紅土鎳礦轉底爐預還原?電爐熔分制取鎳鐵合金

范興祥，董海剛，汪云華，吳躍東，李柏榆，李博捷，趙家春，暫林寒

(昆明貴金屬研究所 稀貴金屬綜合利用新技術國家重點實驗室，云南 昆明，650106)

鎳是一種重要的戰略金屬材料，具有抗腐蝕、抗氧化、耐高溫、強度高和延展性好等特點，在現代工業中有著廣泛的用途。據美國地質調查局統計，2009年世界鎳儲量為7 100萬t，儲量基礎為1.5億t。已查明鎳平均含量接近1%的全球陸基鎳礦資源量為1.3億t，其中28%屬于巖漿型銅鎳硫化物礦床，72%屬于紅土鎳礦床。目前，世界鎳工業生產的鎳，主要來自硫化鎳礦資源，約占總產量的58%。隨著品位高、開采條件好的硫化鎳礦資源漸趨枯竭，加上鎳市場需要的不斷增長，大量的紅土鎳礦將是未來鎳的主要來源[1?2]，因此，紅土鎳礦的選冶工藝研究已成為重大冶金難題，是關系到未來鎳穩定供應的全球性課題。國內外對于紅土鎳礦的處理工藝主要有濕法及火法技術。濕法技術主要包括還原焙燒?氨浸法和硫酸加壓酸法、生物浸出法等[3?8]。濕法工藝僅適用于褐鐵礦型的紅土鎳礦和含鎂較低的硅鎂鎳礦，并存在工藝復雜、流程長、耗酸大、成本高、設備材質要求高以及廢酸難以處理等問題。火法技術主要包括還原熔煉生產鎳鐵、還原?磨選生產鎳鐵及還原硫化熔煉生產鎳锍等[9?16]，火法技術工藝具有成熟、設備簡單易控、生產效率高、設備投資較低等特點，但也存在著能耗高、成本高、對原料要求高等問題。總的來看，有效降低能耗是未來火法工藝的主要發展方向。本文提出對澳大利亞某紅土鎳礦采用預還原?電爐熔分工藝進行研究以制取鎳鐵合金，作為不銹鋼優質原料。

1 原料性能及研究方法

1.1 原料性能

本次研究所用紅土鎳礦來自澳大利亞 GME公司的礦樣(18桶)，將18桶紅土鎳礦充分混合后，烘干，按一定的取樣方式取10 kg樣品作為實驗原料，并破碎至 0～3 mm，取樣進行礦石化學成分以及鎳、鐵的物相分析，結果分別見表1～3。

表1 紅土鎳礦的主要化學成分(質量分數)Table 1 Main chemical composition of nickeliferous laterite ore %

表2 鎳的化學物相分析Table 2 Chemical minerals phase analysis of nickel

表3 鐵的化學物相分析Table 3 Chemical minerals phase analysis of iron

從表1～3可知：該紅土鎳礦中有價元素Ni和Co質量分數分別為1.26%和0.12%；Fe可作為綜合回收對象；Ni主要以硅酸鎳形式存在，其分布率為90.08%，Fe主要以赤鐵礦及褐鐵礦形式存在，其分布率為83.01%。

1.2 研究方法

本研究實驗流程見圖1。具體方法：每次實驗過程中，按一定的比例將還原劑、熔劑與紅土鎳礦細磨混合后置于球磨機中磨至粒度在0.074 mm以下。添加一定的黏結劑，在壓團機上制團，合格的團塊置于轉底爐內，在一定的溫度下預還原焙燒至指定時間后，將預還原團塊置于電弧爐內在一定溫度下進行熔煉，到指定時間后，鎳鐵合金與渣分離后，冷卻，稱取鎳鐵合金質量，并取樣分析其主要成分，計算鎳的回收率。

實驗所用設備：QDJ288?2型制團機；直徑為2 000 mm的轉底爐(功率為105 kW)；LMZ120型連續進料式震動磨礦機；電弧爐。

圖1 轉底爐預還原?電爐熔分制取鎳鐵合金實驗流程圖Fig.1 Experimental flowsheet of production of Ni-Fe alloy from nickeliferous laterite ore by rotary hearth furnace prereduction-electric furnace smelting separation

2 結果與分析

2.1 紅土鎳礦還原熱力學基礎

紅土鎳礦中各種鐵、鎳氧化物被CO還原的反應如下[2]：

將還原鎳、鐵氧化物的平衡氣相組成及溫度的關系繪于同一圖中，如圖2所示。

圖2 鎳、鐵氧化物還原平衡氣相組成與溫度的關系Fig.2 Relations between temperature and equilibrium composition of Ni and Fe oxides reduction

從圖2可見：NiO極易還原，鐵氧化物的還原區域可分為金屬鐵穩定區、Fe3O4穩定區和FeO穩定區。因此，在預還原?電爐熔分過程中，可以控制還原氣氛，即控制還原劑用量，使Ni盡可能完全還原成金屬，Fe部分還原成金屬與金屬Ni形成鎳鐵合金；在電爐熔煉過程中，選擇合適的熔劑用量，通過高溫熔煉，使剩余部分的鐵以氧化物的形式進入渣相，從而獲得優質的鎳鐵合金。

2.2 轉底爐預還原?電爐熔分實驗

爐渣是決定鎳鐵合金產品最終成分及溫度的關鍵因素，而渣與鎳鐵合金的分離是靠渣鐵間的熱量及質量的交換而實現的。要使爐渣具有良好的吸附夾雜的能力，并保持良好的流動性，需選擇適宜的爐渣渣型成分。

根據礦物性質分析結果，對澳大利亞紅土鎳礦選擇的渣型應由SiO2-MgO-CaO-FeO四元體系組成。由于本研究所用澳大利亞紅土鎳礦中 SiO2質量分數高達42.39%，MgO為8.32%，CaO僅為3.86%，因此，需要添加一定的石灰來保證所需渣型。根據SiO2-MgO-CaO-FeO四元系渣組成及紅土鎳礦化學成分，石灰理論計算加入量為 20.54%，對于含氧化鈣82.20%的石灰，則需要加入25%。圖3所示為熔劑石灰的配比對鎳回收率的影響。實驗條件為：還原劑焦粉配比3.5%，預還原溫度1 150 ℃，預還原時間30 min，熔分溫度1 450 ℃，熔分時間15 min。

圖3 石灰配比對鎳收率的影響Fig.3 Effect of lime dosage on nickel recovery

從圖3可見：隨著熔劑石灰加入量的增加，鎳回收率逐漸降低；當石灰配比為 25%時，鎳回收率為97.62%；當石灰配比增加到40%時，鎳回收率降低較明顯。這主要是由于石灰用量過高，渣與合金分離效果差所致。因此，本研究確定合適的石灰配比為25%。

2.3 還原劑配比選擇

還原劑焦粉配比的多少直接影響著鎳鐵合金中鎳的質量分數，從而決定著合金的質量。圖4所示為還原劑焦粉配比對鎳鐵合金中鎳含量的影響。實驗條件為：石灰配比25%，預還原溫度1 150 ℃，預還原時間30 min，熔分溫度1 450 ℃，熔分時間15 min。

從圖4可見：隨著還原劑配比增加，鎳鐵合金中鎳質量分數逐漸降低。當還原配比從3.5%增加到5%時，合金中鎳的質量分數 8.68%下降到 7.31%。這主要是由于隨著還原劑配比增加，在還原過程中鐵的金屬化率升高，在熔分過程中金屬鐵進入合金，從而稀釋合金中鎳質量分數。因此，本研究確定適宜的還原劑配比為3.5%。

2.4 轉底爐預還原制度選擇

預還原的金屬化率是影響鎳鐵合金中鎳質量分數波動的重要因素之一。圖5和6所示分別為預還原制度(預還原溫度及時間)對預還原團塊鐵金屬化率的影響。

圖4 還原劑焦粉對合金中鎳質量分數的影響Fig.4 Effect of reductant on nickel mass fraction in Ni-Fe alloy

圖5 預還原溫度對鐵金屬化率的影響Fig.5 Effect of prereduction temperature on iron metallization

圖6 轉底爐預還原時間對鐵金屬化率的影響Fig.6 Effect of prereduction time on iron metallization

由圖5可見：隨著預還原溫度的提高，預還原團塊中鐵的金屬化率增加。在實驗過程中發現，當還原溫度在1 200 ℃時，團塊出現熔化并粘結，這將導致在工業生產過程轉底爐出料困難的問題。因此，實驗確定適宜的預還原溫度1 150 ℃。

由圖6可見：隨著還原時間延長，預還原團塊中鐵的金屬化率逐漸增加。當確定還原時間超過50 min時，金屬化率在已達到94%以上。預還原球團金屬化率過高，在電爐熔煉過程中鐵進入合金，降低合金中鎳的質量分數。當還原時間為30 min時，鐵金屬化率在47%左右，采用電爐熔分后可獲得含鎳較高的鎳鐵合金。因此，確定還原時間30 min較合適。

2.5 電爐熔分制度選擇

通過查閱Ni-Fe系狀態圖[17]，當鎳質量分數小于50%時，熔點為1 450 ℃。根據鎳鐵合金的熔點曲線，選擇電爐熔分溫度為1 450 ℃。同時，考查電爐熔分時間對鎳鐵合金鎳質量分數及鎳回收率的影響，結果如圖7所示。

圖7 電爐熔分時間對鎳鐵合金鎳質量分數及鎳回收率的影響Fig.7 Effect of smelting time on Ni mass fraction in Ni-Fe alloy and Ni recovery

由圖7可見：隨著電爐熔分時間的延長，合金中鎳的質量分數降低，回收率增加。當熔分時間為15 min時，合金中鎳質量分數為8.68%，鎳收率為97.62%。當熔分時間延長至60 min，合金中鎳質量分數5.62%，鎳收率98.04%。這主要是由于隨著熔分時間的延長，金屬鐵質量分數增加，進入合金后，鎳被稀釋導致鎳鐵合金中鎳質量分數降低。由此可知，熔分時間不宜過長，適宜的熔分時間為15 min。

3 結論

(1)本研究所用澳大利亞紅土鎳礦中SiO2質量分數高達42.39%，MgO質量分數8.32%，CaO質量分數僅3.86%，選擇的渣型為SiO2-MgO-CaO-FeO四元渣系。

(2)在熔劑石灰配比為25%，焦粉配比3.5%，轉底爐預還原溫度1 150 ℃，轉底爐預還原時間30 min，電爐熔分溫度1 450 ℃，熔分時間15 min的條件下，獲得鎳質量分數為8.68%、鎳回收率為97.62%、鐵質量分數為 86.23%的鎳鐵合金，可用作不銹鋼生產原料。

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