20. Тотыққан никель кендерін шахталық пеште 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 5-15⁰. 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 30⁰С 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.

	Агломератты бақылау	Брикетті бақылау
Меншікті балқыту, т/(м2 тәулік)	З9-41	25-27
Шығыны, кен массасынан, %:
әктастың	20-22	20-24
сульфидтегіштің	7-8	8-9
кокстың	21-24	30-33
Үрлеудегі оттегі, %	24-ке дейін	24,5-дейін
Штейнге өтеді%:
никель	66-68	75-85
кобальт	42-43	45-50
Тозаң шығуы, шикіқұрамнан %	14-16	5-10

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.