楊雙平  劉海金 李江菡 王玉萍 高文彬 王利東 賀峰
西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院

1概述

鎳是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展、國(guó)防建設(shè)以及科學(xué)技術(shù)發(fā)展必不可少的基礎(chǔ)材料和重要的戰(zhàn)略物資，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、建筑、機(jī)械制造、電池、電鍍、航天等領(lǐng)域[1-2]。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量已連續(xù)多年居世界第一，成為名副其實(shí)的世界鋼鐵大國(guó)。作為衡量世界鋼鐵強(qiáng)國(guó)標(biāo)志之一的高性能、高附加值的不銹鋼年產(chǎn)量，也連續(xù)居于世界首位。其中含高鎳的300系列不銹鋼產(chǎn)量占到60%左右。我們對(duì)鎳的需求也與日俱增，但是我國(guó)是一個(gè)鎳礦資源相對(duì)貧乏的國(guó)家，主要還是依賴(lài)于進(jìn)口國(guó)外的鎳礦。

目前世界上的鎳礦資源主要分為巖漿型的硫化鎳礦和分化型的紅土鎳礦，分別占鎳礦總儲(chǔ)量的28%和72%。但是近年來(lái)隨著開(kāi)采容易、質(zhì)量?jī)?yōu)良的硫化鎳礦的不斷減少，人們?cè)絹?lái)越開(kāi)始重視低品位紅土鎳礦的開(kāi)發(fā)利用[3]。紅土鎳礦主要是硫化鎳礦巖體經(jīng)分化、淋濾、沉積所形成的地表分化殼性礦床。因此，紅土鎳礦的主要特點(diǎn)有含水量大，鎳含量一般在0.3%～2.5%；露天開(kāi)采，采礦成本較低；一般選礦方法很難富集，只能直接處理；成分單一，一般不含銅和貴金屬，但含少量的鈷和鉻。

2實(shí)驗(yàn)研究方法

2.1實(shí)驗(yàn)原料

2.1.1紅土鎳礦

本實(shí)驗(yàn)所采用的紅土鎳礦由國(guó)內(nèi)某家鎳鐵冶煉廠提供，為進(jìn)口的印尼紅土鎳礦。紅土鎳礦的化學(xué)成分見(jiàn)表2.1

從圖2.1所示，實(shí)驗(yàn)所用的紅土鎳礦XRD分析圖譜可知，原礦成分比較復(fù)雜，大多數(shù)為針鐵礦（FeO(OH)）、赤鐵礦（Fe2O3）、鎳蛇紋石（(Ni,Mg)3SiO5(OH)4）還有少數(shù)的高嶺石和蛇紋石。該紅土礦為典型的褐鐵礦型紅土鎳礦，其中Fe的存在方式以針鐵礦和赤鐵礦為主，Ni的存在方式以含鎳硅酸鹽為主，沒(méi)有獨(dú)立存在的鎳礦物。

2.1.2還原劑

本實(shí)驗(yàn)選用碳基還原劑，碳是冶煉鐵合金廣泛使用的還原劑，因?yàn)樗鼘?duì)氧的親和力大，并隨著溫度的升高而增大，反應(yīng)物為氣態(tài)易于和產(chǎn)品分離，而且價(jià)格便宜容易生產(chǎn)。選擇了褐煤、煙煤、無(wú)煙煤和蘭炭作為還原劑，進(jìn)行紅土鎳礦的直接還原焙燒—磁選實(shí)驗(yàn)的研究，各種不同還原劑的工業(yè)分析建表2.2。

 

2.2實(shí)驗(yàn)方法

將塊狀的紅土鎳礦在破碎機(jī)上進(jìn)行破碎，然后在鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥，干燥之后的原料在錐形球磨機(jī)內(nèi)反復(fù)細(xì)磨，使粒度達(dá)到-200目。取一定量的原料分別與不同種類(lèi)的還原劑混合，攪拌均勻。將混合好的物料裝入石墨坩堝中，放入箱式電阻爐中，升溫速率為10℃/min，達(dá)到1200℃時(shí)，恒溫90min。隨爐冷卻到室溫取出來(lái)進(jìn)行破碎、細(xì)磨，使粒度達(dá)到-300目，然后進(jìn)行磁選[3-6]。磁性物質(zhì)為鎳鐵產(chǎn)品，非磁性物質(zhì)為尾礦。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1不同還原劑對(duì)鎳、鐵回收率的影響

煤[7]是一種固體燃料，主要由C、H、O三種元素組成。煤中碳主要存在形式有有機(jī)碳和固定碳兩種，在還原反應(yīng)中都起還原劑的作用。本實(shí)驗(yàn)采用無(wú)煙煤、煙煤、褐煤和蘭炭作為紅土鎳礦焙燒的還原劑。其他實(shí)驗(yàn)條件為：焙燒溫度1200℃，焙燒時(shí)間90min，還原劑用量4%，原料粒度-200目，還原劑的粒度為-60目，焙燒后的焙砂的粒度-300目，磁場(chǎng)強(qiáng)度為在3000GS掃選后再1000GS精選，得到不同煤種對(duì)鎳、鐵品位和回收率的影響見(jiàn)表3.1所示。

 

 

金屬氧化物的還原主要是在還原劑所提供的還原氣氛中完成的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用弱還原性的褐煤作為還原劑時(shí)，磁選產(chǎn)物中鎳的品位是最高的。這主要是因?yàn)殡S著固定碳含量的增加，還原過(guò)程的還原氣氛越強(qiáng)，過(guò)多的鐵和其他物質(zhì)被還原出來(lái)進(jìn)入鎳鐵精礦中，導(dǎo)致鎳品位的降低。同時(shí)鎳和鐵的回收率相差較大，從而實(shí)現(xiàn)了鎳和鐵的選擇性還原。因此后面確定還原劑的粒度和用量時(shí)，均采用還原效果好的褐煤作為還原劑。

3.2還原劑粒度對(duì)鎳、鐵回收率的影響

還原劑的粒度大小與它的氣化性能有一定的關(guān)系，減小粒度可以提高碳的氣化性能，根據(jù)還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)知識(shí)，煤的粒度影響著氣固相和固固相動(dòng)力學(xué)條件，粒度越小，氣化反應(yīng)越劇烈，和原礦接觸面積越大，擴(kuò)大反應(yīng)面積有利于還原反應(yīng)的進(jìn)行。其他實(shí)驗(yàn)條件為：原料粒度-200目，焙燒溫度1200℃，還原劑用量為4%，焙燒時(shí)間90min，焙燒后的焙砂的粒度-300目，磁場(chǎng)強(qiáng)度[8-12]為在3000GS掃選再1000GS精選，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

 

從圖3.2中可以看出，隨著還原劑粒度的減小，鎳、鐵的品位和回收率都在持續(xù)上升，在粒度為-60目時(shí)，達(dá)到最大值。主要是因?yàn)檫€原劑粒度過(guò)細(xì)時(shí)，鎳、鐵金屬單支還原的過(guò)于分散，難以被有效的磁選富集。

3.3還原劑用量對(duì)鎳、鐵回收率的影響

還原劑[13-14]用量直接影響整個(gè)反應(yīng)過(guò)程還原氣氛是否充足，還原劑用量太少，鎳和鐵得不到充分的還原，實(shí)驗(yàn)效果不理想。還原劑用量過(guò)多，過(guò)多的鐵參與還原，從而降低鎳的品位和回收率，起不到選擇還原的目的。內(nèi)配還原劑能有效的提高還原速度，因此被應(yīng)用于多種金屬的還原生產(chǎn)。內(nèi)配還原劑由于還原劑顆粒和礦粉顆粒緊密接觸，分布均勻，增加了反應(yīng)的有效面積，所以提高了反應(yīng)速率。選用還原效果較好的褐煤作為還原劑，其他實(shí)驗(yàn)條件為：原料粒度-200目，焙燒溫度1200℃，還原劑粒度-60目，焙燒時(shí)間90min，焙燒后的焙砂的粒度-300目，磁場(chǎng)強(qiáng)度為在3000GS掃選再1000GS精選，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖。

從圖3.3中可以看出，當(dāng)還原劑用量為4%時(shí)，這時(shí)鎳的品位最高。不足4%時(shí)，還原氣氛不足，反應(yīng)不完全，被還原出來(lái)的金屬少，鎳、鐵的品位和回收率都很低。隨著還原劑用量的不斷增加，還原氣氛充分，更多的金屬被還原出來(lái)。鎳的品位開(kāi)始下降，鐵的品位和鎳、鐵的回收率卻不斷增加。這是因?yàn)楦鶕?jù)熱力學(xué)知識(shí)，鎳比鐵優(yōu)先還原，所以合金中鎳的品位較高，但是隨著還原劑用量的增加，鐵等其它金屬被不斷的還原出來(lái)，鐵的品位不斷增加，磁選產(chǎn)物的質(zhì)量也在不斷增加，所以鎳、鐵的回收率也在呈上升趨勢(shì)。所以綜合考慮選擇還原劑的用量為4%。

4結(jié)論

4.1原料分析可知，該紅土礦為典型的褐鐵礦型紅土鎳礦，其中Fe的存在方式以針鐵礦和赤鐵礦為主，Ni的存在方式以含鎳硅酸鹽為主，沒(méi)有獨(dú)立存在的鎳礦物。通過(guò)對(duì)比褐煤、煙煤、無(wú)煙煤和蘭炭作為還原劑在反應(yīng)中的還原機(jī)理，最終褐煤的還原效果最為理想。

4.2實(shí)驗(yàn)條件為，焙燒溫度1200℃，焙燒時(shí)間90min，還原劑用弱還原性的褐煤，還原劑用量4%，原料粒度-200目，還原劑的粒度為-60目，焙燒后的焙砂的粒度-300目，磁場(chǎng)強(qiáng)度為在3000GS掃選再1000GS精選，在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下得到鎳品位為3.2%，鐵的品位為65%，鎳、鐵的回收率分別為82%和69%，實(shí)現(xiàn)了鎳的還原富集。

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