металлов в товарные продукты.
Указанный результат достигается за счет того, что шихта для восстановительно-сульфидирующей плавки окисленных никелевых руд, содержащая окисленную никелевую руду, сульфидизатор, известняк и кокс, согласно изобретению в качестве сульфидизатора содержит сульфидную медную руду при следующем соотношении ингредиентов, масс. %:
кокс
2,7-3,2
известняк
10,8-12,9
сульфидная медная руда
19,4-32,4
окисленная никелевая руда
остальное
Замена колчедана и пиритных концентратов, традиционно используемых в качестве сульфидизатора, сульфидной медной рудой позволит ввести в состав шихты дополнительные количества тяжелых цветных (особенно, меди) и драгоценных металлов, что дает возможность в процессе плавки сконцентрировать их в полиметаллическом штейне. В то время как в практике работы действующих заводов, перерабатывающих окисленные никелевые руды, медь в штейне является вредной примесью и извлекается в виде низкокачественного кека, а драгоценные металлы и часть кобальта переходят в огневой никель и безвозвратно теряются. Реализация заявленного изобретения обеспечит пригодность получаемых полиметаллических штейнов для переработки по технологии, принятой для штейнов, выплавляемых из сульфидных медно-никелевых руд, включающей конвертирование штейна до файнштейна, охлаждение и флотация которого позволяют выделить никелевый и медный концентраты. Такая технология хорошо зарекомендовала себя на предприятиях ПАО ГМК «Норильский никель». Последующая переработка концентратов позволяет получать высококачественные товарные продукты: марочные никель, медь, кобальт и драгоценные металлы. Установлено, что пригодность медно-никелевого штейна для переработки по описанной схеме определяется его химическим составом, а именно - соотношением содержаний никеля и меди, которое необходимо поддерживать на уровне (0,5-5,0):1,0. Возможность достижения указанного соотношения, определяющего эффективность флотационного разделения никеля и меди, в рамках настоящего изобретения обеспечивается заявляемым соотношением ингредиентов шихты и увеличенной долей в шихте сульфидизатора (сульфидной медной руды), составляющей 30-60% от массы окисленной никелевой руды. Кроме того, количество сульфидизатора в заявляемых пределах способствует снижению содержания в штейне никеля, что повышает его извлечение из сырья в этот продукт.
Таким образом, замена традиционного пиритсодержащего сульфидизатора сульфидной медной рудой обеспечивает возможность получения дополнительных количеств высококачественных товарных продуктов, содержащих никель, медь, кобальт и драгоценные металлы, что в целом позволяет повысить комплексность использования минерального сырья. Кроме того, возникает возможность эффективного использования упорных сульфидных медных руд, рентабельная переработка которых затруднена в связи со сложностью выделения концентратов целевых металлов на стадии флотационного обогащения.
Примеры
Пример 1. С целью оценки эффективности использования заявленной шихты, в лабораторных условиях проведено экспериментальное моделирование процесса восстановительно-сульфидирующей плавки на медно-никелевый штейн с изменением массовых соотношений окисленной никелевой и сульфидной медной руд. Расходы флюса (оксид кальция) и восстановителя (кокс) составляли 10 и 5% от массы окисленной никелевой руды. Температура процесса - 1300-1350°С. При представлении результатов эксперимента количество кокса в шихте принято исходя из его расхода в реальных условиях шахтной плавки. В качестве флюса использован оксид кальция, расход которого пересчитан на известняк исходя из содержания в последнем 50% СаО.
Навески компонентов шихты, включающей окисленную никелевую руду, сульфидную медную руду, известняк и кокс, взятые в заданных соотношениях, перемешивали и переносили в алундовый тигель. Тигель с шихтой помещали в электропечь сопротивления с углеграфитовым нагревателем, после чего разогревали печь до заданной температуры. После расплавления шихты проводили изотермическую выдержку расплава (20 минут), затем тигель вынимали из печи и охлаждали его на воздухе. Составы штейна и шлака определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа. В качестве исходных материалов взяты образцы окисленной никелевой руды с различным содержанием никеля и магния, а также образец сульфидной медной руды с повышенным содержанием кобальта (таблица 1).
Результаты лабораторного опробования (таблица 2) указывают на то, что шихта-прототип (опыт 5) значительно уступает заявленной шихте с точки зрения достигнутых показателей по соотношению никеля и меди в штейне. Хотя при переработке шихты-прототипа достигнут приемлемый уровень извлечения в штейн металлов, однако соотношение содержаний никеля и меди составляет 23,7, что находится за пределами интервала (0,5-5,0):1,0, определяющего пригодность штейна к переработке по схеме, предусматривающей извлечение всех ценных металлов.
Использование заявленной шихты, содержащей 54,1% окисленной никелевой руды, 32,4% сульфидизатора - сульфидной медной руды, 10,8% известняка и 2,7% кокса (опыт 2) и 64,5% окисленной никелевой руды, 19,4% сульфидизатора, 12,9% известняка и 3,2% кокса (опыт 3), позволяет снизить содержание цветных металлов в штейне и повысить их извлечение до 88,7-89,3% для никеля, 74,9-88,3% для меди и 63,7-75,2% для кобальта. При этом в штейне обеспечивается требуемое соотношение содержаний никеля и меди, составляющее 4,8 (опыт 2) и 2,1 (опыт 3). За пределами интервала заявленных оптимальных содержаний компонентов шихты происходит ухудшение качества штейна и технологических показателей его переработки. Снижение доли сульфидизатора ниже 19,4% и повышение долей окисленной никелевой руды, известняка и кокса выше 64,5, 12,9 и 3,2% соответственно (опыт 4), ведет к росту содержания в штейне никеля и снижению - меди, что в итоге повышает их соотношение до 11. Повышение количества сульфидизатора в шихте сверх 44,4% (опыт 1) при одновременном снижении содержаний окисленной никелевой руды, известняка и кокса ниже 44,5, 8,9 и 2,2% соответственно, ведет к чрезмерному обеднению штейна целевыми металлами, что отрицательно сказывается на показателях последующих металлургических переделов.
Технико-экономический эффект, достигаемый при переработке заявленной шихты:
- регулирование (снижение) содержания меди и никеля в штейне, за счет чего снижаются потери металлов с отвальными шлаками;
- извлечение драгоценных металлов из штейна плавки окисленных никелевых руд (в настоящее время не извлекаются);
- снижение потерь серы с газами при плавке шихты;
- адаптация передела плавки шихты к условиям известных процессов переработки медно-никелевого штейна.