Автореферат: Разработка технологии электролиза гранулированного медно-никелевого файнштейна

На правах рукописи

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОЛИЗА ГРАНУЛИРОВАННОГО МЕДНО-НИКЕЛЕВОГО ФАЙНШТЕЙНА

Нечвоглод Ольга Владимировна

Екатеринбург - 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт металлургии Уральского отделения РАН

Защита состоится 14 октября 2011 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 004.001.01 при Учреждении Российской академии наук Институт металлургии Уральского отделения РАН по адресу: 620016 г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 101.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Уральского отделения РАН

Автореферат разослан 13 августа 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Дмитриев А.Н.

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. На отечественных предприятиях перерабатывающих сульфидные медно-никелевые руды выделяют файнштейн с отношением Cu/Ni около единицы. Среди известных пирометаллургических, автоклавных, химических и электрохимических способов переработки файнштейнов в настоящее время используют флотацию и автоклавное выщелачивание. Флотационный способ, реализуемый на предприятиях, позволяет выделить мономинеральные концентраты при прямом извлечении в них меди и никеля около 90 %. В ходе дальнейшей переработки - окисления, плавки на аноды и электролиза, выделяют медь, никель, а также концентраты драгоценных металлов и кобальта. Серу полностью переводят в газ в виде сернистого ангидрида.

Тенденция к повышению отношения Cu/Ni в файнштейне, связанная с добычей руд с повышенным содержанием меди, ведет к снижению показателей существующей технологии. В связи с этим актуальна разработка альтернативных методов переработки сульфидных промпродуктов, позволяющих вовлекать в процесс сырье различного химического состава.

Одним из перспективных вариантов переработки сульфидного сырья, обеспечивающим экологическую безопасность и перевод серы в нетоксичное состояние (элементную серу), является электролиз в растворе серной кислоты. Предлагаемые ранее технологии электрохимического растворения компактных литых сульфидных анодов не нашли широкого промышленного применения в связи с пассивацией рабочей поверхности и низкой механической прочность массивных анодов. В рамках электрохимической переработки сульфидных анодов предполагается, для осуществления процесса электролиза использовать гранулированный файнштейн.

Работа выполнена по тематике ИМЕТ УрО РАН №0120957684, поддержана грантами РФФИ № 07-03-96087 и Министерства образования и науки № 02.740.11.0821, в соответствие с планами научно-образовательного центра ИМЕТ УрО РАН - УГТУ (УрФУ), в экспериментальных работах использовано оборудование центра коллективного пользования «Урал - М».

Цель работы: развитие теоретических основ и разработка технологии электролиза гранулированного медно-никелевого файнштейна.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

- провести оценку влияния скорости охлаждения сульфидов меди, никеля и файнштейнов на структурные параметры формирующихся фаз;

- изучить особенности электрохимических процессов, протекающих при электролизе гранулированных сульфидов меди, никеля и файнштейнов;

- обосновать параметры процесса электролиза гранулированного медно-никелевого файнштейна и предложить технологию его переработки с выделением металлов в виде порошков, а серы - в элементном состоянии.

Научная новизна:

- определены параметры фаз (объемная доля, удельная поверхность, средняя хорда и межчастичное расстояние), формирующихся при охлаждении со скоростями 10 и 103 град/с расплавов сульфидов меди, никеля и медно-никелевых файнштейнов;

- установлена возможность формирования сульфидных фаз размером до 10 мкм с частичным или полным растворением в них металлической составляющей при увеличении скорости охлаждения расплавов;

- установлены величины потенциалов и предельных токов электрохимического окисления фазовых составляющих сульфидно-металлических сплавов системы Ni3+XS2 - Cu2-XS - Ni(Cu);

- выявлена последовательность электрохимического окисления фазовых составляющих гранулированных медно-никелевых файнштейнов;

- определены скорости электрохимического окисления сульфидов меди, никеля и медно-никелевого файнштейна.

Практическая значимость. Показана возможность электролиза гранулированного медно-никелевого файнштейна с переводом металлов в раствор, а серы в элементное состояние. Определены параметры электролиза гранулированного файнштейна. Установлена корреляция между качеством выделяемого порошка меди и составом раствора. Предложены способы осуществления процесса электролиза гранулированного файнштейна и выделения элементной серы из серосульфидных шламов. Предложена технологическая схема электрохимической переработки гранулированного медно-никелевого файнштейна.

Методики исследования. В работе использованы современные методики проведения экспериментов и обработки данных: электролиза гранулированного файнштейна; грануляции сульфидно-металлических расплавов; потенциометрии и хроноамперометрии (IPC-Pro), минералогического (OLYMPUS), рентгенофазового (ДРОН 2.0), микрорентгеноспектрального (JSM - 5900LV), термического (Netzsch STA 449 C) и химического анализов; компьютерного моделирования с использованием программных комплексов HSC 5.0, SIMAGIC и Advanced Grapher 2.1.

На защиту выносятся:

-результаты изучения структуры и составов фаз, формирующихся при грануляции сульфидно-металлических медно-никелевых расплавов;

-результаты экспериментальных работ по оценке влияния крупности фаз сульфидов меди, никеля и медно-никелевых файнштейнов на химизм их электрохимического окисления;

-результаты экспериментального определения скоростей электрохимического окисления сульфидов меди, никеля и медно-никелевых файнштейнов;

-технология электрохимической переработки медно-никелевого файнштейна.

Апробация. Результаты работы представлены на всероссийских и международных конференциях: I междунар. научн. конф. «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии», Плес: ИГХТУ, 2008; всерос. научн. конф. «Химия твердого тела и функциональные материалы», Екатеринбург: ИХТТ УрО РАН, 2008; V росс. конф. молодых научн. сотрудников и аспирантов «Перспективные материалы», М.: ИМЕТ РАН, 2008; XII росс. конф. «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов», Екатеринбург: ИМЕТ УрО РАН, 2008; междунар. научно-практ. конф. «Металлургия цветных металлов. Проблемы и перспективы», М.: МИСиС, 2009; междун. научно-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», СПб.: СПбГПУ, 2010; междунар. научно-технич. конф. «Современные металлические материалы и технологии», СПб.: СПбГПУ, 2009; междунар. конф. «Diffusion in Solids and Liquids - 2010», Париж, 2010; II междунар. конгрессе «Цветные металлы - 2010», Красноярск, 2010.

Публикации. По результатам работы опубликовано 13 статей, в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК, 6 тезисов докладов, поданы 2 заявки на патенты.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 2-х приложений. Материал изложен на 138 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 28 таблиц, библиографический список включает 112 наименований.

Автор выражает благодарность за помощь и содействие в выполнении работы сотрудникам лаборатории пирометаллургии цветных металлов ИМЕТ УрО РАН и кафедры металлургии тяжелых цветных металлов металлургического факультета Уральского федерального университета им. Б.Н.Ельцина.

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе приведена характеристика сульфидных полупродуктов (файнштейнов), образующихся при переработке сульфидных медно-никелевых и оксидных никелевых руд. Изложены результаты аналитического обзора известных способов переработки сульфидных медно-никелевых материалов (табл. 1), в частности - файнштейнов. Развитие направлений обогатительной, автоклавной, химической и электрохимической переработки файнштейнов обосновано необходимостью снижения электрозатрат, повышения показателей по ресурсосбережению, экологичности как отдельных процессов, так и технологии в целом. Основными проблемами, решаемыми в ходе разработки технологии, являются: возможность переработки сульфидных материалов с отношением Cu/Ni колеблющимся в широких пределах; перевод серы в нетоксичное состояние - предпочтительно в элементное; снижение энергозатрат и совместимость процесса с существующими переделами. По этим показателям значимыми преимуществами обладает технология электрохимической переработки файнштейна. Однако известные способы электролиза сульфидных компактных анодов не нашли широкого промышленного применения в связи с пассивацией поверхности, низкой механической прочностью сульфидных анодов и высоким расходом электроэнергии.

Таблица 1 - Особенности способов переработки файнштейнов

В плане развития технологии электролиза файнштейна, обеспечивающей его прямую переработку с выделением целевых металлов и перевод серы в элементное состояние, предложено вести процесс с использованием гранулированного материала. В этом случае исключается необходимость получения механически прочных анодов, увеличивается реакционная поверхность, упрощается подготовка материала к электролизу и становится возможным электролиз при низких плотностях тока. Исходя из этого поставлена цель и определены задачи исследования, обеспечивающие физико-химическое обоснование и разработку технологии электролиза гранулированного файнштейна.

Во второй главе представлены результаты изучения структуры и фазового состава сульфидов, охлажденных с различными скоростями.

В качестве исходных образцов взяты синтезированные моносульфиды меди и никеля, а также никелевый и медно-никелевый файнштейны (табл.2). Охлаждение расплавленных образцов осуществляли методом кристаллизации и грануляции. При кристаллизации расплав вытягивали в кварцевые трубки, что обеспечило расчетную скорость охлаждения до температуры ликвидуса около 10 град/с. Оценка скорости охлаждения частиц при грануляции расплава в воду (103 град/с) рассчитана исходя из диаметра и плотности частиц, температуры расплава и теплоемкости.

Таблица 2 - Составы исходных образцов сульфидов

Согласно данным рентгенофазового (РФА) и минераграфического (рис. 1) анализов, образец сульфида никеля, охлажденный со скоростью 10 град/с, образован фазами хизлевудита (Ni3S2), годлевскита (Ni7S6), миллерита (NiS) и металлического никеля. Частицы металлического никеля в плоскости шлифа имеют размер до 5 мкм. В отличие от медленно охлажденного, в гранулированном образце металлической фазы не выявлено.