Мыс гидрометаллургиясы

Мысты гидрометаллургиялық әдіспен алу әдетте тотыққан немесе алдын ала күйдірілген сульфидті мыс кендерін қорытуда пайдаланылады. Қазақстанда мыс шикізатын гидрометаллургиялық әдіспен алу қолданылмайды. ТМД елдерінде аз мөлшерде баланстан тыс кендер мен беткі қабаттың жыныстарынан ерітінділеу арқылы мыс алу қолданылады.

Гидрометаллургиялық әдіспен мыс өндірудің аз қолданылуы тотыққан кен орындарының қорының аздығына және олардан алтын мен күмісті ажыратып алудың қиындығына байланысты. Сондықтан гидрометаллургиялық әдіспен асыл металдарды бөліп алу тиімсіз болатын кедей мыс кендері қорытылады. Және де бос тау жынысы еріткіштермен әрекеттеспейтін болу керек, ал мыс жеңіл еритін түрде, немесе еритін түрге оңай айнадыруға болатын түрде болғаны дұрыс. Мыс кендерін қорытудың кез келген гидрометаллургиялық әдісі негізгі екі сатыдан тұрады: кенді ерітінділеу және ерітіндіден мысты тұндыру. Еріткіштер бірқатар талаптарға сай болу керек. Негізгілері: еріткіштің арзандығы және тапшы болмауы, кеннің пайдалы компоненттерімен жақсы химиялық әрекеттесуі, бос тау жынысымен әлсіз әрекеттесуі, оны қайта қалпына келтіру (регенерация) мүмкіндігі. Мыс шикізатына қатысты бұл талаптарға су және күкірт қышқылы мен күкірт қышқылды темір [Fe₂(SO₄)₃] ерітінділері сай келеді.

Су арзан және мол еріткіш. Ол мыс сульфаттар және хлоридтер түрінде болатын шикізат пен аралық өнімдерді өңдеуге жарамды. Сульфидті минералдарды табиғи жағдайда ерітінділегенде судың және ауадағы оттегінің бірлескен әсерінен сульфидтер тотығып, күкірт қышқылы мен темір (Ш) сульфаты түзіледі. Бұл түзілген компоненттер сульфидтерді ерітеді.

Күкірт қышқылының ерітіндісі мыс гидрометаллургиясында кең тараған еріткіш. Оның еріткіштік қабылеті жоғары, арзан және қайтадан қалпына келтіріледі (регенерацияланады). Егер кенде негіздік минералдар (әктас, доломит, кальцит т.б.) көп болса, күкірт қышқылының ерітіндісін қолдану тиімсіз болады, өйткені бұл минералдармен әрекеттесуінің салдарынан ерітіндінің шығыны көбейеді.

CaCO₃ + H₂ SO₄ = CaSO₄ + H₂O + CO₂ (1.94)

MgCO₃ + H₂ SO₄ = MgSO₄ + H₂O + CO₂ (1.95)

Ал күкірт қышқылының CaSO₄ және MgSO₄-тен қайта түзілу мүмкіндігі жоқтың қасы.

Темір (Ш) сульфатының ерітіндісі мыс сульфидтерінің көбін жақсы ерітеді. Бірақ су ерітіндісінде ол гидролизденеді:

Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O = 2Fe(OH)₃ + 3H₂ SO₄ (1.96)

Темір (Ш) сульфатын тұрақтандыру үшін H₂SO₄ ерітіндісін қышқылдандыру қажет. Сондықтан темір (Ш) сульфаты жеке еріткіш ретінде қолдану таппады.

Бірақ сульфидті минералдарға күкірт қышқылы мен темір (Ш) сульфатының ерітінділерімен бірлестіре әсер еткенде, соңғысы сульфидтерді тотықтырғыш, ал күкірт қышқылы оларды еріткіш қызметін атқарады. Бұл жағдайда темір (Ш) сульфаты темір (П) сульфатына FeSO₄ дейін тотықсызданады. Ал еріткішті регенерациялау үшін FeSO₄ ерітіндісін ауамен үрлеу жеткілікті. Бұл кезде жүретін реакция:

2FeSO₄ + 0,5О₂ + H₂ SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + H₂O (1.97)

Бұл реакцияны жеделдету үшін белгілі түрдегі бактериялар жиі қолданылады.

Сульфидті мыс минералдарын ерітінділегенде Fe²⁺-ті Fe³⁺-ке тотықтыруды жеделдету үшін ферробацилиус-ферродиксанс және тиобацилиус-феродиксанс бактерияларын қолданады. Мысалы, пиритті осы бактерияларды қолданып ерітінділегенде Fe²⁺-ті Fe³⁺-ке тотықтыру жылдамдығы 120 және 112 есе артады. Үрдіс рН ≤ 4,5 және t =35⁰C жүргізілуі қажет.

2FeS₂ + 7O₂ + 2H₂O = 2FeSO₄ + 2H₂SO₄ (1.98)

Бактериялар катализатор ретінде қатынасып келесі реакция жүреді:

4FeSO₄ + 2H₂ SO₄ + O₂ + бактерия = 2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O (1.99)

Түзілген Fe₂(SO₄)₃ халькопиритпен және мыс сульфидтерімен әрекеттеседі:

CuFeS₂ +2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O + 3O₂ = CuSO₄ + 2H₂ SO₄ + 5FeSO₄ (1.100)

Cu₂S + 2Fe₂(SO₄)₃ = 2CuSO₄ + 4FeSO₄ + S (1.101)

Түзілген элементті күкірт тиобацилиус-конкретиворус бактериясының әсерінен күкірт қышқылына дейін тотығады:

2S + 3O₂ + 2H₂O = 2H₂SO₄ (1.102)

Мыс кендері мен концентраттарын ерітінділеуде әртүрлі әдістер қолданылады: үймеде ерітінділеу, жерасты ерітінділеу. Ерітіндіні кен қабатынан тіке шаймалау (перколяция), автоклавты ерітінділеу (қысымда ерітінділеу).

ТМД елдерінде және Қазақстанда тек қана үймеде ерітінділеу және жерасты ерітінділеу қолданылады.

Уймеде ерітінділеуді, құрамында 0,1-0,3% Cu бар, карьер үймелерінен және кесек кедей кендерден мысты алуда қолданады. Еріткіш ретінде күкірт қышқылымен қышқылдандырылған темір (Ш) сульфатының сұйытылған ерітіндісін қолданады. Темір (Ш) сульфаты пиритке судың және оттегінің әсерінен түзіледі:

2FeS₂ + 7O₂ + 2H₂O = 2FeSO₄ + 2H₂SO₄ (1.103)

4FeSO₄ + 2H₂ SO₄ + O₂ = 2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O (1.104)

CuFeS₂ +2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O + 3O₂ = CuSO₄ + 2H₂ SO₄ + 5FeSO₄ (1.105)

CuS + 2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O + O₂ = 2CuSO₄ + 2FeSO₄ + 4FeSO₄ (1.106)

Үймеде ерітінділеудің сұлбасы 1.19-шы суретте келтірілген

Кен массасы 6000 мың тоннаға дейін су өткізбейтін еңкіш еденге салынады. Үстінен еріткіш ерітінді жіберіледі. Түзілген мыс сульфаты ерітіндісі еңкіш еден арқылы жинағыш әуітке ағып жиналады. Ерітіндіде 0,3-3,0 г/л мыс болады.

Үймеде ерітінділеу аз капиталды және пайдалану шығынмен баланстан тыс шикізаттың өте үлкен массивін өңдеуге мүмкіндік береді. Бұл әдіспен қосымша мол мөлшерде мыс алуға болады. Қазақстанда үймеде ерітінділеу Балхаш тау-кен металлургиялық комбинатының карьерлерінің үйінділерінен мыс алу үшін қолданылады.

Жерасты ерітінділеу қолданыстағы шахталы кеніштерде табиғи түрде жүреді. Жасанды түрде бұл үрдісті қазымдалған (қолданыстан шыққан) кеніштерде қалған кентірекетерден және құлаған тау жыныстарынан мысты алу үшін ұйымдастыруға болады.

Жерасты ерітінділеу өзен суымен, айналымды ерітіндімен, кеніш суларымен жүргізілуі мүмкін. Ерітінділеу үрдісі баяу жүреді, жылдар бойы созылуы мүмкін. Алынған ерітіндіде 1,8-2,5 г/л мыс болады. Жерасты ерітінділеу әдісімен алынған мыстың бағасы ерітіндіні құюға арналған ұңғыманы (скважина) бұрғылауға және алынған ерітіндіден мысты бөліп алуға жұмсалған шығынмен анықталады.

1- үйме асты, 2 – кен массасы, 3 – ерітінділеуге арналған ерітінді, 4 – мыс сульфаты ерітіндісі, 5 – түзілген ерітіндіні жинауға арналған әуіт (бассейн).

1.19-шы сурет Үймеде ерітінділеу сұлбасы

Соңғы кезде жерасты ерітінділеудің қарқындылығын арттыру үшін арнаулы бактерияларды қолдана бастады. Бактериялар тікелей реакцияға қатыспайды, олар екі валентті темірді үш валенттіге дейін тотықтыруда катализатор ролін атқарады (1.99-шы реакция бойынша). Жерасты бактериялық ерітінділеу қондырғысының сұлбасы 1.20-шы суретте келтірілген.

Мыс кендеріндегі асыл металдар үймеде және жерасты ерітінділегенде ерітіндіге өтпейді, олар негізінен кенде қалады.

Мысты үмелей және жерасты ерітінділегенде алынатын 0,3-3,0 г/л мыс бар ерітіндіден мыс цементациялау, сорбциялау және экстракциялау әдістерімен бөлініп алынады.

Металды ерітіндіден бөлудің кең тараған әдісі цементация. Онда белгілі электродтық потенциалы бар металъъъъ электртерістігі жоғары металмен ерітіндіден ығыстырылады:

CuSO₄ + Me = MeSO₄ + Cu (1.107)

1 – бактериялық регенерациялық бұлақ; 2 – сорғы станциясы; 3 – кен қабатына ерітіндіні беретін құбыр; 4 – компрессор станциясы; 5 – қақпақ; 6 – колектор; 7 – майысқыш шланг; 8 – ерітіндіні құятын ұңғыма; 9 – кен массиві; 10 – мыс сульфаты ерітіндісі жиналатын кен горизонты; 11 – ерітіндіні соратын сорғыш; 12 – жер астынан сорылған ерітіндіні тұндырғыш; 13 – цементациялау қондырғысы; 14 – цементті мысты кептіру және қоймалау.

1.20-шы сурет Бактериялық жерасты ерітінділеу қондырғысының сұлбасы.

Цементатор ретінде темірлі материалдар қолданылады: темір қалдығы, жоңқа, қаңылтыр кесіндісі, қалайысыздандырылған қаңылтыр, кеуекті темір. Бұл материалдар жеткілікті активтігімен және арзан және тапшы еместігімен сипатталады. Цементация кезінде жүретін химиялық реакция:

Fe + CuSO₄ = Cu + FeSO₄ (1.108)

Күкірт қышқылды ерітіндіден мысты цементациялауда цементациялық науалар, айналмалы барабандар және механикалық араластырғышы бар күбілер кең қолданыыс тапты.

Цементациялау үрдісінің негізгі өнімі цементті мыс. Онда 65 – 75% мыс болады, қалғаны негізінен темір. Қолданылған ерітінділерде жуық шамамен 0,05г/л мыс болады. Олар ерітінділеуге жіберіледі. Мысты цементациялағанда 1 т мысқа шаққанда 1,5-2,5 т темір жұмсалады.

Цементация үрдісін қолданғанда, құрамында FeSO₄ бар, қолданылған ерітіндіні қайта қалпына келтіру үшін күкірт қышқылын қолдану қажеттігі туады:

4FeSO₄ + 2H₂SO₄ + O₂ = 2Fe₂(SO₄)₃ +2H₂O (1.109)

Бұдан басқа, балқытудың алдында цементті мысты қосымша тазарту қажеттігі туады.

Бұл ерекшеліктер цементация үрдісінің кемшілігі болып табылады.

АҚШ және Африка зауыттарында үймелей және жерасты ерітінділеу ерітінділерінен мысты бөліп алу экстракциялау үрдісі арқылы жүргізіледі. Ол үшін мысты сүмен сұйытылған ерітінді органикалық фазамен араластырылады. Мыс сулы фазадан органикалық фазаға өтіп, онда шоғырланады. Органикалық фазаны регенерациялағаннан алынған ерітіндіде 90 г/л дейін мыс болады. Мұндай ерітіндіден мысты электролиз арқылы бөліп алуға болады.

Соңғы кезде үймелі және жерасты ерітінділеу ерітінділерінен мысты сорбциялық үрдістер арқылы бөліп алу қолданыла бастады. Бұл үрдістерде мысты электролиз әдісімен бөліп алуға жарамды ерітінділер алу үшін ион алмастырғыш шайырлар қолданылады.

2 НИКЕЛЬ МЕТАЛЛУРГИЯСЫ

2.1 Никельдің кендері мен минералдары

Қазіргі кезде өздерінің химиялық құрамы мен қасиеттері бойынша айырмашылығы өте үлкен екі түрлі никель кендері қорытылады: тотыққын және сульфидті никель рудулары.

Тотыққан никель кендері гидратталған магнезиалды силикаттардан, алюмосиликаттардан және темір оксидтерінен тұратын тау жыныстары болып келеді. Оларда никель минералдары кен массасының аз бөлігін құрайды. Тотықан никль кендерінде никель келесі минералдар түрінде болады: бунзенит (NiO), гарниерит [(Ni,Mg)O·SiO₂ ·nH₂O] және ревденксит [3(Ni,Mg)O·2SiO₂ ·2H₂O].

Тотыққан никель кендерінде пайдалы компонент кобальт. Оның кендегі мөлшері ондағы никельдің мөлшерінен 15-25 есе кем. Кейде тотыққан никель кендерінде аз мөлшерде мыс кездеседі (0,01-0,02%).

Бос тау жынысы негізінен силикаттардан, каолиннен (Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O), тальктан (3MgO·4SiO₂·H₂O), бурыл теміртастан (Fe₂O₃·nHO), шынытастан (SiO₂) және әктастан (CaCO₃) тұрады.

Тотыққан никель кендерінің құрамы пайдалы компоненттер бойынша да, бос тау жынысы бойынша да тұрақсыздығымен ерекшеленеді. Кеннің ортыша құрамы,%: Ni - 0,7-4; Co - 0,04-0,16; SiO₂ - 15-75; Fe₂O₃ - 5,0-65; Al₂O₃ - 2-25; Cr₂O₃ - 1-4; MgO - 2-25; CaO - 0,5-2; конституциялық ылғал - 10-15.

Тотыққан никель кендерін байытудың тиімді әдістері осы күнге дейін табылған жоқ. Сондықтан олар тиісті дайындықтан соң бірден металлургиялық қорытуға түседі. Тотыққан никель кендері кеуекті, борпылдақ болып келеді, олардың механикалық беріктігі аз, ылғалдығы жоғары (40%-ға дейін).

ТМД елдерінде тотыққан никель кендерінің кен орындары Оңтүстік Уралда (Буруктал кен орны) және Украинада бар. Шет елдерде тотыққан кен орындары Жаңа Каледонияда, Кубада (Моа-Бей, Никаро) Филлипин аралдарында, АҚШ-та, Бразилияда, Индонезияда, Австралияда және Грецияда бар.

Сульфидті кендерде никель петландит [(NiFe)S] түрінде және пирртинде (Fe₇S₈) қатты ерітінді түрінде болады. Сульфидті кендерде никельдің негізгі серігі мыс болады. Мыс негізінен халькопирит (CuFeS₂) түрінде болады. Құрамында мыс көп болатындықтан бұл кендер мысты-никельді деп аталады. Мыспен қатар сульфидті кендерде міндетті түрде кобальт, асыл металдар (алтын, күміс), шашыранды элементтер (селен, теллур), күкірт және темір болады. Сульфидті мысты-никельді кендер күрделі құрамды полиметалды шикізат болып келеді. Металлургиялық қорыту кезінде олардан күкіртпен қоса 14 пайдалы компонент алынады.

Мысты-никельді кендердің құрамы,%: Ni - 0,3 - 5,5; Cu - 0,2 - 1,9; Co - 0,02 - 0,2; Fe - 30 - 40; S - 17 - 28; SiO₂ - 10 - 30; MgO - 1 - 10; Al₂O₃ - 5 - 8.

Сульфидті мысты-никельді кендер жоғары механикалық беріктігімен, сипатталады, гигроскопиялы емес, байытуға болады. Әдетте құрамында 1,5-2,5% Ni болатын кедей кендер байытылады. Бай кендер қажетті дайындықтан кейін балқытуға жіберіледі.

ТМДда сульфидті мысты-никельді кен орындары Кола түбегінде (Мончегорск) және Таймырда (Норильск) бар. Шет елдерде өндірістік сульфидті никель кен орындары Канадада және Австралияда бар.

Тотыққан никель және сульфидті мысты-никельді кендерден басқа никель өндірудің шикізаты ретінде Канада мен Бирмада өндірілетін мышьякты кендерді қолдануға болады.

2.2 Тотыққан никельді және сульфидті мысты-никельді кендерді қорытудың кейбір ерекшеліктері

Кен шикізатының барлық түрлерінен никельді алу үшін пирометаллургиялық және гидрометаллургиялық әдістер қолданылады. Қазіргі кезде өндірісте никель шикізатын пирометаллургиялық әдіспен қорыту технологиялық екі бағытта жүргізіледі. Бұл әдістердің айырмашылығы екі түрлі тотыққан және сульфидті шикізатты қорытуға байланысты.

Төменде тотыққан никель кендерін (2.1-ші сурет) және сульфидті никельді-мысты кендерді (2.2-ші сурет) қорытудың технологиялық сұлбасы келтірілген.

Тотыққан никель кендерін қорыту сульфидті мысты-никельді кендерді қорытуға қарағанда жеңіл. Ол қосымша рафинирлеусіз тұтынушыларға, негізінен қара металлургяға, жіберілетін отты никель алумен бітеді. Никельді қоспалардан (Fe, Cu, Co,S) тазарту барлық көпсатылы технология үрдісі кезінде жүреді.

Сульфидті мысты-никельді кендерді қорыту мысты никельден бөлуді міндетті түрде жүргізуді қарастырады және қара никельді электролиттік рафинирлеумен аяқталады. Нәтижесінде құрамында 99,99% никель бар металл алынады. Сонымен қатар қорытылатын шикізаттан оның құрамындағы 14 компонентті қосымша алу технологиялық сұлбада қарастырылған.

Технологиялық сұлбаларды салыстыру тотыққан және сульфидті кендерді штейнге балқытуға дайындаудың айырмашылығы үлкен екенін көрсетеді.

Тотыққан никель кендерін балқытуға дайындау кенді брикеттеп немесе агломерациялй кесектеуден тұрады.

Тотыққан никель кені

↓

Біркелкілендіру

↓

Шикіқұрам дайындау

↓

Шикіқұрам

Брикеттеу Агломерациялау

↓ ↓

Брикеттер Сульфидтегіштер Кокс Үрлеу Агломераттар Әктас

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓

Тотықсыздандыра сульфидтей балқыту

↓ ↓ ↓ ↓

Газдар Қож Штейн Тозаң

↓ ↓ ↓

Атмосфераға Күресінге Кварц Ауа Айналымға

↓ ↓

Конвертерлеу

↓ ↓ ↓

Газдар Никель файнштейні Конвертер қожы

Ауа ↓

↓ Кобальт алуға

Тотықтыра күйдіру

↓ ↓

Газдар Никель оксиді

Тотықсыздандырғыш Әктас

↓ ↓

Тотықсыздандыра балқыту

↓ ↓

Отты никель Қож

↓ ↓

Түйіршіктендіру Айналымға

↓

Тұтынушыларға

2.1-ші сурет Тотыққан никель кендерін пирометаллургиялық әдіспен қорытудың технологиялық сүлбасы.

Сульфидті мысты-никельді кен

↓

Флотациялық байыту

↓ ↓ ↓

Қалдықтар Пирротин концентраты Мыс концентраты

↓ ↓ ↓

Күресінге Арнайы өңдеуге Мыс өндірісіне

Никель концентраты

Флюстер

Штейнге балқыту

↓ ↓ ↓

Қож Cu-Ni штейнi Газдар

↓ ↓

Күресінге H₂SO₄ өндірісіне

Конвертерлеу

↓ ↓ ↓

Конвертер қожы Cu-Ni файнштейні Газдар

↓ ↓ ↓

Кедейлету Флотациялай бөлу H₂SO₄ өндірісіне

↓ ↓ ↓ ↓

Штейн Қож Бай никель Бай мыс

↓ ↓ концентраты концентраты

Конвертерлеуге Күресінге ↓

Ауа Мыс өндірісіне

↓

Тотықтыра күйдіру

↓ ↓

Тотықсыздандырғыш Никель оксиді Газдар

↓ ↓ ↓

Тотықсыздандыра күйдіру H₂SO₄ өндірісіне

↓

Қара никель

↓

Электролиттік рафинирлеуге

2.2-ші сурет Сульфидті мысты-никельді кендерді пирометаллургиялық әдіспен қорытудың технологиялық сұлбасы

Сульфидті мысты-никельді кендерді дайындау оларды флотациялық байытудан тұрады. Сульфидті мысты-никельді кендерді флотациялай байытудың нәтижесінде бірнеше концентрат алынады (2.1-ші кесте).

2.1-ші кесте Сультфидті мысты-никельді кендерді байытудан алынатын өнімдердің құрамы.

Мысты-никельді және никельді концентраттар бір технологиялық сұлба бойынша қорытылады.

Технологялық сұлбаның екеуінде де штейн ала балқыту, штейнді конвертерлеу, никель файнштейнін немесе бай никель концентратын тотықтыра күйдіру және никель оксидін металға дейін тотықсыздандыра балқыту міндетті түрде жүргізіледі.

Тотыққан никель кендеріне штейн түзілу үшін сульфидтегіштер қосады (пирит немесе гипс).

Сульфидті мысты-никельді кендерді қорытқан кезде міндетті түрде мысты никельден бөлу және қара никельді электролиттік тазарту операциясы жүргізіледі

Сульфидті кендерден алынған никельдің тазалығы отты никельге қарағанда неғұрлым жоғары.

Екі әдісте де кобальтты бөліп алу міндетті түрде жүргізіледі. Тотыққан никель кендерінен кобальт конвертер қожына өткізу арқылы алынады, ал сульфидті кендерді қорытқанда кобальт электролиттік рафинирлеу алдында электролитті тазарту кезінде бөлінеді.

Тотыққан никель кендерін қорыту технологиясы өзінің күрделілігімен, қымбат кокстың үлкен шығынымен, никель және әсіресе кобальттың жоғары шығынымен сипатталады. Тотыққан никель кендерін қорытудың тиімді әдісі оларды электр пешінде ферроникель ала балқыту.

Кейбір зауыттарда тотыққан (Куба) және сульфидті никель кендері (Ресей, Канада) гидрометаллургиялық әдіспен қорытылады. Бұл технологиялардың пирометаллургиялық әдістерге қарағанда бірқатар артықшылықтары бар. Гидрометаллургиялық әдістермен негізгі металды алу дәрежесі жоғарырақ. Сонымен қатар бұл технологиялар өте күрделі және көп сатылы. Бұл технологиялар кендердің шектелген құрамы үшін қолданылады.

2.3 Никель кендерін штейн ала балқытуға дайындау

Тотыққан никель кендерінің ерекшелігі олардың химиялық және заттық құрамының тұрақсыздығы. Сондықтан кендерді тек никель бойынша ғана емес, бос тау жынысы бойынша да біркелкілендіруге көп көңіл бөлінеді. Металлургиялық зауыттарда кендерді қосымша қож түзуші компоненттер бойынша біркелкілендереді. Бұл операцияларды жүргізу үшін ашық және жабық қоймаларды пайдаланады.

Біркелкілендірілген кенді брикеттеу немесе агломерациялық күйдіру әдістерімен кесектендіреді.

Массасы 0,2-0,3кг жұмыртқа тәрізді брикеттерді білікті престерде дайындайды. Кенді алдымен балғалы ұсақтағыштарда майдалайды да аздап кептіреді. Шикіқұрамға сульфидтегіштер ретінде гипс немесе пирит қосады, ал байланыстырғыш қызметін өз құрамындағы балшық (каолин) атқарады. Брикекттер шахталы пештен шығатын газдармен кептіріледі.

Технологиясының қарапайымдылығына және эксплуатациялық шығынының аздығына қарамастан брикеттеу никель өндірісінде кеңінен таралмады. Бұның негізгі себептері:

1) Екі түрлі темірлі және балшықты кендер ғана жақсы брикеттеледі. Бұл кендер негізгі емес. Никель кендерінің массасының негізін құрайтын кремнийлі және магнезиалды кендер нашар брикеттеледі.

2) Брикет пресінің көйлегі тез тозады, оны алмастыру көп уақыт алады, бұл қондырғының өнімділігін азайтады.

3) Агломератқа қарағанда брикеттердің газ өткізгіштігі төмен, ылғалдығы жоғары (11-15%), оларды балқытуға көп кокс жұмсалады. Пештің өнімділігі төмен, штейнде никельдің мөлшері аз.

Тотыққан никель кендерін балқытуға дайындауда агломерация кең таралған. Агломерация брикеттеуге қарағанда кенді дайындауда күрделі және қымбат әдіс, бірақ технологиялық жағынан жетілдірілген үрдіс. Агломерациялау кезінде механикалық беріктігі жеткілікті кеуекті материал алуға болады.

Тоыққан никель кендерін агломерациялау сору ауданы 50 және 75м² таспалы мәшіндерде жүргізіледі. Агломерация шикіқұрамына тотыққан никель кенінен басқа айналымды агломерат (18-20%) және ірілігі 5мм майда кокс (8-12%) кіреді. Кен мен агломераттың ірілігі 20-30мм. Шикіқұрамды араластырғанда 20-24%ға дейін ылғалдандырады. Агломерация кезінде байланыстырғыштар қызметін темір-магний силикаттары, мысалы гиперстен (Fe,Mg)SiO₂ және аз мөлшерде фаялит атқарады.

Таспалы агломерациялық мәшине ұзын метал рамадан тұрады, оның үстінен арбалар (паллета) сырғанайды. Паллеталардың ұзындығы 0,5 м, ал ені 2-2,5 м. Паллеталардың еденінде колосник торы орналасқан. Шикіқұрам шанабының астынан өткенде үздіксіз жылжитын паллеталарға биіктігі 250-320 мм шикіқұрам тиеледі. Паллета жағу көрігінің астына келгенде шикіқұрамға қосылған коксик жағылады. Коксиктің жануы шикіқұрамның ішкі қабаттарына қарай жылжиды, өйткені паллеталар вакуум камераларының үстімен жүргенде газдар сорылып газарнаға кетеді. Паллеталар вакуум-камераның барлық ұзындығымен жұріп өткенде агломерация үрдісі аяқталады да, агломәшиненің соңында паллета аударылып, агломерат колосник торына құлайды, одан вагонға немесе транспортерге құлайды. Бөлінген үсақ агломерат қайтадан үрдістің басына шикіқұрам дайындауға жіберіледі, ал қалғаны балқытуға жіберіледі. Агломераттың шығымы 70-75%.

Шикіқұрамның жану қабатында температура 1150-1200⁰C жетеді. Бұл температура темір-магний силикаттарының балқып қатқанда шикіқұрамның қаттты компоненттерін байланыстырып, агломераттың механикадық беріктігін және кеуектілігін қамтамасыз етеді.

Мәшинелердің өнімділігін есептеу үшін шикіқұрамның күйежентектеу жылдамдығын (мм/мин) анықтайды. Бұл жылдамдық жану үрдісінің шикіқұрам қалыңдығы бойынша үстінен астына қарай жылжуы. Бұл жылдамдықты біліп, күйежентектеу үрдісі қанша уақытқа созылатынын анықтауға болады.

Мысалы, паллетадағы шикіқұрам биіктігі 360мм, ал күйежентектеу жылдамдығы 30 мм/мин болса, күйежентектеу үрдісі 360: 30 = 12минутта аяқталуы керек. Бұл уақытта паллета вакуум камерасының барлық ұзындығы бойынша жүріп өтуі қажет. Егер вакуум камерасының ұзындығы 30м болса, паллетаның жылжу жылдамдығы 30: 12 = 2,5 м/мин болу керек. Паллетаның енін, шикіқұрам қабатының қалыңдығын және жылжу жылдамдығын білсек, бір сағатта өтетін шикіқұрамның көлемін есептеуге болады, ал үйілген салмағы бойынша оның салмағын, яғни өнімділігін есептеуге болады. Никель өндірісінде агломерация брикеттеуге қарағанда кең таралған.

Тотықан никель кендерін агломерациялау үрдісінің кейбір техника экономикалық көрсеткіштері келесідей:

Отын (коксик) шығыны, % шикіқұрам массасынан 8-12

Шикіқұрам ылғалдылығы, % 20-24

Айналымды агломераттың ылғалдылығы, % 25-30

Жарамды агломераттың шығымы, % 70-75

Шикіқұрамды күйдірудің вертикалды жылдамдығы, мм/мин 30-35

Жарамды агломерат блйынша өнімділігі, т/(м³сағ.) 0,8-0,9

2.4 Тотыққан никель кендерін штейнге балқыту

Тотыққан никель кендерін штейн ала балқыту шахталы пештерден жүргізіледі. Бұл пештерде балқыту шикіқұрамның берік, іріленген және мүмкіншілігінше кеуекті болуын қажет етеді. Бұл талаптарды брикеттер мен агломераттар қанағаттандырады.

Шахталы балқытудың мақсаты тотыққан никель кендерінен никель мен кобальтты максимальды штейнге өткізіп,бос тау жынысын қожға өткізу. Балқыту шикіқұрамы брикеттерден немесе агломераттан, кокстан, сульфидтегіштерден, флюстерден және айналымды материалдан тұрады. Сульфидтегіштер ретінде пирит немесе гипс, флюстер ретінде әктас, ал айналымды материалдар ретінде пештен шыққанда ұсталған тозаң қолданылады. Гипс балқыту кезінде флюстегіш те болып келеді, өйткені балқыту нәтижесінде СаО түрінде қожға өтеді.

Балқыту процесі кезінде тотыққан материалдан штейн кенде оксид немесе силикат түрінде болатын никельдің, кобальттың және темірдің біраз бөлігінің тотықсыздануы және сульфидтенуі нәтижесінде түзіледі. Сондықтан бұл процесс тотықсыздандыра сульфидтей балқыту деп аталған. Балқыту темірдің жоғары оксидтерін және гипсты тотықсыздандыруға қажетті тотықсыздандырғыш атмосферада жүргізіледі. Бұл кезде темір және никель оксидтерінің біраз бөлігі металға дейін тотықсызданып, штейнде ериді. Балқыту кезінде тотықсыздану процесімен ілесе сульфидтеу процесі жүреді.

Пеште шикіқұрамның өзгеру жолдары келесідей жүреді. Пеште тиелген кен, брикеттер немесе агломерат, флюстер және айналымды материалдар жоғары қарай шығатын газдармен қызады, гигроскопиялық (120-150°С) одан кейін конституциялық (500-700°С) ылғалдан, ұшқыш компоненттерден (СО₂) айырылады. Қажетті температураларға жеткенде шикіқұрамның жеке компоненттері (Ғе₂О₃, СаSО₄ т.б.) көміртегі оксидімен (СО) әрекеттесе бастайды. Егер шикіқұрамда бос никель оксиді болса, ол металға дейін тотықсызданады. Никельдің негізгі бөлігі шикіқұрамда қиын тотықсызданатын силикаттар түрінде болады. Сондықтан бұл тотықсыздандыру зонасында никельдің көпшілігі силикаттар түрінде қалады.

Төмен бара жатқан шикіқұрам жеңіл балқитын компоненттердің (темір сульфидтері, фаялит) балқу температурасына жеткенше қызады. Жеңіл балқитын компоненттер төмен түскенде қиын балқитын компоненттерді ерітеді. Темір сульфиді метал түріндегі никель мен темірді және сульфидтеу кезінде түзілген никель сульфидін ерітеді. Бұл силикаттар мен сульфидтердің сұйық қоспасында никель мен темірдің сульфидтену реакциялары жүріп, фурмлардың деңгейінен төменге дейін жүріп аяқталады. Темір оксидтері тотықсызданып қожға өтеді.

Тотыққан никель кендерін шахталы пеште тотықсыздандыра сульфидтей балқытқан кезде келесі негізгі физика химиялық процестер жүреді: отынның жануы, оксидтердің тотықсыздануы жәе сульфидтенуі, штейн және қождың түзілуі, балқыту өнімдерінің қож бен штейннің бөлінуі.

Кокстың жануы шахталы пеш жұмысының көптеген технологиялық көрсеткіштерін айқындайтын негізгі процестердің бірі. Отынды жағу сапасы бойынша пештегі температураны, жану газдарының тотықсыздандырғыш қабілеттілігін, пеш өнімділігін, никельдің штейнге өтуін анықтайды. Кокс фурма арқылы үрленген ауаның, немесе оттегімен байытылған үрлеудің оттегінің әсерінен жанады.

Фурмалар аймағында артық оттегі көп, сондықтан бұл аймақта кокс көміртегі (IV) оксидіне жанады.

С + О₂ = СО₂ (2.1)

Фурмадан алыстаған сайын үрлеудегі оттегінің концентрациясы азаяды да, оттегінің жануы толық болмайды:

С + 0,5О₂ = СО (2.2)

Шахталы пештің бос оттегі бар зонасы оттекті зона деп аталады. Шахталық балқыту кезінде ол фурма аймағының пештің ішінде және жоғары қарай 500-600 мм таралады.

Пеште түзілген ыстық газдар жоғары көтерілгенде шикіқұрамды қыздырып, онымен химиялық әректтеседі. Бірінші кезекте бұл әрекеттесу көміртегі (ІІ) оксидінің жаңа мөлшерін түзеді:

С + СО₂ = 2СО (2.3)

(2.2) және (2.3) реакцияларының нәтижесінде фурма аймағында СО-ның концентрациясы 20-25%-ға жетеді.

Ауамен үрлегенде пеш фокусында температура 1300-1400°С, ал оттегімен байытылған ауамен үрлегенде 1500-1600°С болады.

Пештен шығатын газдарда 10-16% СО₂, 8-16 % СО болады, ал температурасы 500-600°С.

Штейн және қож түзілу процестері шикіқұрам оксидтерінің тотықсыздануымен және темір, никель және кобальттың сульфидтенуімен байланысты. Тотықсыздандыру реакциялары құрамында СО бар газ фазасның шикіқұрамдағы оксидтермен және силикаттармен әрекеттесуі кезінде жүреді:

NiO + CO = Ni + CO₂ (2.4)

NiSiO₃ + CO = Ni + CO₂ + SiO₂ (2.5)

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ (2.6)

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ (2.7)

FeO + CO = Fe + CO₂ (2.8)

Сульфидтеу процесі күрделі, ал оның химизмі сульфидтегіш ретінде пиритті (FeS₂) немесе гипсты (CaSO₄·2H₂O) қолданғанда әртүрлі болады.

Егео сульфидтегіш ретінде пирит қолданылса, 700ºС жоғары температурада ол келесі реакция бойынша ыдырайды:

FeS₂ = FeS + 0,5 S₂ (2.9)

Бұл жағдайда сульфидтеу процесі келесі реакциялар бойынша жүреді:

NiO + FeS = NiS + FeO (2.10)

3NiO + 2FeS + Fe = Ni₃S₂ +3FeO (2.11)

NiSiO₃ + FeS = NiS + FeSiO₃ (2.12)

CoO + FeS = CoS + FeO (2.13)

Пириттің шығыны балқыту кезінде алынатын штейннің күкірт бойынша құрамында қойылатын талапқа байланысты. Бұл кезде термиялық диссоциация нәтижесінде күкірттің жоғалуын ескеру қажет.

Тотыққан никель кендерін балқытқанла сульфидтегіш ретінде гипсты қолданғанда сульфидтеу химизмы өзгеше және күрделілеу боады. Алдымен гипстен ылғал кетеді. Гипстың толық сусыздануы 900ºС дейін қыздарғанда жүреді. Гипс мықты сульфаттар қатарына жатады, сондықтан оның ыдырауы 1200ºС температурадан жоғары қыздырғанда басталады. Оттегі жоқта гипстың термиялық ыдырауы келесі реакция бойынша жүреді:

СаSO₄ = CaO + SO₂ + 0,5O₂ (2.14)

Шахталы балқыту жағдайында гипстың ыдырауы келесі химиялық реакциялар бойынша жүреді:

CaSO₄ + 4CO = CaS + 4CO₂ (2.15)

CaSO₄ + SiO₂ = CaO·SiO₂ + SO₂ +0,5O₂ (2.16)

CaSO₄ + Fe₂O₃ = CaO·Fe₂O₃ + SO₂ + 0,5O₂ (2.17)

3CaSO₄ + CaS = 4CaO + 4SO₂ (2.18)

Тотыққан никель кендерін шахталық балқыту кезінде сульфидтендіру процесі келесі химиялық реакциялармен сипатталады:

3NiO + 7CO + 2SO₂ = Ni₃S₂ + 7CO₂ (2.19)

FeO + 3CO +SO₂ = FeS + 3CO₂ (2.20)

CoO + 3CO + SO₂ = CoS + 3CO₂ (2.21)

CaS + FeO = CaO + FeS (2.22)

Тотыққан никель кендерін шахталы балқыту кезінде сульфидтегіш ретінде гипсты қолданғанда пештегі атмосфера пиритті қолданғанға қарағанда тотықсыздандырғыштау болу керек. Бұл жағдайда көп мөлшерде метал фазасы түзіледі. Ал гипстың артық мөлшері штейннің шығымы мен құрамына әсер етпейді, өйткені ол кальций оксидіне айналып қожға өтеді. Гипстың бағасы үлкен болғандықтан оны сульфидтегіштер ретінде қолдану экономикалық жағынан тиімсіз.

Тотықсыздану және сульфидтеу процесінің нәтижесінде түзілген сульфидті-металды сұйық фаза (Ni₃S₂, FeS, CoS, Ni, Fe) ниикель штейні деп аталады. Никель штейні никель және темір сульфидтерінде метал түріндегі никель мен темір еріген балқыма. Мұндай штейндер металданған штейн деп аталады. Мыс және мысты-никельді штейнге қарағанда бұл штейнде күкірттің мөлшері ауытқымалы.

Тотыққан никель кенін шахталы пеште балқытқанда алынатын никель штейннің құрамы, %: Ni – 15-20; Cu – 0,1-0,3; Co – 0,4-0,6; S – 15-22; Fe – 55-65; басқалары – 1-2. Бұдан бай штейн алудың қажеттілігі жоқ, өйткені никельдің қожбен жоғалуы артады.

Штейннің шығымы көп емес, кен массасының 3-8% құрайды.

Қож тотықсыздандыру және сульфидтеу кезінде түзілген темір (ІІ) оксидінің бос тау жынысының компоненттерімен әрекетттесуі нәтижесінде түзіледі. Кендегі магний және алюминий силикаттары балқымадағы силикаттарда еріп, тастанды қож түзеді. Кендегі таза шынытас (кварц) темір оксидімен әрекеттесіп, қожға өтеді:

2FeO + SiO₂ = 2FeO·SiO₂

Флюс ретінде тиелген әктас 911ºС температурада толығымен ыдырайды:

CaCO₃ = CaO + CO₂ (2.23)

Түзілген кальций оксиді бос тау жынысындағы шынытаспен әрекеттесіп силикат түзіледі:

Са+SiO₂=CaO·SiO₂ (2.24)

Тотыққан никель рудаларын шахталы бақытуда түзілетін қож құрамы, %:

SiO₂ - 44-46; FeO - 18-22; CaO – 15-18; MgO – 8-12; Al₂O₃ – 4-10.

Қождың шығымы әдетте шикіқұрам массынан 95-105% құрайды, кейде оның шығымы 120-130% жетүі мүмкін. Бұл кварцқа бай кендерді қорытқанда шикіқұрамға көп мөлшерде әктас қосуға тура келетініне байланысты.

Тастанды қождағы никелдің мөлшері ондағы темір (11) оксидінің мөлшеріне байланысты. Қожда темір (11) оксиді көбейсе, никельдің де мөлшері көбейді. Қаждағы никелдің мөлшеріне оның штейндегі мөлшері де әсер етеді. Штейн неғұлым бай болса, қожда соғұлым никель көп болады. Никельдің штейін мен қождың арасындағы таралу коэффициенті:

_(2.25)

100-ге жетеді. Кұрамындағы 15-20% никель бар штейн алғанда қожда әдетте 0,12-0,2% никель болады.

Пештен тозаңның шығуы агломерат қорытқанда 15%-ға жуық, ал брикеттерді қорытқанда 5-10% болады. Тозаңның құрамы шикіқұрамының кұрамымен бірдей, сондықтан оларды айналымды материал ретінде шикіқұрамға қосады.

Құрлысы жағынан тотыққан никель кендерін балқытуға арналған шахталық пештер мыс металлургиясында қолданылатын шахталы пештерге ұқсас. Айрмашылығы ішкі көріктің көлемі үлкен және оның қабырғалары сумен суытылмайды, яғни кессондалмайды. Бұлай істеу себебі штейндегі қиын балқитын ферроникель балқымасы суыған кезде көріктің қабырғаларында кристалданып, көріктің пайдалы көлемін кішірейтеді. Шахталы пештің кессондары болат бетерден пісіріліп жасалған қорап түріне болады. Кессондарға кірген және шыққан судың температурасының ауытқуы 5-15 ⁰. Осы жағдайда 1л судың алып кететін жылуының максималды мөлшері 63 кДж болады (4,18·15).

Қазіргі кезде буландыра суыту әдісі кең қолданылады. Бұл әдіс бойынша кессонға 30 ⁰ С дейін қыздырылған су жіберіледі. Бұл кезде судың әр литрі 2550 кДж жылу әкетеді. Бұл жағдайда жылуды әкету 40 есе артады, осыған сәйкес судың шығыны осындай есе азаяды.

Балқыту өнімдері – никель штейні мен қождың бір бірінен бөліну ішкі көрікте де, сыртқы көрікте де жүруі мүмкін. Бірінші жағдайда штейнді дүркін-дүркін шығаруға арналған шпур болады. Көріктің қарсы жағында қожды үздісіз ағызып алуға арналған науа бар. Сыртқы көрікті қолданғанда қож штейн арқылы жоғары көтеріліп өтуін қамтамасыз ететіндей жүргізіледі. Бұл кезде қож штейінді қыздырып, өзі кедейленеді, өйткені қожда қалқыма күйде болатын штейннің майда тамшыларын штейн ұстап қалады. Сыртқы көрік те шпурмен және ағынөзекпен жабдықталған.

Тотыққан никель кендерін шахталы бақылау келесі техника-экономикалық көрсеткіштермен сипатталады.

Тотыққан никель кендерін шахталы бақылаудың қарқындылығын арттыру және кокстың шығынын азайтуға үрлеуді қыздыру және оны оттегімен байыту себепші болады. Мысалы агломератты болқытқанда үрлеуді 300⁰С дейін қыздырғанда кокс 25,2%-ға үнемделеді, ал 400⁰С-ға қыздырғанда 33,3%-ға үнемделеді. Бұдан басқа шикіқұрамды балқыту сәйкесінше 10 және 15,3%-ға ұлғаяды. Үрлеуді оттегімен 25%-ға байытқанда шикіқұрамды балқыту көлемі 22,2%-ға артады да, кокстың шығыны 17%-ға кемиді.

Поиск по сайту: