1.武漢科技大學(xué) 耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2. 武漢科技大學(xué) 鋼鐵冶金及資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.湖北省冶金二次資源工程技術(shù)研究中心

　　1 前言

　　鎳主要應(yīng)用于不銹鋼、含鎳合金、電鍍以及電池等領(lǐng)域，全球66%的鎳用于不銹鋼制造[1,2]。21世紀(jì)以來，全球不銹鋼粗鋼產(chǎn)量以5.9%的年平均增長率快速增長，不銹鋼對(duì)鎳需求量的增加加速了原生鎳資源的消費(fèi)。根據(jù)國際不銹鋼論壇（ISSF）發(fā)布的2018年世界不銹鋼粗鋼產(chǎn)量為5072萬噸，我國不銹鋼粗鋼產(chǎn)量為2670萬噸，占比53.6%。而我國的原生鎳資源儲(chǔ)量主要為硫化鎳礦，紅土鎳礦主要依靠印尼和菲律賓進(jìn)口。2014年印尼關(guān)于紅土鎳礦原礦的出口禁令加快了我國鎳鐵冶煉企業(yè)在當(dāng)?shù)氐逆囪F生產(chǎn)投資建設(shè)，截至2017年，我國企業(yè)在印尼投資建設(shè)鎳鐵冶煉項(xiàng)目總產(chǎn)能達(dá)470萬噸/年。

　　紅土鎳礦火法冶煉的主要工藝為回轉(zhuǎn)窯-電爐還原熔煉(RKEF)以及高爐熔煉法，傳統(tǒng)火法冶煉工藝電耗大，能耗高。近年來，通過低溫固態(tài)還原-細(xì)磨-磁選工藝生產(chǎn)鎳鐵粉的相關(guān)研究逐漸發(fā)展起來[3-9]，并取得了較好的效果。

　　紅土鎳礦中鎳、鐵金屬含量低，SiO2和MgO含量高[10]，而且硅鎂酸鹽晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬大多賦存在蛇紋石或綠泥石等礦物中。還原后金屬顆粒細(xì)小，平均粒徑小于1?m[3]。同時(shí)蛇紋石或綠泥石高溫脫羥基形成致密的鎂橄欖石[11]，不利于賦存于其中的金屬原子向外擴(kuò)散遷移。文獻(xiàn)[12]研究了在紅土鎳礦中添加氯化劑強(qiáng)化還原焙燒過程，通過氯化離析焙燒使含鐵礦物被還原為浮氏體，并與硅酸鎂反應(yīng)生成富鐵橄欖石，破壞了硅酸鎂晶格，從而提高了鑲嵌在硅酸鎂中鎳、鐵的活性。文獻(xiàn)[13]研究了紅土鎳礦在還原焙燒過程中添加CaO，使硅酸鹽礦物生成輝石，降低還原過程中NiO與紅土鎳礦中SiO2結(jié)合的概率，促進(jìn)鎳的還原，提高鎳的回收率。CaO能夠降低渣相熔點(diǎn)，有利于鎳鐵顆粒的聚集長大[4]。紅土鎳礦還原過程中加入Na2SO4破壞了原礦中硅酸鹽的結(jié)構(gòu)，釋放出其中的鎳與鐵，進(jìn)一步生成FeS，抑制鐵深度還原并降低了體系熔點(diǎn)，有利于金屬原子的遷移，促進(jìn)鎳鐵顆粒長大[10,11]。

　　紅土鎳礦直接還原過程中添加劑的作用主要是破壞鎂硅酸鹽晶格，同時(shí)降低渣相熔點(diǎn)，促進(jìn)鎳鐵顆粒的聚集長大，進(jìn)而提高紅土鎳礦還原產(chǎn)物的磁選效果。然而，目前很多的關(guān)于添加劑在紅土鎳礦還原過程的作用機(jī)理研究工作都是基于還原產(chǎn)物的磁選效果[5-9]，實(shí)際上，添加劑的強(qiáng)化作用體現(xiàn)在自還原過程中，通過對(duì)自還原產(chǎn)物的分析研究添加劑的強(qiáng)化作用機(jī)理更為精確。本文以CaF2作為添加劑通過對(duì)不同工藝條件下鎳鐵顆粒平均粒徑變化規(guī)律的數(shù)據(jù)分析，研究鎳鐵顆粒的聚集長大行為，并進(jìn)行CaF2強(qiáng)化作用下的紅土鎳礦還原-磁選工藝的實(shí)驗(yàn)研究。

　　2 實(shí)驗(yàn)研究方法

　　2.1 原料物理化學(xué)性質(zhì)

　　實(shí)驗(yàn)所用紅土鎳礦來自印尼蘇拉威西島Pomalaa礦區(qū)，將原礦在110°C下烘干后用顎式破碎機(jī)初破，再用球磨機(jī)細(xì)磨至粒度小于0.125 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于90%。紅土鎳礦化學(xué)成分見表1，其含Ni1.4%、Fe16.18%、Ni/(Fe+Ni)=7.96%，主要脈石成分為MgO和SiO2，是一種典型的腐泥土型中低品位紅土鎳礦。實(shí)驗(yàn)所用還原劑為無煙煤粉，成分見表1，其固定碳含量為82.76%。實(shí)驗(yàn)所用添加劑CaF2為分析純?cè)噭?/p>

　　2.2 還原實(shí)驗(yàn)

　　紅土鎳礦粉、無煙煤粉和CaF2按比例稱量、混勻。內(nèi)配碳比為配入無煙煤中碳的摩爾數(shù)與紅土鎳礦中鎳和鐵氧化物中氧摩爾數(shù)之比。為保證紅土鎳礦中氧化鎳和氧化鐵充分還原，實(shí)驗(yàn)選擇的內(nèi)配碳比為1.2。CaF2的加入量變化在0~12.5%之間。混合料添加適量的水潤濕，壓制成?20×30 mm的圓柱型試樣，在110°C烘干后備用。

　　還原實(shí)驗(yàn)裝置為一臺(tái)功率為25kW高溫碳管爐，試樣置于氧化鋁坩堝中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下以120~130°C·min-1隨爐升溫至指定溫度后保溫一定時(shí)間，然后迅速取出試樣在水中淬冷后于110°C下烘干，用于后續(xù)檢測(cè)。

　　2.3 鎳鐵顆粒的粒徑測(cè)定

　　經(jīng)過還原焙燒的試樣依次進(jìn)行鑲嵌、切割以及磨樣拋光，采用光學(xué)顯微鏡對(duì)磨樣拋光后的試樣進(jìn)行顯微觀察(圖2(A))。在還原后的試樣中選擇30個(gè)連續(xù)不同的視場(chǎng)。采用ImageJ軟件對(duì)圖片進(jìn)行尺寸標(biāo)注及灰度處理，對(duì)帶標(biāo)尺的灰度圖片利用軟件對(duì)具有同一灰度值的金屬顆粒進(jìn)行涂色標(biāo)出(如圖2(B)所示)，標(biāo)出目標(biāo)區(qū)域后，利用軟件統(tǒng)計(jì)出目標(biāo)區(qū)域內(nèi)每個(gè)金屬顆粒投影面積。由于金屬顆粒的形狀不規(guī)則，將顆粒形狀假定為球形，從而在二維平面上投影形成圓形，便于問題分析。根據(jù)單個(gè)金屬顆粒的投影面積，通過式(1)計(jì)算出單個(gè)金屬顆粒的等效直徑。

 

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 還原時(shí)間和還原溫度對(duì)紅土鎳礦自還原產(chǎn)物中鎳鐵顆粒粒徑的影響
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