Выплавка никелевых штейнов из окисленных руд
Вопрос №10. Выплавка никелевых штейнов из окисленных руд
Окисленные руды бедны, а удовлетв. способов их обогащения не найдено. Для окисленных медно-никелевых руд их плавят на штейн в шахтных печах. Шихта должна быть кусковой. Осн. массу рыхлой землистой и влажной руды брикетируют или спекают. Брикетирование – прессование шихты в овальные или др. брикеты по 0,2-0,3кг, связующим служит глина, кот. измельчают и подсушивают, затем смешивают с гипсом или пиритом. Чем более равномерная шихта, тем благоприятнее плавка. Брикеты формуют на валковых или других прессах. Спекание было введено в практику в СССР. Спекательные машины стали применять сначала при спекании Ni, а затем и др. Ме.
Валковый брикетный пресс работает так: тележка (паллета) – главная деталь спекательной машины, стальной (чугунный) короб ее не имеет торцевых стенок, а похож на короткий желоб с днищем из чугунных решеток, наз. колосником. Паллеты уст. роликами на рельсах, а нижние края их плотно прижаты к бортам стальной камеры, соединенной с эксгаустером отсасывающим газы. На колосники загружают шихту из мелкого кокса, оборота слоем до 30см, эксгаустер создает в камере разряжение и протягивает через шихту воздух. Топливо поджигают сверху направив на него пламя нефти или газа из печи-зажигателя. Горение идет в толщу слоя по ходу просасывания воздуха. Шихта разогревается до 1100-1400 0С в зависимости от количества топлива в ней, при этом могут идти реакции окисления и восстановления. Окислителем служит кислород воздуха, восстановителем – углерод топлива. Когда топлива остается мало преобладает окисление, а при его избытке – восстановление. Чтобы руда спеклась необходимо частично восстановить окислы Fe: Fe2O3 и Fe3O4 до FeO, кот. дает с кремнеземом силикаты, плавящиеся около 1100 0С. Капли этого расплава появляясь в массе тв. шихты смачивают ее зерна. После выгорания топлива t уменьшается, расплав затвердевает, скрепляя тв. частицы. Шихта превращается в прочный спек агломерата. Паллеты уст. на горизонтальном участке рамы из рельсов вплотную одна к другой образуя сплошной длинный желоб, плотно примыкающий снизу к бортам камеры разряжения. Они медленно движутся со ск-тью 1,4-4м/мин. Крайняя, начиная свой путь, попадает под бункера из кот. питателем загружается шихта и далее попадает над камерой разряжения и зажигателем. Шихта загорается, начинается спекание, кот. заканчивается прежде чем паллета дойдет до хвостовых камер. После горизонтального участка она попадает роликами на закругленный участок рамы, опрокидывается, ударяется о предыдущую и спек выпадает. Паллета скатывается, ролики входят в зацепление с зубьями 2-х звездочек вращаемых двигателем, кот. возвращают ее в исх. положение. Ск-ть движения регулируется числом оборотов, в зависимости от состава шихты и ск-тью спекания.
Спекательные машины хар-ся длиной, шириной камеры разряжения. Это может быть 200м2 (3,6 на 62 м). Машины чаще имеют площадь камеры 50 или 75м2. Производительность относят к единице площади.
В лекции "6.2. Отдел размножения" также много полезной информации.
Готовый спек дробят на куски 70-100мм, сортируют на грохоте с прозорами 20мм. Мелочь, кот. 20-40% по массе идет снова на спекание. Плавка осущ. в шахтных печах, кот. устроены подобно медеплавильным, но имеют профиль приспособленный к условиям восстановительной плавки. Температура в области фурм 1450-1500 0С, на колоснике 300-350 0С. Столб сыпи состоящий из спека или брикета, кусковой руды, известняка, гипса либо пирита и кокса нах. в восст. среде, в газах в надфурменной области в центре печи до 35% СО, на колоснике только 12-16%. Высшие окислы Fe и Ni в этих условиях восст. до Ме вскоре после загрузки в печь. Пирит по мере схода сыпи диссоциирует еще до плавления с выделением паров элементарной S, кот. удаляется с газами. Восстановление гипса возможно при невысоких t по р-ции: CaSO4+4CO=CaS+4CO2
Термодинамическое образование CaS возможно при 700 0С, но только на пов-ти кусков и с малой ск-тью. Контакт тв. CaS с окислами Fe и Ni труден из-за разъединения породы, а соприкасаясь с первичным расплавом CaSO4 разлагается: CaSO4+ Fe2SiO4=Ca2SiO4+2SO2, 3CaSO4+CaS=4CaO+4SO2
Тв. частицы Ме сульфидируются, сульфиды сплавляются, образуя штейн: 2Fe+S2=FeS, 3Ni+S2=Ni3S2
В этом вероятно принимают участие сульфиды и оксисульфиды углерода: Fe+COS=FeS+CO, 2Fe+CS2=2FeS+C
Реакция сульфидирования Fe и Ni в шлаковом расплаве растворенным сернистым кальцием маловероятно; повышая добавку пирита в шихту можно регулировать состав штейна. Неуспевшее сгореть сернистое Fe разбавляет и разубоживает штейн по никелю. Избыток гипса подобного действия не оказывает и на состав штейна он не влияет. Восстановление предшествует сульфидированию, а последнее при недостатке S или нехватки времени незавершается, поэтому в штейне растворены Fe и Ni. В области фурм, где выс. t велика растворимость Ме и в сульфидах, а в горне она несколько снижается и там выделяются тугоплавкие кристаллы тв. р-ра ферроникеля. Во избежании зарастания горна его не кессонируют, делают неглубоким и быстро выпускают расплав во внешний отстойник.
Современные шахтные печи для лучшего схода сыпи и меньшего образования настылей расширены книзу. Размеры: высота 5-6м, длина до 10м, ширина у фурм 1,4-1,5м, у колошника 1,4м. Горн глубиной 700мм футерован магнезитовым кирпичом внутри, снаружи – шамотом и укреплен чугунными плитами. Кессоны в один ряд, над колошником шатер из шамотного кирпича. Среднее прямое извлечение Ni в штейн 75%, в пыль – 8%, в шлак – 17%. Штейн содержит: 16-20% Ni, 57% Fe, 18-23% S, 0,25% Co. Его выпускают периодически через летку. Штейн стали выпускать непрерывно в наружный горн, его выход 3-8% от массы руды. Шлак составляет 100-120% массы агломерата. Выпускают почти непрерывно, он состоит из: 38-46% SiO2, 17-20% FeO, 15-18% CaO, 10-12% MgO, 4-9% Al2O3, 0,1-0,22% Ni, кот. в шлаке в виде дисперсных частиц сульфида и Ме, химические потери Ni невелики. Газы и пыль через шатер и газоход идут в циклоны и электрофильтры. В циклонах 70% грубой пыли, общий вынос ее из печи 0,1-0,15 от массы шихты. При плавке спека вынос выше, при брикетировании – ниже. Пыль идет на кускование. 12-14% окиси углерода, углекислого газа, 1-2% О2, остальное азот – газы. Они пригодны для сжигания, но чаще идет выброс в атмосферу.
