Марченко Н.В. Металлургия тяжелых цветных металлов

Подождите немного. Документ загружается.

5. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ МЕДИ И НИКЕЛЯ

5.1. Классификация рудного сырья



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

201

ды беднее; они содержат в среднем от 0,85 до 1,3 % Ni, хотя отдельные уча-

стки месторождений более богаты никелем.

Таблица 5.5

Состав окисленных никелевых руд,

перерабатываемых на зарубежных заводах

Страна, фирма Завод

Содержание в сухой руде, %

SiO

MgO

Новая Каледония

Дониамбо

2,5–3

–

Куба

Никаро

1,4

0,1

–

Моа

1,4

0,13

Филиппины «Нонок»

Суригао

1,22

0,1

–

Колумбия «Биллитон»

Серро-матосо

2,9

–

Австралия «Металз экспло-

рейшн»

Ябулу 1,6 0,12

Привозная руда из Н. Каледо-

нии и Индонезии

Япония «Пасифик металз»

Хитинохе

2,4

0,07

То же

Греция «Ларко»

Ларимна

1,7

–

В сульфидных медно-никелевых рудах никель присутствует главным

образом в виде пентландита (Ni,Fe)S, а медь – в форме халькопирита

(CuFeS

) и халькозина (Cu

S).

Руды всегда содержат кобальт и металлы платиновой группы – плати-

ну, палладий, родий, рутений, иридий, осмий. Типичный состав сульфидных

медно-никелевых руд, %: 0,3–5,5 Ni; 0,2–1,9 Сu; 0,02–0,2 Со; 30–40 Fe; 17–28 S;

10–30 SiO

; 1–10 MgO; 5–8 Al

. В зависимости от глубины залегания, руду

добывают открытым или подземным способом.

Богатые медно-никелевые руды направляют на плавку, бедные

(<1,0–1,5 % Ni) подвергают флотационному обогащению. Состав получае-

мых продуктов обогащения приведен в табл. 5.6

Таблица 5.6

Состав продуктов обогащения медно-никелевых руд, %

Концентрат Ni Сu Fe S SiO

Коллективный

Медный

Никелевый

Пирротиновый

3,6–6,5

1,5–1,6

6,0–11,0

0,1–1,5

3,0–6,0

25–30

4–6

0,05–0,17

38–40

40–45

37–40

55–60

28–30

32–34

25–29

36–37

12–14

1–4

14–20

1–3

Богатые медные концентраты (отношение Сu : Ni = 20) перерабатыва-

ют на медеплавильных заводах

Для извлечения никеля используют пиро- и гидрометаллургические

процессы, комбинированные технологии. Различный состав окисленных и

5. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ МЕДИ И НИКЕЛЯ

5.1. Классификация рудного сырья



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

202

сульфидных руд и разные конечные цели их переработки обусловили ис-

пользование принципиально различных технологий.

Переработка окисленных никелевых руд заканчивается получением так

называемого огневого никеля, который потребители используют для произ-

водства легированных сталей. Технология предусматривает очистку металла

от небольшого числа примесей (Fe, Со, Сu, S) и получение никеля марок Н-3

и Н-4, содержащих более 99,0 % Ni.

Технология переработки сульфидных медно-никелевых руд

заканчива-

ется электролитическим рафинированием чернового никеля. Это позволяет

не только получить никель высших марок, но и попутно извлечь еще 13 цен-

ных компонентов, содержащихся в рудах или концентратах.

Цветные металлы получают также из вторичного сырья. Роль вторич-

ной металлургии постоянно возрастает; вторичные металлы занимают все

больший удельный вес в общем объеме производства цветных металлов.

В настоящее время 25–40 % алюминия, меди, свинца, олова получают из вто-

ричного сырья. Использование вторичного сырья в металлургическом произ-

водстве имеет большое значение, т.к. позволяет получать металлы более про-

стыми и дешевыми металлургическими приемами, экономить природные

сырьевые ресурсы, дополнительно увеличивать выпуск металлургической

продукции.

Вторичное сырье – это амортизационный лом и различные отходы. Лом

представляет собой изделия и детали из цветных металлов и сплавов, пришед-

шие в негодность или утратившие эксплуатационную ценность. Отходы –

промышленные отходы, содержащие цветные металлы или состоящие из них.

Они образуются при механической обработке в металлургических процессах.

Отходами являются бракованные детали и изделия. В зависимости от облас-

ти использования металлов и сплавов амортизационный лом может быть

промышленным, транспортным, сельскохозяйственным, бытовым, военным.

Он образуется в результате износа машин, оборудования, металлических

конструкций и деталей, которые заменяют при капитальных и текущих ре-

монтах, а также в результате износа инструмента, предметов быта.

Отходы образуются в процессах разлива металлов и сплавов в виде

крупных брызг, всплесков, съемов. В результате механической обработки

получаются стружка, обрезь, выштамповка, опилки, высечка. Количество от-

ходов при изготовлении изделий зависит от технологии производства и ее

совершенства.

Изготовленные детали по истечении определенного времени их экс-

плуатации изнашиваются и приходят в негодность. Различают физический и

моральный износ, под физическим понимают непригодность детали в ре-

зультате поломки, коррозии, изменения размеров и т. п. Под моральным из-

5. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ МЕДИ И НИКЕЛЯ

5.1. Классификация рудного сырья



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

203

носом подразумевают невозможность использования пригодной детали в ус-

тановке, эксплуатация которой стала экономически нецелесообразной или

пришедшей в негодность. Изделия, которые в результате физического или

морального износа не могут быть использованы по назначению, образуют

амортизационный лом.

Количество лома тем больше, чем больше металлический фонд страны,

т.е. количество металла, используемого в промышленности с учетом безвоз-

вратных потерь в результате коррозии, угаров, истирания и т.п. Кроме обще-

го размера металлического фонда, на количество образующегося лома оказы-

вает влияние срок службы изделий и деталей. Ниже приведены сроки служ-

бы некоторых машин и оборудования (годы), установленные по величине

амортизации на полное восстановление:

электровозы – 25–30;

котельные установки – 30;

электродвигатели (100 кВт) – 26;

металлорежущие станки – 15–25;

грузовые и легковые автомашины – 7–10;

тракторы – 8–12.

Средний срок службы металла составляет 25 лет, затем он переходит в

амортизационный лом.

В результате коррозии, угара и истирания безвозвратные потери со-

ставляют приблизительно 25 % от общего количества металла, выбывающего

из фонда страны в результате амортизации. Структуру сырьевых ресурсов

вторичных цветных металлов определяет соотношение лома и отходов, ко-

торое определяется особенностями их использования. В среднем доля отхо-

дов в общих сырьевых ресурсах составляет 87 % , а доля амортизационного

лома –13 %.

Успешное использование вторичного сырья определяется уровнем ор-

ганизации его сбора, сортировки, хранения и подготовки к металлургической

переработке. Отсортированные отходы представлены материалом одного со-

става; их, как правило, перерабатывают с получением продукта (металла или

сплава) аналогичного состава. Переработка несортированного вторичного

сырья усложняется, т.к. требует разделения присутствующих ценных компо-

нентов и всегда сопровождается их повышенными потерями. В перспективе

вторичное сырье будет основным источником получения некоторых цветных

металлов, а дефицит баланса между потреблением и производством будет

покрываться за счет переработки рудного сырья.

Большинство металлургических процессов осуществляется при высоких

температурах и связано с затратами тепловой энергии. Нужные температуры

достигаются сжиганием топлива либо за счет использования электроэнергии.

5. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ МЕДИ И НИКЕЛЯ

5.1. Классификация рудного сырья



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

204

Топливо может быть твердым, жидким или газообразным; имеет орга-

ническое происхождение и состоит из углерода, водорода, серы, которые со-

ставляют органическую массу. Топливо может содержать негорючие компо-

ненты – воду, азот. Негорючая часть в твердом топливе – зола, состоящая из

А1

, SiO

, CaO и др.

Искусственное топливо получают в результате переработки естествен-

ного топлива (например, производство кокса). Иногда топливо в металлурги-

ческих процессах помимо источника тепла выполняет функцию восстанови-

теля. При сжигании топлива выделяется тепловая энергия, количество кото-

рой определяется его химическим составом и условиями сжигания. Тепло-

творная способность отдельных видов топлива (кДж/кг, кДж/м

) различна.

Качество топлива определяется его теплотой сгорания и количеством обра-

зующейся золы. Сульфиды металлов также условно можно считать топли-

вом. При горении сульфидов выделяется значительное количество тепла, ко-

торое может быть использовано для осуществления пирометаллургических

процессов. Процессы, полностью протекающие за счет тепла экзотермиче-

ских реакций окисления сульфидов, называют автогенными. Использование

таких процессов позволяет экономить большое количество топлива или элек-

троэнергии. Качество некоторых видов топлива показано в табл. 5.7

Таблица 5.7

Характеристики некоторых видов топлива

Вид топлива Теплота сгорания, кДж/кг Содержание золы, %

Дрова

10 500–12 600

1–2

Торф

10 500–12 600

5–12

Бурый уголь

8 400–21 000

До 50

Каменный уголь

21 000–29 000

До 40

Кокс

26 000–32 000

10–50

Нефть

41 900–46 000

До 0,5

Сульфидные концентраты

4 200–6 000

–

Природный газ (кДж/м

)

35 600–37 700

–

Топливо сжигают за счет кислорода дутья: воздуха (21% О

), смеси

воздуха с кислородом (обогащенное дутье) или технологического кислорода

(94–96 % О

В металлургии стремятся использовать качественное топливо с высо-

кой теплотворной способностью и низким содержанием золы: природный газ,

мазут, кокс. Самый удобный вид топлива – природный газ – содержит 95–98 %

метана и других углеводородов. Это удобный вид топлива для транспорти-

ровки (трубопроводы) и сжигания. Основные примеси – сероводород и жид-

кие углеводороды.

Жидким топливом является мазут – остаток от ректификации нефти.

Эта смесь жидких углеводородов служит для получения смазочных материа-

лов, поэтому использование мазута в качестве топлива ограничено.

5. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ МЕДИ И НИКЕЛЯ

5.1. Классификация рудного сырья



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

205

Шахтные металлургические печи в качестве топлива требуют кусковой

прочный пористый материал. Таким требованиям удовлетворяет металлурги-

ческий кокс. Это искусственный вид топлива; его получают путем сухой пе-

регонки специальных сортов каменных углей при температуре 900–1 000 °С

в коксовых батареях.

Пирометаллургические процессы осуществляются при высоких темпе-

ратурах, иногда выше 1 500 °С в сильно агрессивных средах (расплавленные

шлаки, солевые расплавы). Для сооружения металлургических агрегатов и

создания внутренней защитной футеровки используют огнеупорные мате-

риалы. Это строительные материалы, которые не размягчаются и не плавятся

до 1 600 °С и более. По составу они представлены оксидными системами.

Огнеупоры классифицируют по огнеупорности, химико-минералогическому

составу, химической стойкости.

Огнеупорность – способность материала к длительному воздействию

высоких температур. Выделяют огнеупорные (1 588–1 770 °С), высокоогне-

упорные (1 770–2 000 °С) и высшей огнеупорности (более 2 000 °С) материа-

лы и изделия. По химико-минералогическому составу огнеупорные материа-

лы классифицируют на несколько групп (табл. 5.8

Таблица 5.8

Классификация огнеупоров по химико-минералогическому составу

Группа

Что входит

Состав

1. Кремнеземистые – осно-

ва SiО

Динасовые

90 SiО

Кварцевые стекла

> 99 % SiO

2. Алюмосиликатные – ос-

нова A1

, и SiO

Полукислые

70–80 % SiO

, и < 30 % A1

Шамотные

30–45 % A1

Высокоглиноземистые

45 % A1

3. Магнезиальные – основа

MgO

Магнезитовые

85 % MgO

Доломитовые

MgO : CaO = 1

Форстеритовые

MgO : CaO = 1 : 1,33

Шпинельные

MgO · А1

· Сr

4. Хромистые – основа Сr

и MgO

Хромитовые

30 % Сr

Хромомагнезитовые

10–30 % Сr

и 30–40 % MgO

5. Углеродистые – основа

углерод

Графитовые

30–60 % С

Угольные

70–90 % С

Карборундовые

На основе SiC

По характеру химической активности оксида – основы огнеупора –

выделяют кислые (SiO

), нейтральные (А1

) и основные (MgO, CaO) огне-

упоры. Выбор огнеупора определяется свойствами расплава, который с ним

5. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ МЕДИ И НИКЕЛЯ

5.1. Классификация рудного сырья



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

206

находится в контакте. Если расплав имеет кислые свойства, то применять

следует кислые огнеупоры; в противном случае вследствие химического

взаимодействия огнеупор будет разрушаться. При эксплуатации огнеупорные

материалы часто испытывают резкие смены температур. Способность огне-

упоров без разрушения противостоять резким колебаниям температуры на-

зывают термической стойкостью.

Важным рабочим свойством огнеупоров является способность сохра-

нять при эксплуатации первоначальную форму и объем. Изменения этих па-

раметров в течение всего срока службы должны быть минимальными.

Кроме перечисленных, в некоторых металлургических агрегатах важ-

ное значение имеют такие свойства огнеупоров, как пористость, теплопро-

водность, электропроводность. Огнеупоры относятся к дорогостоящим мате-

риалам, поэтому при их выборе учитывают стоимость. Если принять стои-

мость шамота за единицу, то относительная стоимость других огнеупоров

приблизительно следующая:

шамотные – 1,0;

динасовые – 1,1–1,2;

магнезитовые – 1,4–1,6;

хромомагнезитовые – 1,2–1,4;

высокоглинозёмистые – 5–9;

карборундовые – 15–30.

Высокая стоимость огнеупоров должна компенсироваться большим

сроком службы. В металлургии огнеупорные материалы используют в виде

штучных изделий (кирпичи, блоки), огнеупорных растворов, обмазок и за-

сыпки.

Флюсы – минеральные добавки для получения шлаков с оптимальными

свойствами. В качестве флюсующих добавок используют, как правило, кварц

и известняк.

Кварц – кислый флюс (SiO

). Кроме кремнезема, в кварце могут при-

сутствовать оксиды: Fe

, CaO, А1

и др. Этот флюс часто содержит бла-

городные металлы. Содержание SiO

колеблется от 60 до 95 % . Кварцевый

флюс применяют при избыточном содержании в сырье основных оксидов

(CaO, FeO).

Основной флюс – известняк СаСО

. Флюсующим компонентом служит

СаО, который образуется при диссоциации карбоната, при температуре

900–1 000 °С. Используют известняки, содержащие 45–52 % СаО; остальное –

примеси (MgO, SiO

, Fe

). Этот флюс применяют при переработке шихт с

большим содержанием кремнезема. Большие добавки флюсов в пирометал-

лургических процессах приводят к увеличению выхода шлаков, энергетиче-

ских затрат, снижению производительности агрегатов. Поэтому их расход

должен быть оптимальным.

5. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ МЕДИ И НИКЕЛЯ



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

207

Конечной задачей металлургии меди и никеля, как и любого другого

металлургического производства, является получение металлов из перераба-

тываемого сырья в свободном металлическом состоянии или в виде химиче-

ского соединения. В практических условиях эта задача разрешается с помо-

щью специальных металлургических процессов, обеспечивающих отделение

компонентов пустой породы от ценных составляющих сырья.

Получение металлической продукции из руд, концентратов или других

видов металлсодержащего сырья – задача достаточно трудная. Она сущест-

венно усложняется для медных и никелевых руд, которые, как правило, яв-

ляются сравнительно бедным и сложным по составу полиметаллическим

сырьем. При переработке такого сырья металлургическими способами необ-

ходимо одновременно с получением основного металла обеспечить ком-

плексное выделение всех других ценных компонентов в самостоятельные то-

варные продукты при высокой степени их извлечения.

Для получения металлов достаточно высокой чистоты из сложного по-

лиметаллического сырья с высокой степенью комплексности его использова-

ния недостаточно применить один металлургический процесс или один ме-

таллургический агрегат. Эта задача до настоящего времени реализуется в

практических условиях за счет нескольких последовательно проводимых

процессов, обеспечивающих постепенное разделение компонентов перераба-

тываемого сырья.

Весь комплекс применяемых металлургических процессов, подготови-

тельных и вспомогательных операций формируется в технологическую схему

участка, отделения, цеха или предприятия в целом. Для всех медных и никеле-

вых предприятий характерны многоступенчатые технологические схемы.

В основе любого металлургического процесса лежит принцип перевода

обрабатываемого сырья в гетерогенную систему, состоящую из двух, трех, а

иногда и более фаз, которые должны отличаться друг от друга составом и

физическими свойствами. При этом одна из фаз должна обогащаться извле-

каемым металлом и обедняться примесями, а другие фазы, наоборот, обед-

няться основным компонентом. Различия некоторых физических свойств по-

лучающихся фаз (агрегатного состояния, плотности, взаимной смачиваемо-

сти, летучести и т.п.) обеспечивают хорошее отделение их друг от друга

простейшими приемами: отстаиванием или фильтрованием.

Переработку медного и никелевого сырья можно проводить с исполь-

зованием как пиро-, так и гидрометаллургических процессов. В промышлен-

ной практике металлурги имеют дело фактически с комбинированными тех-

нологическими схемами, включающими обе разновидности металлургиче-

ских методов, как правило, с преобладанием одной из них, что и определяет в

конечном итоге наименование технологии.

5. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ МЕДИ И НИКЕЛЯ

5.2. Принципы и методы получения меди и никеля



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

208

Технологические схемы действующих предприятий по производству

меди и никеля в каждом случае имеют свои специфические особенности, свя-

занные с видом перерабатываемого сырья, применяемым металлургическим

оборудованием, источниками тепловой энергии и с рядом других местных

условий. Однако все они близки по своей структуре и укладываются в рамки

принципиальных технологических схем.

С учетом разновидностей перерабатываемых медных и никелевых руд

в настоящее время в промышленности используют три принципиальные пи-

рометаллургические схемы.

Современная пирометаллургия меди, несмотря, на принципиальную

общность используемых различными предприятиями технологических схем,

предусматривает несколько вариантов (I-IV) ее практического осуществле-

ния (рис. 5.3

Как следует из этой схемы, технология получения черновой меди ха-

рактеризуется многостадийностью (за исключением варианта IV, предусмат-

ривающего непосредственную плавку концентратов на черновую медь).

В каждой из последовательно проводимых технологических операций

постепенно повышают концентрацию меди в основном металлсодержащем

продукте за счет отделения пустой породы и сопутствующих элементов,

главным образом железа и серы. На практике удаление железа и серы осуще-

ствляют за счет их окисления в три (обжиг, плавка, конвертирование), в две

(плавка, конвертирование) или в одну стадию.

Плавку на штейн медных руд и концентратов – основной техно-

логический процесс – можно проводить практически любым видом рудных

плавок. В современной металлургии меди для ее осуществления используют

отражательные, рудно-термические (электрические) и шахтные печи, а также

автогенные процессы нескольких разновидностей.

Переработку окисленных никелевых руд пирометаллургическим мето-

дом осуществляют на металлический никель с промежуточным получением

штейна или на ферроникель.

Принципиальная технологическая схема получения огневого никеля из

окисленных руд приведена на рис. 5.4

. Как показано на рис. 5.4, технология

переработки окисленных никелевых руд включает, по существу, те же техно-

логические процессы, что и в пирометаллургии меди: плавку на штейн, кон-

вертирование и окислительный обжиг. Однако их назначение, а также место

в технологии отличаются.

5. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ МЕДИ И НИКЕЛЯ

5.2. Принципы и методы получения меди и никеля



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

209

Медная руда

Обогащение

Медный концентрат Хвосты В отвал

Обжиг Дутьё

Огарок Газы

I II

III Дутьё

Флюсы В производство Дутьё Флюсы

Плавка на штейн Плавка на черновую медь

Газы Штейн Шлак Шлак Газы

В производство В отвал На обеднение На переработку

Дутьё Кварц

Конвертирование

Газы Конвекторный

шлак

В производство

Черновая медь

Восстановитель Воздух

Огневое рафинирование

Анодная медь

Электролитическое рафинирование

Шламы Катодная медь

На извлечение Au, Ag, Se, Te К потребителю

Рис. 5.3. Принципиальная технологическая схема пирометаллургии меди

5. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ МЕДИ И НИКЕЛЯ

5.2. Принципы и методы получения меди и никеля



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

210

Рис. 5.4. Принципиальная технологическая схема переработки ОНР