Теоретические основы процесса конвертирования медно-никелевых штейнов

Руда с низким содержанием металлов подвергается переработке на обогатительной фабрике в городе Заполярном. Полученный медно-никелевый сульфидный концентрат поступает в цех обжига, также расположенный в Заполярном. Обожженные окатыши поступают на рудную электроплавку в плавильный цех в поселке Никель. В сернокислотном цехе перерабатывают газы конверторного передела, содержащие в среднем 3% диоксида серы.

Богатые сульфидные медно-никелевые руды перерабатываются по схеме прямой селективной флотации с последовательным получением медного, никелевого, пирротинового концентратов и отвальных хвостов. Далее производится плавка.

  Конвертирование штейнов — один из основных металлургических процессов в производстве меди и никеля. Конвертерный передел является частью плавильного цеха. В нем размещаются конвертеры - агрегаты, в которых перерабатывается медно-никелевый штейн, поступающий из рудно-термических и обеднительных электропечей. Целью конвертерного процесса является удаление из штейна практически всего железа и получение продукта, который называется файнштейном. В файнштейн с возможной полнотой должны быть извлечены никель, медь, кобальт, благородные (платина, рутений, родий, иридий, осмий) металлы.

       В конверторах расплавленный штейн продувают воздухом в присутствии вводимого в конвертер кварцевого флюса. Образующее при продувке закисное железо FeO взаимодействует с кварцем флюса, образуя силикат типа фаялита [(FeO)₂ґSiO₂].

       В операции конвертирования получают три конечных продукта: файнштейн; конверторный шлак и запыленные отходящие газы, содержащие сернистый ангидрид (SO₂).

       Конверторный шлак направляют на операцию обеднения для обеспечения более высокого извлечения ценных металлов в файнштейн.

       Конверторные газы после очистки от пыли, поступающей в оборот, выбрасывают в атмосферу или передают на сернокислотный завод для получения серной кислоты.

       Файнштейн далее поступает на операцию разделения никеля и меди.    

       Сульфиды железа, кобальта, никеля и меди, из которых в основном состоит штейн, каждый в отдельности, при температуре конвертирования (1200С-1300^oС) обладает высоким сродством к кислороду. Это означает, что каждый сульфид способен активно окисляться кислородом по следующим реакциям:

FeS+0,5ґO₂ =FeO+SO₂  ;

CoS+0,5ґO₂=CoO+SO₂ ;

Cu₂S+0,5ґO₂=2ґCu+SO₂ ;

2ґCu+0,5ґO₂=Cu₂O ;

Ni₃S₂+1,5ґO₂=3ґNiO+2ґSO₂.

       Высокое сродство к кислороду при температурах конверторного процесса имеют также свободные металлы - железо, кобальт, никель и медь - и поэтому, они каждый в отдельности, весьма, активно взаимодействуют с кислородом.

       При совместном присутствии в расплаве металлы и сульфиды окисляются не одновременно, а в определенной последовательности в соответствии с величинами их сродства к кислороду или сере.

Продувка штейнов

А) не содержащих свободных металлов.

       При продувке воздухом медно-никелевого штейна, не содержащего свободных металлов, в начале кислородом воздуха будет окисляться наиболее активная составляющая расплава FeS по реакции FeS+0.5ґO₂ =FeO+SO₂ .

Находящийся в расплаве FeS защищает сульфиды Со, Ni и Cu от окисления, так как обменные реакции MeO+FeS=MeS+FeO, где Me означает Со, Ni, Cu, протекают слева направо. Основная реакция конвертирования неметаллизированных штейнов:

2ґFeS+3ґO₂+SiO₂= (FeO)₂ґSiO₂+2ґSiO₂ .

При конвертировании большее значение имеет процесс образования магнетита (Fe₃O₄). Магнетит образуется при конвертировании любых штейнов вследствие окислительного характера процесса.

Б) металлизированных штейнов.

       При продувке металлизированных штейнов в начале протекает следующая реакция:

2ґFe+0.5ґO₂+SiO₂= (FeO)₂ґSiO₂

Только после практически полного окисления свободного железа начинает окисляться FeS, характеризующее начало периода продувки.

       Основная реакция конвертирования металлизированных штейнов:

6ґFe+3ґO₂+3ґSiO₂=3ґ(FeO)₂ґSiO₂

Тепловая работа конвертора

Конвертерный процесс осуществляется за счет тепла экзотермических реакций окисления свободного железа(Fe) и его сульфида(FeS) и ошлакования закиси железа и по этому не требует использования топлива. Основные реакции конвертирования:

6ґFe+3ґO₂+3ґSiO₂=3ґ[(FeO)₂ґSiO₂]+448800 кал

2ґFeS+3ґO₂+SiO₂= (FeO)₂ґSiO₂+2ґSO₂+246080 кал

Продувка металлизированных штейнов имеет значительно большие резервы тепла, чем продувка насыщенных серой не металлизированных расплавов. Основные данные по температурному режиму процесса конвертирования Сu-Ni штейнов:

Температура штейна рудотермических печей, ^oC…………………1100-1200

Оптимальная температура массы в конвертере в период

набора, ^oC……………………………………………………………...1220-1250

Оптимальная температура массы в конвертере в период

варки файнштейна, ^oC……………………………………………………1180

Температура, ^oC:

конвертерных шлаков…………………………………………….1150-1290

конвертерных газов………………………………………………...950-1000                 

Количество холодных присадок зависит от степени металлизации штейна и ряда факторов, связанных с емкостью конвертера и характером поведения процесса. В условиях комбината «Печенганикель» количество холодных присадок составляет 10-20 %.