Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Кристаллизация шлаков плавок никелевого и медного сырья

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 814821.01.99
Приведены сведения о структурно-чувствительных физических свойствах (вязкости, плотности и поверхностном натяжении) расплавов шлаков никелевого и медного сырья, в первую очередь, о влиянии на них температуры и изменения состава из-за удаления из них оксидов железа. Представлен значительный объём экспериментальных данных по вязкости, плотности и поверхностному натяжению расплавов системы CaO-MgO-FeOx-Al2O3-SiO2 и образующих её подсистем. Для технических специалистов в цветной металлургии и студентов, обучающихся по профильным специальностям.

Кристаллизация шлаков плавок никелевого и медного сырья: Обзор монографии

Данная монография посвящена исследованию физико-химических свойств шлаков, образующихся в процессе плавки никелевого и медного сырья, с акцентом на их кристаллизацию и возможность утилизации. Работа представляет собой комплексный анализ, включающий экспериментальные исследования, теоретическое моделирование и технико-экономическое обоснование.

Структурно-чувствительные свойства шлаков

В первой главе рассматриваются структурно-чувствительные физические свойства шлаков, такие как вязкость, плотность и поверхностное натяжение. Авторы синтезировали модельные шлаки, близкие по составу к реальным, и провели экспериментальные измерения этих свойств в зависимости от температуры и состава, в частности, от содержания оксидов железа. Были разработаны эмпирические модели, описывающие температурные изменения этих свойств, а также изучены закономерности композиционных изменений, связанных с удалением FeOx. Полученные результаты показывают, что вязкость, плотность и поверхностное натяжение шлаков находятся в диапазонах, характерных для промышленных плавок медного и никелевого сырья.

Совместная переработка руд: Технико-экономическое обоснование

Вторая глава посвящена обоснованию совместной пирометаллургической переработки никелевых и медных руд. Авторы предлагают технологическую схему, включающую дробление, измельчение, обжиг, плавку на штейн, грануляцию шлака и производство серной кислоты. Представлены материальные и тепловые балансы операций, а также технико-экономическое обоснование проекта. Расчеты показывают, что реализация предлагаемой технологии может быть экономически эффективной, с положительным чистым дисконтированным доходом и приемлемым сроком окупаемости.

Утилизация оксидных продуктов: Стеклокерамика

Третья глава рассматривает возможности утилизации оксидных продуктов совместной переработки, в частности, шлаков. Авторы исследуют влияние скорости охлаждения на фазообразование в системе FeOx–CaO–MgO–Al2O3–SiO2. Предложены математические модели, описывающие механизм холодной кристаллизации стекла, полученного при воздушном охлаждении шлака. Также представлен расчет теплового баланса сухой грануляции расплавленного шлака. Результаты показывают, что обжиг гранулированного шлака является более эффективным способом производства стеклокерамики, чем кристаллизация расплава.

Текст подготовлен языковой моделью и может содержать неточности.

Клюшников, А. М. Кристаллизация шлаков плавок никелевого и медного сырья : монография / А. М. Клюшников, Г. И. Мальцев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 108 с. - ISBN 978-5-9729-1510-1. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/2094426 (дата обращения: 27.04.2025). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
 
 
 
 
А. М. Клюшников, Г. И. Мальцев 
 
 
 
 
 
 
 
 
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ШЛАКОВ ПЛАВОК 
НИКЕЛЕВОГО И МЕДНОГО СЫРЬЯ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 


УДК 66.065.5:669.046.582.5 
ББК 34.3 
К52 
 
 
Рецензенты: 
кафедра металлургии цветных металлов Института новых материалов 
и технологий ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет  
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»; 
зав. кафедрой металлургии НГЧОУ ВО «Технический университет УГМК» 
доктор технических наук, с. н. с. Лебедь А. Б. 
 
 
Клюшников, А. М. 
К52  
Кристаллизация шлаков плавок никелевого и медного сырья : монография / А. М. Клюшников,  Г. И. Мальцев. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. – 108 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1510-1  
 
Приведены сведения о структурно-чувствительных физических свойствах (вязкости, плотности и поверхностном натяжении) расплавов шлаков никелевого и медного 
сырья, в первую очередь, о влиянии на них температуры и изменения состава из-за удаления из них оксидов железа. Представлен значительный объём экспериментальных 
данных по вязкости, плотности и поверхностному натяжению расплавов системы  
CaO–MgO–FeOx–Al2O3–SiO2 и образующих её подсистем.  
Для технических специалистов в цветной металлургии и студентов, обучающихся по профильным специальностям. 
 
УДК 66.065.5:669.046.582.5 
ББК 34.3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1510-1 
” Клюшников А. М., Мальцев Г. И., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 


ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
Введение  ...................................................................................................................... 4 
Глава 1. Структурно-чувствительные физические свойства шлаков 
плавки никелевых и медных руд ............................................................................... 7 
1.1. Методики экспериментов .................................................................................... 7 
1.2. Состав, структура, термические свойства шлаков 
.......................................... 22 
1.3. Теоретическая оценка вязкости шлаков .......................................................... 30 
1.4. Экспериментальная оценка вязкости шлаков ................................................. 34 
1.5. Экспериментальная оценка плотности и поверхностного  
натяжения шлаков ..................................................................................................... 38 
1.6. Выводы ................................................................................................................ 41 
Глава 2. Обоснование совместной пирометаллургической  
переработки никелевых и медных руд 
.......................................................................... 
43 
2.1. Технологические решения 
................................................................................. 43 
2.2. Материальные и тепловые балансы  ................................................................ 46 
2.3. Технико-экономическая часть .......................................................................... 48 
2.4. Финансовые результаты и показатели эффективности 
.................................. 54 
2.5. Выводы ....................................................................................................................... 
55 
Глава 3. Утилизация оксидных продуктов совместной переработки  
никелевых и медных руд ................................................................................................. 
57 
3.1. Методики экспериментов .................................................................................. 57 
3.2. Кинетика кристаллизации шлаков плавки никелевой  
и медной руд .............................................................................................................. 64 
3.3. Выводы ................................................................................................................ 83 
Заключение 
................................................................................................................. 86 
Библиографический список 
...................................................................................... 89 
Приложения ............................................................................................................... 99 
 
 
 
 
 
 
3 


ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Для развития технологии совместной переработки руд необходимы сведения о структурно-чувствительных физических свойствах (вязкости, плотности и поверхностном натяжении) расплавов подобных шлаков, в первую очередь, о влиянии на них температуры и изменения состава из-за удаления из них 
оксидов железа. К настоящему времени накоплен значительный объём экспериментальных данных относительно вязкости [1–35], плотности [36–41], и поверхностного натяжения [34, 35, 39, 42] расплавов системы CaO–MgO–FeOx–
Al2O3–SiO2 и образующих её подсистем. Их прямое распространение на конкретные объекты осложняется отличием химического состава последних от состава ранее исследованных материалов, ошибками применённых методов и т. д. 
Существуют расчётные модели для предсказания вязкости шлаков по химическому составу и температуре [43–52], однако возможности их применения 
ограничены узкими диапазонами изменения учитываемых параметров и значительной ошибкой оценки [9, 15, 44]. Таким образом, определение вязкости, 
плотности и поверхностного натяжения шлаков является актуальной и нетривиальной задачей. Её решение может способствовать развитию научных представлений о свойствах системы CaO–MgO–FeOx–Al2O3–SiO2, играющей важную 
роль в геологии, цветной и чёрной металлургии, производстве стекла и керамики, при газификации углей.  
Помимо перечисленных моментов, затрагивающих базовые переделы новой технологии, существенную роль в её становлении может сыграть подтверждение возможности эффективной промышленной переработки конденсированных продуктов совместной плавки руд – бедных медно-никелевых штейнов 
и отвальных силикатных шлаков.  
Известен ряд способов переработки медно-никелевых штейнов [53௅56] 
однако наиболее распространённым вариантом является окислительная продувка воздухом (конвертирование) с выделением медно-никелевого файнштейна, конвертерных шлаков и отходящих газов, направляемых на операции рафинирования, обеднения и получения серной кислоты соответственно. Такой подход реализован на двух отечественных (АО ГМК «Печенганикель» и ПАО 
«Надеждинский металлургический завод») и ряде зарубежных (Sudbury, Copper 
Cliff и Thompson (Канада), Kalgoorlie (Австралия), Jinchuan (Китай), BCL (Ботсвана)) заводов [53]. Повышенное содержание железа в штейне, характерное 
для совместной плавки руд, способно существенно повлиять на техникоэкономические показатели конвертирования, зависящие от расходных коэффи4 


циентов дутья (воздуха) и флюса (SiO2). В связи с этим целесообразно проведение теоретической оценки возможных показателей передела конвертирования с 
привлечением возможностей специализированных программных комплексов 
для термодинамического моделирования технологических процессов. Опубликованные результаты подобной оценки в отношении селенидных [57] и сульфидных [58] медных штейнов могут быть приняты во внимание лишь отчасти. 
Другой продукт плавки – расплавленные силикатные шлаки, содержащие 
–1–15 % масс. Fe, – в промышленной практике, как правило, подвергают водной грануляции с получением частиц размером 1–10 мм, имеющих аморфную 
(стекловатую) структуру. Использование таких шлаков в качестве строительных материалов имеет ограниченный характер, и основную их массу складируют в отвал [59]. В то же время породообразующие компоненты (FeOx, MgO, 
CaO, Al2O3, SiO2) представляют большую ценность и должны быть извлечены в 
товарные продукты. Не менее актуален вопрос снижения вредного воздействия 
на окружающую среду, связанного с задействованием под хранение шлаков 
значительных территорий. 
Перспективным направлением утилизации расплавленных шлаков совместной плавки сульфидных руд и концентратов и окисленных никелевых 
руд может стать сухая (воздушная) грануляция со съёмом тепла и последующим производством стеклокерамики. Применение воздуха в качестве охлаждающего агента исключит выделение в атмосферу серусодержащих газов 
(H2S, SO2 и т. д.) и потери тепла на испарение воды, при этом будут получены 
нагретый до 500–700 °С воздух, аккумулирующий до 65 % тепла расплавленного шлака, и гранулы с минимальной влажностью [60–62]. После измельчения и 
компактирования полученные гранулы будут пригодны для изготовления стеклокерамики с применением стандартных технологий, например, контролируемой кристаллизации, предусматривающей обжиг (спекание) при температурах 
нуклеации и холодной кристаллизации [63, 64]. 
Возможность производства стеклокерамики из силикатных отходов цветной и чёрной металлургии, содержащих различные количества оксидов железа, 
рассмотрена в целом ряде работ [65–69]. Так, в [44] исследована возможность 
прямого получения стеклокерамики на основе системы SiO2–Al2O3–Fe2O3–CaO 
из золы сжигания отходов, содержащей цинк, медь, хром и свинец. Показано, 
что полученный образец отличается удовлетворительными физико-механическими свойствами и обеспечивает надёжную иммобилизацию цветных металлов в кристаллической решётке минералов или стеклянной матрице. В [65] 
установлено, что при кристаллизации стекла состава Mg0,203Al0,374Si0,423O1,61, содержащего 0–15 % мол. FeOx, повышение соотношения Fe3+ : Fe2+ ведёт к росту 
степени кристалличности. Авторы работы [66] отметили аналогичный эффект 
5 


повышения соотношения CaO : SiO2 в интервале 0,65–1,02 применительно к 
шлакам на основе системы CaO–SiO2–10FeyO–10Al2O3. Двойственное влияние 
Fe2O3 на кристаллизацию стекла системы SiO2–Al2O3–Fe2O3–CaO–TiO2–Cr2O3, 
полученного из хромсодержащего шлака, выявлено в [67]. Его добавление благоприятно влияет на образование кристаллов шпинели, но подавляет выделение 
пироксена. Ряд примеров производства высококачественной стеклокерамики 
(шлакоситаллов) из шлаков цветной металлургии приведён в [59]. Показана активная роль ионов Fe2+ в процессе структурных превращений, связанная с деполимеризацией структуры расплавов и стёкол и усилением их склонности к 
микроликвации, снижением вязкости и температуры структурных превращений, активным участием в зарождении и кристаллизации пироксеновых фаз. В 
целом, можно констатировать, что стеклокерамика на основе железосодержащих силикатных материалов обладает высокими потребительскими характеристиками [44, 59, 68] и пригодна для изготовления химически- и износостойких 
покрытий, облицовочной плитки и т. д. 
Одной из главных целей, преследуемых при разработке технологий производства стеклокерамики, является снижение эксплуатационных затрат, связанных с продолжительностью термической обработки, которая определяется 
кинетическими параметрами процесса холодной кристаллизации. Авторами работ [67–70] в рамках модели Джонсона–Мела–Аврами–Ерофеева–Колмогорова 
[71, 72] рассмотрена кинетика холодной кристаллизации в ряде стёкол на основе системы FeOx–CaO–MgO–Al2O3–SiO2. При этом индивидуальные особенности вещественного состава стекла (шлака) способны коренным образом повлиять на механизм процесса.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 


Глава 1 
 
СТРУКТУРНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ 
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 
ШЛАКОВ ПЛАВКИ НИКЕЛЕВЫХ 
И МЕДНЫХ РУД 
 
 
Установлено, что при плавке рудных смесей в шлак переходит от 60 до 
74 % всей массы шихты. Количество и характеристики этой фазы во многом 
определяют результаты плавки. Повышение расхода углеродистого восстановителя при плавке ведёт к росту металлизации штейна и переходу от железистого (~ 16 % масс. Feобщ) к безжелезистому (< 1 % масс. Feобщ) шлаку; такой 
переход сопровождается снижением содержаний в оксидном расплаве никеля, 
меди и кобальта от 0,09, 0,12 и 0,02 до 0,01, 0,02 и 0,01 % масс. соответственно. 
Для развития технологии совместной переработки руд необходимы сведения о 
структурно-чувствительных физических свойствах (вязкости, плотности и поверхностном натяжении) расплавов подобных шлаков, в первую очередь, о 
влиянии на них температуры и изменения состава из-за удаления из них оксидов железа. 
В связи с этим настоящий раздел посвящён определению структурночувствительных свойств расплавленных шлаков совместной плавки силикатных 
никелевых и медных колчеданных руд. Для этого синтезированы модельные 
шлаки, близкие по содержанию основных компонентов к реальным прототипам 
и обладающие их структурой, проведены теоретическая оценка и экспериментальное измерение вязкости, плотности и поверхностного натяжения модельных образцов, сформулированы и верифицированы оригинальные эмпирические модели, описывающие температурные изменения этих свойств, а также 
изучены закономерности их композиционных изменений, связанных с удалением из шлака FeOx. 
 
1.1. Методики экспериментов 
 
В работе использовали образцы модельных шлаков, по содержанию основных компонентов аналогичных их реальным прототипам – железистому 
(ЖШ) и безжелезистому (БЖШ) шлакам (табл. 1.1), полученным в эксперименте по лабораторному моделированию совместной плавки (1300 °C, графитовый 
7 


тигель) силикатной никелевой руды, огарка (Ds = 73 %) медной колчеданной 
руды и флюса (оксида кальция), взятых в массовом соотношении 100 : 60 : 10 
(табл. 1.2). 
Т а б л и ц а  1.1  
Химические составы железистого (ЖШ) и безжелезистого (БЖШ) шлаков,  
полученных при плавке смесей ОНР и СМР (по данным РФС) 
Содержание, % масс. 
Наименование 
материала 
Ni 
Cu 
Co 
Zn 
Feобщ 
S 
SiO2 MgO Al2O3 CaO 
Прочие 
ЖШ 
0,09 
0,12 
0,02 
0,20 
15,7 
0,2 
50,0 
14,2 
4,8 
9,4 
5,3 
БЖШ 
0,01 
0,02 
0,01 
0,01 
1,1 
0,8 
60,7 
17,4 
5,4 
12,3 
2,2 
Примечание: согласно свойствам шлаков восстановительно-сульфидирующих плавок медноникелевого сырья принято [55], что всё железо в шлаках находится в форме Fe2+, а сера – в растворённой форме в виде FeS; кислород, связанный с железом, отнесён к «прочим».  
 
Т а б л и ц а  1.2  
Результаты укрупнённо-лабораторного опыта по совместной  
восстановительно-сульфидирующей плавке (1300 °C) силикатной никелевой 
руды и огарка (Ds = 73 %) медной колчеданной руды 
Содержание (ȕ, % масс.) и распределение 
(İ, %) компонентов 
Продукт 
плавки 
Ni 
Cu 
Co 
Zn 
Pb 
Выход 
от  
шихты, 
% 
ȕ 
İ 
ȕ 
İ 
ȕ 
İ 
ȕ 
İ 
ȕ 
İ 
Штейн 
14,7 
4,31 
90,3 
2,96 
82,7 
0,60 
85,3 
0,01 
0,01 
0,14 
37,8 
Шлак 
72,9 
0,09 
9,7 
0,12 
17,3 
0,02 
14,7 
0,19 
27,3 
0,01 
13,9 
Содержание (ȕ, % масс.) и распределение 
(İ, %) компонентов 
Продукт 
плавки 
Fe 
As 
S 
Au 
Ag 
Выход 
от  
шихты, 
% 
ȕ 
İ 
ȕ 
İ 
ȕ 
İ 
ȕ 
İ 
ȕ 
İ 
Штейн 
14,7 
63,1 
44,6 
0,025 
34,7 
21,0 
82,9 
2,12 
99,5 
3,64 
99,5 
Шлак 
72,9 
15,7 
55,4 
0,001 
6,9 
0,2 
3,9 
– 
0,5 
– 
0,5 
 
 
8 


Методика моделирования процесса совместной восстановительносульфидирующей плавки на штейн никелевых и медных руд 
 
В качестве исходных материалов для лабораторного моделирования 
плавки на штейн взяты образцы силикатной никелевой руды Серовского месторождения состава, %: 0,8௅1,3; 8௅10 Fe; 0,02௅0,06 Co; 47௅52 SiO2; 14௅22 
MgO; 2௅5 Al2O3; 1௅2 CaO, медной колчеданной руды Дергамышского месторождения состава, %: 1,0௅1,1 Cu; 0,01 Ni; 0,12௅0,14 Co; 0,8௅1,3 Zn; 0,09௅0,2 Pb; 
33௅35 Fe; 27௅31 S; 13௅17 SiO2, пирротинового концентрата ПАО «ГМК «Норильский никель» состава, %: 31௅35 Fe; 24௅38 Ni; 32௅36 S; 2௅3 Ca, Al; 0,5௅1 Mg, 
а также продуктов (огарков) частичного окислительного обжига последних. 
 В ходе эксперимента варьировали параметры, определяющие, согласно 
результатам предварительно выполненного термодинамического моделирования, технологические показатели процесса.  
Восстановительно-сульфидирующую плавку силикатной никелевой и 
медной колчеданной руд моделировали при изменении массового соотношения 
ОНР : СМР в шихте от 1 до 10. Расходы флюса (оксид кальция) и восстановителя (элементный графит) во всех опытах составляли 10 и 5 % от массы никелевой руды, температура – 1500 °С. Навески компонентов шихты, включающей 
руды, оксид кальция и графит, взятые в заданных соотношениях, тщательно перемешивали и помещали в алундовый тигель. Тигель с шихтой устанавливали в 
электропечь сопротивления с углеграфитовым нагревателем (печь Таммана) и 
разогревали до требуемой температуры (температуру контролировали с точностью ±10 °C с помощью платинородий-платиновой термопары ТПП; её горячий 
спай, защищённый алундовым чехлом, располагали рядом с тиглем на уровне 
зеркала расплава максимально близко к его боковой поверхности; показания 
термопары 
регистрировали 
с 
помощью 
измерителя-регулятора 
ТРМ–1 
(ОВЕН)). Для ограничения доступа воздуха в реакционное пространство печь 
накрывали крышкой, изготовленной из асбеста. После расплавления шихты 
проводили изотермическую выдержку в течение 20 мин, затем тигель с расплавом вынимали из печи и охлаждали на воздухе.  
Восстановительно-сульфидирующую плавку шихты, составленной из 
никелевой руды, огарка (Ds = 60–73 %) медной руды и флюса (оксид кальция), 
моделировали при соотношении ОНР : огарок : CaO = 1,0 : 0,6 : 0,1 и температуре 1300 °С. Плавку вели в графитовом тигле без восстановителя в шихте. 
Дополнительно провели эксперимент, моделирующий условия плавки на 
штейн смеси силикатной никелевой руды и огарка пирротинового концентрата 
(табл. 1.3).  
 
9 


Т а б л и ц а  1.3 
Рациональный состав силикатной никелевой руды и огарка  
пирротинового концентрата, % масс. 
Соединение 
ОНР 
Огарок 
Соединение 
ОНР 
Огарок 
Fe3O4 
– 
59,8 
CoS 
– 
0,1 
FeS 
– 
21,5 
NiO 
1,9 
– 
CaMgSi2O6 
– 
6,4 
CoO 
0,09 
– 
NiS 
– 
2,9 
FeO 
11,9 
– 
SiO2 
58,9 
2,2 
MgO 
15,2 
– 
Al2O3 
5,7 
1,9 
CO2 
0,9 
– 
Fe2O3 
– 
1,5 
H2O 
4,8 
– 
CaO 
1,0 
1,1 
Прочие 
– 
2,3 
Cu2S 
– 
0,3 
Всего 
100 
100 
 
Для упрощения задачи из состава прототипов исключили цветные металлы (сера в шлаке существует в виде растворённого аниона S2–, она была сохранена в его составе для учёта её возможного влияния на его свойства), содержания остальных компонентов нормализовали. Заданный состав шлаков, % масс.:  
௅ 50,7 SiO2, 20,0 FeO, 14,4 MgO, 9,5 CaO, 4,9 Al2O3, 0,2 S (далее обозначен 
как базовый железистый модельный шлак);  
௅ 61,9 SiO2, 17,8 MgO, 12,6 CaO, 5,5 Al2O3, 1,4 Fe, 0,8 S (далее обозначен 
как базовый безжелезистый модельный шлак).  
Небольшие отличия составов модельных шлаков по сравнению с прототипами связаны с удалением из их состава «прочих» (за исключением кислорода, связанного с железом) и последующей нормализацией.  
 
Методика синтеза образцов базовых модельных шлаков из товарных  
химических реактивов (табл. 1.4) 
 
Т а б л и ц а  1.4  
Состав шихты синтеза модельных шлаков (на 100 г шлака) 
Масса, г 
д. в. 
реактива 
Наименование  
и квалификация 
реактива 
Нормативный 
документ 
Д. в. 
Содержание 
д. в.,  
% масс. 
ЖШ БЖШ ЖШ БЖШ 
Диоксид кремния (чда) 
ГОСТ 9428-73 
SiO2 
98,00 
50,66 61,94 51,69 63,20 
Оксид магния (чда) 
ГОСТ 4526-75 
MgO 
98,00 
14,39 17,75 14,68 18,12 
Оксид алюминия (чда) 
ТУ 6-09426-75 
Al2O3 
97,00 
4,86 
5,51 
5,01 
5,68 
 
10 


Похожие