Электроплавка окисленных никелевых руд
Основным способом переработки окисленных никелевых руд являлась их плавка в шахтных печах на штейн. Однако этот способ сопряжен с высоким расходом кокса и флюсов и характеризуется низким извлечением никеля и кобальта в штейн. Рост потребности в легированных никелем сталях явился стимулом для применения других более простых и высокоэффективных процессов переработки окисленных никелевых руд. К таким процессам, получающим в последние годы все большее развитие, относится восстановительная электроплавка руд на ферроникель. Получение ферроникеля в электропечах обеспечивает высокое извлечение никеля, кобальта и железа из руды и значительно упрощает технологию ее переработки по сравнению с плавкой в шахтных печах на штейн.
При плавке на ферроникель в электропечах перерабатывают агломерированную или предварительно прокаленную в трубчатых печах руду. Иногда процесс прокалки руды совмещают с ее предварительным восстановлением. Прокалка, обеспечивающая удаление гигроскопической и конституционной влаги, а также частичное восстановление руды способствуют значительному снижению расхода электроэнергии при последующей электроплавке. В зарубежных странах при электроплавке окисленных никелевых руд в основном стремятся извлечь никель, в связи с чем плавку ведут на богатый ферроникель. В отличие от зарубежной практики в России при плавке получают бедный ферроникель, что обеспечивает наряду с извлечением никеля высокое извлечение кобальта, а также более полное извлечение железа из руды.
В процессе восстановительной электроплавки окисленных никелевых руд, кроме никеля, кобальта и железа, в сплав переходят также некоторые количества углерода, кремния, хрома, фосфора и серы. Поэтому для получения кондиционного ферроникеля требуется проведение дополнительных операций для удаления указанных примесей.
Поведение компонентов шихты при восстановительной электроплавке на ферроникель
Железо, никель, кобальт. При восстановительной электроплавке окисленные соединения железа, никеля и кобальта, восстанавливаясь, переходят в сплав. Чем больше восстановителя в шихте, тем больше восстанавливается железа и тем беднее по содержанию никеля и кобальта будет получаемый сплав, но зато тем выше будет их извлечение из руды в этот сплав.
Следует отметить, что скорости плавления шихты, восстановления железа и взаимодействия его с силикатным расплавом при заданной мощности печи зависят еще от целого ряда факторов, среди которых решающее значение имеют составы исходной шихты и образующихся в результате плавки сплава и шлака. Отсутствие в настоящее время данных об активностях компонентов сплава не позволяет пока рассчитывать оптимальные составы шлака и сплава, обеспечивающие минимальные потери никеля со шлаками. Однако совершенно очевидно, что получение при плавке сплава с минимальным содержанием кремния может обеспечить максимальное извлечение никеля в сплав.
Кремний. Хотя SiO2 восстанавливается значительно труднее, чем окислы железа, никеля и кобальта, все же благодаря высокой его концентрации в шихте при электроплавке окисленных никелевых руд образуется некоторое количество кремния, часть которого реагирует с окислами железа, никеля и кобальта, восстанавливая их до металлов, образующих сплав, а часть растворяется в образующемся сплаве.
Восстановление кремнезема окисью углерода по реакции
SiO2 + 2CO=Si + 2C02 (5)
маловероятно с точки зрения термодинамики, так как даже при температуре 1727°С кремний окисляется до SiO2 газовой фазой, содержащей тысячные доли процента углекислого газа.
В присутствии железа, являющегося растворителем кремния, равновесие реакции восстановления SiO2 твердым углеродом смещается вправо.
Восстановление SiO2 в условиях избытка углерода возможно также с образованием карбида кремния:
SiO2 + 3C = SiC + 2CO. (9)
Однако в присутствии железа процесс предпочтительнее идет с образованием кремния, растворенного в жидком железе.
При восстановительной плавке окисленных никелевых руд имеет место окисление кремния закисью железа шлака:
Si + 2FeO=SiO2 + 2Fe
Данные полупромышленных и промышленных плавок окисленных руд на ферроникель показывают, что равновесное распределение кремния между продуктами плавки достигается только при шлаках, содержащих менее 50% (мол.) SiO2 и 17% (мол.) MgO или не более 55% SiO2 (мол.) при высоком содержании в них MgO (25—30% мол.). Дальнейшее увеличение содержания кремнезема в шлаках приводит к повышенному (против равновесного) переходу кремния в сплав. С уменьшением основности шлаков, когда сокращается число свободных ионов кислорода и структура кремнекислородных анионов заметно усложняется, массоперенос кислорода в жидких шлаках резко уменьшается, а следовательно, и уменьшается скорость окисления кремния, что способствует его повышенному переходу в сплав.
Учитывая отмеченные особенности поведения кремния при восстановительной электроплавке, необходимо для получения чистого по кремнию ферроникеля регулировать состав отвального шлака путем шихтовки разных типов руд и загрузки в печь флюсов. Кроме того, необходимо менять количество восстановителя при изменении состава руд.
Углерод. Поведение углерода при электроплавке окисленных никелевых руд определяется составом сплава и расходом восстановителя. При увеличении расхода восстановителя увеличивается содержание кремния в сплаве, что приводит к снижению растворимости в нем углерода. Кремний и никель снижают растворимость углерода в железе, хром оказывает обратное действие.
Хром. В процессе электроплавки окисленных никелевых руд присутствующая в исходной шихте окись хрома восстанавливается по реакции
Cr2О3 + 3C = 2Cr + 3CO, (11)
начиная с температуры примерно 1100° С. Переход хрома в сплав в значительной степени определяется извлечением в него железа: чем выше извлечение железа, тем выше переход Сг в сплав.
Сера и фосфор. Сера в процессе электроплавки вводится исходной рудой и восстановителем, фосфор — в основном рудой. В случае предварительного обжига руды 28% серы переходит в газы и пыль. При электроплавке примерно 26% серы переходит в сплав, 24,5% — в шлак и около 50% — в газы; 50% фосфора переходит в сплав и 50% — в газы.