Исследование процесса и совершенствование технологии удаления меди и других примесей из природного и техногенного сырья с целью повышения его качества
|
Скачать 435.5 Kb.
|
1 2
|
На правах рукописи Дуров Николай Михайлович Исследование процесса и совершенствование технологии удаления меди и других примесей из природного и техногенного сырья с целью повышения его качества. Специальность 05.16.02 «Металлургия чёрных, цветных и редких металлов» АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук М осква – 2012 Диссертационная работа выполнена на кафедре экстракции и рециклинга черных металлов Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» Научный руководитель : доктор геолого-минералогических наук Коровушкин Владимир Васильевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры металлургии цветных металлов и золота Быстров Валентин Петрович кандидат технических наук Баласанов Андрей Владимирович Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М.Федоровского (ФГУП «ВИМС») Защита диссертации состоится 24 мая 2012 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.132.02 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» по адресу: 119049, Москва, Ленинский пр., д. 6, корп. 1, ауд. А-305. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИТУ «МИСиС» Автореферат диссертации размещен на официальном сайте НИТУ «МИСиС» – http://misis.ru Текст автореферата и объявление о защите направлены для размещения в сети Интернет Министерством образования и науки Российской Федерации по адресу referat_vak@mon.gov.ru Отзывы на автореферат диссертации (в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения) просьба направлять по адресу : 119049, г. Москва, Ленинский пр., д.4, Ученый Совет Справки по телефону: +7(499)236-82-17 Автореферат разослан «___» апреля 2012 года.  Учёный секретарь диссертационного совета, доктор техн. наук, профессор Семин А.Е. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Повышение качества продукции является важной стратегической задачей металлургической отрасли. Для легирования стали широкое распространение получили ферросплавы, в том числе ферроникель. При получении ферроникеля удаление из полупродуктов его производства (никелевых огарков) примесей Cu, S, As и др., понижающих качество стали при легировании, становится важной задачей. Снижение запасов и ухудшение качества железных руд ставит перед металлургами задачу вовлечения в производство железа накопленных техногенных отходов. К одному из наиболее ценных техногенных отходов, содержащих повышенные содержания железа и являющихся потенциальным сырьем для черной металлургии, являются пиритные огарки – отходы химической промышленности. В настоящее время в стране накопилось в виде отходов значительное количество пиритных огарков (более 500 млн. т., образующихся при производстве серной кислоты). Одним из препятствий для их использования при производстве чугуна являются повышенное содержание в меди, цинка, свинца, калия, натрия, мышьяка и др. Существующие схемы рафинирования сырья и полупродуктов для производства черных металлов, включающие технологии удаления меди и других цветных металлов за счет использования традиционных хлоринаторов, таких как NaCl и CaCl2, недостаточно эффективны. В связи с этим разработка более экономичных и эффективных способов рафинирования железосодержащих техногенных отходов и полупродуктов весьма актуальна. Цель исследований – исследование процесса и совершенствование технологии удаления меди из полупродуктов черной металлургии методом ее хлоридовозгонки. Подбор новых хлоринаторов для удаления меди из полупродуктов черной металлургии на основе процесса хлоридовозгонки. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Фактический материал. Объектом диссертационного исследования являлись полупродукты ферроникелевого производства, получаемые в процессе производства ферроникеля на ОАО «Южуралникель» из руд Сахаринского и Бруктальского месторождений. Непосредственный предмет исследования – пробы рядового и выщелоченного огарка, рядовая закись никеля отобранные в условиях обжигового цеха ОАО «Южуралникель», а так же пробы пиритных огарков отобранные на полигоне города Рошаль Московской области. Работа выполнена на кафедре экстракции и рециклинга черных металлов Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (НИТУ «МИСиС»). Материал для исследований никелевого огарка отобран соискателем в рамках научно-исследовательской работы, выполняемой по договору с ОАО «Южуралникель», а материал для исследования пиритного огарка по собственной инициативе. Методы исследований: - синхронный термический анализ (прибор STA 499 С Jupiter фирмы Netzsch, Германия) - для определения диапазона температур хлоридовозгонки; - мессбауэровская спектроскопия (спектрометр MS-1104Em с программой обработки Univem MS, РГУ, Ростов-на-Дону) - для диагностики железосодержащих фаз пиритного и никелевого огарка обожженного с хлорным железом (FeCl3); - эмиссионный спектральный анализ (спектрометр iCAP 6300 фирмы “Thermo Electron Corporaition”, США) - для определения элементного состава проб пиритного и ферроникелевого огарков до и после хлоридовозгонки; - порометрия (анализатор сорбции газов NOVA 1200 e, США) - для определении пористости и удельной поверхности пиритного и ферроникелевого огарков; - рентгеноспектральное микрозондирование (прибор “JXA-8100”, Jeol, Япония с энергодисперсионной системой “INCA Energy 400”) - для определения состава никелевого и пиритного огарков и выявления механизма удаления из них меди. Научная новизна работы. В диссертационной работе представлена совокупность научных результатов в рамках рассматриваемой цели и задач исследования, новизна которых заключается в следующем:
3. Обосновано преимущество FeCl3 перед NaCl и установлен механизм хлоридовозгонки меди из никелевых огарков с применением этих хлоринаторов, заключающийся в различных видах диффузионных процессов между компонентами никелевого огарка и хлоринаторами. 4. Теоретически определено и экспериментально доказано, что установленные оптимальные параметры рафинирования никелевых огарков хлоридом железа применимы для рафинирования пиритных огарков. Основные защищаемые положения: 1. Комплекс физических методов, включающий спектральный анализ, мессбауэровскую спектроскопию, термический анализ, оптическую микроскопию, рентгеноспектральный микроанализ, устанавливает физические и химические свойства никелевых и пиритных огарков, их элементный и фазовый состав, выявляет примеси этих полупродуктов, понижающие физические и металлургические свойства, что позволяет прогнозировать методику их извлечения. 2. Термодинамический расчет образования многочисленных газообразных соединений с помощью программы ИВТАНТЕРМО и HSC Chemistry 6.0 позволяет провести сравнительный анализ образования газообразных соединений хлора, серы, мышьяка при использовании хлоринаторов СаCl2, NaCl, FeCl3 и NiCl2 и доказать максимальную степень удаления примесей из никелевых огарков при использовании хлоринаторов FeCl3 и NiCl. Промышленными и лабораторными испытаниями использования хлоринаторов СаCl2, NaCl, FeCl3 и NiCl2 подтверждена технология извлечения меди из никелевых огарков путем хлоридовозгонки, и показана более высокая эффективность хлоринаторов FeCl3 и NiCl2. 3. Подача FeCl3 в трубчатую печь окислительного обжига позволяет исключить из производственной технологической схемы операцию сульфат - хлорирующего обжига, что существенно сокращает производственные затраты и снижает вредные выбросы. Практическая значимость 1. Показано, что использование NaCl в реакторе - хлоринаторе приводит к образованию легкоплавких эвтектик и укрупнению частиц никелевого огарка, что затрудняет удаление из него меди и не позволяет получать кондиционный ферроникель. 2. На основе лабораторных, опытно-промышленных исследований и термодинамических расчетов проведен сравнительный анализ эффективности использования хлоринаторов NaCl, CaCl2, FeCl3, NiCl2 для удаления меди из никелевых огарков. Показано, что максимальное удаление меди достигается при использовании хлоридов железа и никеля. 3. Разработанная технология удаления меди из никелевого огарка позволяет без существенных капитальных затрат в условиях ОАО «Южуралникель» получить ферроникель заданного состава и расширить возможный рынок продаж готовой продукции.
Апробация работы и публикации. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 65-х днях науки МИСиС (Москва, 2010г.), на 7-ом конгрессе обогатителей стран СНГ (Москва, 2009), Всероссийском совещании «Современные методы изучения вещественного состава глубоководных полиметаллических сульфидов (ПГС) Мирового океана» (Москва, 2011), конференции «Инновационное развитие горно-металлургической отрасли» и инновационного проекта «У.М.Н.И.К» 2009 (победитель) (Троицк, 2009), 4-ой Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2011), международном конгрессе «Доменное производство 21 век» (Москва, 2010) По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 3 работы в журналах рекомендованных ВАК. Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
Структура, объем и содержание работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы (102 наименования). Общий объем работы составляет 128 страниц, в том числе 73 рисунка и 24 таблицы и 3 приложений. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы основные цели и задачи, приведена научная и практическая значимость. В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса удаления меди из полупродуктов металлургического производства и техногенных отходов. Проведен анализ литературных данных по существующим способам удаления меди. На сегодняшний день отсутствуют экономически выгодные эффективные технологии удаления меди. В большинстве своем эти методы имеют невысокую эффективность, требуют значительных временных затрат и/или приводят к загрязнению конечного продукта веществами, которые применяется для удаления меди. Так, например, применение в качестве хлоринатора NaCl при сульфат-хлорирующем обжиге огарка ферроникелевого производства, приводит к загрязнению конечного продукта натрием и не обеспечивает необходимую степень удаления меди. Ценным сырьем для производства черных металлов могут служить пиритные огарки, содержащие более 50 % железа, применение которых в настоящее время ограничено из-за повышенного содержания в них меди, других цветных металлов и серы. Рафинирование от меди на стадиях получения жидкого металла требует существенных затрат энергии и не позволяет полностью избавиться от меди. В настоящее время наиболее распространенной технологией удаления меди является сульфат-хлорирующий обжиг, однако обеспечить необходимую степень удаления меди этим способом не удается. Наиболее перспективным в сложившейся ситуации может стать метод хлоридовозгонки, который, в отличие от хлорирующего обжига, ведётся при более высоких температурах, обеспечивающих удаление хлоридов металлов в газовую фазу. Этот процесс более универсален и позволяет извлекать больше различных цветных и редких металлов. Во второй главе приведены результаты исследований новой технологии извлечения меди из рядовых огарков ферроникелевого производства, основанной на замене применяемого NaCl на FeCl3 и переводе процесса удаления меди из хлорирующего обжига в хлоридовозгонку в условиях трубчатой печи окислительного обжига. На рисунке 1 представлена принципиальная схема обжигового цеха ОАО «Южуралникель», согласно которой удаление меди из рядового огарка полученного в печи кипящего слоя происходит путем перевода ее в растворимые соединения на стадии сульфат -хлорирующего обжига и последующего выщелачивания. Химический состав рядового никелевого огарка полученного в условиях обжигового цеха ОАО «Южуралникель» приведен в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что никелевый огарок в основном состоит из оксида никеля. Повышенное содержание таких примесей как As, Cu, S является проблемой при его дальнейшей переработке, так как они негативно влияют на металлургические свойства конечного продукта - ферроникеля.  Рис. 1. Принципиальная схема обжигового цеха ОАО «ЮУНК» Таблица 1. Химический состав рядового никелевого огарка.
Для выявления форм нахождения меди, серы и мышьяка в составе никелевого огарка был проведен рентгеноспектральный микроанализ зерен, содержащих серу. Полученные результаты приведены на рисунке 2 и прилагаемой таблице 2. Полученные результаты (таблица 2) показывают, что основное количество меди и мышьяка, находящихся в виде сульфидов, сконцентрировано в центре зерна, которое окружено оболочкой из оксидов никеля и железа. Такая структура не позволяет полностью так как при использовании хлорида натрия процесс охватывает лишь поверхность частицы и прямой контакт хлоринатора с медью, локализованной в центре зерна, отсутствует.  Рис.2. Изображение зерна исходного рядового никелевого огарка в обратных электронах с точками замера. Таблица 2. Элементный состав рядового никелевого огарка по данным рентгеноспектрального микроанализа.
Удаление меди в реакторе – хлоринаторе и при последующем выщелачивании идет по реакциям: CuS+2NaCl+2O2=CuCl2+Na2SO4 (1) Cu2S+2NaCl+2O2=2CuCl+Na2SO4 (2) Cu2O+2NaCl+SO2+0,5O2=2CuCl+Na2SO4 (3) Cu2O+4NaCl+2S+3,5O2=2CuCl2+2Na2SO4 (4) После этого никелевый огарок отправляется в цех выщелачивания, где непрореагировавший в реакторе-хлораторе оксид меди растворяется в разбавленной серной кислоте и отмывается водой. Растворение оксида меди идет по реакции: CuO+H2SO4 = CuSO4 + H2O (5) Высший хлорид меди (CuCl2) хорошо растворяется в воде, а низший хлорид меди CuCl и оксихлорид меди (CuO*CuCl2) плохо растворяются в воде и переходят в раствор при действии разбавленной серной кислоты при температуре выше 70 С. Серная кислота, являясь сильным окислителем, окисляет медь до 2-х валентного состояния и переводит ее в растворимую соль CuCl2. При этом выделяется сернистый газ. Химизм процесса: 2CuCl+2H2SO4 = CuCl2 + CuSO4 + SO2 + 2H2O (6) CuCl2+2H2O=Cu(OH)2+2HCl (7) Применение NaCl при такой схеме приводит к образованию легкоплавких эвтектик и значительному укрупнению частиц никелевого огарка за счет их накатывания друг на друга в реакторе-хлораторе. Выщелачивание меди из частиц огарка крупного размера идет значительно хуже, что приводит к увеличению ее содержания в огарке, который идет на производство ферроникеля и соответственно к снижению его качества. Пример укрупненной частицы рядового огарка приведен на рисунке 3.  Рис. 3. Укрупненная часть полого огарка после выщелачивания. Содержание меди в такой частице находится на уровне – 7,5-13,7 %, а содержание натрия – 9,7-11,1 %. В связи с этим целесообразно перевести процесс удаления меди и других примесей в трубчатую печь окислительного обжига с добавление в качестве хлоринатора FeCl3, где удаление примесей будет происходить по методу хлоридовозгонки. Это позволит исключить из технологической схемы операции сульфат - хлорирующего обжига и выщелачивания, что приведет к снижению производственных затрат. Хлорид железа III неустойчив при нагреве и уже при 300 С разлагается с выделением газообразного хлора (8), который реагирует с медью, диффундируя внутрь частицы. Образующейся при разложении хлорида железа III хлорид железа II, так же неустойчив при нагреве до 1100 С разлагается с выделением газообразного хлора (9), который реагирует с медью. Поскольку в печи окислительного обжига температура поддерживается на уровне 1200-1300 С, то вся сера выгорает, поэтому можно считать, что медь находится в виде оксида. При этом взаимодействие оксида меди с хлоридом железа можно описать следующими уравнениями: FeCl3=FeCl2+1/2Cl2 (8) FeCl2=Fe+Cl2 (9) Сu2O+2Сl2=2CuCl2+1/2O2 (10) 3Cu2O+2FeCl3=6CuCl(г)+Fe2O3 (11) Продуктами реакции образца никелевого огарка обожженного с хлоридом железа является хлорид меди, который удаляется в газовую фазу и гематит, наличие, которого подтверждается данными мессбауэровской спектроскопии. Результаты мессбауэровской спектроскопии приведены на рисунке 4 и в таблице 2.  Рис. 4. Мессбауэровский спектр никелевого огарка обожженного с FeCl3 при 1300 С в течение 1 часа c продувкой воздухом Таблица 3. Мессбауэровские параметры образца никелевого огарка обожженного с FeCl3 при 1300 С в течение 1 часа c продувкой воздухом
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 2
Похожие:
 |
Белгородскаяобласт ь м униципальный район «шебекинский район и город... Белгородской области в области защиты от чс природного и техногенного характера и с целью своевременного оповещения населения об... |
 |
Г Основы заготовительного процесса растительного сырья (сбор, первичная... Заготовка лекарственного растительного сырья является многогранным процессом, охватывающим цикл операций, начиная со сбора и заканчивая... |
|
Зао «лаукар» сепаратор л209 Паспорт Л209-01. 00. 000 Пс г. Тула 2012 г. 2 Сепаратор Л209 рассчитан на очистку гуминового концентрата от песка и других минеральных примесей и органических волокон более 200... |
|
Анализ работы мбоу «Средняя школа №13» за 2012-2013 учебного год Коллектив школы работал над темой «Совершенствование структуры урока с целью повышения его эффективности» |
|
Для удаления железа мы рекомендуем использовать комплект оборудования,... Этот фильтр требует периодической ручной очистки внутренней сетки от накопившихся примесей |
|
Руководство по эксплуатации сями. 407273 561 рэ Счётчики предназначены для измерения объёма природного газа и других неагрессивных сухих газов на газораспределительных станциях,... |
|
Инструкция по эксплуатации крн 00. 000. Иэ С целью повышения качества технологического процесса, выполняемого косилкой, особенно при кошении луговых трав, на 2 средних ротора... |
|
Предупреждение чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера ЧС, а также на сохранение здоровья людей, снижение размеров ущерба окружающей среде и материальных потерь в случае их возникновения... |
|
Описание Миниспиртзавод "Домовенок-2" Миниспиртзавод "Домовёнок" предназначен для получения в домашних условиях спирта высокой очистки из спиртосодержащего сырья. При... |
|
Доклад о состоянии защиты населения и территорий ханты-мансийского... Потенциальные опасности для населения и территорий при возникновении чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера |
|
Доклад о состоянии защиты населения и территорий российской федерации... Потенциальные опасности для населения и территорий при возникновении чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера |
|
И техногенного характера Потенциальные опасности для населения и территорий при возникновении чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера |
|
И техногенного характера Потенциальные опасности для населения и территорий при возникновении чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера |
|
И техногенного характера Потенциальные опасности для населения и территорий при возникновении чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера |
|
И техногенного характера Потенциальные опасности для населения и территорий при возникновении чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера |
|
И техногенного характера Потенциальные опасности для населения и территорий при возникновении чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера |