Материал: Сплавы никеля

Сплавы никеля

Содержание

1. Руды и минералы

. Металлургия никеля

.1 Некоторые особенности переработки окисленных никелевых и сульфидных медно-никелевых руд

.2 Подготовка никелевых руд к плавке на штейн

.3 Плавка окисленных никелевых руд на штейн

.4 Конвертирование никелевых штейнов

.5 Окислительный обжиг файнштейна

.6 Восстановительная плавка

.7 Плавка на ферроникель

.8 Кричный процесс

.9 Подготовка сульфидных медно-никелевых руд к плавке на штейн

.10 Плавка на штейн сульфидных медно-никелевых концентратов в шахтной печи

.11 Отражательная плавка

.12Плавка на штейн сульфидных никелевых руд и концентратов на штейн в электрической печи

.13 Конвертирование медно-никелевых штейнов

.14 Флотационное разделение медно-никелевого файнштейна

.15 Карбонильный способ разделения медно-никелевого файнштейна

.16 Получение чернового никеля из богатых никелевых концентратов

.17 Электролитическое рафинирование никеля

.18 Гидрометаллургия никеля

Литература

1. Руды и минералы

В настоящее время разрабатывается два вида никелевых руд, которые резко отличаются друг от друга по своему химическому составу и свойствам: окисленные никелевые руды и сульфидные никелевые руды.

Окисленные никелевые руды представляют собой горные породы, состоящие из гидратированных магнезиальных силикатов, алюмосиликатов и оксидов железа. Никелевые минералы в них составляют незначительную часть рудной массы. В окисленных никелевых рудах никель наиболее часто представлен в виде минералов: бунезита(NiO), гарниерита[(Ni,Mg)O ·SiO₂·nH₂O)] и ревденксита [3(Ni, Mg)O·2SiO₂·2H₂O].

Полезным компонентом окисленных никелевых руд является кобальт. Его содержание в руде в 15-25 раз меньше содержания никеля. Иногда в окисленных никелевых рудах в небольшом количестве присутствует медь. Её содержание в руде колеблется в пределах 0,01-0, 02%.

Пустая порода, которая составляет основную массу руды, представлена силикатами: каолином (Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O), тальком (3MgO·4SiO₂·H₂O), бурым железняком Fe₂O₃·nH₂O, кварцем (SiO₂) и известняком (CaCO₃).

Окисленные никелевые руды отличаются непостоянством состава, как по ценным компонентам, так и по пустой породе. Возможные пределы концентраций компонентов руды можно охарактеризовать следующими цифрами, %: Ni - 0,7-4; Co - 0,04-0,16; SiO₂- 15-75; Fe₂O₃ - 5,0-65; Al₂O₃ - 2 - 25; Cr₂O₃ - 1-4; MgO - 2-25; CaO - 0,5-2; конституционная влага - 10-15.

До сих пор не найдены рациональные методы обогащения окисленных никелевых руд. Поэтому они после соответствующей подготовки непосредственно поступают в металлургическую подготовку. Для окисленных никелевых руд характерны пористое, рыхлое строение, малая механическая прочность, высокая гигроскопичность ( до 40 %).

В СНГ промышленные месторождения окисленных никелевых руд находятся на Южном Урале (Буруктальское месторождение), и на Украине. В дальнем зарубежье промышленные месторождения окисленных никелевых руд находятся в Новой Каледонии, на Кубе (Моа - Бей, Никаро), Филлипинах, в США, Бразилии, Индонезии, Австралии и Греции.

В сульфидных рудах никель присутствует в виде пентландита [(Ni,Fe)S], представляющего собой изоморфную смесь сульфидов никеля и железа переменного состава, и в форме твёрдого раствора в пирротине Fe₇S₈. Основным спутником никеля в сульфидных рудах является медь. Она содержится в них в виде халькопирита (СuFeS₂).

Из - за высокого содержания в них меди эти руды часто называют медно - никелевыми. В сульфидных руда наряду с медью обязательно содержится кобальт, металлы платиновой группы (платина, палладий, родий, рутений, осмий, иридий) и благородные металлы (золото, серебро), рассеянные элементы (селен, теллур), а также сера и железо. Сульфидные медно - никелевые руды являются полиметаллическим сырьём сложного химического состава. При металлургической переработке из них извлекают 14 ценных компонентов, включая серу.

Химический состав сульфидных медно-никелевых руд колеблется в следующих пределах, %: Ni - 0,3-5,5; Cu - 0,2-1,9; Co - 0,02-0,2; Fe - 30- 40; S - 17-28; SiO₂ - 10-30; MgO - 1-10; Al₂O₃ - 5-8.

Сульфидные медно-никелевые руды характеризуются высокой механической прочностью, негигроскопичны и могут подвергаться обогащению. Как правило, обогащению подвергаются только сравнительно бедные руды, содержащие 1,5-2,5% Ni. Более богатые руды после соответствующей подготовки направляют на плавку.

В СНГ промышленные месторождения сульфидных медно-никелевых руд находятся на Кольском полуострове (Мончегорск), на Таймыре (Норильск). В дальнем зарубежье промышленные месторождения сульфидных никелевых руд находятся в Канаде и Австралии.

Кроме окисленных никелевых и сульфидных медно-никелевых руд, сырьём для получения никеля могут служить мышьяковистые руды, добываемые в Бирме и Канаде.

2. Металлургия никеля

.1 Некоторые особенности переработки окисленных никелевых и сульфидных медно-никелевых руд

Для извлечения никеля из всех видов рудного сырья используются как пирометаллургические, так и гидрометаллургические способы. В настоящее время существует два чётко разделённых в промышленных условиях технологических направления переработки никельсодержащего сырья. Это связано с переработкой двух основных типов никелевых руд: окисленных и сульфидных.

Ниже приведены технологические схемы металлургической переработки окисленных никелевых руд (рисунок 2.1) и сульфидных медно-никелевых руд (рисунок 2.2).

Переработка окисленных никелевых руд несколько проще по сравнению с переработкой сульфидных медно-никелевых руд. Она включает подготовку шихты к металлургической переработке (агломерация или брикетирование), восстановительно-сульфидирующую плавку на штейн, конвертирование штейна, окислительный обжиг файнштейна, восстановительную плавку оксида никеля и заканчивается получением 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.

Рисунок 2.1- Принципиальная технологическая схема переработки окисленных никелевых руд пирометаллургическим способом.

Рисунок 2.2 - Принципиальная технологическая схема переработки сульфидных медно-никелевых руд пирометаллургическим способом.

Технологическая схема переработки сульфидных медно-никелевых руд обязательно предусматривает разделение меди и никеля и заканчивается электролитическим рафинированием чернового никеля. В результате получают никель с содержанием не менее 99,99%. В то же время технологическая схема предусматривает попутное извлечение ещё 14 компонентов, содержащихся в перерабатываемом рудном сырье.

Из сравнения технологических схем следует, что подготовка окисленных и сульфидных руд к плавке на штейн существенно различаются

Подготовка окисленных никелевых руд к плавке заключается в окусковании руды брикетированием или агломерацией.

Подготовка сульфидных медно-никелевых руд заключается во флотационном обогащении. В результате флотационного обогащения сульфидных медно-никелевых руд получают несколько концентратов (таблица 2.1)

Таблица 2.1- Состав продуктов обогащения сульфидных медно- никелевых руд

Медно-никелевый и никелевый концентраты перерабатываются по одной технологической схеме.

Обязательными для обеих технологических схем являются плавка на штейн, конвертирование штейнов, окислительный обжиг никелевого файнштейна или богатого никелевого концентрата и восстановительная плавка оксида никеля на огневой металл.

Для образования штейна при плавке окисленных никелевых руд, которые не содержат серы, вводят сульфидизатор (гипс или пирит).

При переработке сульфидных медно-никелевых руд является обязательной операция разделения никеля и кобальта и электролитическое рафинирование чернового никеля.

Никель, полученный из сульфидных руд, отличается большей чистотой по сравнению с товарным огневым никелем.

При переработке никелевых руд в обоих случаях обязательным является извлечение кобальта.

При переработке окисленных никелевых руд кобальт выводится из процесса с конверторными шлаками, а при переработке сульфидных руд при очистке электролита в процессе электролитического рафинирования никеля.

Технология переработки окисленных никелевых руд характеризуется сложностью, высоким расходом дорогостоящего кокса, высокими потерями никеля и особенно кобальта.

Более рациональным способом переработки окисленных никелевых руд является их плавка в электропечи на ферроникель.

На ряде заводов переработка окисленных никелевых руд (Куба) и сульфидных руд (Россия, Канада) осуществляется гидрометаллургическими способами. Эти технологии обладают рядом преимуществ перед пирометаллургическими способами. В частности, они характеризуются более высоким извлечением основных металлов. В тоже время их технологические схемы очень сложны и громоздки. Эти схемы применимы для переработки ограниченного состава руд.

2.2 Подготовка никелевых руд к плавке на штейн

Особенностью окисленных никелевых руд является непостоянство их химического и вещественного составов. Поэтому усреднению руд придают большое значение. Процесс усреднения руды начинает решаться уже на руднике путём планирования горных работ с таким расчётом, чтобы поставляемая на металлургический завод руда была более или менее постоянна по содержанию никеля и составу пустой породы. На металлургическом предприятии производят дополнительное усреднение руды по шлакообразующим компонентам. Для осуществления этой операции на заводах используют склады открытого и закрытого типов.

Усреднённую руду подвергают окускованию. Окускование проводится путём брикетирования или агломерации.

Брикетирование производят на валковых прессах в брикеты яйцеобразной формы массой 0,2-0,3 кг. Перед брикетированием руду измельчают на молотковых дробилках и подсушивают. В качестве связующего материала служит глина, которая находится в самой руде (каолин). В состав шихты для брикетов водят сульфидизатор, в качестве которого служат пирит или гипс. Сушка брикетов осуществляется теплом отходящих газов шахтной печи.

Несмотря на относительную простоту технологической схемы и небольшие эксплутационные расходы брикетирование на никелевых заводах не получило большого распространения. Это обусловлено следующими основными причинами:

) Хорошо брикетируются только два вида руд - железистая и глинистая. Эти руды не являются основными. Кремнистые и магнезиальные руды, которые составляют основную массу никелевых руд, брикетируются плохо.

) Рубашка брикетного пресса, в которой выфрезерованы ячейки быстро изнашивается, а её замена требует значительного времени. В результате частого выхода из строя рубашки пресса возникают простои, что сказывается на производительности процесса брикетирования.

) Брикеты по сравнению с агломератом обладают низкой газопроницаемостью, содержат значительное количество влаги (11-15%), их переработка в плавильной печи требует большего количество кокса. При их плавке имеет место низкая производительность печи, низкое содержание никеля в штейне.

Более широкое распространение в подготовке окисленной никелевой руды к плавке получил процесс агломерации. Агломерация - более дорогой и сложный метод подготовки руды по сравнению с брикетированием. Однако с технологической точки зрения он является более совершенным процессом. Агломерация позволяет получать хорошо термически подготовленный пористый материал с достаточной механической прочностью.

Для агломерации окисленных никелевых руд используют ленточные машины с площадью всасывания 50 и 75м². Шихта для агломерации включает помимо окисленной никелевой руды оборотный агломерат (18-20%) и коксик (8-12%), представляющий из себя мелкий кокс крупностью порядка 5 мм. Крупность руды и агломерата колеблется в пределах 20-30 мм. При смешении шихты её увлажняют до 20-24%. В качестве связующих в процессе агломерации служат железо - магниевые силикаты, а также их разновидности, такие как гиперстен (Fе,Mg)SiO₂ и значительно меньше фаялит.

Cтандартная ленточная агломерационная машина представляет собой длинную металлическую раму, по которой катятся тележки (паллеты), приводимые в движение зубчатым колесом. Дно у тележек закрыто колосником. При прохождении под бункером шихты на тележки, идущие непрерывной лентой загружается качающимся питателем слой шихты. Слой шихты на паллете составляет 250-320мм. Сразу же после загрузки тележки проходят под зажигательной печью, горячие газы которой просасываются через слой шихты и зажигают примешанный к шихте коксик. Загоревшийся коксик продолжает гореть при прохождении тележки над вакуумной камерой, из которой газы отсасываются в газоход. К моменту прохождения тележкой всей длины вакуум - камеры процесс агломерации заканчивается, тележка опрокидывается, агломерат падает вниз и по колосниковому грохоту, отделяющему мелкий агломерат, падает в вагон или пластинчатый транспортёр. Мелкий агломерат возвращается на подшихтовку в голову процесса, а остальной направляется на плавку. Пустая тележка по наклонной нижней раме скатывается к зубчатому колесу и снова подаётся вверх.

Температура в горящем слое шихты составляет 1150-1200^оС. Это обеспечивает плавление железо магниевых силикатов, которые при затвердевании скрепляют шихту, придавая ей механическую прочность и пористость. Для расчёта производительности машин экспериментально определяют скорость спекания шихты в мм/мин. Это скорость, с которой процесс спекания распространяется сверху вниз в толщу шихты. Зная эту скорость, можно подсчитать, за какой срок процесс спекания закончится, то есть пройдёт по всей толщине слоя.

Например, высота слоя шихты на паллете агломерационной ленты 300 мм, а скорость спекания 30 мм/мин. Тогда процесс спекания должен закончиться за 300:30=10 мин. За это время тележка машины должна пройти всю длину вакуумной камеры. Если длины вакуумной коробки 30м, то скорость движения тележек должна составлять 30:10=3,0 м/мин. Зная ширину тележки, толщину слоя шихты и скорость движения тележки, можно рассчитать объём шихты, проходящей в час, а по насыпному весу можно определить её вес, т.е. производительность. В никелевой промышленности процесс агломерации получил значительно большее распространение, чем процесс брикетирования.

Ниже приведены некоторые технико-экономические показатели процесса агломерации окисленных никелевых руд:

Расход топлива (коксика), % от массы шихты 8 -12;

Влажность шихты, % 20 -24;

Влажность оборотного агломерата, % 25 -30;