CC BY
61ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ СИЛИКАТНЫХ
НИКЕЛЬКОБАЛЬТОВЫХ РУД
Жатканбаев Е.Е.1, Жатканбаева Ж.К.2, Жакиенова А.Т.3
1доктор технических наук, 2кандидат химических наук, доцент,
3магистрант 2 курса, Евразийский национальный университет им. Л.Н.Гумилева (Астана), Республика Казахстан THE REVIEW OF THE EXISTING TECHNOLOGIES OF PROCESSING SILICATE NIKEL-KOBALTORES
E.E. Zhatkanbaev1, Zh.K. Zhatkanbaeva2, A.T. Zhakienova3, 1Doctor of Technical Sciences, 2Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, 3Candidate for a Master's Degree, L.N. Gumilyov Eurasian National University (Astana), Republic of Kazakhstan
АННОТАЦИЯ
Никель играет важную роль в машиностроении и создании военной техники; практически все стали легируются никелем и другими металлами для получения более прочных, жаростойких, коррозионно-устойчивых сталей и чугунов. В мире существует много способов переработки никеля. В основном это пирометаллургические методы. В данной статье рассмотрены обзор всех существующих способов технологий переработки силикатных никель-кобальтовых руд.
ABSTRACT
Nickel plays an important role in mechanical engineering and creation of military equipment; practically all steel are alloyed by nickel and other metals for receiving more durable, heat-resistant, corrosion-resistant steel and cast iron. There are many ways of processing of nickel in the world. Generally it is igneous metallurgy
methods. In this article are considered the review of all existing ways of technologies of processing silicate nickel -cobalt ores.
Ключевые слова: никель; кобальт; выщелачивание; гидрометаллургия; пирометаллургия; штейн.
Keywords: leaching, nickel, cobalt, degree of extraction, hydrometallurgy; igneous metallurgy; matte.
В мировых подтвержденных запасах доля сульфидных никелевых руд составляет 33%, доля окисленных никелевых руд - 66%, и 0,7% - в прочих.
Казахстан входит в число стран, обладающих значительными запасами никеля, представленными, главным образом, окисленными никелевыми рудами. Суммарные подтвержденные запасы никеля в Казахстане по состоянию на 2011 год оцениваются в 1,5 млн. тонн, что составляет 1,5-2,0% от общемировых запасов. Однако добыча переработки никелевых руд в Казахстане не ведется [1]. Как известно, переработка окисленных никелевых руд (ОНР) сопряжена с рядом трудностей, напрямую влияющих на экономические характеристики предприятий на основе многих традиционных и недавно разработанных
_Заводы мира, перерабатывающие окислен
процессов переработки данных руд. В связи с чем, главной проблемой является разработка осуществимой технологии с позиций не только технологии, но и экономики, придав дополнительный стимул развития горнорудной отрасли Казахстана.
Целью данной работы является поиск экономически и технически - выгодных технологий добычи и переработки никелевых руд, за счет патентной проработки и анализа литературных данных.
Из 38 никелевых предприятий мира в 1997 году 17 завода перерабатывали окисленные никелевые руды, из них 13 заводов ведут плавку на ферроникель, используя преимущественно магнезиальные руды и только 4 завода плавят руду на штейн (табл.1).
Таблица 1
ные никелевые руды по различным схемам_
Страна, фирма Завод, год пуска, ре-конструкции Годовая мощность, тыс. т Ni Содержание в руде, % Принципиальная технологическая схема Извлечение на стадии вскрытия. % Содержание в черн-м продукте, % Выпускаемая продукция, содержание Ni или Ni+Co
i o e
Электроплавка на ферроникель
Новая Каледония, «Сосьете ле никель» Даниамбо, 1958 75 2,8 (Ni+Co) 10 15 1. Способ «Элкем»: сушка, восстановительный обжиг в трубчатой печи, электроплавка на Fe-Ni, рафинирование 2. Сульфидирование части Ре-№; конвертирование. 90 93 (Ni +C o) 2225 (Ni +Co ) ферроникель 25% Ni+Co файнштейн 78% Ni
Страна, фирма Завод, год пуска, ре-конструкции Годовая мощность, тыс. т N1 Содержание в руде, % Принципиальная технологическая схема Извлечение на стадии вскрытия. % Содержание в черн-м продукте, % Выпускаемая продукция, содержание N или №+Со
1 О е
Доминиканская Республика «Фол-кондо» Бонао, 1971 32 1,6 - 15 Сушка, брикетирование, восстановление в шахтной печи, электроплавка, рафинирование. - - ферроникель 32-40% №+Со
Япония, «Па-сифик металз» Хатинохе, 1967 41 2,3 - 15 Сушка, окатывание, восстановительный обжиг, электроплавка рафинирование в вертикальном кислородном конвертере Калдо С^С) - - ферроникель 20-30%% №+Со
Колумбия, «Биллитон» Серро-Ма-тосо, 1982 24 2,9 - 13 Сушка, восстановительный обжиг в трубчатой печи, электроплавка, вакуумное рафинирование - - ферроникель 42% №+Со
Греция «Ларко» Ларимна, 1967 27 1,7 - 37 Сушка в дробильной аппаратуре, восстановительный обжиг в трубчатой печи, электроплавка рафинирование в кислородном конвертере, обогащение части FeNi до 90%, электролиз. - ферроникель 25-30% №+Со электролитный никель
Югославия, Косово Ферроник, 1984 12 1,2 - - Восстановительный обжиг в трубчатой печи электроплавка, конвертирование - - ферроникель
Получение крицы
Япония, Нип-пон Якин Комо Ояма, 1952 14 2,53 - 10 20 Сепарация руды в воде, сушка, брикетирование, кричный процесс в трубчатой печи, магнитная сепарация. - - Крица 24% №+Со
Германия Сент-Эги-диен, остановлен. - - - - Крич. проц. в трубчатой печи, магнитная сепарация, плавка и рафинирование с верхним воздушным дутьем - - ферроникель 50% №+Со
Электроплавка на штейн
Индонезия, о. Сулавеси (Целебес) ИНКО Сороако, 1978 45 2,0 0,05 19 Сушка, восстановление и сульфидирование в трубчатой печи, электроплавка на штейн, конвертирование N1-94 Со 54 - файнштейн 78% N1, 1% Со
Шахтная плавка на штейн
Россия, Орск «Южурал-никель», 1938 45 1,1 0,040,06 17 Агломерация, шахтная плавка на штейн, конвертирование, обжиг файн-штейна, электроплавка закиси никеля 15 17 0,3 30,7 4 Огневой кобальт, соли
Россия, Верхний Уфалей «Уфалей-никель», 1933 14 1,1 0,03 5 22 Сушка, брикетирование, плавка на штейн, конвертирование, обжиг, электроплавка закиси никеля - - Огневой кобальт
Россия, Реж Режский никелевый завод, 1936, 1970 6 1,2 - 14 1. Сушка, брикетирование, плавка на штейн 2. электроплавка. вторичного никевого сырья - - 1. штейн 2. ферро№, 30-40% N1
Производство никеля базируется на переработке двух видов сырья - сульфидных и окисленных руд. Богатые сульфидные медно-никелевые руды с содержанием никеля более 1% при отношении никеля к меди не менее 1:1 и с пониженным (менее 25%) содержанием железа направляются непосредственно на плавку. При содержании железа более 25% и серы более 20% богатые руды перед плавкой флотируют для разделения на медный и никелевый концентраты и вывода пирротина в отдельный продукт.
Рядовые медно-никелевые руды с содержанием никеля менее 1% обогащаются; при этом получают коллективный медно-никелевый или селективные никелевый и медный концентраты. Содержащийся в медно-ни-келевых рудах кобальт в процессе обогащения накапливается в медно-никелевом, медном и никелевом концентратах. Вредными примесями сульфидных медно-никеле-вых руд являются цинк, свинец и мышьяк; их предельные содержания устанавливаются техническими условиями [2].
Силикатные никелевые руды по комплексу рудооб-разующих минералов разделяются на два технологических типа: железистые (охристые, лептохлоритовые, гема-титовые) и магнезиальные (серпентиниты с никелевыми силикатами). Все силикатные руды подвергаются непосредственному металлургическому переделу: железистые — гидрометаллургическим (при содержании магния менее 3 %) или пирометаллургическим методами, магнезиальные — только пирометаллургическим [3].
Преимущество сульфидных руд - их сравнительно легкая обогатимость. Окисленные же никелевые руды тонко минерализованы и практически не обогащаются. Это предопределило вовлечение в производство в первую очередь сульфидных никелевых руд. Но прогрессирующее истощение месторождений сульфидных руд, снижение содержания в них никеля, повышение стоимости их добычи усиливают необходимость вовлечения в производство окисленных руд. Окисленные и смешанные руды перерабатываются либо по сложным комбинированным схемам, включающим сульфидизацию окисленных минералов и флотацию получаемого материала, либо гидрометаллургическим способом — путем химического выщелачивания металлов и последующего их осаждения.
Исторически магнезиальные руды были первыми рудами, которые перерабатывались пирометаллургиче-скими способами. В мировой практике по переработке окисленных никелевых руд около 80% заводов действует по пирометаллургическим и 20% по гидрометаллургическим схемам, а также их сочетание с обязательной предварительной подготовкой исходного сырья к дальнейшему технологическому процессу.
Это необходимо для устойчивой работы металлургических агрегатов и получения положительных технико-экономических показателей.
Пирометаллургические процессы включают методы:
а) восстановительно-сульфидирующую плавку руд на штейн с последующей переработкой на металлический никель при 1300 - 1400 °С [4,5];
б) восстановительную плавку руд на никелистый чугун или ферроникель при 1500 - 1700 °С [6,7];
в) способ прямого восстановления руды кричным процессом (получение мелких зерен ферроникеля-крицы) в трубчатых печах [8,9]. Перерабатываемая силикатная (окисленная) никель-кобальтовая шихта должна иметь постоянный химический и гранулометрический состав. Она должна быть тщательно перемешана и в достаточной мере обезвожена. В шихту вводятся сульфидизирующие добавки -гипс или пирит, а в качестве флюса, связывающего избыток кремнезема руды, используют известняк, расход которого составляет 20-30% от массы руды.
Исторически сложилось так, что открытие в 1865 году окисленных никелевых руд в Новой Каледонии положило начало мировому развитию производства никеля и силикатных окисленных руд, которое осуществлялось в шахтных печах при плавке на штейн на заводах в Дониа-мбо. Эта технология переработки силикатных никелевых руд в дальнейшем значительно модифицировалась и была принята на вооружение во многих странах мира (США, Япония и другие). Однако, не смотря на усовершенствования этой технологи, шахтная плавка на штейн - экологически грязный процесс: 80% серы, поступающей с сульфидизатором, выбрасывается в атмосферу, т.к. ее утилизация из-за низкой концентрации в отходящих газах нерентабельна.
В 1928г. В Яте (Новая Каледония) впервые в промышленном масштабе осуществили плавку окисленной силикатной руды на ферроникель в трехфазных дуговых электропечах. Сырьем для плавки служила никелевая руда, содержащая 2-3% 0,1-0,2% Со; 32-39% SiO2. В зависимости от содержания Мg0 руда сортировалась на два класса: маломагнезиальный и магнезиальный, из которых первый направлялся на шахтную плавку на старый завод в Дониамбо для получения штейна, а второй на электроплавку. На новом заводе в Дониамбо при плавке в электропечи был получен ферроникель состава, %: (№+Со)20-23; Si 2-4; С 1,8-2,2.
Достоинства шахтной плавки на штейн:
- на порядок, превосходящий электроплавку удельный проплав руды;
- более высокий тепловой к.п.д. печи за счет низкой температуры отходящих газов;
- относительная простота получения товарного никеля из штейна;
- возможность отделения кобальта от никеля и выдачи его товарным продуктом.
Основными недостатками являются многостадий-ность схемы и низкое извлечение металлов.
При плавке на ферроникель почти повсеместно применяют способ норвежской компании «Элкем», заключающийся в предварительном нагреве и частичном восстановлении руды во вращающихся трубчатых печах и электроплавке горячего огарка в дуговых электропечах переменного тока. При этом из богатых руд (1,3-2,5% N0 получают черновой сплав с содержанием 15-35% и извлечением 88-95% (№+Со), из бедных руд (0,96% - сплав с содержанием 4,0% (№+Со) при извлечении до 90% (№+Со). Черновой ферросплав подвергают внепечному рафинированию с выдачей товарного гранулированного ферроникеля, содержащего кобальт. Способ
выгодно отличается от плавки на штейн короткой схемой, более высоким (на ~15%) извлечением металлов в товарный продукт. Основным недостатком является неотделимость кобальта от никеля [10].
Компанией «Минтек» (ЮАР, 2004 г.) разработан и испытан на рудах Шевченковского месторождения метод электроплавки в печах с постоянным током. Получены удовлетворительные технологические и экономические показатели и метод принят в ТЭО кондиций по Шевченковскому месторождению.
Получение ферроникеля в электропечах обеспечивает высокое извлечение никеля, кобальта и железа из руды и значительно упрощает технологию ее переработки по сравнению с плавкой в шахтных печах. В результате практически во всех странах практиковавших шахтную плавку окисленных никелевых руд (Новая Каледония, США, Япония, Бразилия и другие) она замена электроплавкой на богатый ферроникель. В отличие от стран дальнего зарубежья, в России электроплавку проводили на получение бедного ферроникеля, что обеспечивало наряду с извлечением никеля высокое извлечение кобальта. В настоящее время доля в выпуске никеля из окисленных руд в России сократилась в связи с разработкой сульфидных руд на предприятиях «Норильский никель», «Североникель», «Печенганикель». Тем не менее, уральские заводы осуществляют переработку окисленных силикатных руд, но по технологиям шахтной плавки на штейн с последующим конвертированием и разделением на никелевый и кобальтовый промпродукты. При этом необходимо отметить, что в Северном Казахстане имеется много залежей окисленных никелевых руд, в каждом из которых не менее 20 млн. тонн руды, но разработка их в настоящее время не ведется.
Несмотря на целый ряд преимуществ электроплавки (высокая производительность и извлечение металлов и другие) перед другими видами плавки, основным недостатком переработки окисленных силикатных руд на ферроникель, является отсутствие селективного извлечения ценных металлов в самостоятельные товарные продукты.
Для окисленных никелевых руд кричный процесс не нашел распространения главным образом благодаря применению электроплавки этих руд. Сложность кричного процесса заключается, в точном регулировании состава шихты по шлакообразующим оксидам, возможностью образования настылей, борьба с которым весьма затруднительна [11]. Таким образом, применение кричного процесса зависит от экономики получения и переработки крицы в товарную продукцию. Этот процесс имеет преимущество перед электроплавкой только в тех странах, где имеется дешевый малосернистый уголь и дорогая электроэнергия.
В результате, при анализе пирометаллургических методов, применяемых для переработки силикатных (окисленных) никелевых руд необходимо отметить, что выбор того или иного процесса в первую очередь зависит от состава руды:
- отношения железа к никелю в шихте, определяющего содержания никеля в ферроникеле;
- отношения кобальта к никелю в шихте определяющего необходимость извлечения кобальта, поскольку разделение близких по свойствам металлов (Ni и Со), проводят путем сульфидирования восстанавливаемой шихты, плавкой ее на штейн и последующим конвертированием штейна с концентрированием кобальта в шлаках или файнштей-нах;
- содержания тугоплавких оксидов в руде, которое определяет количество вводимых в шихту флюсов и температурный режим агрегата;
- потребности в металлах (Ni, Со, ферроникель). При этом необходимо особо отметить, что пироме-
таллургические процессы несут высокую экологическую нагрузку на окружающую среду, что немаловажно при повышенных требованиях в настоящее время к природоохранным мероприятиям.
Список литературы
1. Ковган, П. А. Перспективные технологии переработки окисленных никелевых руд / П. А. Ковган, М. Г. Абуов, А. И. Едильбаев // Цветные металлы. -2008. - №2. - С. 43-45.
2. Кривцов А.И., Самонов И.З. - Справочник по поискам и разведке месторождений полезных ископаемых.- М: Недра, 1985г. C. 174-178
3. Пешкова В. М., Савостина В. М. - Аналитическая химия никеля. - М.: Наука, 1966. - С. 5-7, 10-45, 57-62.
4. Кузьмин В. И., Гудкова Н. В. Соэкстракция катионов металлов при извлечении кобальта р-оксиокси-мами. - 2012.- С. 216-223.
5. Садырбаева Т. Ж. - Разделение кобальта(И) и ни-келя(11) жидкими мембранами на основе анионо-обменных экстрагентов в процессе электродиализа.- 2012. - C. 173-177.
6. Бондарева С. О, Муринов Ю. И., Лисицкий В. В.. Экстракция цветных металлов бис-ацилированным ди-этилентриамином // Ж. неорган. химии. - 2007. -Т.52, №5. - С. 862-865.
7. Марченко З. Фотометрическое определение элементов. - М.: Мир, 1971. - С. 268-275.
8. Coll M. T., Fortuny A., Kedari C. S., Sastre A. M.. Studies on the extraction of Co(II) and Ni(II) from aqueous chloride solutions using Primene JMT-Cyanex 272 ionic liquid extractant. - 2012. - P. 24-28.
9. Н. А. Григорьева. Экстракция никеля, цинка и кобальта в системах с бис(2,4,4-триметилпен-тил)дитиофосфиновой кислотой из сульфатных растворов переработки окисленных никелевых руд. 2011. - 20 с.
10. Бургер К.. - Органические реагенты в неорганическом анализе. - М.: Мир, 1975. - С. 141-153.
11. Coll M. T., Fortuny A., Kedari C. S., Sastre A. M.. Studies on the extraction of Co(II) and Ni(II) from aqueous chloride solutions using Primene JMT-Cyanex 272 ionic liquid extractant. - 2012. - P. 24-28.
