Оптимизация процесса конвертирования штейна совместной плавки окисленных никелевых и сульфидных медных руд на основе термодинамического моделирования

В работе представлены результаты термодинамического моделирования конвертирования медно-никелевого штейна (11,3 мас.% Ni + Cu + Co; 61,5 мас.% Fe; 25,9 мас.% S) совместной плавки окисленной никелевой и сульфидной медной руд. Расчеты проводились в приближении идеальных молекулярных растворов с использованием программного комплекса HSC Chemistry («Outotec Research Oy», Финляндия). Показана возможность выделения файнштейна, конвертерного шлака и газовой фазы. Оценки условных констант равновесия обменных реакций между файнштейном и шлаком (K_Ni/Fe = 0,004÷0,005, K _Co/Fe = 0,056÷0,099) близки к идеальным значениям. С применением методики математического планирования эксперимента проведена статистическая обработка данных. В качестве изучаемых факторов были выбраны температура конвертирования (t = 1100÷1300 °C) и индекс полноты окисления железа и серы (q = 0,9÷1,0), определяющий расход воздуха и флюса (SiO₂). Полученные математические модели процесса использованы для его оптимизации. Показано, что наилучшие показатели конвертирования могут быть достигнуты при t = 1150 °С и q = 0,950: файнштейн будет содержать 70,7 мас.% Ni + Cu + Co. При выходе 8,74 % от массы шихты извлечение в файнштейн никеля, меди и кобальта составит 67,9, 97,9 и 9,1 мас.% соответственно. Предполагаемые расходы воздуха (145,1 м³ (при нормальных условиях) на 100 кг штейна) и SiO₂ (34,4 кг на 100 кг штейна), а также выход шлака (89,1 % от массы шихты) близки к практическим нормативным данным. Результаты исследования подтверждают возможность рентабельной переработки бедных медно-никелевых штейнов и после экспериментальной проверки могут быть использованы при разработке схем автоматизации конвертерных отделений действующих и проектируемых производств.

1. Зайков В.В., Мелекесцева И.Ю. Кобальт-медноколчеданные месторождения в ультрамафитах аккреционной призмы Западно-Магнитогорской палеоостровной дуги. Литосфера. 2005. No. 3. С. 73—98. Zaikov V.V., Melekestseva I.Yu. Cobalt-copper-pyrite deposits in ultramafic accretionary prism of the West Magnitogorsk paleo-island arc. Litosfera. 2005. No. 3. P. 73—98 (In Russ.).

2. Селиванов Е.Н., Гуляева Р.И., Клюшников А.М. Исследование структуры и фазового состава медно-кобальтовых сульфидных руд Дергамышского месторождения. Цветные металлы. 2016. No. 3 (879). С. 13—17. DOI: 10.17580/tsm.2016.03.02. Selivanov E.N., Gulyaeva R.I. Klyushnikov A.M. Study of structure and phase composition of copper-cobalt sulfide ores of Dergamyshskoe deposit. Tsvetnye Metally. 2016. No. 3. Р. 13—17 (In Russ.).

3. Schlesinger M., Sole K., Davenport W. Extractive metallurgy of copper. 5th ed. Oxford: Elsevier, 2011.

4. Shamsuddin M., Sohn H.Y. Constitutive topics in physical chemistry of high-temperature nonferrous metallurgy — A review: Pt. 1. Sulfide roasting and smelting. JOM. 2019. Vol. 71. No. 9. P. 3253—3265. DOI: 10.1007/s11837-019-03620-7.

5. Luganov V.A., Shabalin V.I. Thermal dissociation of pyrite during processing of pyrite-containing raw materials. Canadian Metallurgical Quarterly. 1994. Vol. 33. No. 3. P. 169—174. DOI: 10.1179/cmq.1994.33.3.169.

6. Нагаева С.П., Мезенцева О.П., Козорез М.В. Минералогические исследования медных кобальтсодержащих руд Дергамышского месторождения. Горный журнал. 2014. No. 11. С. 31—35. Nagaeva S.P., Mezentseva O.P., Kozorez M.V. Mineralogical research of copper cobalt-containing ores of Dergamysh deposit. Gornyi zhurnal. 2014. No. 11. P. 31—35 (In Russ.).

7. Резник И.Д., Соболь С.И., Худяков В.М. Кобальт. Т. 1. М.: Машиностроение, 1995. Reznik I.D., Sobol’ S.I., Khudyakov V.M. Cobalt. Vol. 1. Moscow: Mashinostroenie, 1995 (In Russ.).

8. Халезов Б.Д. Кучное выщелачивание медных и медно-цинковых руд. Екатеринбург: РИО УрО РАН, 2013. Khalezov B.D. Heap leaching of copper and copper-zinc ores. Ekaterinburg: RIO UrO RAN, 2013 (In Russ.).

9. Meshram P., Abhilash, Pandey B.D. Advanced review on extraction of nickel from primary and secondary sources. Miner. Proces. Extract. Metal. Rev. 2008. DOI: 10.1080/08827508.2018.1514300.

10. Crundwell F.K., Moats M.S., Ramachandran V., Robinson T.G., Davenport W.G. Extractive metallurgy of nickel, cobalt and platinum-group metals. Oxford: Elsevier, 2011.

11. Dunn J.G, Jayaweera S.A.A. Effect of heating rate on the TG curve during the oxidation of nickel sulphide concentrates. Thermochimica Acta. 1983. Vol. 61. P. 313—317.

12. Кожахметов С.М., Квятковский С.А., Султанов М.К., Тулегенова З.К., Семенова А.С. Переработка окисленных медных руд и сульфидных медных концентратов Актогайского месторождения пирометаллургическими способами. Комплексное использование минерального сырья. 2018. No. 3. С. 54—62. DOI: 10.31643/2018/6445.18. Kozhakhmetov S.M., Kvyatkovskii S.A., Sultanov M.K., Tulegenova Z. K., Semenova A.S. Processing of oxidized copper ores and sulfide copper concentrates from the Aktogay deposit by pyrometallurgical methods. Kompleksnoe ispol’zovanie mineral’nogo syr’ya. 2018. No. 3. P. 54—62 (In Russ.).

13. Izydorczyk G., Mikula K., Skrzypczak D., Moustakas K., Witek-Krowiak A., Chojnacka K. Potential environmental pollution from copper metallurgy and methods of management. Environmental Res. 2021. Vol. 197. Р. 111050. DOI: 10.1016/j.envres.2021.111050.

14. Everaert M., Lemmens V., Atia T.A., Spooren J. Sulfidic mine tailings and marl waste rock as compatible resources in a microwave-assisted roasting process. J. Clean. Product. 2020. Vol. 274 122628. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.122628.

15. Селиванов Е.Н., Клюшников А.М., Чумарёв В.М., Гуляева Р.И. Шихта для восстановительно-сульфидирующей плавки окисленных никелевых руд: Пат. 2657267 (РФ). 2018. Selivanov E.N., Klyushnikov A.M., Chumarev V.M., Gulyaeva R.I. Mixture for reduction-sulfidation smelting of oxidized nickel ores: Pat. 2657267 (RF). 2018 (In Russ.).

16. Селиванов Е.Н., Клюшников А.М., Гуляева Р.И. Применение продуктов окислительного обжига сульфидных медных руд в качестве сульфидизатора при плавке на штейн никелевого сырья. Металлург. 2019. No. 8. С. 83—90. Selivanov E.N., Klyushnikov A.M., Gulyaeva R.I. Application of sulfide copper ores oxidizing roasting products as sulfidizing agent during melting nickel raw materials to matte. Metallurgist. 2019. Vol. 63. No. 7—8. P. 867—877.

17. Sun Q., Cheng H., Mei X, Liu Y., Li G., Xu Q., Lu X. Efficient synchronous extraction of nickel, copper, and cobalt from low—nickel matte by sulfation roasting—water leaching process. Scientific Reports. 2020. Vol. 10. 9916. DOI: 10.1038/s41598-020-66894-x.

18. Roine A. HSC Chemistry, Version 6.12 for Windows, Outotec Research Oy. Pori, Finland, 1974—2007.

19. Агеев Н.Г., Набойченко С.С. Металлургические расчеты с исплользованием пакета прикладных программ HSC Chemistry. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2016. Ageev N.G., Naboichenko S.S. Metallurgical calculations using the HSC Chemistry software. Ekaterinburg: Izdatel’stvo Ural’skogo universiteta, 2016 (In Russ.).

20. Yu D., Utigard T.A. TG/DTA study on the oxidation of nickel concentrate. Thermochimica Acta. 2012. Vol. 533. P. 56—65. DOI: 10.1016/j.tca.2012.01.017.

21. Souza R., Queiroz C., Brant J., Brocchi E. Pyrometallurgical processing of a low copper content concentrate based on a thermodynamic assessment. Miner. Eng. 2019. Vol. 130. P. 156—164. DOI: 10.1016/j.mineng.2018.10.015.

22. Wan X., Shi J., Taskinen P., Jokilaakso A. Extraction of copper from copper-bearing materials by sulfation roasting with SO2—O2 gas. JOM. 2020. Vol. 72. No. 10. Р. 3436—3446. DOI: 10.1007/s11837-020-04300-7.

23. Wilkomirsky I., Parra R., Parada F., Balladares E., Seguel E., Etcheverry J., Díaz R. Thermodynamic and kinetic mechanisms of bornite/chalcopyrite/magnetite formation during partial roasting of high-arsenic copper concentrates. Metal. Mater. Trans. B. 2020. Vol. 51B. Р. 1540. DOI: 10.1007/s11663-020-01870-4.

24. Božinović K., Štrbac N.; Mitovski A., Sokić M., Minić D., Marković B., Stojanović J. Thermal decomposition and kinetics of pentlandite-bearing ore oxidation in the air atmosphere. Metals. 2021. Vol. 11. Р. 1364. DOI: 10.3390/met11091364.

25. Клюшников А.М., Селиванов Е.Н. Термодинамическое моделирование совместной переработки окисленной никелевой и сульфидной медной руд. Бутлеровские сообщения. 2017. Т. 49. No. 1. С. 34—42. Klyushnikov A.M., Selivanov E.N. Thermodynamic modeling of the joint processing of oxidized nickel ores and sulfide copper-bearing ores. Butlerovskie soobshcheniya. 2017. Vol. 49. No. 1. P. 34—42. https://butlerov.com/files/reports/2019/vol58/5/110/19-58-5-110.pdf (In Russ.).

26. Swinbourne D.R., Yazawa A., Barbante G.G. Thermodynamic modeling of selenide matte converting. Metal. Mater. Trans. B. 1997. Vol. 28. P. 811—819. DOI: 10.1007/s11663-997-0008-4.

27. Swinbourne D.R., Kho T.S. Computational thermodynamics modeling of minor element distributions during copper flash converting. Metal. Mater. Trans. B. 2012. Vol. 43. P. 823—829. DOI: 10.1007/s11663-012-9652-4.

28. Малышев В.П. Математическое планирование металлургического и химического эксперимента. Алма-Ата: Наука, 1977. Malyshev V.P. Mathematical planning of metallurgical and chemical experiment. Alma-Ata: Nauka, 1977 (In Russ.).

29. Warner A.E.M., Diaz C.M., Dalvi A.D., Mackey P.J., Tarasov A.V., Jones R.T. World nonferrous smelter survey. Pt. IV: Nickel: Sulfide. JOM. 2007. Vol. 59 P. 58—72. DOI: 10.1007/s11837-007-0056-x.

30. Гудима Н.В., Карасев Ю.А. Кистяковский Б.Б., Колкер П.Е., Равданис Б.И. Технологические расчеты в металлургии цветных металлов. М.: Металлургия, 1977. Gudima N.V., Karasev Yu.A. Kistyakovskii B.B., Kolker P.E., Ravdanis B.I. Technological calculations in the metallurgy of non-ferrous metals. Moscow: Metallurgiya, 1977 (In Russ.).