22 января 1999 года открыта опытно-промышленная установка по получению солей кобальта

Касиков А.Г., кандидат химических наук
ИХТРЭМС КНЦ РАН, Апатиты

В 1999 году вышла в свет книга Владимира Яковлевича Познякова «Страницы истории комбината «Североникель», в которой «пером знающего и неравнодушного человека» зафиксирована производственно-технологическая хроника предприятия и обобщены творческие достижения коллектива за 60 лет. В послесловии к книге директор комбината «Североникель» Геннадий Павлович Мироевский написал, что «жизнь не ограничивается только историей» и перечислил основные задачи, стоящие перед предприятием в будущем. В частности, он отметил: «Сейчас мы вплотную занялись кобальтом. 22 января 1999 года была открыта опытно-промышленная установка по получению солей кобальта…».

То, что кобальт вошел в перечень первоочередных задач, было связано с отсутствием на тот период собственного производства этого металла, которое было закрыто в 1996 году. Следует отметить, что кобальтовый цех комбината «Североникель» обеспечивал лишь переработку около половины кобальтовых концентратов, и поэтому необходимо было организовывать новое современное производство. При этом встал вопрос о выборе технологии. В результате детального рассмотрения предложенных схем за основу проекта для строительства опытно-промышленной установки (ОПУ) была принята экстракционная гидрохлоридная технология, разработанная в ИХТРЭМС КНЦ РАН.

Что касается характеристики ОПУ, то она также была дана Г.П. Мироевским: «Опытно-промышленная установка имеет ряд особенностей. Это – отечественная технология, отечественное оборудование. При ее эксплуатации нет выделения газообразного хлора. А значит, нет необходимости думать о его дальнейшей судьбе».

Действительно, большое значение выбора технологии сыграло использование в технологии нового способа вскрытия гидратных кобальтовых концентратов в соляной кислоте[1], который впервые был опробован в лаборатории «Разработки и внедрения процессов химической технологии» ИХТРЭМС. Суть способа состоит в том, что процесс выщелачивания проводится в присутствии мелкодисперсного твердофазного восстановителя (преимущественно никеля или сплава на его основе), который способен реагировать с кислотой с выделением водорода, а также с хлором, выделяющимся при вскрытии кобальтового концентрата, содержащего Co(III). В результате взаимодействия хлора с атомарным водородом и металлом он не выделяется из раствора, что повышает безопасность производства и способствует созданию высокого хлоридного фона, необходимого для последующей экстракции кобальта.

Экстракция кобальта из концентрированных хлоридных растворов основана на извлечении этого элемента органическими смесями на основе третичных аминов в виде анионного комплекса по реакции:

2R-Cl + CoCl2- D 2R-CoCl4 + 2Cl- , где R – третичный амин.

Выбор третичных аминов обусловлен тем, что они хорошо зарекомендовали себя на практике при производстве кобальта за рубежом. Кроме того, третичные амины существенно дешевле четвертичных аммониевых оснований и производятся в России.

В связи с тем, что при выщелачивании кобальтового концентрата в раствор переходят практически все содержащиеся в нем примеси, для разработки эффективной схемы отделения от них кобальта нами были проведены лабораторные исследования по их экстракции хлоридной солью триалкиламина в разбавителе в зависимости от концентрации ионов хлора. С учетом полученных результатов в ИХТРЭМС на лабораторной экстракционной установке собственного производства (рис.1) были проведены непрерывные противоточные испытания по извлечению кобальта, на основании которых разработана технологическая схема и регламент для нового производства.

Для пуска ОПУ были использованы изготовленные по чертежам, разработанным в ИХТРЭМС КНЦ РАН, титановые и полиэтиленовые экстракторы, что позволило избежать закупки дорогостоящего импортного оборудования.

Рис.1. Экстракционая лабораторная установка

На первом этапе работы ОПУ стояла задача испытать новую технологию и оборудование, а также получить первые партии пасты основного карбоната кобальта. Через несколько недель после запуска установки был наработан раствор хлорида кобальта, а из него осажден карбонат кобальта. Однако в первый период работа экстракционного оборудования была неустойчивой, и периодически в кобальтовых реэкстрактах находили очень высокое содержание примесей, и поэтому первая партия карбоната не отличалась высоким качеством.

Необходимо было далее совершенствовать как отдельные технологические операции, так и оборудование. Однако это было сложной задачей, так как уже через несколько месяцев после пуска ОПУ руководство «спустило» план на карбонат кобальта, и возможность экспериментировать существенно ограничивалась.Тем не менее, усилиями специалистов комбината «Североникель» и сотрудников ИХТРЭМС КНЦ РАН качество карбоната кобальта удалось существенно повысить.

Большое влияние на улучшение экстракционного процесса оказала замена титанового выпарного аппарата на графитовый. При выпарке растворов пары HCl постепенно «съедали» титановый выпарник, и титан переходил в раствор, где подвергался гидролизу с образованием взвеси, которая накапливалась в органической фазе и нарушала экстракционный процесс.

Решить проблему повышения качества кобальтовой соли удалось также за счет разработки нового способа получения карбоната кобальта (II) из раствора его хлорида, который обеспечивал возможность осаждения соединения, содержащего менее 0.05% Na и Cl [2].

В первый период основной карбонат кобальта на ОПУ получали в виде пасты. Однако после закупки специализированного пресса «Dieme» и установки дополнительного сушильного оборудования на комбинате стали также производить сухую соль. Выпускаемая комбинатом продукция была довольно высокого качества и поэтому пользовалась спросом не только у отечественных производителей, но и за рубежом. В частности, после испытаний карбоната Co(II) в цехе Химического завода ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» в 2002 году было установлено, что фракционный и химический состав продукта, произведенного на комбинате «Североникель», является более предпочтительным, чем материал существующего поставщика, и рекомендуется к применению на заводе.

Таким образом, в итоге кропотливой работы над совершенствованием технологического процесса на комбинате «Североникель» было налажено производство высококачественного карбоната кобальта, который является одной из наиболее востребованных солей этого элемента.

Следует отметить, что потребление кобальта в виде солей составляет более 30%, так как они находят применение в различных областях промышленности, а также используются в сельском хозяйстве и медицине.

Получение растворов хлорида кобальта создавало предпосылки организации на комбинате «Североникель» производства и других солей этого элемента, и, в первую очередь, сухого хлорида кобальта, который применяется при получении синего и голубого декоративного стекла, а также в качестве кормовой добавки. Кроме того, хлорид кобальта является удобным прекурсором для синтеза других соединений этого элемента, и в частности, из него по способу, разработанному в ИХТРЭМС КНЦ РАН, может быть получен синий лессирующий пигмент [3].

Наконец, в условиях комбината «Североникель» возможно было бы за счет проведения экстракционной конверсии организовать производство из хлорида кобальта других востребованных солей этого элемента. Предпосылки к этому имелись, так как на комбинат «Североникель» и в ИХТРЭМС постоянно обращались представители различных организаций с просьбой закупки больших объемов различных солей и порошка металлического кобальта. С учетом спроса на кобальтовую продукцию из карбоната кобальта в ИХТРЭМС были получены мелкодисперсные порошки кобальта и ацетат кобальта. К сожалению, руководство головного офиса «Норильский никель» не было заинтересовано в проведении исследований, направленных на расширение ассортимента кобальтовой продукции и поэтому работы в этом направлении были приостановлены.

Кроме получения солей кобальта, уже в мае 2000 года на комбинате «Североникель» начались первые испытания экстракционно-электролизной схемы получения металлического кобальта, разработанной специалистами института «Гипроникель» при участии сотрудников ИХТРЭМС КНЦ РАН.

На первом этапе испытаний электроэкстракции кобальта была опробована работоспособность отдельных элементов и конструкторских решений, заложенных при проектировании опытного оборудования. В качестве электролизера использовали блок из двух ванн, конструкция и размеры которых, в основном, соответствовали промышленным ваннам электрорафинирования никеля. Электролизер был укомплектован нерастворимыми анодами с активным покрытием и титановыми катодами. Первый катодный осадок кобальта содержал большое количество примесей и отслаивался от титановых основ, а на поверхности металла наблюдался значительный питтинг.

В ходе испытаний стало ясно, что качество хлорида кобальта, удовлетворяющее производству карбоната, оказалось недостаточным для получения высокомарочного электролитного металла. В результате проведения комплекса мероприятий содержание примесных элементов в растворе хлорида кобальта, поступающего на электроэкстракцию, существенно снизилось, и на втором этапе испытаний была наработана опытная партия кобальта в количестве 14 т, соответствующая по качеству основным производителям этого метала.

Получение кондиционного металла позволило поставить вопрос о расширении производства кобальта на комбинате «Североникель». В результате чего было разработано несколько технологических регламентов и проектов для организации на Мончегорской площадке производства 650 т, 1000 т, 2500 т и даже 5000 т кобальта в год. Все варианты оказались рентабельными, необходимо было лишь принять решение о начале финансирования строительства. Однако до сих пор этого не произошло, так как ГМК «Норильский никель» заключил контракт на поставку кобальта с американской компанией OMG сроком на 5 лет. В соответствии с договором, подписанным в ноябре 2006 года, западной компании идет на продажу не только металлический кобальт, но и полупродукт – кобальтовый концентрат. В результате чего, до сих пор строительство нового производства так и не началось.

В период 2006-2008 г.г. продолжались исследования, направленные на повышение качества металлического кобальта. С целью уменьшения содержания меди в растворе CoCl₂, поступающем на электролиз, согласно способа [4] была организована предварительная экстракционная очистка от нее растворов выщелачивания Co-концентратов.

В связи с тем, что эффективность экстракционного разделения элементов зависит не только от их экстракционной способности, но и механического уноса фаз, на комбинате «Североникель» были установлены новые высокопроизводительные экстракторы (рис.2), изготовленные в Кольском научном центре.

Рис.2. Экстрактор ЭСОТ-3.1-1.7-Д800 производства КНЦ РАН, установленный в кобальтовом производстве комбината «Североникель».


В результате проведенных мероприятий удалось значительно снизить содержание в электролитном кобальте таких примесей, как Pb, Cu и Sb и получить опытные партии особо чистого кобальта (табл.1), превосходящие по качеству ведущих зарубежных производителей.

Таблица 1

Химический состав металлического кобальта ОПУ электроэкстракции и ведущих зарубежных производителей, мас.%

Опытные партии особо чистого кобальта испытывали в ФГУП «ВИАМ» для выплавки жаропрочных сплавов ЖС32-УВИ и ЖС36-ВИ. Сплавы далее переплавляли в установке направленной кристаллизации и заливали заготовки под образцы с монокристаллической структурой, после чего полученные образцы испытывали на длительную прочность. В результате было установлено, что при замене в шихте кобальта марки К1А на особо чистый металл при испытаниях на большой базе происходило увеличение времени до начала разрушения изделий в среднем на 25% [5]. Ранее подобный эффект наблюдали при использовании кобальта марки К0, полученного на ОПУ комбината, для выплавки сплавов с равноосной структурой [6]. Полученный результат можно объяснить повышенной чистотой сплавов, благодаря чему при кристаллизации формируется более совершенный бездефектный монокристалл, что было подтверждено при исследовании микроструктуры монокристаллов.

После расширения мощности участка электроэкстракции (рис.3) в настоящее время на комбинате «Североникель» Кольской ГМК стало возможным производство около 200 тонн высокачественного электролитного кобальта (рис.4), который необходим в ряде отечественных стратегических производств.

Хочется надеяться, что в ближайшее время все-таки произойдет расширение кобальтового производства и к следующей круглой дате весь кобальтовый концентрат будет перерабатываться в ОАО «Кольская ГМК» с получением высококачественного металла и разнообразных соединений этого элемента.

Рис.3. Начальник цеха электролиза никеля Южаков В.П. и начальник кобальтового участка Субач Г.И. за обсуждением проблем электролиза кобальта

Рис.4. Выемка кобальтовой продукции из электролизера

Литература: 6 источников

"СЕВЕР ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ", МАРТ 2009