Файл: Серебряный Я.Л. Электроплавка медно-никелевых руд и концентратов.pdf

шлак обедняется ценными металлами и дорабатывается почти до состава отвального.

При добавке в шихту углеродистого восстановителя (коксик, уголь) шлаки обедняются более эффективно, так как активизируется процесс восстановления ферритов и окислов металлов. Восстанов­ лению этих соединений способствует конвекционное движение шлака в ванне электропечи, обеспечивающее непрерывный «скользящий» контакт шлаковых масс с восстановителем. При взаимодействии восстановителя со шлаком в первую очередь будут восстанавливаться окислы меди, никеля, кобальта и железа. Но поскольку окислов железа в шлаке больше, чем окислов других металлов, то преиму­ щественно будут восстанавливаться окислы железа. В результате получается металлический сплав, состоящий в основном из железа. Этот сплав растворяется в штейне и образуется так называемый металлизированный штейн. Взаимодействие шлака с углеродистым восстановителем может быть представлено следующими взаимосвя­ занными реакциями:

(Ме0)шл + С0 = [Ме]спл + С02; С + СОо = 2СО.

Здесь символом Me обозначен любой из металлов: Ni, Си, Со, Fe. Соединения, находящиеся в шлаковой фазе, заключены в круг­ лые скобки, в штейновой и металлической — в квадратные. При прохождении капелек сплава и металлизированного штейна через шлаковый слой происходит восстановление окислов меди, никеля и кобальта металлическим железом штейна согласно реакции:

(МеО)шл + [FeCT= [Ме]спл + (FeO)mjl.

Восстановленные металлы растворяются в штейне и, реагируя с сульфидом железа, переходят в сульфидную форму согласно урав­ нению

[Ме}спл + [FeS] = [МеБ]шт + [Fe]"eT.

Таким образом, при введении в шихту электроплавки коксика восстановление цветных металлов шлака осуществляется как не­ посредственно углеродистым восстановителем, так и металлическим железом. Причем основная масса окислов восстанавливается метал­ лическим железом штейна. Наибольший эффект обеднения шлаков от добавки восстановителя в шихту электроплавки получается при переработке обожженного материала (агломерата, окатышей), со­ держащего легковосстановимые окислы железа. Вопросы обеднения шлаков более подробно изложены в § 30.

58

Г л а в а /У

П Р О Д У К Т Ы Э Л Е К Т Р О П Л А В К И М Е Д Н О -Н И К Е Л Е В Ы Х Р У Д

И К О Н Ц Е Н Т Р А Т О В

Продуктами электроплавки сульфидных медно-никелевых руд и концентратов являются штейн, шлак, газы и пыль. Штейн — про­ межуточный продукт металлургического производства, направляе­ мый на дальнейшую переработку в конвертерный передел; шлак — отвальный продукт, поскольку содержание металлов в нем незначи­ тельно. Газы очищают от пыли и выбрасывают в атмосферу, а улов­ ленную пыль возвращают в плавку.

§ 10. Штейн

Штейн электроплавки сульфидно-никелевых руд и концентратов состоит в основном из сульфидов никеля (Ni3S2), сульфидов меди (Cu2S) и сульфидов железа (FeS). Кроме того, в состав штейна вхо­ дит сульфид кобальта и некоторое количество свободных металлов или их сплавов. В заводских штейнах, как правило, растворено не­ значительное количество золота, серебра, платиноидов. В штейне могут частично растворяться и компоненты шлака: окислы железа, кремния, магния и т. д.

Суммарное содержание никеля и меди в штейнах электроплавки составляет 13—25%, серы— в пределах 22—27%. Этого количества серы недостаточно для связывания в сульфидную форму всех содер­ жащихся в штейне металлов. Из-за недостатка серы часть металлов (главным образом железо) растворена в штейне в элементарном виде или в виде окислов типа Fe3Ö4.

Содержание свободных металлов в штейне зависит от состава шихты. При электроплавке необожженного сырья без добавки вос­ становителя в медно-никелевых-щтейнах дефицит серы незначителен, поэтому в них очень мало металлического железа (1—2%). Прак­ тически можно считать, что такие штейны не металлизированы. При электроплавке руды и обожженных окатышей (30% от массы шихты) с добавкой восстановителя (2—2,5%) содержание металли­ ческого железа в штейне составляет 8— 10%. Особенно значителен дефицит серы в штейне, полученном при электроплавке малосерни­ стого (4—6% S) агломерата с добавкой 1,5—2% восстановителя. В этом случае содержание растворенного в штейне металлического железа возрастает до 17% (при содержании серы —23%). Такой штейн сильно металлизирован. При плавке агломерата с содержа­ нием серы 8— 10% степень металлизации штейна составляет 8—12%.

Химический состав заводских медно-никелевых штейнов элек­ троплавки приведен в табл. 10.

При электроплавке сульфидных медно-никелевых руд и концен­ тратов полнота разделения штейна и шлака зависит от разницы их плотностей. Чем больше эта разница, тем совершеннее разделение.

59

Таблица ІО

Примерный химический состав, %, медно-никелевых штейнов электроплавки

Плотность штейнов зависит от плотности и содержания состав­ ляющих его сульфидов. Плотность FeS—-4,6 г/см3, Ni3S2—5,3, Cu2S — 5,7 г/см3. Чем беднее штейн, т. е. чем больше в нем FeS, тем меньше его плотность. Плотность твердых заводских штейнов обычно равна 4,6—5,0 г/см3. Плотность расплавленных штейнов несколько меньше, так как при расплавлении объем штейна увеличи­ вается за счет растворения в нем определенного количества серни­ стого газа.

Температура плавления штейна, как и плотность, определяется содержанием составляющих его сульфидов. Температура плавления сульфида никеля 790° С, сульфида меди 1130° С, сульфида железа 1187°С. Таким образом, самый легкоплавкий компонент штейна Ni3S3, а самый тугоплавкий FeS. Заводские штейны плавятся при тем­ пературах, лежащих между температурами плавления отдельных сульфидов. Чем больше в штейне легкоплавкого сульфида никеля, тем ниже его температура плавления, и наоборот, с увеличением содержания сульфида железа повышается температура плавления штейна. Так, двойной сплав, состоящий из 10% Ni3S2 и 90% FeS, плавится при 1050° С. При содержании в сплаве 20% Ni3S2 и 80% FeS плавление наступает при 1000° С.

Температура плавления заводских штейнов лежит в пределах 1000—1050° С. Однако из-за специфических особенностей электро­ плавки штейн выпускают из печи перегретым до 1150—1300° С. При такой температуре он очень жидкотекуч, легко проникает в тре­ щины и неплотности огнеупорной кладки печи. Поэтому кладку печи в области штейновой ванны следует выполнять особенно тщательно.. Кроме того, перегретый штейн очень агрессивен и хорошо растворяет металлическое железо и чугун, в связи с чем штейновые желоба и ковши футеруют защитными огнеупорными материалами.

Медно-никелевые штейны обладают высокой электропроводностью, близкой к электропроводности проводников первого рода (металлов). Абсолютное значение электропроводности штейна в твердом виде составляет около 50 Ом-1-см-1.

Как следует из данных табл. 10, содержание никеля в штейнах электроплавки медно-никелевых руд и концентратов колеблется от 7 до 17%. Содержание металлов в штейне зависит от их содержания

60

вперерабатываемой шихте, от выхода штейна и извлечения металлов

вштейн при электроплавке.

Вы х о д о м штейна называется количество штейна, выраженное

впроцентах от массы проплавленной твердой шихты. Выход зави­ сит от количества серы в шихте и десульфуризации при плавке.

центах отношение убыли массы серы при плавке к ее первоначальной массе в шихте.

Чем выше содержание серы в шихте, тем больше выход штейна. При плавке не вся сера шихты участвует в штейнообразовании; часть ее удаляется в результате термического разложения высших сульфидов и взаимодействия сульфида железа с «твердым» кисло­ родом шихты. Для уяснения понятия десульфуризации рассмотрим следующий пример: в 100 кг шихты электроплавки содержалось 15 кг серы. При плавке шихты в штейн перешло 13 кг серы. Десульфу­ ризация в процессе плавки составит:

Л=Іі.юо = із,зо/0.

Чем больше серы выгорает и растворяется в шлаке при плавке, тем больше десульфуризация. При этом выход штейна уменьшается, но содержание в нем никеля и меди увеличивается — штейн ста­ новится богаче. При электроплавке руд и необожженных концентра­ тов десульфуризация составляет 15— 18%, при плавке агломерата с добавкой восстановителя 2—5%.

В зависимости от содержания серы в перерабатываемой шихте выход штейна при электроплавке' находится в пределах 20—40% от массы твердой шихты. Так, при плавке агломерированного кон­

плавки называется отношение количества металла, перешедшего

вданный продукт плавки, к количеству металла, содержавшемуся

висходной шихте. При электроплавке извлечение никеля в штейн составляет примерно 96—97%, меди 95—97%, кобальта 75—80%.

§ 11. Шлак

При рудной электроплавке основные физико-химические превра­ щения материалов протекают в шлаковой ванне электропечи. Именно здесь за счет тепла шлаковой ванны плавится шихта, образуются штейн и шлак и оба продукта разделяются по плотности.

Для правильного представления о характере физико-химических процессов, протекающих в печи, и для управления этими процессами необходимо знание основных свойств шлака. Опираясь на знание важнейших свойств шлака, металлурги стремятся так составить щихту электроплавки, чтобы получить шлаки оптимального состава.

'61

Оптимальный состав шлака обеспечивает высокие технико-экономи­ ческие показатели электроплавки: минимальные потери ценных ме­ таллов с отвальными шлаками, низкий расход электроэнергии на плавление шихты, высокую производительность электропечи при малой затрате вспомогательных материалов и средств.

При злектроплавке в шлак переходят окислы пустой породы, руды, концентратов, оборотных материалов (конвертерные шлаки) и флюсов. Выход шлака при электроплавке медно-никелевых руд и концентратов в зависимости от состава исходного сырья и количества заливаемого конвертерного шлака составляет 70—112% от массы твердой шихты.

Основу шлаков электроплавки медно-никелевых руд и концен­ тратов составляют кремнезем S i0 2, закись железа FeO, окись маг­ ния MgO, глинозем А1,03 и окись кальция СаО. Суммарное содер­ жание в шлаке этих пяти окислов составляет 97—98%, поэтому они определяют свойства шлака. Кроме них, в шлаках содержится не­ большое количество магнетита Fe30 4 и других ферритов, а также сульфидов и окислов ценных металлов.

Содержание ценных металлов в шлаке зависит от состава штейна, шлака, его температуры, условий ведения технологического про­ цесса и обычно составляет 0,06—0,2% Ni, 0,03—0,10% Cu, 0,025— 0,040% Со.

Образующие шлак окислы по своим свойствам разделяются на кислотные (SiO,, Fe20 3), основные (FeO, MgO, CaO) и амфотерные (АК03). Амфотерными называются такие окислы, которые в одних условиях ведут себя как основные, в других — как кислотные. При высоком содержании в шлаках кремнезема глинозем играет

Избыток кислотных окислов делает шлаки кислыми, а избыток ос­ новных — основными.

К числу важнейших свойств шлака, оказывающих влияние на технологические показатели электроплавки, относятся: температура плавления, вязкость, электропроводность, плотность, величина по­ верхностного натяжения.

Т е м п е р а т у р а п л а в л е н и я ш л а к а в значительной мере определяет скорость плавления шихты и, следовательно, про­ изводительность печи. Следует несколько подробнее остановиться на этом понятии, поскольку оно отличается от аналогичного понятия для металла. В физике температурой плавления называется темпе­ ратура, при которой вещество переходит из твердого состояния в жидкое. Для металлов температура плавления является строго определенной: например, температура плавления никеля 1455°С.

62