Снижение потерь металлов платиновой группы при пирометаллургической переработке медных и никелевых шламов

• Актуальность темы. По запасам и производству металлов платиновой группы (MJ.iL') ЮАР и Россия занимают лидирующее положение в мире. Вклад нашей страны в мировое производство индивидуальных МПГ составляет по платине 25%, по палладию 65−70%, по родию 35−37%. Основным сырьевым источником этих металлов (до 95%) являются норильские медно-никелевые руды, технология переработки которых направлена на производство никеляи меди. Платиновые металлы при этом извлекаются попутно из электролитных пшамов медного и никелевого производства и по технологии включают обжиг, выщелачивание огарка, плавку и электролитическое растворение анодов с получением платиновых концентратов. Существующая технология обеспечивает полноценное извлечение из исходного сырья не менее 95% МПГ. Такие высокие показатели являются результатом многолетней работы специалистов научно исследовательских институтов и производственников. Заметный вклад в решение проблемы увеличения товарного выхода платиновых металлов был сделан такими выдающимися ученными как: Н. С. Курнаков, О. Е. Звягинцев, И. Н. Масленицкий, Н. С. Грейвер и др. В то же время при высокой востребованности металлов платиновой группы в современной промышленности и высокой стоимости этих металлов, дальнейшее снижение потерь МПГ представляет собой важную научно-техническую задачу.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной тематики СПГТИ (ТУ) по направлению «Новые технологии в цветной металлургии», гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) «Поддержка ведущих научных школ» РФФИ-99−03−32 541, а также в рамках программы «Поддержка ведущих научных школ» по проекту № 00−15−99 070, по теме «Разработка теоретических основ наукоемких технологий в области комплексной переработки рудного и техногенного сырья цветных, благородных и редких металлов».

Цель работы-. Совершенствование процесса плавки промпродуктов. металлургического цеха ОАО ГМК «Норильский никель» и его аппаратурного оформления с целью снижения потерь платиновых и благородных металлов.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач: о определение оптимальных шлаковых систем и химического составао экспериментальные исследования потерь благородных металлов при плавке медного и никелевого шламов', в зависимости от его химического составао многопараметрическая оптимизациясостава* шлака7 по показателям на футеровку дуговой плавильной печио экспериментальные исследования, возможности использованияв. качестве готовых флюсов шлаков обеднительных печей (ОП) Надеждинского металлургического завода (НМЗ) с учетом введения корректирующих силикатных материалово уточнение параметров плавки в опытно-промышленном масштабе.,.

Научная новизна: о экспериментально: установлено, что в интервале кислотности шлаков 1,3-И, 7- происходит увеличение размера комплексных ионов силикатнойсоставляющей, что обеспечивает снижение потерь Pd и Ag в два разао по экспериментальным, данным получено уравнение регрессии, определяющее зависимость содержания палладия в шлаке от содержания основных компонентов шлака и сплава и устанавливающая наибольшую значимость таких технологических факторов как: количество вводимых флюсов и восстановителя на показатели извлечения МПГо обосновано оптимальноесодержание восстановителя в шихте на уровне 7,5−8%, при котором выход сплава составит 50−65% при восстановительной электроплавке медных и никелевых шламов.

Практическая значимость: о Разработан технологический режим плавки, обеспечивающий снижения потерь драгметаллов с 1000 г/т до 300 г/т и рекомендуемый для внесения изменений в существующий технологический регламент процессао разработана технология оптимальной шихтовки флюсовых I материалов с использованием отвального шлака ОП НМЗ и корректирующих добавоко в результате опытно промышленных испытаний получены уточненные данные по показателям плавки медных и никелевых шламов, что позволяет использовать установленные технологические параметры ведения процесса в условиях ОАО ГМК «Норильский никель» и на предприятиях имеющих аналогичные переделы.

Предполагаемое внедрение металлургический цех Медного завода ЗФ ОАО ГМК «Норильский никель».

Основные защищаемые положения:

1. Повышение извлечения Mill' при плавке медных и никелевых шламов в печах ДСП-1.5, достигается выбором оптимального состава шлака, обладающего низкой температурой плавления, средней кислотностью и вязкостью.

2. Оптимальный состав шлака по показателям снижения потерь при восстановительной электроплавке медных и никелевых шламов обеспечивается следующим соотношением компонентов шихты при дозировке флюсов т/т шихты: отвального шлака НМЗ -0,12-Ю, 13, речного песка — 0,028-Ю, 05 и цемента — 0,025-Ю, 03.

Методы исследования. Экспериментальные методы исследования включали лабораторные и полупромышленные испытания с последующей статистической обработкой в стандартных компьютерных программах и при помощи пакета MathCAD. Анализ шлаковых расплавов выполнялся методами классического химического анализа и методом атомной-абсорбции, фазовый анализ методом рентгеновской дифрактометрии. При проведении атомноабсорбционной спектрометрии состав, шлака определялся по программе SLAK (оксидная и элементная матрицы), количество элементов определения 30, анодный сплав по программе ANNI с количеством элементов определения 48;

Апробация работыМатериалы диссертационной работы докладывались на^ конференциив Норильском индустриальном институте «Добыча, и переработка руд Норильского промышленного района» (НИИ, Норильск, 2005) — открытой научно-практической конференции молодых. специалистов (ОАО' ГМК «Норильский никель», г. Норильск, 2005) — 1 Всероссийской школеконференции «Молодые ученые — новой России. Фундаментальные., исследования в области химии и инновационная деятельность» (ИХРРАН, г. Иваново, 2005) — семинаре «Промышленные печи и высокотемпературные реакторы» (ВО «РЕСТЭК», Санкт-Петербург, 2006) — конференции «Асеевские чтения» (Санкт-Петербург,. 2006) — научно-технических конференциях молодых, ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (Санкт-Петербург, 2006, 2007) — семинарах кафедр печей, контроля и автоматизацииметаллургического производства, а также, автоматизации технологических процессов и производств С1Д XИ (ТУ).

Публикации. Результаты диссертации в полноймере: освещены в 10 опубликованных печатных работах, из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК РФ и одном учебном пособии.

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель, идея и решаемые задачи, названы основные защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость. В первой главе выполнен краткий научно-технический анализ современного состояния и перспектив развития рынка Mill'. Описаны современные способы, получения' концентратов Mill, даны основные характеристики сырьевых компонентов^, описаны физико-химические: основы-восстановительной электроплавки. Проведен обзор современных технологий получения концентратов металлов платиновой группы.

Вторая глава посвящена вопросам методики проведения исследований и обсуждению результатов эксперимента.

В третьей главе проведен анализ работы плавильного передела. Даны характеристики и состав основных видов сырья. Проанализирована работа печи. Определен фазовый и вещественный состав получаемых продуктов.

В четвертой главе приведено обоснование выбора оптимального состава шлака. Сформулированы основные требования, предъявляемые к свойствам шлака. Дано описание влияния компонентов шлака на его вязкость.

В пятой главе обоснован выбор оптимального способа подготовки шихты.

В шестой главе даны рекомендации по выбору футеровочных материалов.

Выводы содержат основные рекомендации по составу шлаков, флюсующих добавок, режиму работы печи и аппаратурному оформлению передела.

ВЫВОДЫ.

1. На основании критического анализа физико-химических свойств различных шлаковых систем были выбраны шлаки, на основе фаялита (2Fe0xSi02) и железо-кальциевого силиката (Ca0xFe0>

2. Изучено влияние физико-химических параметров шлака на извлечение благородных металлов из кеков медного и никелевого шлама и определенны параметры ведения процесса плавки такие как температура — 1300 °C, кислотность шлаков 1−2, соотношение кек огарка никелевого шлама и кек огарка медного шлама — 1,5:1,0- время плавки — 2,5−3 ч.

3. Изучено влияние полученного шлака на футеровку дуговой плавильной печи с учетом оптимального состава шихты и рекомендовано при работе на кислых шлаках использовать комбинированную футеровку печи: область контакта со сплавом — хромитопериклазовый термостойкий кирпич (ХПТ), шлаковый пояс — баделеитокорундовый кирпич (БКТ).

4. Показано, что переход на плавку с образованием кислых шлаков с использованием в качестве флюсов отвального шлака НМЗ (12—13%), речного песка (2,8−5%) и цемента (2,5−3%) при условии шихтовки материала позволяет проводить процесс при температуре 1300 °C, при этом продолжительность процесса плавки сравнительно невысока и составляет 2,5−3 часа.

5. В условиях дефицита площадей для шихтоподготовки исходных продуктов плавки была рекомендована минимально возможная схема подготовки шихты.

6. Выявлены причины, не позволяющие получать анодный сплав по содержанию железа, не соответствующий требованиям технологической инструкции и попутно решена задача значительного снижения пылевыноса, как в атмосферу плавильного отделения, так и в систему газоочистки. Причиной пылевыноса является мелкодисперсность поступающих на плавку материалов, перегрузка печи шихтой и высокое разряжение в системе газоочистки, чрезмерное развитие дугового режима.

Замечания и рекомендации по улучшению работы ЭПО МЦ—1 1. Рекомендации по рациональному составу шихты.

1.1.В' настоящее время при плавке различных материалов (медный и никелевый кеки ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель», кеки ПЭФ, кеки КГМК) технологи практически не знают хим. состав указанных продуктов по содержанию и форме нахождения примесей. При этом в процессе электроплавки не происходит нормальное ошлакование и выведение из технологического процесса примесей (мышьяк, сурьма, олово, свинец, висмут и т. д.). Необходимо провести дополнительные исследования по использованию различных флюсующих добавок в различных режимах плавки для ошлакования и выведения из технологического процесса вышеуказанных примесей.

1.2.В настоящее время первичные шлаки не анализируются в полном объеме (только на содержание палладия). Причем химанализ называется полуколичественный, который показывает содержание драгметаллов достаточно неточно. Хим. состав вторичных шлаков, %: Si02 = 15−20- А1203 = 8−10- СаО = 2−3- MgO = 30−40- Feo6uj. = 30−40. Шлак указанного хим. состава имеет высокую температуру плавления за счет высокого содержания MgO. Кроме того, окись магния образует в шлаках гетерогенную фазу, что в свою очередь ведет к образованию промежуточного слоя между шлаком и металлом и, соответственно, к еще большему росту вязкости и дополнительным потерям металлов. Рабочая температура шлаков ЭПО составляет 1530−1570°С. Кислотность получаемых шлаков (отношение суммы массовых долей кислотных окислов к сумме массовых долей основных окислов) составляет величину более 0,6−0,9. Для снижения потерь драгметаллов со шлаками необходимо процесс вести на получение шлаков с кислотностью 1,1—1,3 за счет увеличения содержания окиси: кремнияи' снижения содержания, окиси магния. Кроме того, снижение тугоплавкости шлаков позволит повысить производительность существующего: оборудования- 2. Рекомендации по рациональному способу шихтоподготовки.

2.1.В настоящее: время" материалы, загружаемые на электроплавку, имеют очень низкую крупность. Кроме того*, в процессе: плавки при подплавлении откосовзагружаемых материалов происходят т.н. «обвалы» шихты. Указанные причины ведут к значительному пылевыносу. Для снижения пылевыноса при плавке следует, применить окомкование кеков: Иолучение гранулированногогматериала позволит:: • -снизить пылевынос при загрузке печей— • избежать «обвалов» откосов шихты при плавке-. • при грануляции материалов в состав шихты можно закладывать все компоненты, (кеки, флюсы, уголь), что будет способствовать, нормализации* процесса шлакообразования.

Однако^ для использования' грануляции материаловнеобходима! установка! дополнительного оборудования и, возможно, увеличение, — численности обслуживающего персонала.

Кроме того, электропечноеи электролизное отделения: обслуживает в течение одной технологической: смены один" машинист крана:. Учитывая занятость машиниста крана в электролизном', отделении старший плавильщиквынужденпри загрузке перегружать, печь (т.е. загружать одновременно в печь две бадьи материала вместо одной), что в свою очередь приводит к нарушению тепловой работы печи, образованию «обвалов» откосов шихты и, как следствие, к, повышенному, пылевыносу шихты. Поэтому для устранения указанных замечаний рекомендуется производить загрузку печи небольшими порциямино с увеличенной частотой.

3- Рекомендации по рациональному использованию существующегооборудования.

В настоящее времянаиболее узким местом при эксплуатации электропечей является шлаковый пояс. Для футеровки шлакового пояса печи используется огнеупор марки ХП. Кампания печи при использовании указанного огнеупора составляет максимально 10 суток (максимально 30 плавок). Значительно большей стойкостью к воздействию высоких температур и агрессивного шлакового расплава обладают огнеупоры плавленно-литые бадделеитокорундовые марки БК, изготовленные на основе двуокиси циркония (изготовитель — НТЦ «Бакор» г. Щербинка Московской области). По рекомендациям специалистов стойкость указанных огнеупоров составляет до 1200 плавок.

3.1.В-настоящее время футеровка летки печей производится огнеупором на растворе огнеупорной глины, кремнефтористого натрия Na2SiF6, хромомагнезитового порошка и жидкого стекла. При существующих температурах шлака и металла огнеупорная' глина и порошок Na2SiF6 выгорают, что приводит к выходу летки из строя и преждевременному ремонту печи. Футеровку летки необходимо выполнять из" огнеупороного растворе на основе хромомагнезитового порошкаи жидкого стекла с обязательным прогревом перед эксплуатацией. Примыкание графитового желоба к летке необходимо выполнять на огнеупорном растворе вперевязку с огнеупором, т. е. на графитовом блоке выполняется вырез под размер кирпича. При горячем ремонте летки огнеупор следует охлаждать. При размыве летки (разрушение кирпича, образование промоин, ям и т. п.) для заваривания порога следует применять смесь на основе хромомагнезитового порошка и крошки, жидкого стекла и алюминиевой пудры с обязательной сушкой и последующим сплавлением указанной смеси. Указанные предложения позволят уменьшить вероятность прогара примыкания летки печи и желоба и увеличить срок эксплуатации печи.

3.2.В настоящее время загрузка печи производится непосредственно через свод печи, что приводит к засыпанию свода различными материалами (кек огарка, первичный шлак). Это ведет к снижению теплоотдачи со свода и преждевременному разгару. Как следует из полученных результатов, свод печи необходимо постоянно держать в очищенном состоянии. Для уменьшения загрязнения свода следует установить загрузочную воронку, которая устанавливается непосредственно в отверстие свода. В случае прогара загрузочной воронки последняя демонтируется с помощью мостового крана и устанавливается новая.

3.3.В настоящее время сушка и разогрев печи после проведения ремонта производится с использованием т.н. «дереволома» и прочего мусора. Перед запуском печи в эксплуатацию футеровка практически не высушена и не прогрета. После включения электропитания печи на футеровку воздействует т.н. термический удар. Поэтому перед запуском печи в работу необходимо провести разогрев с использованием электрообогрева или природного газа. Электропитание можно включать только при достижении в печи температуры не менее 1000−1100°С. Это позволит увеличить кампанию электропечей.

4. Рекомендации по рациональному использованию вспомогательного оборудования.

4.1.В настоящее время помещение каменно-футеровочной службы ЭПО используется нерационально. Для хранения вспомогательных огнеупорных материалов в нем должны быть расположены:

• таль (электрическая или ручная);

• бочка жидкого стекла на роликах;

• растворомешалка для приготовления огнеупорных растворов;

• станок для резки огнеупоров;

• емкости для хранения огнеупорных материалов (хромомагнезитовый порошок и крошка, алюминиевая пудра, закись металлов).

Вышеперечисленное оборудование позволит более рационально использовать помещение ЭПО.

4.2.В отделении не хватает вспомогательных инструментов — ломиков, черенков для кувалд. Для ликвидации течей расплава (в частности — на примыкании желоба и летки печи) можно использовать брызгала — устройства, распыляющие в токе воздуха воду. Для нормальной работы брызгал, отбойных молотков, электродного хозяйства и т. д. давление воздуха должно быть не менее 3,0 кгс/см (реальное давление = 1,2 — 2,8 кгс/см2).

5. Рекомендации по улучшению организации производства.

5.1.В настоящее время ремонт электропечей производится крайне медленно. Это в первую очередь связано с недостаточным количеством ремонтного персонала для проведения текущих ремонтов печей. Необходимо привлекать для выполнения ремонтных работ персонал сторонних ремонтных организаций.

Ill.