Пирометаллургическая переработка сульфидных

Медно-никелевых руд

Сульфидные медно-никелевые руды имеют сложный состав, техноло­гия их переработки предусматривает разделение никеля и меди, извлечение кобальта, драгоценных и редких металлов, использование серы для производства серной кислоты (рисунок 6).

Основным способом обогащения сульфидных медно-никелевых руд является флотация. Иногда флотационному обогащению предшествует магнитная сепарация, направленная на выделение пирротина в самостоятельный продукт. В таблице 8 приведены составы продуктов обогащения медно-нике­левых руд.

Медно-никелевые концентраты обжигают либо агломерируют, либо окатывают с последующим обжигом окатышей.

Подготовленный одним из способов концентрат можно плавить в отражательных, шахтных и электрических печах на штейн и шлак.

Медно-никелевая руда

Рисунок 6 - Принципиальная технологическая схема переработки сульфидных медно-никелевых руд

Штейн состоит из сульфидов никеля Ni₃S₂, меди Cu₂S, кобальта CoS и железа FeS. В шлак переходит пустая порода рудного сырья. Штейн перерабатывают в конвертерах с целью удаления почти всего железа и части серы и по­лучения медно-никелевого файнштейна. При конвертировании, в отличие от конвертирования никелевого штейна, кобальт стремятся сохранить в файнштейне. Для этого железо полностью из файнштейна не удаляют, оставляя 3-4%.

Таблица 8 - Состав продуктов обогащения медно-никелевых руд, %

Файнштейн состоит в основном из сульфидов никеля и меди. Их разделяют флотацией и получают два продукта: никелевый концентрат, в который переходит большая часть никеля, кобальта, металлов платиновой группы и медный концентрат с содержанием меди 70-72%. Медный концентрат пере­рабатывают на медном заводе по стандартной технологии, а никелевый кон­центрат от флотационного разделения файнштейна (70%Ni и 4%Сu) обжигают в печах кипящего слоя (КС). Огарок плавят в электропечи, металл отли­вают в аноды, которые подвергают электролитическому рафинированию с получением чистого катодного никеля. При очистке электролита от примесей получают кобальтовый кек, его отправляют в кобальтовое производство. Драгоценные металлы, селен, теллур концентрируются в шламе электролизеров.

Газы никелевой плавки, конвертеров и обжиговых печей используют для производства серной кислоты.

Подготовка медно-никелевых концентратов к плавке состоит в получе­нии материала в нужном физико-механическом состоянии для плавки и уда­лении части серы для получения штейна заданного состава.

Плавку медно-никелевых руд и концентратов можно осуществлять в отражательных печах; теория и практика этого процесса аналогичны плавке мед­ных концентратов. Однако при содержании в сырье более 10% MgO отража­тельная плавка малопроизводительна и требует большого расхода топлива.

Могут быть использованы шахтные печи. По существу это полупиритный процесс. При повышенном содержании тугоплавких компонентов пус­той породы в шихту вводят большое количество конвертерного шлака, и плавка становится экономически нерациональной.

На отечественных заводах для плавки медно-никелевой шихты используют электроплавку в рудно-термических печах. Протекающие процессы об­разования штейна и шлака не отличается от таких процессов при отражательной плавке и электроплавке медных концентратов.

Жидкими продуктами электроплавки являются штейн и шлак. Штейн выделяют из печи с температурой 1100-1150°С; его состав, %: 7-16 Ni; 7-12 Сu; 0,3-0,5 Со; 47-55 Fe; 23-27 S.

Шлак представляет собой сплав оксидов кремния SiO₂, железа FeO, магния MgO и алюминия А1₂О₃. Температура шлака колеблется в интервале 1250-1400°С; это отвальный продукт, %: 0,07-0,11 Ni; 0,06-0,10 Сu; 0,03­0,04 Со; 41-45 SiO₂; 24-30 FeO; 10-22 MgO; 5-12 А1₂О₃; 3-5 CaO.

Электропечные газы образуются за счет термической диссоциации сульфидов (десульфуризация 10-20%), карбонатов и горения углеродистых составляющих шихты и электродов.

Конвертирование медно-никелевых штейнов осуществляют в горизонтальных конвертерах емкостью 75-100 т. Этот процесс отличается от конверти­рования никелевого штейна отсутствием периода окисления металлического же­леза, т. к. медно-никелевые штейны менее металлизированы. От переработки медных штейнов процесс отличается отсутствием второго периода продувки на металл; для этого требуются высокие температуры (1700-1800°C), при которых быстро разрушается футеровка. В связи с этим при конвертировании ограничи­ваются получением файнштейна, как при конвертировании никелевого штейна.

Медно-никелевый файнштейн представляет собой сплав сульфидов ме­ди, никеля и кобальта. В файнштейне растворяются металлы платиновой группы. С тем чтобы оставить кобальт в файнштейне, окисляют не все желе­зо и заканчивают продувку при содержании железа в файнштейне 2,5-3,0%.

Количественный минералогический состав медно-никелевого файнштейна зависит от его химического состава. Химический состав представлен в таблице 9.

Плотность файнштейна составляет 5,6-5,8 т/м, а температура плавления 880-920^оС, в зависимости от его химического и минералогического состава.

Таблица 9 - Химический состав медно-никелевого файнштейна

Выплавленный файнштейн поступает на розлив и охлаждение. По условиям последующего механического (флотационного) разделения отношение меди к никелю в файнштейне должно составлять около единицы, содер­жание железа не более 2,5-3,5% и максимально возможное содержание серы.

Конвертерные шлаки содержат 2,0-2,5% суммы никеля, меди и ко­бальта, их обедняют в отдельных электропечах бедной сульфидной рудой или бедным штейном. При этом получают отвальный шлак и штейн, обога­щенный кобальтом, направляемый также на конвертирование, В результате такой переработки конвертерного шлака извлечение кобальта из руды в мед­но-никелевый файнштейн составляет около 60%.

Разделение меди и никеля осуществляют флотацией или через получе­ние карбонилов никеля.

Получение анодов из никелевого концентрата, получаемого при флотационном разделении файнштейна, предусматривает окислительный обжиг и восстановительную электроплавку огарка.

Физико-химические основы и практика обжига аналогичны обжигу медных, цинковых концентратов и никелевого файнштейна. Так как никеле­вые аноды подвергают электролитическому рафинированию, отсутствует необходимость в глубокой десульфуризации при обжиге; сера связана с Cu₂S и перейдет в шлам.

Обжиг проводят в одну стадию в печах кипящего слоя при 1100-1200°С, полученный огарок содержит менее 0,5% серы.

Огарок, выпускаемый из печи КС, предварительно восстанавливают в трубчатом отапливаемом реакторе с целью экономии электроэнергии при последующей плавке на черновой никель.

Восстановительную плавку огарка проводят в дуговых электропечах по технологии, близкой к восстановительной электроплавке на огневой никель. Г отовый металл разливают в аноды на карусельной или ленточной разливочной машине. Анодный никель содержит, %: 89-92 Ni; 4-5 Си; 1,5-3,5 Fe; 0,1-0,3 Co; до 2,0 S. Анодный никель направляют на электролитическое рафинирование.

Электролиз никеля — сложный процесс, во многом отличающийся от электролиза меди, т. к. требует глубокой очистки электролита от примесей других металлов.

Основная особенность электролиза никелевого анода состоит в том, что на катоде вместе с ионами никеля могут восстанавливаться ионы других эле­ментов, имеющих потенциал, более электроположительный, чем у Ni(II).

Чтобы обеспечить осаждение на катоде никеля, катодное пространство в электролитной ванне отделяют от анодного диафрагменной ячейкой. Ее из­готовляют из брезента либо другой кислотоупорной проницаемой ткани, на­тянутой на каркас. Катодную основу помещают в диафрагменной ячейке. Электролит, поступающий внутрь катодной ячейки, называют католитом, а вытекающий из нее через диафрагму, - анолитом.

Электролитическое рафинирование никеля обеспечивает получение чистого металла марок Н-0 и Н-1 и попутное извлечение ценных спутников: кобальта, меди, платиноидов, золота, серебра, селена и теллура.

Различие физико-химических свойств продуктов пирометаллургическо­го производства меди и никеля позволяет визуально отличить их друг от дру­га.

Порядок выполнения

1. Изучить состав штейнов, шлаков, черновых и катодных металлов. При изучении образцов обратить внимание:

— на происхождение образцов;

— химический состав;

— особенности внешнего вида;

— особенности кристаллической структуры.

2. На основании изучения образцов дать их краткую характеристику.

3. Рассчитать рациональный состав медного концентрата в соответст­вии с вариантом индивидуального задания (таблица 10)

По данным минералогического анализа, медь в концентрате находится в виде халькопирита (CuFeS₂) и ковеллина (CuS) в соотношении 1:1, никель - пентландита (NiFeS₂), цинк - сфалерита (ZnS), все остальное железо - в виде пирита (FeS₂) и пирротина (Fe₇S₈) в соотношении 2:1. Пустая порода представлена кварцевым песком (SiO₂), известняком (СаСО₃) и глиноземом (Al₂O₃). Содержание серы и прочих берется из расчетов.

Таблица 10 - Химический состав медного концентрата