МЕТАЛЛУРГИЯ НИКЕЛЯ
Свойства никеля и его применение
Никель расположен в 8 группе 4-го периода таблицы Менделеева.
Порядковый номер 28.
Валентность 2.
Атомная масса 58,7 г/моль.
Температура плавления 1455оС.
Температура кипения 2900оС.
Никель – металл светло-серебристого цвета. Его поверхность характеризуется высокой отражающей способностью. Никель обладает высокой прочностью и пластичностью. Он хорошо обрабатывается как в горячем, так и холодном состоянии. До температуры 357ОС никель магнитен.
В химическом отношении никель малоактивный металл. Он имеет высокую коррозионную стойкость в атмосфере воздуха, устойчив к воздействию воды и многих агрессивных сред. Серная и соляная кислоты растворяют никель медленно, а в азотной он растворяется легко.
С металлами никель образует многочисленные сплавы, из которых наибольший интерес представляют сплавы с железом, кобальтом, медью, цинком, хромом, молибденом. В настоящее время известно более 3000 сплавов, содержащих никель. Никель придает сплавам следующие свойства: жаропрочность, кислотостойкость, вязкость, улучшенные магнитные свойства, красивый внешний вид.
Применение: защитные и декоративные покрытия, изготовление аппаратов и посуды с высокой коррозионной стойкостью, приборы радиоэлектроники, в качестве катализатора.
Сырье для получения никеля
В настоящее время никелевые заводы перерабатывают два вида руд, резко отличающихся по химическому составу и свойствам: окисленные никелевые и сульфидные медно-никелевые.
Окисленные никелевые руды представляют собой горные породы вторичного происхождения, состоящие из гидратированных магнезиальных силикатов, алюмосиликатов и оксида железа. Никелевые минералы в них составляют незначительную часть руды.
Никелевые минералы: бунзеит NiO, гарниерит (Ni,Mg)O*SiO3*nH2O, ревденскит 3(Ni,Mg)O*2SiO2*2H2O.
Пустая порода составляет основную часть руды: каолинит Al2O3*2SiO2*2H2O, тальк 3MgO*4SiO2*H2O, кварц и известняк.
Окисленные никелевые руды отличаются непостоянством состава.
По внешнему виду похожи на глину. Для них характерны пористое, рыхлое строение, малая прочность кусков, высокая гигроскопичность. Рациональных методов обогащения таких руд до сих пор не найдено, и они после соответствующей подготовки непосредственно поступают в металлургическую переработку.
Сульфидные медно-никелевые руды.
Никель присутствует в виде пентландита (Ni,Fe)S.по структуре эти руды могут быть сплошными, жильными и вкрапленными. Эти руды характеризуются высокой механической прочностью, негигроскопичны и подвергаются обогащению (флотация, магнитная сепарация).
Технологическая схема переработки окисленных никелевых руд
Руда
 |
Приготовление шихты
 |  |
Брикетирование Агломерация
Брикет Агломерат
 |  |
Кокс Воздух Известняк Сульфидизатор
Восстановительно-сульфидирующая плавка
 |  | ||
Газы Шлак Штейн Пыль
Отвал Конвертирование
Газы Никелевый файнштейн Конверторный шлак
Окислительный обжиг Извлечение кобальта
Газы Огарок
Восстановительная плавка
Огневой никель Шлак
Потребитель
Получение никеля из окисленных руд
Плавка на штейн проводится в шахтных печах, которые требуют прочной, кусковой, желательно пористой шихты. Этим требованиям окисленные никелевые руды не удовлетворяют, поэтому перед плавкой их подвергают окускованию методом брикетирования или агломерации.
Брикетирование проводят на валковых прессах в брикеты яйцеобразной формы массой 0,2-0,3 кг. Перед брикетированием руду измельчают на молотковых дробилках и подсушивают. В состав шихты для брикетирования вводят сульфидизатор. Готовые брикеты сушат теплотой отходящих газов шахтных печей.
Агломерация более дорогой и сложный процесс по сравнению с брикетированием. Агломерация позволяет получить хорошо термически подготовленный пористый материал с достаточно высокой механической прочностью. Для агломерации используют ленточные агломерационные машины.
Цель плавки: максимальное извлечение никеля и кобальта в штейн и ошлакование пустой породы.
Шихта для плавки состоит из брикетов, агломератов, флюсов (известняк), оборотов и сульфидизатора.
В качестве сульфидизатора используют пирит или гипс.
Химизм сульфидирования пиритом:
NiO+FeS=NiS+FeO; NiO+FeS+Fe=Ni3S2+FeO/
Использование пирита позволяет регулировать состав штейнов и получать их с меньшим количеством ферроникеля, т.е. более сернистыми.
Химизм сульфидирования гипсом CaSO4*2Н2O, более сложен. Использование гипса экономически не выгодно, т.к. необходимо большое количество энергии для разрушения сульфата.
Восстановительно-сульфидирующая плавка характеризуется протеканием следующих операций:
1. Сжигание топлива;
2. Восстановление и сульфидирование оксидов;
3. Штейно- и шлакообразование;
4. Разделение штейна и шлака.
Состав штейна: Ni 15-18%, Fe 60-63%, Co 0.4-0.6%, S 16-20%, прочие 1-2%. Получение более богатого штейна никелем нежелательно, т.к. это ведет к увеличению потерь никеля в шлак.
Состав шлака: SiO2 44-46%, FeO 18-22%, CaO 15-18%, MgO 8-12%, Al2O3 4-10%/
Шахтные печи никелевой плавки имеют те же конструктивные элементы, что и другие шахтные печи. Длина до 15м, ширина в области фурм 1,4-1,6м, высота шахты 4,5-6м. Шахтные печи отличаются большим объемом внутреннего гона и отсутствием водяного охлаждения его стенок.
Конвертирование никелевых штейнов
Цель: получить никелевый файнштейн за счет окисления железа и серы и перевести кобальт в шлак.
Необходимость извлечения кобальта в шлак обусловлено тем, что если его не отделить на этой стадии, то он весь перейдет в огневой никель и будет потерян.
Присутствующие в штейнах металлы имеют различную химическую активность. Их сродство к кислороду убывает в ряду Fe-Co-Ni. Следовательно, при продувке штейна кислородом в первую очередь будет отшлаковываться железо.
Для конвертирования используют горизонтальные конвертеры вместимостью 20 и 30т.
Состав никелевого файнштейна: Ni 76-78%, S 19-21%, Fe 0.2-0.4%, Co 0.3-0.5%, Cu<2%.
Состав шлака: Ni 0.7-1.2%, Co 0.2-0.5%, SiO2 27-30%, Fe 49-53%, MgO до 3%.
Переработка никелевого файнштейна
Технология получения огневого никеля из файнштейна включает окислительный обжиг и восстановительную плавку оксида никеля.
Цель: удаление серы до 0,02% и перевод никеля в оксид никеля.
Глубокое удаление серы требует высоких температур, а файнштейн легкоплавок. Это вынуждает проводить окисление в две стадии:
1. Обжиг проводят в КС с целью удаления серы до 1-1,5%. Окисление протекает по реакции: Ni3S2+O2= NiO+SO2
2. К горячему огарку подмешивают 10-15% природного сильвинита (NaCl, KCl) и смесь подвергают обжигу в трубчато-вращающейся печи.
Из обжиговой печи оксид никеля с температурой 900-1000оС поступает в трубчатый реактор, куда вводят 4-8% нефтяного кокса.. из реактора выходит металлизированный огарок с содержанием Ni 82-86%. Далее процесс восстановительной плавки проводят в электрических дуговых печах. Процесс электроплавки состоит из следующих операций:
1. Шихтовка оксида никеля с восстановителем;
2. Загрузка шихты и ее расплавление;
3. Доводка металла;
4. Выпуск и грануляция никеля.
Недостатки технологической схемы:
1. Многостадийность технологии;
2. Высокий расход дорогостоящего кокса;
3. Низкое извлечение никеля и кобальта;
4. Полная потеря железа.