Разработка ресурсосберегающей технологии получения и использования никелевого концентрата из полиметаллического марганецсодержащего сырья

Актуальность работы.

Технический прогресс в машиностроении, строительстве, химии, энергетике и ряде других областей обусловливает повышение спроса на качественные стали и сплавы. Наиболее востребованными являются конструкционные, жаропрочные, кислотоустойчивые и нержавеющие марки стали, при производстве которых в качестве легирующих элементов используются цветные металлы, и одним из основных является никель.

Высокая цена на металлический никель на мировом рынке цветных металлов существенно влияет на себестоимость сталей, легированных этим элементом.

Замена никеля другими легирующими элементами не позволяет достичь требуемых свойств сталей, поэтому спрос на него остается стабильно высоким как на внутреннем, так и на внешнем рынках.

Запасы богатых никелевых руд с содержанием примерно 4% никеля ограничены. В связи с этим в производство вовлекают бедные силикатные руды с содержанием никеля 1,0 — 1,5%. Альтернативным никельсодержащим сырьем являются полиметаллические марганцевые руды недавно разведанного рождения Западной Сибири участков Сугул и Чумай и железомарганцевые креции Тихого океананикеля в них содержится до 0,5%.

Разработка высокотехнологичных методов комплексной переработки полиметаллического марганецсодержащего сырья с целью использования продуктов обогащения при легировании стали является актуальной в настоящее время.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с заданием Министерства образования и науки РФ по аналитической ведомственной целевой проместо-конграмме «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 — 2013 годы)», госконтрактом по федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы и планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Цель работы.

Разработка научно-обоснованных технологических процессов получения никелевого концентрата при комплексном обогащении полиметаллического марганецсодержащего сырья и использование никелевого концентрата для легирования стали.

Задачи работы.

— исследование физико-химических закономерностей процессов извлечения никеля из полиметаллического марганецсодержащего сырья;

— разработка технологических основ процесса комплексного обогащения полиметаллического марганецсодержащего сырья;

— изучение и определение технологических параметров процесса легирования стали с использованием никелевого концентрата.

Научная новизна.

— выполнен термодинамический анализ и исследованы условия процессов выщелачивания марганца и никеля в водных растворах хлорида кальция и хлорида железа (II);

— определены оптимальные параметры процесса селективного осаждения железа, марганца, кобальта и никеля из раствора, полученного после выщелачивания полиметаллического марганецсодержащего сырья;

— изучены закономерности и определены параметры процесса восстановления никеля из его монооксида при выплавке стали в электропечи.

Практическая значимость и реализация работы.

— разработаны технологические основы и предложена схема процесса комплексного обогащения полиметаллического марганецсодержащего сырья;

— разработаны технологические основы процесса легирования стали никелем с использованием никелевого концентрата;

— результаты исследований использованы при геолого-экономической оценке прогнозных ресурсов перспективных участков месторождений марганцевых руд в западной части Алтай-Саянской складчатой области, что подтверждено актом об использовании научно-исследовательских работ ФГУГП «За-псибгеолсъемка» ;

— научные результаты работы внедрены в практику подготовки специалистов по направлению Металлургия черных металлов ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», что подтверждено актом о внедрении результатов научно-исследовательских работ в учебный процесс.

Методы исследований.

Исследование гидрометаллургического обогащения марганецсодержащего сырья осуществляли в лабораторных и полупромышленных автоклавах. Химический и фазовый составы марганцевых руд и железомарганцевых конкреций, концентратов гидрометаллургической переработки, продуктов термической обработки определяли с помощью методов химического, спектрального и микрорентгеноспектрального анализов.

Изучение кинетики восстановления никеля проводили в печи сопротивления методом непрерывного взвешивания. Процесс легирования стали никелем изучали в дуговых лабораторных печах вместимостью 10,0 кг.

Математическое моделирование, термодинамические расчеты, обработку результатов исследований осуществляли на ПЭВМ с использованием стандартного пакета программ Microsoft Office, программного комплекса «Терра».

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов подтверждается: большим объемом экспериментальных данныхсходимостью результатов прикладных и теоретических исследованийприменением современных методов статистической обработки результатоввысокой воспроизводимостью полученных результатов.

На защиту выносятся:

— результаты теоретических и экспериментальных исследований гидрометаллургической переработки полиметаллического марганецсодержащего сырья;

— технологические режимы комплексного обогащения полиметаллического марганецсодержащего сырья;

— теоретические и экспериментальные исследования физико-химических особенностей процесса восстановления никеля из его монооксида в условиях выплавки стали в электропечи;

— технология использования никелевого концентрата при легировании стали в дуговой электропечи.

Автору принадлежит:

— постановка задач теоретических и экспериментальных исследований;

— проведение теоретических и экспериментальных исследований гидрометаллургической переработки марганцевых руд и железомарганцевых конкреций, определение оптимальных условий автоклавного выщелачивания и осаждения металлов из растворов;

— разработка основ технологии гидрометаллургической комплексной переработки марганцевых руд и железомарганцевых конкреций;

— проведение теоретических и экспериментальных исследований легирования стали никелевым концентратом;

— обработка полученных результатов, анализ, обобщение, научное обоснование, формулировка выводов и рекомендаций.

Апробация работы.

Основные положения диссертации были доложены на следующих конференциях:

— Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения», Новокузнецк, 2008 г.;

— 66-ой научно-технической конференции участников молодежного научно-инновационного конкурса (У.М.Н.И.К.), Магнитогорск, 2008 г.;

— Всероссийской научно-технической конференции «Научное наследие И.П. Бардина», Новокузнецк, 2008 г.;

— Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения», Новокузнецк, 2009 г.;

— Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», г. Юрга, 2010 г.;

— 16-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири», г. Томск, 2010 г.;

— Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», Новокузнецк, 2010 г.

— VIII конгрессе обогатителей стран СНГ, г. Москва, МИСиС, 2011 г.;

— Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», Новокузнецк, 2011 г.;

— III Конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», Москва, 2011 г.

Соответствие паспорту специальности.

Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.16.02 — Металлургия черных, цветных и редких металлов п. 1 «Рудное, нерудное и энергетическое сырье», п. 2 «Твердое и жидкое состояние металлических, оксидных, сульфидных, хлоридных систем», п. 4 «Термодинамика и кинетика металлургических процессов», п. 9 «Подготовка сырьевых материалов к металлургическим процессам и металлургические свойства сырья», п. 13 «Гидрометаллургические процессы и агрегаты».

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе одна в рецензируемом научном журнале.

Структура и объем диссертации

.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных литературных источников и приложений. Работа изложена на 143 страницах печатного текста, содержит 16 таблиц, 25 рисунков, список использованных литературных источников включает 192 наименования.

Выводы по главе 5.

1.На основании экспериментального изучения процесса восстановления никеля из его оксида было установлено:

— оптимальное соотношение оксида никеля и восстановителя в брикетах составляет 7:1;

— восстановление оксида никеля твердым углеродом в печи сопротивления протекает при температуре 1073 К, для полного восстановления необходима длительная выдержка в печи — 70 мин;

— в интервале температур 1173 — 1473 К процесс восстановления оксида никеля успешно протекает за более короткий промежуток времени 20−30 мин.

2. На основании экспериментальных исследований было установлено, что для прямого легирования целесообразно вводить в завалку брикеты, состоящие из никелевого концентрата и коксовой мелочи.

3. Разработана технологическая схема комплексного обогащения полиметаллического марганецсодержащего сырья с последующим использованием полученного никелевого концентрата для прямого легирования, позволяющая иметь сквозное извлечение никеля из сырья 90 — 91% и снизить затраты на легирующий элемент в 3 раза.

1. Анализ современных способов производства никеля и применения его в металлургии свидетельствует о целесообразности разработки ресурсосберегающей технологии комплексного обогащения полиметаллического марганец-содержащего сырья, позволяющей получать высококачественные марганцевые и никелевые концентраты.

2. Результаты термодинамического анализа реакций взаимодействия оксидов марганца и никеля с хлоридами кальция и железа (II) показали, что в качестве растворителя целесообразно использовать хлорид железа (II). Показана вероятность образования комплексных солей типа №[МпС13]2 с донорно-акцепторными химическими связями, способствующими более полному выщелачиванию марганца и никеля из природного сырья.

3. Экспериментально определены оптимальные технологические параметры выщелачивания — температура, продолжительность процесса и последовательность селективного осаждения ценных компонентов.

4. На основании результатов термодинамического моделирования с использованием программного комплекса «Терра» и экспериментального изучения процесса восстановления никеля из оксидов при легировании стали никелем в дуговой электропечи с использованием оксидного никелевого концентрата установлено, что за период плавления никель из концентрата практически полностью восстанавливается углеродом.

5. На основании экспериментальных исследований было установлено, что для прямого легирования целесообразно вводить в завалку брикеты, состоящие из никелевого концентрата и коксовой мелочи.

6. Разработана технологическая схема комплексного обогащения полиметаллического марганецсодержащего сырья с последующим использованием полученного никелевого концентрата для прямого легирования, позволяющая иметь сквозное извлечение никеля из сырья 90 — 91% и снизить затраты на легирующий элемент в 3 раза.

7. Научные результаты диссертационного исследования внедрены в практику подготовки студентов по специальности 150 100 — Металлургия черных металлов ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» в рамках дисциплин «Основы гидрометаллургии» и «Теория и технология электроплавки стали» (Акт о внедрении результатов НИР в учебный процесс представлен в приложении И). Ш.

МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (МПР России).

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ Ректопу «Ги^Г.

УНИТАРНОЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ Р> <<СиЫ И У «гпи?ГЕОЛ-СЪЕМКА», Мочалову СЛ.

Ф1 >111 Запсиогеолсъемка").

654 219 п. Елань, Кемеровская обл.,.

Новокузнецкий район, ул. Школьная, 5 т.ф. (3843) 55−36−85.

Е~гаа11: [email protected].

Я"3/<0 о-гЗО декабря 2010 г. акт об использовании результатов научно-исследовательских работ декабря 2010 г. п.Елань.

Научные исследования металлургической ценности марганцевых руд выполнены 1 осударственным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет», представленным его структурным подразделением Управлением научных исследований СибГИУ (УНИ СибГИУ), по договору подряда М> 22−07 от 19 ноября 2007 года, заключенному между УНИ СибГИУ и Федеральным государственным унитарным геологическим предприятием «Запсибгеолсъемка». Работа выполнена сотрудниками кафедры электрометаллургии, стандартизации и сертификации в рамках проекта «Оценка ресурсного потенциала марганцевых руд высокого качества в западной части Алтае-Саянекой складчатой области».

Целью данных исследований являлась оценка металлургической ценности 3 проб марганцевых руд: 1 — инфильтрационные руды участка Сунгай (уч. Сунгай-1, Сунгайская площадь. Алтайский край) — 2 — метаморфизованвые вулканогенно-осадочные руды участка Чумай (уч. Быстрый, Чумайская площадь. Кемеровская обл.) — 3 — валунчатые руды участка Сугул (уч. Пановский, Сугульская площадь, Республика Алтай). В процессе исследований, показавших высокое качество руд и широкие возможности их использования, также проведено изучение концентратов этих руд и рудовмещающих кварцитов. На первом этапе руды и концентраты изучены химическим, рештенофазовым и термическим анализами. Затем изучена кинетика восстановления руд и исследованы выплавки ферромарганца, силикомарганца и металлического.марганца. Результаты предварительной оценки металлургической ценности марганцевых руд показали, что сырые руды участков Сунгай, Чумай и концентрат, полученный из руд участка Сутул, возможно использовать для выплавки стандартного сшмкомарганца МнС17, руды участка Сутул — для выплавки нестандратного сплава, либо ферросилиция с марганцем. Руды участка Чумай и концентрат из руды участка.

Сунгай — для выплавки ферромарганца ФМн70, в том числе и бесфлюсовым процессом.

Концентрат участка Чумай возможно использовать для плавки металлического марганца.

Исследована возможность обогащения марганцевых руд с целью получения концентратов химического обогащения и извлечения из них никеля и кобальта. Разработана технология получения высококачественного марганцевого концентрата (59 — 64% марганца), никельжелезного концентрата с содержанием никеля 35 — 40% и кобальтжелезного концентрата с содержанием кобальта 40 — 45%.

Результаты научно-исследовательских работ, позволившие провести геолого-экономическую оценку прогнозных ресурсов перспективных участков и обосновать рекомендации по дальнейшему их изучению, использована в производственном геологическом отчете о результатах работ по объекту «Оценка ресурсного потенциала марганцевых руд высокого качества в западной части Алтае-Саянской складчатой области» (отв. исполнитель В. М. Шкарбань, 2008 г.) для качественной характеристики марганцевых руд изученных участков.

Генеральный директор ФГУГП «Запсибгеолсъемка», Заслуженный г<

Президент Горн^гаЙогичссй (! союза России 51 1.

А.Н. Мецнер