紅土鎳礦火法冶煉工藝現狀及進展

武兵強，齊淵洪，周和敏，洪陸闊，鄒宗樹

（1 鋼鐵研究總院 先進鋼鐵流程及材料國家重點實驗室，北京 100081；2 東北大學 冶金學院，遼寧 沈陽 110819；3 鋼研晟華科技股份有限公司 研發部，北京 100081）

鎳是一種具有重要戰略意義的金屬，具有優良的化學穩定性、延展性以及機械強度，被廣泛應用于不銹鋼冶煉、新型復合材料制備、儲氫材料制備、醫療、軍事等眾多行業和領域[1-5]。近年來，全世界不銹鋼產量不斷增長，特別是中國、印度尼西亞等東南亞國家更是如此。據中國特鋼企業協會不銹鋼分會統計，2018 年中國不銹鋼粗鋼產量為2670.68 萬 t，比2017 年增加了93.31 萬 t，增幅為3.62%；2018 年印尼不銹鋼總產量為219.3 萬 t，比2017年增加了141.3萬 t，增幅為181.15%。不銹鋼產量的快速增長推動了鎳的需求量以及鎳資源的消耗量大幅度增加。

目前，世界上可利用的鎳資源包括2 類，即硫化鎳礦和紅土鎳礦。在已探明的鎳資源儲量中，硫化鎳礦占比約30%，紅土鎳礦占比約70%[6-7]，然而，約70%的鎳產量來源于硫化鎳礦[8]。隨著硫化鎳礦的不斷消耗，目前可供開采的硫化鎳礦資源越來越少，而且硫化鎳礦勘探周期和建設周期均比較長，而紅土鎳礦作為將來鎳資源的主要原料，儲量豐富，易于開采，運輸便利，因此高效開發利用紅土鎳礦對實際生產具有重要意義。

由于紅土礦中鎳與其他礦物共生，鎳嵌布在礦物中，難以通過選礦方法富集，通常采用直接冶煉生產金屬鎳、鎳鐵或鎳锍。目前，國內外處理紅土鎳礦的方法主要有火法冶煉和濕法冶煉兩種。火法冶煉工藝具有流程短，生產效率高，工藝成熟等優點。本文主要分析火法冶煉技術處理紅土鎳礦的工藝現狀及研究進展。

1 紅土鎳礦火法冶煉工藝現狀

1.1 還原硫化熔煉鎳锍工藝

還原硫化熔煉鎳锍工藝流程為：先將紅土鎳礦干燥脫除自由水以及部分結晶水，配加硫化劑[9]（硫磺、黃鐵礦、石膏或含硫的鎳原料）和還原劑（焦炭粉）在鼓風爐或電爐內熔煉，熔煉溫度為1500 ～1600℃，通過調整還原劑和硫化劑的加入量得到不同成分的低鎳锍，然后可送入轉爐進一步吹煉成為高鎳锍[10]。其工藝流程見圖1。

圖 1 還原硫化熔煉鎳锍工藝流程Fig .1 Flow diagram of reduction smelting nickel matte process

還原硫化熔煉鎳锍的原理為：爐料中的焦炭在鼓風爐內被熱空氣氧化產生CO 和CO2，紅土鎳礦中的鎳、鐵等金屬氧化物被CO 還原為金屬鎳、鐵，又被爐料中的黃鐵礦、石膏等硫化劑硫化反應生成硫化鎳、硫化鐵，這些金屬硫化物的混合產物即為低鎳锍[10]。

還原硫化熔煉鎳锍工藝具有工藝成熟，設備成本低，操作簡單，鎳產品形式多樣等優點，但存在能耗高，特別是煤粉消耗量大，對環境影響大[11-12]，鼓風爐排出的煙氣需要治理，鎳收得率比較低等不足之處[13]。

1.2 回轉窯干燥預還原-電爐熔煉工藝

回轉窯干燥預還原-電爐熔煉工藝（RKEF）是目前世界上應用最廣泛的火法冶煉紅土鎳礦工藝方法。采用此方法的中國企業見表1。

表 1 采用RKEF 工藝的一些企業[14-15]Table 1 Some companies adopting RKEF process

該方法的生產過程為：將紅土鎳礦破碎篩分至粒度范圍為50 ～150 mm，送入回轉窯干燥預還原得到焙砂，焙砂配加還原劑裝入電爐還原熔煉獲得含鎳＞8%的粗鎳鐵，再經轉爐進一步吹煉可生產出含鎳＞25%的高品位鎳鐵，可用于生產不銹鋼[14]。其工藝流程見圖2。

圖 2 回轉窯干燥預還原-電爐熔煉工藝流程Fig .2 Flow diagram of RKEF reduction smelting process

回轉窯干燥預還原-電爐熔煉工藝（RKEF）是目前生產鎳鐵合金的主要工藝[16]，該方法具有設備簡單，工藝流程短，生產效率高等優點，但仍存在以下問題需要解決或優化[17-18]：（1）回轉窯結圈嚴重，維修成本高；（2）能耗高，渣量大，要求當地有充沛的燃料或電力；（3）無法回收紅土鎳礦中的鈷，適用于鈷含量小于0.05%的紅土鎳礦；（4）紅土鎳礦中鎳的含量對該工藝的生產成本影響很大，適合冶煉含鎳量大于2%的礦石。

1.3 還原焙燒-磁選工藝

還原焙燒-磁選工藝又被稱為回轉窯直接還原工藝，目前世界上采用此工藝方法的企業只有日本大江山冶煉廠[14]。該工藝流程為紅土鎳礦破碎磨細，配加煤粉和石灰石熔劑混勻壓制成為含碳球團，送入回轉窯經過干燥和還原焙燒后磨細，礦漿經過重選和磁選等處理即可獲得鎳鐵合金[18]。其工藝流程見圖3。

圖 3 還原焙燒-磁選工藝流程Fig .3 Flow diagram of reduction roasting magnetic separation process

還原焙燒-磁選工藝的優勢在于能耗小，生產成本比較低[18]，但是也存在回轉窯內還原難以控制，操作難度大，磁選參數不易控制等問題，生產規模仍停留在年產鎳量大約1 萬 t。

1.4 轉底爐直接還原-熔分爐冶煉工藝

轉底爐最開始是應用于軋鋼廠的環形加熱爐，隨后被鋼鐵廠用于處理含鐵塵泥及固體廢棄物，再后來被美國、日本、德國等國家用于直接還原鐵礦石。轉底爐的環形爐膛是固定的，爐膛布置有多組燃氣燒嘴，用于控制轉底爐內不同區域的溫度和氣氛；轉底爐的爐底是旋轉的，需要還原處理的含碳球團爐料被上料系統鋪在爐底，爐料隨著爐底旋轉，經過轉底爐內不同區域的還原溫度和氣氛，最終轉變為金屬化球團。轉底爐直接還原-熔分爐冶煉工藝處理紅土鎳礦工藝主要流程為：紅土鎳礦破碎篩分磨細，加入還原劑（煤粉）和熔劑（石灰石）混勻，使用圓盤造球機或對輥壓球機制備含碳球團，含碳球團送入轉底爐直接還原后成為金屬化球團，金屬化球團送入熔分爐熔煉，使渣鐵分離，獲得鎳鐵合金。其工藝流程見圖4。

圖 4 轉底爐直接還原-熔分爐冶煉工藝流程Fig .4 Flow diagram of rotary hearth furnace reduction-melting furnace smelting process

轉底爐直接還原-熔分爐冶煉工藝的優勢在于以煤制氣或天然氣為燃料，采用非焦煤作為還原劑，對原、燃料的適應范圍廣泛；工藝流程和冶煉周期短，生產效率高；生產過程容易控制，運行比較穩定；轉底爐還原后的含碳球團被直接熱裝熱送入熔分爐內，避免了含碳球團冷卻造成的熱量浪費，能耗低，對環境影響小；設備費用小，生產成本低[18]。但是也存在轉底爐熱效率低，對球團的強度要求高等需要改善的不足。

根據上述分析，對不同紅土鎳礦火法冶煉工藝的優缺點進行對比，結果見表2。

表 2 不同紅土鎳礦火法冶煉工藝的優缺點對比[15]Table 2 comparison of different pyrometallurgy process

2 紅土鎳礦火法冶煉研究進展及前景

紅土鎳礦作為未來生產鎳的主要原料，高效開發紅土鎳礦具有重要的現實意義。很多科研工作者對紅土鎳礦進行了深入研究。有的學者對焙燒過程或者干燥預處理過程中紅土鎳礦的礦物學特征進行了深入研究。徐玉棱等[19]對印度尼西亞紅土鎳礦焙燒過程中礦相轉變進行了研究，發現紅土鎳礦在300℃脫除結晶水形成赤鐵礦，在700℃蛇紋石分解產生無定形態硅鎂酸鹽。張鈺婷等[20]對微波干燥后的紅土鎳礦進行了礦相分析，結果表明微波能夠改變紅土鎳礦的微觀結構，進一步的氫還原試驗表明，經微波干燥處理后鎳氧化物和鐵氧化物還原率高于經常規干燥處理。劉志國等[21]對紅土鎳礦還原焙燒過程中CaO 的作用機理進行了研究，發現CaO 與硅酸鹽礦物反應形成輝石，降低NiO與SiO2結合的概率。蔣曼等[22]采用選擇性還原焙燒紅土鎳礦富集鎳，并對紅土鎳礦微觀結構和相變轉化進行了分析，發現鐵氧化物形成浮氏體相，硅酸鹽以橄欖石形式存在。

有的學者對紅土鎳礦冶煉工藝條件優化進行了試驗研究。朱德慶等[23]對低品位腐殖土型紅土鎳礦進行了還原-磁選試驗研究，通過配加添加劑提高鎳和鐵回收效果，在添加劑質量分數為14%，堿度為0.2，還原溫度為1250℃，煤與礦質量比為2.7，磨礦細度-0.074 mm，磁選磁場強度為131.34 kA/m 條件下，獲得了鎳和鐵品位分別為4.22%和69.75%的精礦，鎳和鐵回收率分為達到92.22%和85.73%。劉暢等[24]對適用于高鎂型紅土鎳礦還原的渣系進行了分析，認為MgO 含量為21%～22%時，渣系的熔化溫度較低，黏度適宜，熔煉試驗結果顯示渣中NiO 含量低于0.05%。揭曉武等[25]對殘積型紅土鎳礦還原焙燒-磁選富集鎳鐵進行了試驗研究，較佳工藝參數為：促進劑添加量為5%，煤粉添加量為7%，焙燒溫度為1200℃，焙燒時間為150 min，獲得了鎳7.32%，鐵73.85%的精礦，鎳回收率達到93%，鐵回收率達到75%。

有的學者采用不同還原劑對紅土鎳礦還原進行了試驗研究。胡志強等[26]采用3 種不同的煙煤對紅土鎳礦還原焙燒進行了試驗研究，發現固定碳含量相同時，揮發分越高，還原效果越好。蔣曼等[27]采用銀坪石煤、寧夏褐煤、寧夏煙煤和云南褐煤等4 種不同種類的煤粉作為還原劑對紅土鎳礦進行還原焙燒-磁選試驗，結果發現4 種煤粉中寧夏煙煤還原效果最好。張鈺婷等[28]研究了氫氣氮氣混合氣體對低品位紅土鎳礦還原效果，得到的最優試驗條件為：還原溫度為850℃，還原時間為40 min，氫氣65%氮氣35%混合氣體，鎳和鐵的還原率分別達到43%和62%。

有的學者對轉底爐處理紅土鎳礦進行了研究。范興祥等[29]研究了紅土鎳礦經轉底爐預還原后進入電爐熔分制備鎳鐵合金的工藝，最優條件為：石灰質量分數為25%，還原劑質量分數為3.5%，預還原溫度為1150℃，預還原時間為30 min，電爐熔分溫度為1450℃，熔分時間為15 min，制備的鎳鐵合金中鎳質量分數為8.68%，鐵質量分數為86.23%，該工藝實現鎳回收率達到97.62%。胡長松[30]對轉底爐直接還原-電爐熔煉工藝處理紅土鎳礦進行了中試試驗，結果表明，石灰石配比為6%，還原溫度為1300℃，配煤比為1%，還原時間為20 min，鎳和鐵回收率最高，分別為81.76%和91.66%。在1450℃熔煉后獲得了鎳10.77%、鐵82.00%的鎳鐵合金。馬丁等[31]對轉底爐處理紅土鎳礦工業實踐進行了分析，詳細介紹了轉底爐系統的組成。李紅科等[32]介紹了轉底爐還原紅土鎳礦-鐵浴爐冶煉鎳鐵合金工藝，并進行了工業實踐。

最近兩年新建轉底爐數量不斷增加，目前首鋼京唐、上海寶鋼等單位正在建設轉底爐。隨著轉底爐應用越來越多，工藝參數不斷優化提升，轉底爐處理紅土鎳礦工藝的應用前景愈發光明。

3 結 語

（1）隨著全球各國對鎳需求量的不斷增加，硫化鎳礦資源日益枯竭，紅土鎳礦將成為生產鎳的主要原料，高效開發利用紅土鎳礦成為眾多科研工作者的研究焦點，綜合利用紅土鎳礦對世界各國發展具有重要的現實意義。

（2）處理紅土鎳礦的工藝方法均需要考慮紅土鎳礦資源的特點、工藝流程、設備成本，建設周期、能耗大小、環境保護等因素。當前，還原硫化熔煉鎳锍工藝和回轉窯-電爐冶煉鎳鐵工藝均存在能耗高，污染嚴重的問題，還原焙燒-磁選工藝存在還原過程難以控制，生產規模難以擴大的不足，降低能耗，減輕污染，實現綠色生產是當下急需解決的問題。

（3）轉底爐直接還原-熔分爐冶煉工藝處理紅土鎳礦，以煤制氣或天熱氣作為能量來源，非焦煤作為還原劑與紅土鎳礦配礦，壓制成含碳球團，送入轉底爐還原后進入熔分爐熔煉生產鎳鐵合金。該工藝具有原料適應性強，操作簡單，工藝流程短，設備成本低，生產過程容易控制，對環境影響小等優點，具有較好的發展前景。