Способ переработки окисленной никель-кобальтовой руды
METHOD FOR PROCESSING OXIDIZED NICKEL-COBALT ORE

Изобретение относится к способам извлечения никеля и кобальта из руд и может быть использовано при переработке окисленных никелькобальтовых руд.
Наиболее распространенным на практике  является  пирометаллургический  способ переработки окисленной никелевой руды  - плавка с получением файнштейна или ферроникеля /1. Резник И.Д., Ермаков Г.П., Шнеерсон Я.М. Никель. М.: ООО "Наука и технологии ", 2001. Т.2: Окисленные никелевые руды, стр.3 85-3 88/.     В существующих условиях плавка исходной руды   с содержанием никеля менее 1%  в традиционных  режимах  экономически  не оправдана.
2
2
3
2
3
6
4
10
8
3
2
2
4
10
4
2
2
3+
Прямое  выщелачивание никеля из окисленных руд  кислыми и щелочными  растворами не обеспечивает  приемлемого извлечения никеля в раствор.  Причинами   неполного выщелачивания   являются  минералогические свойства  руды. В категории окисленных никелевых руд значительную долю составляют руды магнезиального и железисто-магнезиального технологического типа со средним содержанием в мас.%: 20-50  SiO;      10-25 MgO; 10-30  FeO+ FeO;  2-6 AlO; 0,2-0,5 MnO; 0,6-1,2 Ni; 0,01-0,04 Co. Основными фазовыми составляющими таких руд являются серпентин Mg[SiO](OH), монтмориллонит MgAlFe [SiO](OH)·nHO, кварц SiO. В серпентинах никель входит в структуру минерала изоморфно в виде иона металла, а в  кристаллическую  структуру  монтмориллонита изоморфно входит в форме оксида NiO.   Указанные никельсодержащие фазы в умеренных условиях растворяются  с большими затруднениями.
Известно несколько  гидрометаллургических концепций    переработки исходных окисленных никелевых руд,  включающих  различные варианты активации процесса выщелачивания.    При  использовании  способа автоклавного сернокислотного выщелачивания никеля и кобальта из окисленных руд /2. Zubryckyj N., Evans D.J.I., Mackiw V.N. Preferential sulfation of nikel and cobalt in lateritic ores // Journal of metals. 1965. May. P.478-486/. /, на заводе Моа Бей пульпу, содержащую 45% руды, подогревают в нагревательных колоннах острым паром, а затем выщелачивают в цепочке из четырех паролифтных автоклавов. Обработку ведут растворами  серной кислоты  при температуре 240-250°С (давление около 4,0 МПа).    Перемешивание в автоклавах осуществляют острым паром. Время выщелачивания 1-2 часа, при этом в раствор переходит около 95% никеля и кобальта. Недостатки процесса: высокая стоимость аппаратуры для автоклавного выщелачивания, сложность эксплуатации автоклавов.
Известны комбинированные  технологии, первым подготовительным этапом которых является высокотемпературная обработка руды – восстановительный, хлорирующий, сульфидирующий обжиг, целью которого является изменение  физико-химических свойств  руды и последующее  извлечение   целевых металлов обогатительными или гидрометаллургическими методами.  В частности, способ переработки окисленных никелевых руд /1/ включает восстановительный обжиг руды с селективным восстановлением никеля и кобальта и последующим выщелачиванием огарка аммиачно-карбонатным раствором в присутствии кислорода с переводом цветных металлов в раствор (процесс Карона). К недостаткам технологии относят повышенные затраты, обусловленные необходимостью измельчения руды до крупности 85 % класса -0,075 мм, недостаточно высокое, на уровне 80 %, извлечение никеля и кобальта в раствор.   По причине высоких удельных затрат  примеров практического применения  данного варианта  для руд с содержанием никеля менее 1%    не известно.
В другой  группе методов    предложено   в качестве   способа  предварительной подготовки использовать   высокотемпературную сульфатизацию, которая заключается в смешивании руды  с серной кислотой, термической обработке смеси и последующем выщелачивании металлов из продукта сульфатизации /3. Патент РФ   2596510 МПК С22В23/00 Способ переработки окисленных никелевых руд/.   В этих случаях      руду распульповывают в воде,  пульпу смешивают   с заданным количеством концентрированной серной кислоты, полученную реакционную массу гранулируют и  обжигают при температуре до 700-750°С, выщелачивают из огарка сульфаты и осаждают из раствора сульфиды никеля и кобальта.  При использовании  подобных методов достигается весьма высокое извлечение   никеля и   кобальта в продуктивные растворы.    Недостатки способа - сложность подготовки шихты руды с серной кислотой к прокалке (распульповка руды в воде, сушка кислой пасты, дробление высушенной пасты со значительным выходом продукта некондиционной крупности), проведение двух термических операций (сушка и прокалка) и, соответственно, увеличение количества оборудования, относительно невысокое извлечение никеля из богатых окисленных руд.
7
Известен способ переработки окисленной никелькобальтовой руды /4. Патент РФ №2287597, МПК С22В23/00. Способ переработки окисленной никель-кобальтовой руды/, в наибольшей степени обобщающий  особенности  методов, основанных на сульфатизации. Данный способ выбран в качестве  прототипа  и включает   смешивание  руды  с серной кислотой, термическую обработку полученного продукта, перевод в раствор растворимых сульфатов и извлечение никеля и кобальта  из растворов. Прототип  отличается тем, что   руду смешивают с серной кислотой с использованием гранулятора, полученные гранулы сульфатизируют, а затем прокаливают    в работающей в режиме противотока трубчатой вращающейся печи, из прокаленных гранул выщелачивают водой никель и кобальт.    Из описания примеров реализации способа-прототипа следует, что лучшие результаты  достигаются при  прокаливании в диапазоне температур 650-750 °С  в течении 3,5-4 часов.  В указанных условиях  достигается весьма высокое извлечение никеля  и кобальта в раствор.  Основным недостатком   прототипа являются высокие затраты на термическую обработку  реакционной смеси руды с серной кислотой. В условиях   невысокого содержания   никеля в окисленных рудах  (менее 1%)  и  стабильно  низкой цены   товарного никеля    использование технологии по способу прототипа не обеспечивает  должной рентабельности.
Техническая проблема, на решение которой направлен предлагаемый способ,  заключается в  высоких удельных затратах  при переработке типовой окисленной никелевой руды  методом сульфатизации по способу прототипа
Технический результат достигается  изменением условий  термической обработки  смеси  окисленной руды и серной кислоты, в частности  проведение термической обработки  с наложением СВЧ энергии в атмосфере водяного пара.
Технический результат достигается при  использовании способа  переработки окисленной никелькобальтовой руды, включающий  смешение руды с серной кислотой,   термическую обработку смеси,  выщелачивание водой никеля и кобальта    из  продукта термической обработки и  выделение никеля и кобальта из продуктивных растворов.    Согласно предлагаемому способу   термическую обработку  смеси руды и серной кислоты проводят      в СВЧ печи  при температуре  200-250 °С  в течение   10 -15 минут в атмосфере водяного пара.
Сущность изобретения поясняется фигурой 1 (таблица), где приведены результаты опытов, проведенных в сопоставимых условиях.
Доказательствами определяющего влияния отличительных признаков   предлагаемого способа на  достижение технического результата  служит совокупность  теоретических основ и результатов   специальных  исследований.
Как отмечено выше,  основные проблемы при выщелачивании никеля и кобальта из окисленных руд связаны с  химическим упорством минералов, в состав которых входят эти металлы. По литературным данным  при использовании  умеренных параметров – атмосферное давление, температура меньше 100 °С,   водные растворы  серной кислоты -  выщелачивание никеля и кобальта  протекает   с низкой скоростью.   Приведенные  в описаниях  аналогов и прототипа   методы активации направлены, прежде всего,  на интенсификацию  разложения   упорных никельсодержащих минеральных  фаз.
Термическая обработка смеси  руда - серная кислота проводится при повышенных температурах. В открытой системе по мере нагрева вода, изначально введенная   в смесь для качественного перемешивания, а также  кристаллическая вода исходной руды,       испаряется  на начальном этапе. При дальнейшем нагреве до температур  300 – 700 °С   обработке подвергается смесь сухой руды с ограниченным количеством  концентрированной серной кислоты.  Такая смесь  по факту  является твердой,  а возможные процессы сводятся  к взаимодействию серной кислоты  с    исходными твердыми  никельсодержащими  фазами;  при этом  продуктами взаимодействия являются     новые твердые  фазы, например    сульфаты или простые оксиды.  Важно, что  в изучаемой системе невозможна диссоциация,  нет ионов и нет ионной  диффузии.  В числе множества других  превращений    взаимодействие кислоты с   одним из никельсодержащих минералов   может  описываться  такой реакцией:
2
4
2
4
4
2
3
2
NiFeO +HSO = NiSO+2FeO +HO (пар)
C  учетом возможности подобных допущений  кинетика сульфатизации     будет лимитироваться внутренней диффузией  молекулы серной кислоты через слой сульфата никеля и  оксида железа, а также других возможных продуктов     к поверхности  исходного минерала.
Специальными исследованиями установлено, что несравнимо более сильное, чем  у известных способов, включая способ-прототип, активирующее действие на сульфатизацию   упорных никельсодержащих фаз  оказывает СВЧ энергия. Проникающее волновое воздействие    резко интенсифицирует массообмен в изучаемой системе.  Даже в области   умеренных температур – 200-250  °С - разложение  упорных минеральных форм  с образованием растворимых соединений никеля завершается  в течение 20-30 минут.  При меньших значениях  указанных параметров эффективность сульфатизации  снижается, а увеличение температуры и  продолжительности выше отмеченных значений к положительному эффекту не приводит.
Дополнительные опыты показали, что  еще активнее сульфатизация  с наложением СВЧ энергии протекает в атмосфере водяного пара. Механизм положительного влияния  пара и оценка количественных  характеристик  использования  пара  требует системного  изучения.
Анализ растворов, полученных при выщелачивании водой полученных продуктов сульфатизации показывает, что извлечение    никеля в раствор  в оптимальных условиях достигает  90-95%. При этом продолжительность сульфатизации  и удельные энергозатраты   на эту операцию в 10 раз меньше, чем в способе прототипа
Примером реализации предложенного способа служат результаты следующих опытов.
В качестве объекта исследований использовали   сухую, измельченную до крупности – 0,2 мм, окисленную никелевую руду с содержанием никеля 0,9% и кобальта 0,06%  одного из месторождений Урала. Навески руды   массой по 10 г смешивали   с   водой и с концентрированной серной кислотой в   пропорции   1:0,5: 0,7.  Дозировку кислоты выбрали по результатам предварительной оценки кислотоемкости  руды. Данный параметр является индивидуальной характеристикой  руды и не может  быть отнесен к отличительным  признакам способа.  Полученную смесь помещали в лабораторную СВЧ печь  и обрабатывали  в течении заданного времени  при  заданной температуре.  Через  реакционную массу   пропускали  пар  от внешнего источника.
По завершении опытов продукты сульфатизации    выщелачивали водой, растворы анализировали на содержание никеля и кобальта. По результатам  анализа оценивали  степень извлечения.
Для сравнения проведены опыты по условиям способа прототипа.
Результаты приведены в таблице   (фиг.1).
Сравнительный анализ технических решений в т.ч. способа,  представленного в качестве прототипа, и предлагаемого изобретения, позволяет сделать вывод что именно совокупность заявленных признаков обеспечивает достижение необходимого технического результата. Реализация предложенного способа дает возможность   сократить продолжительность сульфатизации в 10-15 раз, а энергозатраты в 5-10 раз.