Термодинамическое моделирование получения ферроникеля из окисленных никелевых руд Казахстана

На оксидных месторождениях сосредоточено 72 % мировых запасов никеля, однако в настоящее время только 42 % металла получают из латеритных руд (на начало 2005 г.). Дело в том, что сульфидные залежи богаче по содержанию никеля и меди, кроме того, в этих рудах присутствует больше редких и благородных металлов, которые извлекаются попутно. Эти попутные продукты часто делают больший вклад в доходы производителя, чем целевой никель. Однако сульфидные руды есть только в Канаде и России [1].

Общие запасы никеля в мире оцениваются Геологической службой США в 160 млн т (на конец 2002 г.). Уникальными месторождениями (более 20 млн т) обладают Австралия (25 млн т) и Куба (23 млн т), очень крупными (10–15 млн т) – Новая Каледония и Канада (15 млн т), Индонезия (13 млн т), ЮАР (12 млн т), Филиппины (11 млн т) [1].

Мировые подтвержденные запасы никеля составляли на начало 2003 г. 58 млн т. Крупнейшие запасы находятся в Австралии (20 млн т), затем идут Россия и Канада (по 6,6 млн т), Куба (5,6 млн т), Новая Каледония (4,5 млн т), Китай (3,7 млн т), Индонезия (3,2 млн т), ЮАР (2,5 млн т) [1].

Кроме того, в железо-марганцевых конкрециях на дне Мирового океана ресурсы никеля оценивают в 1 млрд т при среднем содержании 1,3 % никеля.

Республика Казахстан располагает значительными запасами никелевых руд.

К настоящему времени в Республике Казахстан обнаружено около 40 месторождений силикатных оксидных никелевых руд, представляющих промышленный интерес.

Руды содержат в среднем 1,4 % никеля, а в отдельных участках – до 1,5–3,0 %. Чаще всего месторождения состоят из цепочек рудных залежей, разобщенных участками пустых пород. Размеры залежей различают: минимальные – при длине 220–360 м и ширине 50–140 м и максимальные – при длине 1500–2000 м и ширине 320–700 м. Добыча ведется дешевым открытым способом, но при этом из карьеров вынимают много пустой породы.

В настоящее время разрабатываются месторождения Кимперсайского рудного района, НовоБурановское, Тайкеткенское, Батамшинское, Ново-Батамшинское, Промежуточное, Чугаевское и Октябрьское. Представлены к добыче Бурановское, Рождественское, Ново-Саздыкское, Щербаковское, Старо-Тайкетенское, Каменный Кобчик.

В настоящее время в мировой практике перерабатываются руды, как правило, содержащие более 1,4 % никеля, но наблюдается тенденция к переработке все более бедных руд [2].

Добываемые на казахстанских месторождениях руды в настоящее время перерабатываются в Российской Федерации: на комбинате «Южуралникель» (г. Орск) и частично на Режском и Верхне-уфалейском никелевых заводах. Организация собственного промышленного производства никеля из имеющегося в Казахстане в значительном количестве никелевого сырья бесспорно является актуальной задачей.

Таким образом, теоретические исследования термодинамического моделирования распределения элементов в системе «никелевая руда – углерод» с помощью программного комплекса «Астра-4» [3], методика которого описана в работе [4], являются новыми и представляют научную новизну и практическую значимость для металлургической промышленности Казахстана и экономики в целом.

С целью теоретического исследования возможности получения ферроникеля из системы «никелевая руда – углерод» было проведено термодинамическое моделирование с помощью программного комплекса «Астра-4», основанного на максимуме энтропии в интервале температур

1000–1700 К и давлении Р = 0,1 МПа. Основой для моделирования послужил процесс электротермической плавки никелевой руды в дуговой руднотермической печи.

Для проведения исследований была использована окисленная никельсодержащая руда месторождения Бугетколь, химический состав которой приведен в таблице.

В системe «окисленная никельсодержащая руда – углерод» с помощью термодинамического моделирования рассмотрено влияние температуры на распределение железа (Fe), никеля (Ni), кобальта (Co), кремния (Si), натрия (Na), магния (Мg), алюминия (Al), кальция (Ca), хрома (Cr), марганца (Mn), углерода (C), и кислорода (О 2 ).

В результате термодинамического моделирования процесса электротермической плавки никелевой руды выяснилось, что в системе «никелевая руда – углерод» происходит образование более 8 элементов: Fe, Ni, Co, Na, Мg, Cr, Mn, C и 17 соединений: Fе₃C _k , FеSiO_{3 k} , Fe₂Al₄Si_{8 k} , SiO, SiO_{2 k} , SiO 2 , CaSiO 3 k , CaMnSiO 4 k , Mn 2 SiO 4 k , Na 2 CO 3 k , MgO k , CaAl 12 O 19 k , Cr 2 O 3 k , CrO k , MnO k , CO, CO 2 .

Из рис. 1 следует, что степень перехода Fe в системе «окисленная никельсодержащая руда – углерод» составляет для соединения Fe 3 C k максимально при Т = 1200 К до 64,3 %, для соединения FeSiО 3 k до 92,5 % при Т = 1000 К и с увеличением температуры до 1700 К уменьшается до 43,7 %, а для соединения Fe₂Аl₄Si_{8 k} 7,47 % в температурном интервале 1100–1200 К.

Степень перехода никеля, в системе «окисленная никельсодержащая руда – углерод» показана на рис. 1. Из которого следует, что степень перехода никеля (Ni) в Ni k составляет 100 % в температурном интервале 1100–1300 К и с увеличением температуры до 1700 К снижается до 99,97 %, начиная переходить в газовую фазу.

Степень перехода кобальта (Co) в системе «окисленная никельсодержащая руда – углерод»

показана на рис. 1. Из которого следует, что степень перехода кобальта аналогично никелю, распределяется в Со k и составляет 100 % в температурном интервале 1100–1300 К и с увеличением температуры до 1700 К снижается до 99,69 % начиная переходить в газовую фазу.

Информация о степени распределения кремния, натрия, магния, алюминия, кальция, хрома, марганца, углерода и кислорода в системе «окисленная никельсодержащая руда – углерод» приведены на рис. 2–4.

Таким образом, по результатам исследования термодинамическим моделированием системы «никельсодержащая руда – углерод» следуют выводы:

– степень перехода Fe в системе составляет для соединения Fe 3 C k максимально при Т = 1200 К до 64,3 %, для соединения FeSiО_{3 k} до 92,5 % при Т = 1100 К и с увеличением температуры до 1700 К уменьшается до 43,7 %, а для соединения Fe₂Аl₄Si_{8 k} 7,47 % в температурном интервале 1100–1200 К;

– степень перехода никеля (Ni) в Ni _k составляет 100 % в температурном интервале 1100–1300 К и с увеличением температуры до 1700 К снижается до 99,97 %, начиная переходить в газовую фазу;

– степень перехода кобальта аналогично никелю, распределяется в Со k и составляет 100 % в температурном интервале 1100–1300 К и с увеличением температуры до 1700 К снижается до 99,69 %, начиная переходить в газовую фазу;

– проведенные термодинамическое исследование показало теоретическую возможность переработки оксидных никельсодержащих руд месторождения «Бугетколь» путем моделирования технологического процесса электротермической плавки с получением ферроникеля. Однако об определении качества предполагаемого ферроникеля и его соответствии стандарту можно будет судить лишь после проведения опытных экспериментов.

Химический состав окисленной никельсодержащей руды месторождения «Бугетколь»

Никельсодержащая оксидная руда «Бугетколь»	Содержание, %
Fe 2 O 3	33,62
NiO	1,76
CoO	0,11
SiO 2	39,4
NaO	0,39
CaO	0,9
MgO	11,25
Al2O 3	3,21
Cr 2 O 3	0,84
MnO	2,6
C	7,0
Прочeе	1,52