Способ переработки никельсодержащего железорудного сырья

Изобретение относится к черной металлургии, в частности процессам прямого получения железа и производству ферроникеля. Способ включает загрузку никельсодержащего железорудного сырья в печь металлизации, металлизацию за счет горячих восстановительных газов с температурой 1100-1400°С, получаемых в печи-газификаторе с жидкой расплавленной ванной (ПЖВ) при газификации угля и углеродсодержащих материалов с дополнительным получением в газификаторе металла-полупродукта, разбавленных холодным газом, выходящим из печи металлизации, плавление металлизованной шихты в плавильном агрегате и разделение ферроникеля и шлака в отстойнике. Для металлизации используют горячие восстановительные газы, разбавленные таким образом, чтобы кислородный потенциал смеси газов при температуре 1100°С был не менее - 345501 Дж/моль О₂ и не более - 248402 Дж/моль O₂, а плавление восстановленного концентрата проводят в плавильном агрегате за счет вдувания газа-теплоносителя с температурой более 1700°С и кислородным потенциалом при данной температуре не менее - 237164 Дж/моль O₂ и не более - 216547 Дж/моль О₂ в слой ферросплава. Изобретение позволяет получить ферроникель, содержащий более 70% никеля, удешевить процесс выплавки ферроникеля за счет снижения затрат электроэнергии и количества твердого топлива. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности процессам прямого получения железа и производству ферроникеля.

Основной способ переработки окисленных никелевых руд в России - плавка в шахтных печах на штейн с дальнейшей переработкой на никель [Коротич В.И., Набойченко С.С., Сотников А.И. и др. «Начала металлургии», Екатеринбург: УГТУ, 2000, 392 с.], при котором руду совместно с сульфидизаторами (пирит или гипс) подвергают восстановительно-сульфидирующей плавке, в ходе которой оксид никеля и частично оксид железа превращаются в сульфиды (штейн), а большая часть железа и пустая порода - в шлак. Штейн перерабатывают в конвертере, а шлак отправляют в отвал. Конвертирование штейна обеспечивает отделение от никеля оставшейся части железа. В результате конвертерной плавки получается файнштейн, который дробят, измельчают и подвергают окислительному обжигу в печах кипящего слоя (КС) до оксида никеля, который восстанавливается до чернового никеля в дуговой электропечи.

К основным недостаткам данного способа относятся: высокий расход кокса и флюса, низкое извлечение никеля и кобальта в штейн, потери железа со шлаком, большой расход электроэнергии.

Широкое распространение получил способ переработки окисленных никелевых руд в электропечи [Грань А.Е., Онищин Б.П., Майзель Е.И. Электроплавка окисленных никелевых руд. М.: Металлургия, 1971, 248 с.], предусматривающий восстановительную плавку агломерированной или предварительно подвергнутой обжигу во вращающейся печи руды.

К недостаткам данного метода можно отнести высокий расход электроэнергии, низкое содержание никеля в сплаве (менее 20%), наличие в ферроникеле углерода, кремния, хрома, для удаления которых требуется проведение дополнительных операций.

В качестве прототипа выбран способ получения ферроникеля [Пареньков А.Е., Лисиенко В.Г., Чистов В.П. и др. Способ переработки никельсодержащего железорудного сырья. Заявка №2002107340/02 от 22.03.02.], предусматривающий металлизацию никельсодержащего сырья в шахтной или трубчатой печи за счет горячих восстановительных газов, получаемых в печи-газификаторе в результате взаимодействия никельсодержащего сырья и углеродсодержащих материалов при плавке в жидкой ванне (ПЖВ), с последующей плавкой металлизованного концентрата и расплава из газификатора в дуговой электропечи.

Основным недостатком данного способа является низкое содержание никеля в сплаве, необходимость удаления таких примесей, как кремний и хром, восстанавливающихся в ходе электроплавки, и углерода, поступающего из печи металлизации и газификатора, что усложняет процесс.

Задачей изобретения является получение богатого ферроникеля, содержащего более 70% никеля, и металла-полупродукта, пригодного для получения стали. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение содержания никеля в ферроникеле.

Решение достигается следующим образом.

В способе переработки никельсодержащего железорудного сырья с получением ферроникеля, включающем загрузку никельсодержащего железорудного сырья в печь металлизации, металлизацию за счет горячих восстановительных газов с температурой 1100-1400°С, получаемых в печи-газификаторе с жидкой расплавленной ванной (ПЖВ) при газификации угля и углеродсодержащих материалов с дополнительным получением в газификаторе металла-полупродукта, разбавленных холодным газом, выходящим из печи металлизации, плавление металлизованной шихты в плавильном агрегате и разделение ферроникеля и шлака в отстойнике, согласно изобретению, при металлизации используют разбавленные горячие восстановительные газы, кислородный потенциал которых при температуре 1100°С (конечная температура восстановления в печи металлизации) был не менее - 345501 Дж/моль O₂ и не более - 248402 Дж/моль O₂, а плавление металлизированной шихты в плавильном агрегате проводят за счет вдувания газа-теплоносителя с температурой более 1700°С и кислородным потенциалом при данной температуре не менее - 237164 Дж/моль O₂ и не более - 216547 Дж/моль O₂ в слой ферроникеля, содержащего более 70% никеля.

В качестве печи металлизации можно использовать шахтную печь, вращающуюся печь, обжиговую машину, установку колосникового типа, печь КС, многоподовую печь, печь ступенчато-взвешенного слоя и т.п.

При металлизации никеля на колосниковой решетке или вращающейся печи в качестве шихты используют никельсодержащее сырье в смеси с твердым восстановителем, причем содержание углерода в шихте должно быть 1,1 от стехиометрически необходимого для полного восстановления никеля до металла и перевода железа в двухвалентное. При загрузке в печь большего количества углерода в ферросплав перейдет дополнительное количество железа, восстановленного до металла, что ухудшит качество ферроникеля, при использовании меньшего количества восстановителя уменьшится извлечение никеля, что также ухудшит показатели.

Если металлизацию никельсодержащего сырья ведут в многозонной печи КС, многоподовой печи и печи ступенчато-взвешенного слоя, перед восстановлением руда сушится в сушильном аппарате газами, поступающими из печи металлизации, и измельчается до крупности менее 1 мм (восстановление руды большей крупности требует большего времени и дополнительных энергетических затрат). В многозонной печи КС и многоподовой печи процесс металлизации в основном идет в нижних зонах восстановительными газами, а в верхних зонах руда нагревается до температуры 1100°С за счет тепла, получающегося от дожигания газов, поступающих из нижних зон при коэффициенте сгорания воздуха не более 0,9, при этом увеличивается скорость восстановления, более полно используется физическое и химическое тепло газов. При более высоком коэффициенте сгорания воздуха в нижние зоны поступает более окисленная руда, что снижает показатели восстановления.

Плавление металлизированного концентрата проводят в плавильном агрегате при температуре 1550°С за счет вдувания газа-теплоносителя с температурой более 1700°С и кислородным потенциалом при данной температуре не менее - 237164 Дж/моль O₂ и не более - 216547 Дж/моль O₂ в слой ферросплава, содержащего более 70% никеля. Использование газа-теплоносителя с кислородным потенциалом ниже минимального приводит к дополнительному переходу железа из оксидного расплава в ферроникель и снижению качества последнего, при превышении верхнего предела снижается извлечение никеля. В качестве газа-теплоносителя используют газ ПЖВ, температуру которого повышают путем его частичного дожигания с добавлением необходимого количества твердого, жидкого или газообразного топлива или путем нагрева в плазмотроне.

Для ускорения разделения ферроникеля со шлаком в отстойнике в расплав снизу через пористую пробку подают горячий газ из печи ПЖВ или подается постоянное напряжение.

На чертеже представлена схема агрегатов, реализующих предлагаемый способ.

Она содержит газификатор (печь ПЖВ) 1, печь для металлизации 2, плавильный агрегат 3, отстойник 4.

Схема работает следующим образом. В начале никельсодержащее сырье 5 восстанавливают в печи металлизации 2. В качестве такой печи можно использовать шахтную печь, вращающуюся печь, обжиговую машину, установку колосникового типа, печь КС, многоподовую печь, печь ступенчато-взвешенного слоя и т.п. Общим для процессов металлизации во всех агрегатах является то, что восстанавливаемая шихта нагревается до температур около 1100°С, нагрев шихты осуществляется газом 6, поступающим иза печи ПЖВ 1. Поскольку температура этого газа более 1600°С, а для нагрева шихты его температура должна быть 1200-1300°С, перед подачей в печь его разбавляют холодным газом 7, выделяющимся из печи металлизации. Газ-теплоноситель одновременно выполняет роль восстановителя, поэтому его кислородный потенциал при температуре 1100°С должен находиться в пределах π≥-345501 Дж/моль O₂ (что соответствует соотношению СО:CO₂=71,9:28,1 об.%) π≤-248402 Дж/моль O₂ (СО:CO₂=3,4:96,6). Регулирование его осуществляется подачей в смесь газов природного газа 8 при π≥-248402 Дж/моль O₂ и кислорода 9 при π≤-345501 Дж/моль O₂. Отличия: в шахтную печь сырье подают в виде обожженных окатышей; во вращающуюся печь подают шихту, состоящую из никельсодержащего сырья и твердого восстановителя, содержащую углерод в количестве 1,1, стехиометрически необходимого для полного восстановления никеля до металла и перевода железа в двухвалентное; для обжига на обжиговой машине и установке колосникового типа используют сырые окатыши из шихты, аналогичной по составу шихте вращающейся печи; перед подачей в многоподовую печь, в печь КС или печь ступенчато-взвешенного слоя шихта предварительно сушится и измельчается до крупности менее 1 мм. После обжига металлизованная шихта 10 при температуре 1100°С поступает в плавильный агрегат 3, где плавится при температуре 1550°С. Процесс ведут следующим образом. Вначале в плавильный агрегат заливают расплавленный ферроникель (Ni≥70%), сверху загружают концентрат. Нагрев осуществляется газом 11 из печи ПЖВ путем барботажа через слой ферроникеля. Поскольку для осуществления плавления температура газа-теплоносителя должна быть выше 1700°С, его температуру повышают путем его частичного дожигания с добавлением необходимого количества твердого, жидкого или газообразного топлива или пропусканием струи газа через плазмотрон.

Соотношение вдуваемых компонентов должно быть таково, чтобы кислородный потенциал смеси газов, подаваемых в расплав, был не менее - 237164 Дж/моль O₂ и не более - 216547 Дж/моль O₂ при температуре 1700°С. Далее расплав 12 подается в отстойник 4, где происходит разделение ферроникеля 13 и оксидного расплава (шлака) 14.

Для ускорения процесса может быть применен:

а) барботаж ванны горячим газом из печи ПЖВ;

б) электрокапиллярный эффект.

В результате имеем товарный ферроникель, содержащий более 70% никеля, и оксидный железосодержащий расплав, поступающий в печь ПЖВ, в которой происходит жидкофазное восстановление железа углеродом подаваемых туда же углеродсодержащих материалов. Продуктами плавки являются металл-полупродукт (чугун), пригодный для переработки в сталеплавильных агрегатах, восстановительные газы, используемые в предлагаемой технологии, и шлак с низким содержанием никеля и железа.

Преимуществом данного метода является получение богатого ферроникеля, цена которого на много больше цены ферроникеля прототипа, при извлечении из руды железа и никеля более чем на 90%, снижение расхода электроэнергии ввиду отсутствия восстановительной электроплавки и углеродсодержащих материалов, поскольку шихта в печь ПЖВ подается в расплавленном виде.

1. Способ переработки никельсодержащего железорудного сырья с получением ферроникеля, включающий загрузку никельсодержащего железорудного сырья в печь металлизации, металлизацию за счет горячих восстановительных газов с температурой 1100-1400°С, получаемых в печи-газификаторе с жидкой расплавленной ванной (ПЖВ) при газификации угля и углеродсодержащих материалов с дополнительным получением в газификаторе металла-полупродукта, разбавленных холодным газом, выходящим из печи металлизации, плавление металлизованной шихты в плавильном агрегате и разделение ферроникеля и шлака в отстойнике, отличающийся тем, что при металлизации используют разбавленные горячие восстановительные газы, кислородный потенциал смеси которых при температуре 1100°С составляет не менее 345501 Дж/моль O₂ и не более 248402 Дж/моль O₂, а плавление металлизированной шихты в плавильном агрегате проводят за счет вдувания газа-теплоносителя с температурой более 1700°С и кислородным потенциалом при данной температуре не менее 237164 Дж/моль O₂ и не более 216547 Дж/моль O₂ в слой ферроникеля, содержащего более 70% никеля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кислородный потенциал регулируют добавлением к смеси газов кислорода, если кислородный потенциал ниже нормы, или природного газа, если он выше нормы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при металлизации никельсодержащего сырья на колосниковой решетке или во вращающейся печи в качестве шихты используют никельсодержащее сырье в смеси с твердым восстановителем, причем содержание углерода в шихте составляет 1,1 стехиометрически необходимого для полного восстановления никеля до металла и перевода железа в двухвалентное.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при металлизации никельсодержащего сырья в многозонной печи КС, многоподовой печи и печи ступенчато-взвешенного слоя перед восстановлением руду сушат в сушильном аппарате газами, поступающими из печи металлизации, и измельчают до крупности менее 1 мм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при металлизации никельсодержащего сырья в многозонной печи КС и многоподовой печи процесс восстановления осуществляют в нижних зонах печи разбавленными горячими восстановительными газами, а в верхних зонах руду нагревают до температуры 1100°С за счет тепла, получающегося от дожигания газов, поступающих из нижних зон, при коэффициенте сгорания воздуха не более 0,9.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа-теплоносителя используют газ ПЖВ, температуру которого повышают путем его частичного дожигания с добавлением необходимого количества твердого, жидкого или газообразного топлива.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа-теплоносителя используют газ ПЖВ, температуру которого повышают путем нагрева в плазмотроне.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что для ускорения разделения ферроникеля со шлаком в отстойнике в расплав снизу через пористую пробку подают горячий газ из печи ПЖВ.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что для ускорения разделения ферроникеля со шлаком в отстойнике в расплав подают постоянное напряжение.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сырья для печи ПЖВ используют железосодержащий оксидный расплав из отстойника.