Производство никеля

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

1. Никель и его применение

2. Сырье для получения никеля

3. Современное состояние производства никеля

4. Получение огневого никеля из окисленных руд

5. Конвертирование никелевых штейнов

6. Переработка никелевого файнштеинана огневой никель

7. Получение никеля из сульфидных медно-никелевых руд

8. Конвертирование медно-никелевых штейнов

9. Разделение меди и никеля

10. Получение чернового никеля из богатых никелевых концентратов

11. Электролетическое рафинирование никеля

12. Производство ферроникеля

1. Никель и его применение

Никель - единственный "молодой" металл из тяжелых цветных металлов, получивший широкое применение только в конце ХIХ в. Впервые как химический элемент никель был открыт в 1751 г. и выделен в чистом виде в 1804 г.

Однако он был обнаружен в составе манетных сплавов, применявшихся еще в ІІІ столетии до н.э. До 1675 г. никель считался ювелирным металлом, стоил дорого и производили его в очень небольших количествах. Мировое производство никеля в 1875г. составляло всего - 500т, а затем начало быстро расти.

В России первое месторождение никелевых руд было открыто на Урале в 1654г.

На базе этих руд вначале удалось получить никелевый чугун (20% Ni), а затем и металлический никель; в период с 1874 до 1876г. было получено ?17тNi Первенцем отечественной никелевой промышленности был Уфалейский никелевый завод, введенный в строй в конце 1933 г.

В нестоящее время эта подотрасль цветной металлургии в странах СНГ представлена несколькими никелевыми комбинатами.

Широкое развитие никелевой промышленности эа рубежом связано с открытием во второй половине прошлого столетия больших месторождений окисленных никелевых руд в Новой Каледонии и сульфидных медненикелевых руд в Канаде.

В периодической системе элементов Д.И. Менделеева никель расположен в VIII группе 4-го периода под номером 28, образуя вместе с железом кобальтом триаду.

В наиболее устойчивых химических соединениях никель двухвалентен, хотя встречается а ряде случаев и в трехвалентном состоянии.

Чистый никель - металл светло-серебристого цвета. Его поверхность характеризуется очень высокой отражающей способностью. Никель обладает достаточно высокими прочностью и пластичностью. Он хорошо обрабатывается как в горячем, так и в холодном состояниях, легко прокатывается в листы толщиной до 0,02 мм и протягивается в проволоку диаметром до 0,01мм.

До температуры 357,6 С никель магнитен. В химическом отношении никель малоактивный металл. Он имеет высокую коррозионную стойкость а атмосфере воздуха, устойчив к воздействию воды и многих агрессивных сред (например, щелочей). Заметное окисление никеля на воздухе наблюдается пои температурах выше 700... 800'С. Серная и соляная кислоты растворяют никель медленно, а в азотной он растворяется легко.

С металлами никель образует многочисленные сплавы, из которых наибольший интерес представляют сплавы с железом, кобальтом, медью, цинком, хромом н молибденом. В настоящее время известно более 3000 сплавов, содержащих никель.

Присутствие никеля в сплавах придает им разнообразные ценные свойства, удовлетворяющие самым высоким требованиям современной техники: жаропрочность, кислотостойкость, вязкость, улучшенные магнитные свойства, красивый внешний вид и др.

Важную роль никель играет в получении конструкционных, нержавеющих и жаропрочных сталей.

В последние годы большое значение приобрели жаропрочные литые сплавы на никелевой основе, используемые во многих областях техники.

В чистом виде никель используют в качестве защитных и декоративных покрытий на железе и других металлах, для изготовления аппаратов и посуды с высокой коррозионной стойкостью, приборов радиозлектроники, в качестве катализатора и т.д.

Структура потребления никели в промышленно развитых странах %

Нержавеющие и жаропрочные стали 30...50

Конструкционные стали 10...15

Сплавы на никелевой основе 16...20

Никелирование 10...10

Чугунное и стальное литье 10...12

Прочие потребители 0...10

2. Сырье для получения никеля

В настоящее время никелевые заводы перерабатывают в основном два типа руд, резко различающихся по химическому составу и свойствам: окисленные никелевые и сульфидные медно-никелевые.

Значение этих руд для отечественной никелевой промышленности и за рубежом различно. В России из года в год возрастает доля никеля, получаемого из сульфидных руд, а в зарубежных странах, наоборот, все большее значение приобретают окисленные руды.

Окисленные никелевые руды представляют собой горные породы вторичного происхождения, состоящие в основном из гидратированных магнезиальных силикатов, алюмосиликатов и оксида железа. Никелевые минералы в них составляют незначительную часть рудной массы.

Наиболее часто никель находится в виде бунзеита (Nis), гарниерита [(Ni,Mg)0* Si0₃* nH₂О] или ревденскита [3(Ni, Mg)O*2SiO₂*2Н₂О].

Пустая порода, составляющая основную массу руды, представлена глиной (каолинит) А1₂0₃*2SiO₂ *2Н₂О, тальком 3 MgO*SiO₂ *Н₂О другими силикатами, бурым железняком Fe₂O₃*nH₂O, кварцем и известняком.

Окисленные никелевые руды отличаются исключительным непостоянством состава по содержанию как ценных компонентов, так и пустой породы. Эти колебания состава наблюдаются даже в массиве одного месторождения.

Возможные пределы концентраций компонентов руды характеризуются следующими цифрами, %:

В СНГ промышленные месторождения окисленных никелевых руд расположены на Урале и на Украине, за рубежом - в Новой Каледонии, на Кубе, Филиппинах, в США, Бразилии, Индонезии, Австралии и Греции.

В сульфидных рудах никель присутствует главным образом в виде пентландита [(Ni,Fe)S], представляющего изоморфную смесь сульфидов никеля и железа переменного соотношения, и смесь сульфидов никеля и железа переменного соотношения, и частично в форме твердого раствора в пирротине (Fe₇S₈).

Химический состав сульфидных медно-никелевых руд следующий, %

В отличие от окисленных никелевых руд сульфидные медно-никелевые руды характеризуются высокой механической прочностью, негигроскопичны и могут подвергаться обогащению.

Следует отметить, что обогащению обычно подлежат только сравнительно бедные руды (не более 1,5... 2,5% Ni . Богатые руды после соответствующей подготовки направляют на плавку.

В нашей стране месторождения сульфидных медно-никелевых руд находятся в северных районах страны - на полуострове Таймыр и Кольском полуострове. За рубежом запасы медно никелевых руд сосредоточены в Канаде и Австралии.

никель руда месторождение

3. Современное состояние производства никеля

Для извлечения никеля из всех видов рудного сырья используют как пиро-, так и гидрометаллургические процессы и технологические схемы. Наряду с этим в современной металлургии никеля с момента ее возникновения существуют два четко разделенных в промышленных условиях технологических направления, что связано с переработкой двух основных типов никелевых руд.

В технологических схемах переработки окисленных никелевых и сульфидных медно-никелевых руд много кажущейся общности (например, применяют одинаковые процессы и аппараты, получают однотипные продукты и полупродукты). Однако в целом они во многом не схожи друг с другом.

Переработка окисленных никелевых руд несколько проще и заканчивается получением, как правило, так называемого огневого никеля, отправляемого потребителю (в основном в черную металлургию) без дополнительного рафинирования. Огневой никель по ГОСТ 849-70 отвечает маркам Н-3 и Н-4.

Технологические схемы переработки сульфидных медно-никелевых руд требуют обязательного разделения меди и никеля и заканчиваются обязательным электролитическим рафинированием чернового металла.

Это позволяет не только получать никель высших марок вплоть до марки Н-0 с содержанием никеля не менее 99,99 %, но и обеспечивает попутное высокое извлечение еще 14 ценных компонентов, содержащихся в перерабатываемом рудном сырье.

4. Получение огневого никеля из окисленных руд

Плавка на штейн окисленных никелевых руд повсеместно проводится в шахтных печах, которые требуют прочной кусковой, желательно пористой шихты. Этим требованиям природные окисленные никелевые руды не удовлетворяют, и перед плавкой их подвергают окускованию методом брикетирования или агломерации.

Цель шахтной плавки окисленных никелевых руд - максимальное извлечение никеля и кобальта в штейн и ошлакование пустой породы. Образование штейна из оксидного материала происходит в результате восстановления и сульфидирования никеля, кобальта и частично железа, содержащихся в руде в форме оксидов и силикатов. Шихта для такой плавки состоит из брикетов или агломерата, оборотов, флюсов и сульфидизатора. Так как окисленные нике-левые руды являются силикатными, то в качестве флюса при плавке используют основной флюс - известняк. Сульфидизаторами железа и никеля служат гипс или пирит, а топливом кокс.

Принципиальная технологическая схема переработки окисленных никелевых руд пирометаллургическим способом: I,II - варианты подготовки никелевой руды к плавке

Гипс при плавке в отличие от пирита является одновременно флюсующим материалом, так как в конечном итоге практически полностью в форме оксида кальция СаО переходит в шлак.

Никелевый штейн представляет собой сплав сульфидов никеля и железа, в котором растворены свободные металлы - никель и железо (ферроникель).Обычно заводской штейн содержит, % Ni 15... 18; Fe 60... 63; Со 0,4...0,6; S16...20 и прочие 1...2.

5. Конвертирование никелевых штейнов

Никелевые штейны состоят почти полностью из сульфидов никеля, кобальта и железа или свободных металлов.

Цель процесса конвертирования - получить никелевый файнштейн за счет окисления железа и серы, связанной с ним. Шахтные печи никелевой плавки имеют те же конструктивные элементы, что и другие шахтные печи заводов цветной металлургии.

Применяемые в никелевой промышленности шахтные печи в области фурм имеют площадь поперечного сечения 13,5...75м', длину до 15м, ширину в области фурм 1,4...1,6м и высоту шахты 4,5...6м.

Для конвертирования никелевых штеинов используют горизонтальные конвертеры вместимостью 20 и 30т. Продукты процесса - никелевый файнштейн, конвертерный шлак и сернистые газы.

Никелевый файнштейн обычно содержит, %: % 76... 78; S 19... 21; Fe 0,2...0,4; Со 0,3...0,5 и Cu < 2. Более полное удаление из файнштейна железа и кобальта на стадии конвертирования нецелесообразно, так как это приведет к началу интенсивного окисления никеля и увеличению его перехода в шлак.

6. Переработка никелевого файнштеинана огневой никель

Технология получения огневого никеля из файнштейна включает две стадии окислительного обжига (с промежуточным обезмеживанием огарка) и восстановительную плавку оксида никеля на металл. Цель окислительного обжига файнштейна - удаление из него серы до содержания менее 0,02% и перевод никеля в NiO.

Глубокое удаление серы требует высоких температур, а сульфид никеля Nі₃S₂ легкоплавок (t_пл= 788 С). Это и вынуждает проводить окисление файнштейна в две стадии.

Проводят в печах КС с целью удаления серы до 1...1,5%. Для повышения тугоплавкости шихты измельченный файнштейн смешивают с оборотной (оксидной) пылью. Это вместе с разобщенностью частиц, витающих в КС, позволяет вести первую стадию при 950... 1000'С. Окисление файнштейна протекает по реакции

2 Nі₃S₂+ 7О₂ = 6NiO+ 4SO₂.

Печи КС с площадью пода 7... 8 м' для первой стадии обжига никелевого файнштейна имеют ряд конструктивных особенностей .Они, во-первых, имеют увеличенный диаметр вверху, что снижает скорость газов на выходе из печи и уменьшает пылевынос богатого никелем огарка. Кроме того, разгрузка огарка проводится не через сливной порог, а с уровня пода и регулируется стопорным или дисковым затвором.

7. Получение никеля из сульфидныхмедно-никелевых руд

Исходным сырьем при плавке на штейн при переработке сульфидного медно-никелевого сырья могут служить богатые руды, никелевые или медно-никелевые концентраты. Плавку такого сырья можно вести в шахтных печах по методу полупиритной плавки, в отражательных или электрических печах и практически любым автогенным процессом.

Принципиальная технологическая схема переработки сульфидных медно-никелевых руд пирометаллургическим способом

Основным способом плавки сульфидных медно-никелевых руд и концентратов на отечественных предприятиях является плавка в руднотермических печах. Плавку в электрических печах применяют также на двух заводах в Канаде. На Норильском ГМК в промышленном масштабе была освоена плавка никелевых концентратов во взвешенном состоянии на подогретом, обогащенном кислородом дутье.

В шлаковой ванне электрическая энергия преобразуется в тепловую двумя путями. Значительная часть теплоты (40...80%) выделяется в переходном контакте электрод - шлак, где вследствие образования тонкого газового слоя возникают мелкие точечные микродуги, а остальная часть - в шлаковом расплаве, являющемся проводником тока с высоким электрическим сопротивлением.

8. Конвертирование медно-никелевых штейнов

Для конвертирования медно-никелевых штейнов используют

горизонтальные конвертеры вместимостью 75 100 т/ В связи с тем что никель, получаемый из сульфидных руд, обязательно подвергается электролитическому рафинированию, при котором можно наиболее рационально извлечь кобальт, при конвертировании медно-никелевых штейнов стремятся кобальт полнее оставить в файнштейне.

Присутствующие в медно-никелевых штейнах основные металлы по убыли сродства к кислороду располагаются в ряд Fe-Со-Ni-Сu.

Следовательно, для того чтобы кобальт сохранить в файнштейне, процесс конвертирования нужно вести с неполным окислением железа. В противном случае кобальт преимущественно будет.

Продувку медно-никелевых штейнов в конвертерах обычно заканчивают получением файнштейна, содержащего, %: Ni 35... 42; Сu 25... 30; Со 0,7... 1,3; Fe 3... 4; S 23... 24.

Продуктами плавки являются штейн, направляемый на конвертирование, и отвальный шлак.

9. Разделение меди и никеля

Медно-никелевый файнштейн представляет собой в основном сплав сульфидов Ni S и Cu S, содержащий кобальт, платиноиды и небольшое количество железа. Если такой файнштейн по аналогии с никелевым файнштейном сразу подвергнуть окислительному обжигу с последующей восстановительной плавкой огарка на металл, то это приведет к получению очень сложного по составу металлического сплава, разделение которого на самостоятельные металлы технически невозможно.

Поэтому медно-никелевые файнштейны вначале направляют на разделение меди и никеля.

Разделение меди и никеля можно осуществить несколькими методами. Наибольшее распространение получил флотационный метод, при котором никель концентрируют в богатом никелевом концентрате, а медь - в медном. Перед флотационным разделением файнштейн необходимо медленно охладить в течение 40...80 ч с тем, чтобы обеспечить получение достаточно крупных кристаллов и хорошее механическое вскрытие кристаллических фаз при последующем его дроблении и измельчении.

Медленно охлажденный файнштейн состоит из обособленных кристаллов трех видов: сульфидов меди и никеля и металлического сплава. Последний представляет собой твердый раствор никеля и меди переменного состава.

10. Получение чернового никеля из богатых никелевых концентратов

Флотационные никелевые концентраты процесса разделения меди и никеля вначале подвергают одностадийному окислительному обжигу в печах КС при 1100... 1200'С. Полученный при обжиге оксид никеля подвергают восстановлению в дуговых электрических печах ло технологии, близкой к переработке никелевого файнштейна на огневой никель. Различие заключается лишь в том, что плавку ведут без наведения шлака, а готовый никель разливают на карусельной разливочной машине в аноды с заливкой в них ушков из никеля. Полученный из сульфидных руд черновой никель перед его карбонильным рафинированием.

11. Электролетическое рафинирование никеля

Анодный никель - сложный по составу сплав, содержащий по крайней мере двенадцать металлических элементов, включая железо, и химические соединения металлов с селеном, теллуром, кислородом и серой

Цель рафинирования чернового никеля сводится к получению чистого катодного никеля не ниже марок Н-0 и Н-1 и попутному извлечению присутствующих в анодном металле ценных спутников - кобальта, платиноидов, золота, серебра, меди, селена и теллура. Марки электролитного никеля Н-0 и Н-1, согласно ГОСТ 849-70

12. Производство ферроникеля

Устранение большинства недостатков традиционной технологии переработки окисленных никелевых руд достигается при их переработке на ферроникель - сплав железа с никелем, в который переходит и кобальт. Этот способ в последние годы получает все большее распространение и относится к восстановительным процессам.

При плавке на ферроникель достигается значительное упрощение технологической схемы переработки окисленных никелевых руд, существенное повышение извлечения никеля и кобальта, улучшение использования вещественного состава руды, а также экономия топлива.

Плавку на ферроникель в основном ведут в руднотермических печах. Главные преимущества электроплитки - возможность использования руд с тугоплавкой, магнезиально-силикатной пустой породой, получение достаточно высокого извлечения

Ферроникель можно применять непосредственно в черной металлургии при получении легированных сталей или перерабатывать на марочные сорта никеля и кобальта. Переработка окисленных никелевых руд на ферроникель электротермическим способом в промышленном масштабе осуществлена на Побужском никелевом заводе (Украина), в Новой Каледонии, США, Японии.

Технологическая схема получения ферроникеля включает агломерацию или сушку с прокаливанием руды с целью частичного восстановления оксидов железа и никеля до металла в трубчатых вращающихся печах.

Размещено на Allbest.ru