СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ СУЛЬФИДНЫХ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ НА ШТЕЙН НА НАДЕЖДИНСКОМ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ЗАВОДЕ ИМ. Б. И. КОЛЕСНИКОВА ЗФ ПАО «ГМК «НОРИЛЬСКИЙ НИКЕЛЬ»

IMPROVEMENT OF COPPER-NICKEL MATTE PRODUCTION TECHNOLOGY AT THE KOLESNIKOV NADEZHDA METALLURGICAL PLANT ZF PJSC NORILSK NICKEL

Andrei Borodin

student, Department of Non-ferrous metallurgy, Siberian Federal University,

Russia, Krasnoyarsk

Natalya Oleinikova

doctor of Sciences in Technology, associate professor, Siberian Federal University,

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

В последнее время остро встал вопрос энергетичности сульфидного сырья, перерабатываемого по существующей технологии взвешенной плавки на Надеждинском металлургическом заводе им. Б. И. Колесникова (далее – НМЗ) ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель» (далее – ЗФ). Ранее в переработку вовлекался только никель-пирротиновый концентрат Талнахской обогатительной фабрики (HПК ТОФ), содержащий в себе около 31-32 % сульфидной серы. Однако, после закрытия Никелевого завода в 2016 году, весь объем никелевого сырья стали перерабатывать на НМЗ. В новом составе шихты взвешенной плавки существенно снизилось процентное содержание сульфидной серы и повысилось количество породных и тугоплавких продуктов [1]. Данные факторы отрицательно сказались на энергетической работе печей взвешенной плавки (ПВП), поднимая, тем самым, вопрос об усовершенствовании технологии производства штейна.

ABSTRACT

Recently, there has been a problem with the energy efficiency of sulfide raw materials, which are processed using flash smelting technology at the Kolesnikov Nadezhda metallurgical plant (onward – NMP) ZF PJSC «MMC «Norilsk Nickel» (onward – ZF). Previously, there is processed only the nickel-pyrrhotite concentrate of the Talnakh Concentrator (NPC TC), containing about 31-32% sulfide sulfur. However, after the Nickel Plant was closed in 2016, all nickel raw materials are currently processed at the NMP. In the batch of flash smelting with a new composition decreased the percentage of sulphide sulfur and increased amount of rock and infusible products [1]. These factors negatively affected the energy performance of flash smelting furnaces (FSF), which raised the question of improving the matte production technology.

Ключевые слова: медно-никелевый концентрат; плавка; обжиг; огарок; кипящий слой; штейн; десульфуризация; печь; сульфидная сера; отходящие газы.

Keywords: copper-nickel concentrate; smelting; roasting; calcine; fluidized bed; matte; desulphurization; furnace; sulfide sulfur; exhaust gases.

На сегодняшний момент на переработку в ПВП поступает сгущенная смесь из рудных флотационных концентратов и техногенного сырья. Состав сырья следующий: медно-никелевые концентраты, получаемые в процессе флотационного обогащения полиметаллических сульфидных руд Норильского промышленного района на Талнахской обогатительной фабрике (ТОФ) ЗФ, и Норильской обогатительной фабрике (НОФ), сульфидный концентрат гидрометаллургического производства НМЗ, измельченный никелевый шлак от конвертирования медных штейнов на Медном заводе (МЗ), оборотная пыль, тонкоизмельченные обороты (ТИО) и прочее сырье [2].

Смесь концентратов и флюсовой речной песок фильтруют и высушивают до остаточной влажности не более 0,2 %. Высушенную смесь направляют в бункеры ПВП. Из бункеров компоненты шихты дозируются в определенных пропорциях к распылителю шихты, установленном на своде реакционной шахты ПВП, где происходит воспламенение частиц концентрата и штейно-, шлакообразование в потоке кислородно-воздушной смеси (КВС).

Полученные расплавы разделяются в отстойнике печи и выводится через шпуровые отверстия. Штейн разливают в ковши и транспортируют на конвертирование, оборотный шлак самотеком заливается в обеднительную электропечь (ОЭП). Отходящие газы ПВП охлаждают в котлах-утилизаторах туннельного типа, очищают от пыли в две стадии в сухих электрофильтрах и дымососами направляют в дымовую трубу без утилизации от диоксида серы.

Обеднение ведут, пропуская через расплав электрический ток от трех самоспекающихся электродов. Для восстановления окисленного железа загружают коксовый орешек, а для штейнообразования – богатую руду. В качестве флюса используют дробленый песчаник. Помимо шлака ПВП, в ОЭП заливают ковшами конвертерный шлак с передела конвертирования медно-никелевых штейнов.  Штейн ОЭП заливают в ковши и транспортируют мостовыми кранами на конвертирование. Обедненный отвальный шлак ОЭП гранулируют известковым молоком и вывозят в отвал. Отходящие газы ОЭП очищают от пыли в рукавных фильтрах и направляют в дымовую трубу.

Схема действующего предприятия представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Существующая схема производства медно-никелевого штейна на НМЗ им. Б. И. Колесникова

Описание предлагаемой схемы

Новая технологическая схема получения медно-никелевых штейнов предполагает замену комплекса, состоящего из плавки смеси концентратов в ПВП и обеднения шлаков в ОЭП, на предварительный обжиг концентратов в печи кипящего слоя (ПКС) и последующую плавку огарка в руднотермической печи (РТП) с утилизацией диоксида серы в составе отходящих газов. Схема разработанной технологии представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Предлагаемая схема производства медно-никелевого штейна по технологии обжиг - плавка

Подобная технологическая схема долгое время применяется в Канаде на металлургических предприятиях «Thompson» и «Falconbridge». На момент запуска завода «Thompson» в 1961 году в плавильном цехе были установлены три ПКС с площадью пода по 14,5 м², три электропечи мощностью по 18000 кВА и четыре конвертера Пирса-Смита по 200 т. В 1968 году оборудование было дополнено двумя ПКС с площадью пода 23,8 м², двумя электропечами мощностью по 36000 кВА и двумя конвертерами по 100 т [3].

На Алавердском ГМК в Армении медные сульфидные концентраты шихтуют с флюсом и подвергают окислительному обжигу при температуре около 850 °C, а полученный огарок плавят в электропечах [4].

На японских заводах «Косака» и «Окаяма» компании «Dowa Mining Co.» реализована технология обжига медно-цинкового концентрата в ПКС при температурном интервале 630-700 °C с последующей гидрометаллургической переработкой огарков [5].

Печь кипящего слоя считается металлургическим агрегатом с автогенным принципом действия, позволяя регулировать степень десульфуризации при обжиге сульфидного сырья. В среднем содержание серы в СНСК составляет 24-27 %, что является приемлемым для работы ПКС на дутье, обогащенном кислородом или на чистом кислороде.

Влажную смесь концентратов подсушивают в сушильных барабанах до конечной влажности не более 10 %. Практика работы ПКС такова, что большая часть тонкоизмельченного концентрата выносится вместе с отходящими газами, для чего требуется проектирование комплексной системы газоочистки. Поэтому, для минимизации пылевыноса, смесь окатывают на чашевых грануляторах, затем она проходит термообработку за счет тепла от отходящих газов.

Упрочненные гранулы концентрата загружают в ПКС через боковые устройства загрузки. В аппарат подают воздух, обогащенный кислородом. Степень обогащения определяется в зависимости от содержания серы в исходном сырье и от штейна требуемого состава, выплавляемого из огарка в РТП.

Горячий огарок, состоящий из сульфидов цветных металлов, оксидов железа и части окисленных цветных металлов, вместе с флюсом выгружают из ПКС и по герметичным скребковым транспортерам подают в электропечи через несколько течек, расположенных вдоль длинной боковой стенки печи.

Ввиду того, что окислительный обжиг в ПКС предполагает высокий пылевынос (более 400 г/нм³), газ охлаждается с 900-950 °C до 400-450 °C в котле-утилизаторе туннельного типа с очисткой от крупной пыли (50 мкм и более). Охлажденный газ проходит через группу циклонов, после которых запыленность не превышает 3-6 г/нм³. Доулавливание тонкой пыли и охлаждение газа ведут в скруббере Вентури. Очищенный газ имеет запыленность не более 0,1 г/нм³ [6].

Извлечённую пыль окатывают на чашевых грануляторах, высушивают окатыши паром высокого давления, полученного от горячих газов ПКС, и загружают на поверхность шлака в виде откосов вместе с песчаником.

Штейн руднотермической плавки характеризуется наличием металлического железа за счет добавления угольного восстановителя, используемого для более полного обеднения шлаков от цветных металлов, и от спекания электродной массы.

Отходящие газы содержат незначительное количество диоксида серы и диоксида углерода от восстановителя и углеродистых самоспекающихся электродов. Основу отходящих газов составляют азот и кислород от подсосов воздуха, вследствие небольшого разрежения во внутрипечном пространстве, составляющим примерно минус 10 Па. Газы охлаждают и очищают в скрубберах и удаляют излишнюю влагу.

Во избежание загрязнения атмосферы сернистым газом с обеих печей, охлажденные и очищенные от пыли отходящие газы нагнетателем подаются на смешивание в сборный газоход. Полученный технологический газ направляют на производство серной кислоты методом контактирования с последующей абсорбцией серного ангидрида [7]. Серная кислота пригодна в качестве компонента электролита при электролизе меди, для заправки аккумуляторов, производства гипса, фосфорных удобрений и глауберовой соли.

Руднотермические печи имеют немного меньший удельный проплав, чем в ПВП, однако, способны работать долгое время без вынужденных остановок, снижая капитальные затраты на обслуживание оборудования.

Предлагаемая схема имеет следующие положительные стороны:

• Предусматривает замену комплекса, состоящего из ПВП и ОЭП, на предварительный обжиг смеси концентратов в печи кипящего слоя (ПКС) и последующую плавку огарка в руднотермической печи (РTП), получая шлаки отвального качества без дополнительного обеднения и затраты реагентов, уменьшая потери цветных металлов;
• Позволяет отказаться от использования природного газа как дополнительного источника топлива в процессе плавки;
• Объединение газовых потоков ПКС и РТП минимизирует выбросы газов из РТП, имеющих в своем составе небольшое количество SO₂. Газовая смесь пригодна для производства серной кислоты методом контактирования и последующей абсорбции SO₃;
• Дает возможность в полном объеме перерабатывать никелевый шлак М3, имеющий в своем составе тугоплавкие соединения, снижающие энергетичность сульфидного сырья при взвешенной плавке;
• Решает проблему автогенности плавильного процесса, так как для взвешенной плавки рекомендуется поддерживать содержание серы не менее 30 %. Использование энергии от окисления сульфидной и элементной серы при обжиге делает процесс полностью автогенным.

Список литературы:

1. Марчук Р. А., Крупнов Л. В., Величко В. В. Особенности переработки мелкодисперсного сырья с пониженным энергетическим потенциалом в автогенном плавильном агрегате. XIII конференция «Металлургия цветных, редких и благородных металлов»: Раздел II «Металлургия тяжелых цветных металлов», Красноярск, 18 сентября, 2019;
2. Промышленные испытания переработки шихты перспективного состава на Надеждинском металлургическом заводе / Л. В. Крупнов, В. Б. Фомичев, М. И. Рябушкин, С. Г. Анапольская / Цветные металлы. – 2015. – № 6. – С. 33 - 39;
3. Резник И. Д. Никель: в 3 томах / Г. П. Ермаков, Я. М. Шнеерсон. – М.: Наука и технологии, 2003. – № 3 – С. 121 - 126;
4. Серебренникова Э.Я. Освоение частичного обжига медных концентратов в кипящем слое / А.А. Бенуни, Т.И. Мелькеси и др. / Применение кипящего слоя в цветной металлургии. Труды института Гинцветмет, 1969. № 30 – C. 41 - 48;
5. Кипящий слой в цветной металлургии / Д.Н. Клушин, Э.Я. Серебренникова, А.Д. Бессер и др. М.: Металлургия, 1978 – 280 с;
6. Санаев Ю. И. Обеспыливание газов электрофильтрами. Семибратово: Кондор-Эко, 2009. – 163 с;
7. Амелин А. Г. Производство серной кислоты контактным методом: [Учеб. пособие для курсов техн. минимума и производ.-техн. курсов]. – Москва; Ленинград: Госхимиздат, 1950. – 256 с.