ООО «Институт Гипроникель», Санкт-Петербург, Россия:

В. А. Попов, ведущий научный сотрудник лаборатории пирометаллургии, канд. техн. наук

Р. А. Пахомов, старший научный сотрудник лаборатории пирометаллургии, канд. техн. наук, эл. почта: pakhomovra@nornik.ru

АО «Кольская ГМК», Мончегорск, Россия:
М. И. Рябушкин, первый заместитель генерального директора – главный инженер, эл. почта: RyabushkinMI1@kolagmk.ru

Санкт-Петербург, Россия:

Л. Ш. Цемехман, член редколлегии журнала «Цветные металлы», докт. техн. наук, профессор, эл. почта: lev.tsem1@gmail.com

Процессы окислительного обжига сульфидных концентратов в печах кипящего слоя (КС) находят достаточно широкое применение в практике переработки сульфидных медных, медно-никелевых и пиритных концентратов. Огарок после обжига обычно подвергают плавке или гидрометаллургиче ской переработке. В литературе опубликованы результаты различных лабораторных исследований и промышленной практики обжига сульфидов. Настоящая статья посвящена термодинамическому моделированию процесса обжига никелевого концентрата, полученного при разделении файнштейна. С помощью компьютерной программы FactSage выполнено термодинамическое моделирование окислительного обжига такого никелевого концентрата в интервале температур 300÷1200 ^oC при lgpO₂ от –20 до –2. Показаны области существования возможных продуктов обжига: сульфатов, оксидов, сульфидов и металлических фаз цветных металлов. По результатам расчета при низких температурах наблюдается образование сульфатов цветных металлов, область их существования сдвигается в сторону высоких температур при увеличении окислительной способности газовой фазы. При средних температурах наблю даются оксидные фазы, включая шпинели. Условия существования сульфидных и металлических фаз соответствуют верхней границе исследованного диапазона температур. Выполнено сравнение результатов расчета с данными исследования реальных огарков печи КС методами растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа. Видно, что процессы, происходящие в реальных печах, можно успешно рассчитывать исходя из предположения о термодинамическом равновесии в КС. Установлено, что расчет процесса окисления с помощью алгоритмов и баз данных FactSage достаточно корректен и может быть использован при создании систем управления промышленными печами.

Авторы статьи благодарят директора Департамента по исследованиям и разработкам ООО «Институт Гипроникель» докт. техн. наук Л. Б. Цымбулова за консультативную помощь при выполнении работы.
Авторы статьи благодарят за помощь в выполнении исследований старшего научного сотрудника ООО «Институт Гипроникель» канд. техн. наук Ю. А. Савинову.

1. Цемехман Л. Ш., Парецкий В. М. Современные методы переработки сульфидных медно-никелевых концентратов: обзор // Цветные металлы. 2020. № 1. С. 24–31. DOI: 10.17580/tsm.2020.01.04.
2. Xi Z., Wang Z., Li X. et al. Improving the desulfurization degree of high-grade nickel matte via a two-step oxidation roasting Process // Metall. Mater. Trans. B. 2018. Vol. 49. P. 1834–1840.
3. Shamsuddin M., Sohn H. Y. Constitutive topics in physical chemistry of high-temperature nonferrous metallurgy — A Review: Part 1. Sulfide roasting and smelting // JOM. 2019. Vol. 71. P. 3253–3265.
4. Dong Lu Lv G., Zhang T. A. et al. Roasting pre-treatment of highsulfur bauxite for sulfide removal and digestion performance of roasted ore // Russ. J. Non-ferrous Metals. 2018. Vol. 59. P. 493–501.
5. Zhao Q., Xue J., Chen W. Upgrading of Iron concentrate by fluidized-bed magnetizing roasting of siderite to magnetite in CO – H₂ – N₂ atmosphere // Trans. Indian. Inst. Met. 2019. Vol. 72. P. 1381–1391.
6. Chernyavskiy N. V., Roskolupa A. I., Batrak A. A. Fluidized bed co-combustion of carbon-containing material from ash dumps at anthracite thermal power plants with sludge // Power Technol. Eng. 2012. Vol. 46. P. 59–64.

7. Savinova Y. A., Popov V. A., Portov A. B. et al. Roasting of a sulfide polymetallic concentrate in a fluidized bed furnace // Russ. Metall. 2014. Vol. 2014, No. 5. P. 351–357.
8. Yu D., Utigard T. A., Barati M. Fluidized bed selective oxidat ion-sulfation roasting of nickel sulfide concentrate: part ii. sulfation roasting // Metall. and Mater. Trans. B. 2014. Vol. 45. P. 662–674.
9. Блатов И. А., Клементьев В. В., Портов А. Б., Цемехман Л. Ш. Исследование кинетики окисления медно-никелевого сульфидного концентрата // Цветные металлы. 1995. № 4. С. 48–50.
10. Блатов И. А., Клементьев В. В., Портов А. Б., Цемехман Л. Ш., Паршуков А. Б. Некоторые особенности кинетики и механизма протекания процессов при окислительном обжиге рудных медно-никелевых концентратов // Металлы. 1999. № 2. С. 21–28.
11. Habashi F. Chalcopyrite, its chemistry and metallurgy. Ch. 5. — New York, 1978. P. 45–62.
12. Mao C., Lin J. Kinetic study of roasting of nickel sulfide concentrates // Zhongnan Kuangye Xuegnan Xuebao (China). 1988. Vol. 19, No. 3. Р. 333–339.
13. Маргулис Е. В. К теории окислительного обжига сульфидных материалов. Металлургия цветных металлов и методы их анализа // Сб. науч. трудов института ВНИИцветмет. 1962. № 7. C. 9–30.
14. Астафьев А. Ф., Алексеев Ю. В. Переработка в кипящем слое полупродуктов никелевого производства. — М. : Металлургия, 1997. — 255 с.
15. Asaki Z., Mori S., Ikeda M., Kondo Y. Oxidation of pyrrhotite particles falling through a vertical tube // Metallurgical Transactions. B. 1985. Vol. 16, No. 3. P. 627–638.
16. Маргулис Е. В. Адсорбционно-диссоционная теория окисления сульфидов // Труды института ВНИИцветмет. 1968. № 17. С. 5–10.
17. Diaz C., Conard B. R., Gordon J. R., Marcuson S. W., Burgess K. I. Deep roasting of nickel concentrate // CIM Bulletin. 1994. Vol. 87, No. 981. P. 72–78.
18. Портов А. Б., Озеров С. С., Савинова Ю. А., Цемехман Л. Ш. Отработка технологии обжига рудного медно-никелевого концентрата на укрупненно-лабораторной установке кипящего слоя // Цветные металлы. 2014. № 9. С. 44–51.
19. Yu D., Utigard T., Barati M. Fluidized oxidation-sulfation roasting of nickel sulfide concentrate. Part I. Oxsidation roas ting // Metallurgical and Materials Transactions. B. 2014. Vol. 45, No. 2. P. 653–661.
20. Синявер Б. В. Практика обжига и плавки никелевых концентратов на заводе фирмы ИНКО Томпсон (Канада) // Цветная металлургия. 1964. № 4. C. 44–49.
21. Orr R., Warner A. Fluid bed roasting in the Thompson smelter // The 13^th Annual Conference of Metallurgists. Toronto (Ontario, Canada). 1974. — 21 p.
22. Френц Г. С. Окисление сульфидов металлов. — М. : Наука, 1964. — 191 c.
23. Ganguly N. D., Mukherjee S. K. Studies on mechanism and kinetics of the oxidation of copper sulphide. I. Oxidation of copper sulphide in a fixed bed // Chemical Engineering Science. 1967. Vol. 22, Iss. 8. P. 1091–1105.
24. Oprea F. Mechanism of the oxidation of iron and copper sulfides // Rudarsko-metalurski zbornik. 1963. No. 3. P. 193–212.
25. Барам И. И. Макрокинетические закономерности окислительного обжига сульфидов // Комплексное исполь зование минерального сырья. 1984. № 6. С. 14–17.
26. Окунев А. И., Галимов М. Д. Окисление железа и серы в оксидно-сульфидных системах. — М. : Наука, 1983. — 126 c.
27. Rosenqvist T., Hofseth A. Phase relations and thermodynamics of the copper-iron-sulphur-oxygen system at 700–1000 ^oC // Scandinavian journal of metallurgy. 1980. Vol. 9, No. 1. P. 129–138.
28. Bale C. W., Bélisle E., Chartrand P., Decterov S. A., Eriksson G. et al. FactSage thermochemical software and databases 2010–2016 // Calphad. 2016. Vol. 54. P. 35–53.
29. Bale C. W., Belisle E., Chartrand P., Decterov S. A., Eriksson G. et al. Reprint of: FactSage thermochemical software and databases 2010–2016 // Calphad. 2016. Vol. 55. P. 1–19.
30. Gheribi A. E., Harvey J. P., Belisle E., Robelin C., Chartrand P. et al. Use of a biobjective direct search algorithm in the process design of material science applications // Optimization and Engineering. 2016. Vol. 17. No. 1. P. 27–45.
31. Попов В. А., Савинова Ю. А. Термодинамическое моделирование окислительного обжига медного концентрата от разделения файнштейна // Цветные металлы. 2020. № 9. С. 14–18. DOI: 10.17580/tsm.2020.09.02.
32. Криштал М. М., Ясников И. С., Полунин В. И., Филатов А. М., Ульянинков А. Г. Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ в примерах практического применения. — М. : Техносфера, 2009. — 208 с.
33. Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П. и др. Растровая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ / пер. с англ. под ред. В. И. Петрова. — М. : Мир, 1984. Ч. 1. — 296 с.; Ч. 2. — 348 с.
34. Цемехман Л. Ш., Фомичев В. Б., Ерцева Л. Н., Кайтмазов Н. Г., Козырев С. М. и др. Атлас минералогического сырья, технологических продуктов и товарной продукции ЗФ ОАО ГМК «Норильский никель». — М. : Издательский дом «Руда и Металлы», 2010. — 336 с.
35. Ерцева Л. Н., Цемехман Л. Ш., Цымбулов Л. Б. и др. О строении твердых штейнов никелевого производства // Цветные металлы. 2008. № 3. С. 21–23.
36. Савинова Ю. А., Румянцев Д. В., Мишина O. Ю., Банникова С. А., Сомов П. А. Исследование вещественного состава и морфологии тонкодисперсных металлургических пылей методами сканирующей электронно-ионной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа // Сб. тезисов докладов XХVIII Российской конференции по электронной микроскопии, 2020 (5–10 сентября 2020, Черноголовка). — URL: https://riccem.org/wp-content/uploads/2020/09/RCEM2020_V2conf_10.09.pdf#page=111.
37. Савинова Ю. А. Разработка технологии переработки рудных сульфидных концентратов цветных металлов с применением окислительного обжига в печах кипящего слоя : дис. … канд. тех. наук. — Санкт-Петербург, 2018. — 155 с.