Επίδραση της φυσικοχημικής συμπεριφοράς νικελιούχων λατεριτών στην ενεργειακή βελτιστοποίηση της πυρομεταλλουργικής τους κατεργασίας

Abstract

The objective of the present study is to contribute to the investigation of the physicochemical behaviour of laterite ores during their roasting reduction, in order to optimize the energy requirements of their metallurgical treatment. Roasting reduction constitutes a critical step of the pyrometallurgical treatment of nickeliferous laterites for ferronickel production. The energy requirements for this step are almost 65% of the total energy required to produce a ferronickel alloy of 12-14% in Ni, while at the same time this total energy corresponds to a very significant portion of the treatment cost. Therefore, the optimization of roasting reduction contributes significantly to the economics of the metallurgical process through improving its energy efficiency and reducing the frequency of the operational problems in the following step of smelting reduction. Within the framework of the current study, the reducibility of nickeliferous lateritic ores of domestic and foreign origin with a different mineralogical composition as well as the reducibility of the hematite mineral was investigated, giving special emphasis to the study of the rate controlling mechanisms in the various steps of reduction. The reducibility study included reduction experiments with gaseous (CO-N2) and solid (lignite and coke) reducing agents. The main part of the study was based on the experimental work including standard ASTM reduction tests with a gaseous reducing mixture (CO-N2), similar with the ASTM tests designed for the determination of the reducibility of iron ores. It comes from the experimental results that reducibility of the Greek nickeliferous laterite ore of intermediate type (ore of Kastoria origin) is significantly higher than that of the rest of the laterite ores examined under the same conditions. That is, reduction degree of Kastoria ore after 90 minutes in the temperatures 650 to 9000C, was ranging from 62 to 95%, whereas that of limonitic type of ores from Evia island and Lokrida, as well as an intermediate type of ore from Indonesia, was 26-49%, respectively. This result was verified for the ores in the form of grains (of 6 to 12 mm size), as well as various ore mixtures in the form of pellets. It was also deduced from this study that ore grain size and composition of the gaseous reducing mixture critically affect the results of reduction. Temperature favors the progress of reduction only within the range 650-7500C, whereas its effect is almost negligible within the range 750-9000C. Nevertheless, the effect of temperature is also critical within the range 750-9000C during reduction of laterite ores with a solid reducing agent (lignite). In such a case, it is considered that a temperature increase leads to the higher activation of the solid fuel, i.e. a more intensive reducing atmosphere due to the increased evolution of CO resulting from the gasification of fuel and the decomposition of hydrocarbons contained in its volatile constituents, resulting in an increased rate of reduction.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η συμβολή στην καλύτερη γνώση και η εμβάθυνση στη μελέτη της φυσικοχημικής συμπεριφοράς των λατεριτικών μεταλλευμάτων κατά τη διάρκεια της αναγωγικής φρύξης, με απώτερο στόχο την ενεργειακή βελτιστοποίηση της πυρομεταλλουργικής τους κατεργασίας. Η αναγωγική φρύξη αποτελεί πολύ σημαντικό στάδιο της πυρομεταλλουργικής κατεργασίας των Ελληνικών νικελιούχων λατεριτικών μεταλλευμάτων για την παραγωγή σιδηρονικελίου. Oι ενεργειακές απαιτήσεις στο εν λόγω στάδιο αποτελούν το 65% περίπου της συνολικής ενέργειας φρύξης και τήξης για την παραγωγή Fe-Ni 12-14% σε νικέλιο, ενώ η απαιτούμενη ενέργεια για την πραγματοποίηση μόνο των ενδόθερμων αναγωγικών αντιδράσεων κατά τη φρύξη αποτελεί το 8%. Ως εκ τούτου, η βελτιστοποίηση της αναγωγικής φρύξης συμβάλλει αποφασιστικά στην οικονομικότητα της μεταλλουργικής μεθόδου, βελτιώνοντας την ενεργειακή της απόδοση και μειώνοντας αισθητά τα συχνά λειτουργικά προβλήματα κατά το επόμενο στάδιο της αναγωγικής τήξης. Στα πλαίσια της διατριβής μελετήθηκε η αναγωγιμότητα νικελιούχων μεταλλευμάτων Ελληνικής και ξένης προέλευσης διαφορετικού ορυκτολογικού χαρακτήρα καθώς και του ορυκτού αιματίτη, δίδοντας ιδιαίτερη έμφαση στη διερεύνηση των μηχανισμών οι οποίοι αποτελούν το ρυθμορυθμιστικό βήμα της αναγωγής των οξειδίων του σιδήρου στα διάφορα στάδια αυτής. Η μελέτη της αναγωγιμότητας των προαναφερθέντων πρώτων υλών πραγματοποιήθηκε μέσω της πραγματοποίησης πειραματικών δοκιμών αναγωγής με αέριο αναγωγικό μέσο (μίγμα CO-N2) και στερεά αναγωγικά μέσα (λιγνίτη και κωκ). Η μελέτη της αναγωγιμότητας των μεταλλευμάτων πραγματοποιήθηκε ως επί το πλείστον μέσω πειραματικών δοκιμών αναγωγής με αέριο αναγωγικό μίγμα (CO-N2), με την εφαρμογή μιας προτυποποιημένης μεθόδου (κατά ASTM) όπως αυτή εφαρμόζεται κατά τη μελέτη της αναγωγής των σιδηρομεταλλευμάτων. Από τη μελέτη των πειραματικών αποτελεσμάτων προέκυψε ότι η αναγωγιμότητα του Ελληνικού λατεριτικού μεταλλεύματος ενδιάμεσου τύπου (Καστοριάς) είναι εμφανώς υψηλότερη από εκείνη όλων των υπολοίπων μεταλλευμάτων που εξετάστηκαν υπό τις ίδιες συνθήκες. Συγκεκριμένα, ο βαθμός αναγωγής του μεταλλεύματος Καστοριάς κινείται στα επίπεδα του 62-95% μετά από 90 min αναγωγής για θερμοκρασιακό εύρος 650-9000C, ενώ το αντίστοιχο εύρος τιμών για τα λειμωνιτικού τύπου μεταλλεύματα Ευβοίας και Λοκρίδας καθώς και το ενδιάμεσου τύπου μετάλλευμα Ινδονησίας, είναι 26-49%. Το αποτέλεσμα επιβεβαιώνεται από τη σύγκριση της μεταλλουργικής συμπεριφοράς τόσο των μεμονωμένων μεταλλευμάτων, όσο και μιγμάτων τους υπό τη μορφή pellets. Από τη μελέτη προέκυψε ότι η κοκκομετρία του μεταλλεύματος και η σύσταση του αερίου μίγματος επηρεάζουν σημαντικά το τελικό αποτέλεσμα της αναγωγής. Η θερμοκρασία ευνοεί σαφέστατα την αναγωγή με αέριο αναγωγικό μίγμα (CO-N2) μεταξύ 650 - 7500C, ενώ αντίθετα δε φαίνεται να παίζει καθοριστικό ρόλο μεταξύ 750 και 9000C. Εντούτοις, η επίδραση της θερμοκρασίας είναι σημαντική μεταξύ 750 και 9000C κατά την αναγωγή με στερεό αναγωγικό μέσο (λιγνίτη). Σε αυτή την περίπτωση, αύξηση της θερμοκρασίας συνεπάγεται μεγαλύτερη ενεργοποίηση του καυσίμου, δηλαδή ένταση της αναγωγικής ατμόσφαιρας λόγω αυξημένης έκλυσης CO από την αεριοποίηση του καυσίμου και από τη διάσπαση των υδρογονανθράκων των πτητικών συστατικών, η οποία συνεπάγεται αύξηση της ταχύτητας αναγωγής των λατεριτικών μεταλλευμάτων.