Основными процессами являются – добавки флюса, охлаждения печей, газоотвода и очистки, плавка никелевых концентратов на ГМК НН производится в руднотермических печах во взвешенном состоянии на подогретом обогащенном кислородом дутье.

Основными контурами являются – контуры горения, кислорода, подогрева дутья, сушки концентрата, участки пневмотранспорта подачи флюса и кокса, отвода газов и электрофильтра, водяного испарительного охлаждения

Контуры подвода флюса

В результате плавки получают небольшой выход штейна, обычно 8% от массы перерабатываемой руды. В тоже время загрузка флюса, сульфидизатора, (пирита), или гипса, известняка может потребовать такого количества, что технически и экономически будет неоправданно. Технико-экономические показатели плавки будут снижены, возрастут потери никеля со шлаками.

Контур пневмотранспорта флюса по этим причинам также является важным, поскольку точность дозирования определит погрешность заполнения печи материалом.

С учетом большего внедрения вместо гравитационных систем и систем пневмотранспорта в контролируемой среде, например, в конвертерных цехах вместо подачи воздухом используется подача контролируемого соотношения кислорода и азота по своим веткам, повышения степени автоматизации процесса, эффективность внедрения специализированных клапанов увеличивается.

Контур горения

Процесс горения топлива является одним из главных факторов, определяющие параметры работы печей при плавке никелевых руд. Качество сжигания топлива определяет температуру в печах, восстановительную способность топочных газов, производительность печей, расход топлива, извлечение металлов в штейн. Используется дорогой и дефицитный вид топлива – кокс. В фурмы должно подаваться дутье, обогащенное кислородом.

Совокупность этих параметров указывает на то, что обслуживающие печь контуры регулирования могут быть отнесены к критическим.

Контур испарительного охлаждения печей

До недавнего времени стены шахтных печей, например, на никелевых заводах изготавливали из водоохлаждаемых кессонов, шатер на колошнике выполняли также в виде огнеупорной кладки в металлическом каркасе или также из кессонов.

Кессоны шахтных печей представляли собой сварные коробчатые конструкции из листовой стали с патрубками для ввода и вывода охлаждающей воды. Перепад температуры входящей и выходящей воды обычно составлял 5-15оС. В этих условиях каждый литр воды отбирал максимально 4,18-15=63 КДж теплоты, где 4,18 – теплоемкость воды, кДж/кг ^оС)

Более эффективный способ отвода избыточной теплоты – испарительное охлаждение с использованием скрытой теплоты испарения воды (2253 кДж\кг), т.е. замене подогрева воды на испарение кипящей. При испарительном охлаждении каждый килограмм воды будет отбирать от охлаждаемых элементов около 2550 кДж теплоты, т.е. почти в 40 раз больше, чем при использовании кессонов. Во столько же раз уменьшается расход охлаждаемой воды. В результате получают пар, который может быть использован для технологических нужд, тогда как ранее вода нагревалась только на 10 оС, и тепло безвозвратно терялось при охлаждении.

Для реализации принципа охлаждающие элементы представляют собой сваренные из труб кессоны, объединенные 2 коллекторами – нижним для подвода воды и верхним для отвода пара.

Однако, реализация этого способа потребовала:

– использования только химически очищенной воды,

– перевода контура на работу с более высокими давлениями и температурами,

– возможности регулирования в т.ч. с учетом двухфазного состояния воды – пара – конденсата.

Сам контур стал более критическим, т.е. небольшие отклонения на входе могут вызывать большие погрешности на выходе.

Контур дутья

Интенсификации процесса плавки и снижению расхода кокса способствует подогрев дутья и обогащение воздуха кислородом. Так, нагрев дутья при агломерированной плавке ведет к экономии топлива на 15.2%, а при 400 ^оС – на 23,3% и к росту проплава соответственно на 10 и 15,3%. Обогащение дутья кислородом до содержания 25% позволяет повысить проплав печи на 22,2%, а расход кокса уменьшить на 17%.

3. Получение медноникелевого штейна, конвертирование

Добавка кварца и подача воздуха. Конвертирование проводят в горизонтальных конвертерах 75-100 тонн.

Основные контуры – обслуживания горизонтального конвертера, подачи воздуха, завалки добавок и флюсов, дегазации, газоотвода и газоочистки и др.

Типовые проблемы. Процесс конвертирования, чтобы кобальт сохранить в файнштейне нужно вести с неполным окислением железа. В противном случае кобальт преимущественно перейдет в конвертерный шлак. В связи с этим, цикл поддержания степени окисленности расплава в печи должен быть выдержан и отрегулирована подача дозирующих компонентов.

4. Флотационное разделение меди и никеля

Состоит в разделении на богатый никелевый концентрат и богатый медный концентрат – с передачей его в медное производство.

Основные контуры – концентрата, подачи химикатов флотации, воздуха, отвода пены и др.

Типовые проблемы Файнштейн требуется медленно охлаждать в течение до 40-80 ч, чтобы обеспечить получение достаточно крупных кристаллов и хорошее вскрытие кристаллических фаз. Длительность и непрерывность процесса предъявляет повышенные требования к устройствам дозирования и подачи химикатов, точности регулирования, низкой инерционности процесса и т.п.

Поскольку флотацию ведут в сильно щелочной среде, то материалы в т.ч. и обслуживающих основной поток клапанов должен быть устойчивым к действию щелочей.

Карбонильное разделение меди и никеля

Температура процесса – 190-220 ^оС, давление до 17-23 МПа. По этому процессу в реактор – бомбу загружают файнштейн с пониженным содержанием серы. Карбонил никеля возгоняется, а медь и платиноиды и кобальт остаются в осадке.

Учитывая, присутствие газовой фазы с присутствием критического по соотношению количества СО, отработке контуров подачи газа СО на реакцию должно уделяться особенное внимание в связи с возможностью дополнительного роста погрешности. Характеристики реакции приведены ниже.

Ni+4CO =Ni(CO)₄

Для очистки от железа технический карбонил никеля дополнительно подвергают фракционной перегонке (ректификации). Очищенный карбонил направляют в башню разложения, обогреваемую до 200-220 ^оС. Продукт разложения – готовый карбонильный порошок.

Получение оксида никеля

Производится агломерирующим и окислительным обжигом.

Основные контуры – природного газа, воздуха, сушильных трубчатых печей, охлаждения, термической обработки окатышей, (сушка, окислительный обжиг и охлаждение гранул) газоотвода с подачей газа на производство серной кислоты

Получение чернового анодного никеля

– восстановительная плавка в дуговых электрических печах без наведения шлака Основные контуры – отвода газов, добавки флюсов, отвода газов

7. Получение финишного продукта – катодного никеля

– электролитическое рафинирование методами электролиза

Основные контуры – подачи электролита, поддержания концентрации и температуры.

Основные проблемы в связи с множеством примесей, таких как кобальт, железо, цинк, медь и катионы водорода, при несоблюдении режима и значительных погрешностях в регулировании они могут раньше или вместе с ним разряжаться на катоде. В связи с этим необходимо:

– Оптимизировать составы электролита совместно с электрическим режимом и сопряженными контурами регулирования.

– Обеспечить оптимальную циркуляцию электролита.

Поскольку для электролиза никелевых анодов применяют сульфатхлоридные электролиты, то их основными компонентами являются сульфаты никеля и натрия и хлорид железа. Для автоматического регулирования рН электролита в пределах 2,5-5 в него вводят борную кислоту, которая в зависимости от изменений кислотности электролита также может диссоциировать как с уменьшением рН, так и увеличением. Регулирование должно быть точным, в связи с тем, что такой контур также может быть отнесен к критическим. Реакция приведена ниже.

B³⁺ + 3OH ^- =H₃BO₃ = 3H⁺ + BO₃ ^3-

Уменьшение рН Увеличение рН

Основные проблемы и задачи

Единственно допустимым процессом на катодах в условиях электролитического рафинирования никеля является восстановление катионов никеля. Все остальные катодные реакции ведут либо к загрязнению катодного никеля, либо снижают выход по току. Получение чистых катодных осадков на практике достигается отделением катодного пространства от общего объема загрязненного электролита с помощью катодных диафрагм и особой системой циркуляции электролита.

Загрязненный электролит – анолит непрерывно выводят из ванн на обязательную очистку от железа, кобальта, меди на специальную очистную установку. После очистки он подается в катодные диафрагмы.

Подача католита регулируется таким образом, чтобы его уровень в катодной диафрагме превышал уровень электролита на 30 – 40 мм. В результате этого, обогащенный никелем католит под действием электростатического давления проходит через поры диафрагмы и, как бы отталкивая анолит от диафрагмы, не дает примесям проникать в катодную ячейку.

Дефицит никеля при электролизе в катодном пространстве необходимо непрерывно восполнять подачей никельсодержащих материалов. Регулирование должно быть увязано с другими контурами регулирования, что делает взаимосвязь работы контуров регулирования сложной и может вызвать эффект автоколебаний и «танцующих» контуров.

Количество катодных диафрагм и анодов в одной ванне из двух никелевого электролизера – до 44 ед., столько же должно быть запитанных контуров подачи электролита и его отвода. Для подачи католита в ванны служат гребенки из фаолита или винипласта с калиброванными ниппелями, снабженными резиновыми трубочками. По ним в каждую диафрагму подают католит. Скорость подачи католита регулируют по его уровню в диафрагменной ячейке. Характеристики циркуляции католита приведены ниже:

Плотность тока катодная А\м² – 180-350

Напряжение на ванне, В – 2,6-3,0

Температура католита, ^оС – 55-75

рН католита –2,1-4,8

скорость циркуляции католита на ячейку, л\ч – 20-30

расход электроэнергии на 1 т никеля, кВтч – 2400-3300

выход анодного скрапа, % – 16-18

Очистка анолита – включает 3 основные операции – очистку от железа, меди и кобальта.

Очистка от железа – FeSO₄+. Проводится с переводом иона в 3-х валентное состояние с последующим гидролитическим осаждением (Fe₂O₃xH₂O) Окислителем служит кислород воздуха. Очистку проводят в чанах с воздушным перемешиванием (пачуках). При гидролизе образуется серная кислота, для ее нейтрализации вводят карбонат никеля.

Для отделения полученных кеков от раствора используют дисковые фильтры. Дважды проводится кислотная репульпация с целью извлечения части никеля и далее материал плавят вместе с рудным сырьем в руднотермических печах.

Очистка от меди – цементацией меди никелевым порошком. Используется восстановление оксида никеля водородом. Обеспечивается отсутствие кислорода и используется специальные аппараты – цементаторы. Никелевый порошок подают на вход нагнетательных насосов, растворы снизу в цементатор. В верхней части аппарата скорость вертикального потока снижается из-за резкого расширения корпуса, в результате чего частицы твердых материалов образуют четко выраженный кипящий слой, который удерживается на глубине 2м от сливного порога. Выделившуюся цементную медь периодически выпускают из цементатора и направляются в медное производство.

Больший эффект может быть достигнут при применении специальных клапанов типа Покет Фидер, которые в меньшей степени будут сбивать режимы процесса за счет увеличения циклов выпуска меди и приближения процесса к непрерывному.

Очистка от кобальта. Проводится по процессу, близкому к очистке от железа с использованием газообразного хлора в качестве окислителя.

Реакция представлена ниже:

2CoSO₄ + Cl₂ + 3H₂O + 3NiCO₃= 2CO(OH)₃ +2NiSO₄ + NiCl₂ +3CO₂

ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Гидрометаллургические процессы наиболее распространены при производстве никеля по сравнению с производством меди. В настоящее время их применяют для переработки окисленных никелевых руд и никелевых сульфидных концентратов, пирротиновых концентратов, сульфидных полупродуктов (штейнов, файнштейнов и др.) Используются сернокислые, аммиачные и солянокислые растворы.

Основной процесс – выщелачивание с применением повышенного давления. Это позволяет вести процесс при повышенных температурах. Высокие давления и температуры ускоряют химические реакции и повышают полноту их протекания. Рост параметров безразрывно связан с совершенствованием условий гидротранспорта и регулирования сред, а повышение непрерывности процесса приводит к выраженной потребности в автоматизации и автоматическим клапанам. Используются автоклавные процессы. Их проводят в специальных герметичных автоклавах. В металлургии никеля применяются горизонтальные автоклавы.

Гидрометаллургическим способом перерабатываются окисленные никелевые руды, содержащие 1,5%Ni и 0,8%Co по аммиачной схеме. Сначала руду подвергают селективному восстановительному обжигу, при котором никель восстанавливается до металла, а железо до Fe₃O₄. Охлажденный огарок выщелачивают в турбоаэраторах – герметичных пневмомеханических мешалках – с растворами, содержащими 5-7% аммиака и 4-5% оксида углерода. Общий процесс с точки зрения критичности для контуров регулирования может быть отнесен к таковому по аммиаку, см. ниже.

Me + 6NH₃ +CO₂+1\2O₂ = Me(NH₃)6CO₃

Гидроксид железа и большая часть кобальта остается в хвосты выщелачивания. Полученные растворы далее подвергают термическому разложению острым паром с образованием нерастворимых карбонатов никеля и кобальта. Осадок карбонатов сушат и прокаливают в термических печах, что приводит к образованию оксида никеля. Оксид никеля спекают на агломерационных машинах. Товарным продуктом технологии является спек (синтер), содержащий 88% Ni и 0,7%Co.

Дальнейшее совершенствование технологии заключается в применении сернокислотного выщелачивания под давлением до 0,4-0,5МПа в вертикальных автоклавах, что позволяет проводить процесс при температурах до 240-260 ^оС. В раствор при выщелачивании переходит до 95% никеля и кобальта в виде сульфатов NiSO4 и CaSO₄. После очистки от железа раствор нейтрализуют и обрабатывают сероводородом в специальных автоклавах, в результате чего получают сульфидный концентрат. Конечное извлечение из руды 90%.

Аммиачное выщелачивание проводят в 4-х камерных автоклавах объемом 120 м³ для сульфидных никелевых концентратов (14%Ni, 3%Cu, 0,2%Co, 35% Fe, 28% S).

Технологическая схема:

1. аммиачное выщелачивание концентрата при Т =77-82^оС, давлении 70 КПа, в раствор в форме аммиакатов переходит никель, медь и кобальт, а железо, окисляясь, выпадает в осадок в виде гидроксида.

2. кристаллизация сульфида меди при нагреве раствора до 110 ^оС.

3. последовательное автоклавное восстановление водородом никеля и осаждение кобальта сероводородом

4. кристаллизация сульфата аммония из отработанного раствора.

В РФ такие схемы используются на РАО ГМК Норильский Никель для переработки пирротиновых концентратов, на комбинате Южуралникель для переработки кобальтового штейна (автоклавной массы), получаемой пи обеднении конвертерных шлаков, на комбинате Североникель для растворения богатых никелевых концентратов с целью обогащения никелевого электролита.

Другие гидрометаллургические процессы.

– Окислительное выщелачивание в горизонтальных автоклавах с рабочей емкостью до 10 м³ при 108 ^оС и давлении 1,5 МПа.

– Серосульфидная флотация – флотационное отделение сульфидов и элементарной серы от оксидов.

– Плавка автоклавного сульфидного концентрата (Надеждинский металлургический завод РАО ГМК Норильский Никель).

– Солянокислое выщелачивание (Норвегия).

ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА КЛАПАНОВ

Клапаны и арматура для основных процессов никелевого производства должны определяться при помощи расчета с использованием следующих данных:

– среда

– условия по давлению, температуре, разнице давлений

– требования к регулированию, качество, надежность и погрешность регулирования в течение заданного срока эксплуатации

– возможности автоматизации, используемым протоколам, возможность работы электроники в условиях загрязненной среды никелевых цехов

– конструктивное исполнение и привязка к трубопроводам.

– требование унификации

Сложность выбора клапанов для никелевого производства определяется большим количеством применяемых и сложных сред, большими объемами и скоростями потоков, сложными коррозионными условиями.

В отличие от традиционного выбора по технико-экономическим показателям, для производства никеля и подобных сложных производств лучше осуществлять выбор по наиболее сильным проектным решениям.

Материалы для клапанов ассортимент материалов для клапанов, удовлетворяющим требованиям процессов в металлургии весьма ограничен, и выбор представляет сложную задачу.

Влияние конструкции проточной части. Как известно, регулирование происходит в зависимости от изменения давления и расхода до и после клапана. В связи с особенностями регулирования внутри клапана всегда происходит определенное понижение, и затем восстановление давления. Однако, если в процессе регулирования обычной жидкости после образования кавитационных пузырьков происходит их схлопывание, то в случае снижения давления ниже критического схлопывания не происходит, и на зародившихся пузырьках начинает развиваться поток туманно-капельного типа, выделение солей, деградация растворов и т.п. Возникающие в результате несовершенства проточной части погрешности регулирования и потери, следующие из растущей колебательности процесса, значительно увеличиваются.

Тенденции развития клапанов

– замена седельных клапанов на шаровые и поворотные заслонки.

– замена шиберных задвижек и клиновых задвижек на поворотные заслонки

– унификация клапанов

– автоматизация клапанов и использование современных полевых шин

– перевод на внешнее сервисное обслуживание

2.2. Проблемы истечения двухфазных жидкостей и регулирования их течения

Особенность течения многих жидких сред в металлургии заключается в том, что они могут образовывать двухфазные смеси. Это касается определенной части химических и электролизных процессов, флотации, возможности разложения и выделения газов, вскипания и парообразования.

Это, кроме прочего, означает, что в трубах всегда присутствует как минимум до 5% газовой фазы, как распределенного в виде пузырьков, так и возможно сформировавшихся пробок. Первый случай наиболее част и может вызвать эрозионное разрушение клапанов. В первую очередь, оно выражается в том, что клапан начинает пропускать, не держит давление и не способен регулировать. Результатом в этом случае может быть нарушение всего взаимодействия в системе, идущей от правильного соотношения и разницы давлений в смежных системах.