侯俊京， 賈彥忠， 梁德蘭， 司金鳳

(北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院， 北京 100083)

紅土鎳礦回轉(zhuǎn)窯-電爐熔煉生產(chǎn)鎳鐵的工藝研究

侯俊京， 賈彥忠， 梁德蘭， 司金鳳

(北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院， 北京 100083)

基于紅土鎳礦回轉(zhuǎn)窯- 電爐熔煉生產(chǎn)鎳鐵工藝，研究了混合煤配比對(duì)回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原以及配碳量和溫度對(duì)電爐熔煉的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原用70%無(wú)煙煤+30%煙煤的煤粉作還原劑，預(yù)還原樣再配入含碳5%的還原煤在1 550 ℃溫度下電爐熔煉，產(chǎn)出的鎳鐵含鎳23.13%，鎳回收率為95.21%，鐵回收率為91.97%。

紅土鎳礦；回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原；電爐熔煉；配碳量；金屬化率；鎳品位

0 引言

目前，全球已經(jīng)探明的鎳儲(chǔ)量為1.6億t[1]?？梢蚤_(kāi)發(fā)利用的鎳礦資源有兩種，硫化鎳礦占30%，氧化鎳礦占70%。約65%的鎳用于生產(chǎn)不銹鋼，2009年我國(guó)不銹鋼表觀消費(fèi)量822萬(wàn)t ，不銹鋼粗鋼產(chǎn)量達(dá)到880萬(wàn)t，均居世界首位[2-4]。由于可供開(kāi)發(fā)的硫化鎳礦逐漸減少，紅土鎳礦將成為鎳的主要來(lái)源。

紅土鎳礦的成分復(fù)雜，從紅土礦中提鎳有濕法冶金和火法冶金兩種技術(shù)。紅土鎳礦火法冶金要求，產(chǎn)品鎳鐵中鎳含量達(dá)到20%～30%，鎳的回收

率達(dá)到90%～95%[5]。本研究根據(jù)紅土鎳礦的礦物特性，采用回轉(zhuǎn)窯干燥預(yù)還原- 電爐還原熔煉法[6-7]， 通過(guò)調(diào)整煤粉配比，以達(dá)到提高紅土鎳礦回轉(zhuǎn)窯還原后鎳、鐵品位的目的。

1 實(shí)驗(yàn)原料及原理

1.1 紅土鎳礦分析

實(shí)驗(yàn)原料為高鎳低鐵紅土鎳礦，自由水含量為23.33%，結(jié)合水含量為11.95%。將烘干的紅土鎳礦進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。該紅土鎳礦的XRD分析如圖1所示。

圖1 紅土鎳礦XRD分析

表1 紅土鎳礦化學(xué)分析結(jié)果 %

由上述分析結(jié)果可知，礦石的中Si、Mg含量較高，F(xiàn)e、Co含量較低，屬于硅鎂鎳礦。其主要礦物為蛇紋石(Mg3Si2O5(OH)4)、滑石(Mg3(Si4O10)(OH)2)、石英(SiO2)、蛭石(Mgx(Mg2Fe)3(SiAl)4O10(OH)2·4H2O)、針鐵礦以及少量赤鐵礦和白云石。蛇紋石在898 K左右可脫除羥基生成無(wú)定形的硅酸鹽，無(wú)定形的硅酸鹽在1 097 K左右會(huì)重結(jié)晶生成鎂橄欖石(Mg2SiO4)和頑火輝石(MgSiO3)[8-9]。穩(wěn)定、致密的鎂橄欖石和頑火輝石的生成，不利于賦存于其

晶格中鎳的還原[10]。

1.2 煤粉分析

實(shí)驗(yàn)用兩種煤粉作還原劑，其中A為煙煤，B為無(wú)煙煤，煤粉分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 煤粉成分 %

1.3 鎳鐵還原熱力學(xué)

回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原過(guò)程中，NiO與Fe2O3可能發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)[11]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

回轉(zhuǎn)窯中部分C直接還原鎳鐵，部分C與CO2發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)行碳的氣化反應(yīng)[12]。理論上，當(dāng)還原溫度控制在650～705 ℃之間時(shí)，紅土鎳礦中的Ni能夠被還原成金屬鎳，鐵則以FeO形式穩(wěn)定存在，通過(guò)磁選可分離出鎳[13]。由于紅土鎳礦礦相復(fù)雜，提高溫度才可以使鎳鐵從難還原的巖礦物中分離，實(shí)驗(yàn)中回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)溫度控制在900 ℃，還原生成的金屬鎳和金屬鐵可形成鎳鐵合金[14]，溫度過(guò)高易造成回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原

實(shí)驗(yàn)裝置由鼓風(fēng)機(jī)、電機(jī)、高溫合金電阻絲爐、回轉(zhuǎn)窯及熱電偶組成，如圖2所示。將430 g粒度小于10 mm的紅土鎳礦與70 g粒度小于3 mm的煤粉(合計(jì)500 g)混合均勻裝入回轉(zhuǎn)窯中，爐子溫度達(dá)到900 ℃后，將回轉(zhuǎn)窯推入爐內(nèi)，回轉(zhuǎn)窯位于爐內(nèi)的恒溫區(qū)，電機(jī)轉(zhuǎn)速12 r/min，風(fēng)速1 m/s，溫度回升到900 ℃恒溫45 min，然后將回轉(zhuǎn)窯從爐內(nèi)取出，噴水冷卻窯體，取出試樣稱(chēng)重，然后磁選，測(cè)量磁性物與非磁性物重量。通過(guò)改變煤粉配比，考察紅土鎳礦預(yù)還原后鎳鐵的品位，再利用電爐熔煉富集鎳鐵，從而確定合適的工藝條件。

1-鼓風(fēng)機(jī)；2-電機(jī)；3-爐體；4-回轉(zhuǎn)窯；5-熱電偶

2.2 鐵金屬化率計(jì)算

用四分法取出回轉(zhuǎn)窯還原樣磁性物20 g，磨至粒度小于0.074 mm，取5 g試樣與50 mL HCl反應(yīng)，用排水法測(cè)量H2體積，根據(jù)公式(7)，由H2的體積計(jì)算鐵的金屬化率。

(7)

式中：w%為金屬化率，%；VH2為H2的體積，L；WFe為鐵的原子量，g/mol；m0為試樣重量，實(shí)驗(yàn)取樣5 g；TFe為還原樣中全鐵含量，%。

2.3 電爐熔煉

將回轉(zhuǎn)窯還原后的紅土鎳礦置于烘箱2 h，添加粒度為0～3 mm的煤粉和熔劑，原料混合均勻后加入到Φ100 mm×72 mm的剛玉坩堝內(nèi)，蓋好剛玉蓋，置于電爐中。電爐升溫到1 550 ℃，恒溫45 min，取出坩堝將其冷卻至室溫，將合金、渣進(jìn)行分離，稱(chēng)取鎳鐵合金質(zhì)量，對(duì)合金進(jìn)行分析化驗(yàn)，計(jì)算得出金屬回收率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原

紅土鎳礦回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原實(shí)驗(yàn)，還原樣TFe、鎳含量及鐵金屬化率如表3所示。

表3 回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，A、B兩種煤粉與紅土鎳礦反

應(yīng)，磁選后物質(zhì)較多，F(xiàn)e的含量較低。其中，混合煤比例為70%A+30%B時(shí)，鐵金屬化率最高，還原樣鎳含量為3.62%，還原效果最好；煤粉全為A時(shí)，還原樣鐵的金屬化率及鎳含量略低；用兩種煤粉時(shí)，隨著煤粉A的增加，還原效果變好。

紅土鎳礦回轉(zhuǎn)窯還原后的礦相如圖3所示。

圖3 紅土鎳礦回轉(zhuǎn)窯還原后的礦相

紅土鎳礦回轉(zhuǎn)窯還原后，部分鎳鐵合金呈大顆粒狀態(tài)存在，大多數(shù)鎳鐵合金呈分散狀態(tài)，沒(méi)有富集成大塊，晶粒細(xì)小，多數(shù)Fe包裹在FeO周?chē)．a(chǎn)生大量FeO的原因可能為900 ℃的回轉(zhuǎn)窯取出后噴水急速冷卻，導(dǎo)致窯內(nèi)還原得到的金屬Fe被氧化生成浮士體，造成鐵的金屬化率測(cè)定值偏低。實(shí)際生產(chǎn)中，回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原后的礦物經(jīng)磁選后直接進(jìn)入礦熱爐，其被氧化的量大大降低。預(yù)還原試樣進(jìn)行磁選，磁性試樣占到80%，說(shuō)明預(yù)還原后的磁性物中脈石含量較高，少部分鐵以鐵橄欖石的形態(tài)存在，由于不能將多數(shù)脈石選出，紅土鎳礦的還原- 分選效果并不理想[15]。因此，預(yù)還原后的紅土鎳礦還須進(jìn)行電爐高溫熔煉。

3.2 電爐熔煉

紅土鎳經(jīng)回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原后鎳含量仍然較低，對(duì)其進(jìn)行磁選，選出煤粉后入電爐熔煉。電爐熔煉實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 電爐熔煉實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表4可見(jiàn)，隨著配碳量增加及溫度的提高，產(chǎn)物鐵品位提高，鎳品位降低，鐵和鎳的回收率升高。

當(dāng)?shù)V石粒度0～10 mm、熔煉溫度1 550 ℃、配碳量5%、石灰石10%時(shí)，電爐熔煉效果最佳，產(chǎn)物鎳品位平均值23.13%，回收率為95.21%；鐵品位平均值76.36%，回收率為91.97%。

4 結(jié)論

(1)紅土鎳礦回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原，煤粉配比為70%A+30%B時(shí)，鐵的金屬化率為48.51%，鎳含量為3.62%，還原效果最好，全部用A煤粉時(shí)，鐵的金屬化率、還原度及鎳含量略低于煤粉配比70%A+30%B的效果；用兩種煤粉時(shí)，隨著煤粉A的增加，還原效果變好。

(2)紅土鎳礦經(jīng)回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原，大多數(shù)鎳鐵合金呈分散狀態(tài)，晶粒較細(xì)小，需磁選后入電爐進(jìn)一步熔煉使鎳鐵富集。

(3)電爐熔煉時(shí)，隨著溫度提高及配碳量的增加，產(chǎn)物鐵的品位逐漸提高，鎳的品位逐漸降低，鐵和鎳回收率逐漸提高。

(4)礦石粒度為0～10 mm、熔煉溫度1 550 ℃、配碳量5%、石灰石10%時(shí)，電爐熔煉效果最佳，鎳品位23.13%，鎳回收率95.21%，鐵品位76.36%，鐵回收率91.97%。

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StudyonnickellateriteNi-Fereductioninrotarykiln-electricfurnace

HOU Jun-jing, JIA Yan-zhong, LIANG De-lan, SI Jin-feng

Based on the craft of reduction nickel-iron in rotary kiln-electric furnace, in order to improve the grade of electric furnace smelting nickel, the effects of mixed coal ratio on the pre-reduction of rotary kiln, the effect of carbon content on reduction of nickel-iron in electric furnace and the suitable temperature were analyzed. The test results showed that taking the pulverized coal including 70% of anthracite and 30% of bituminous as the reducing agent that used for the pre-reduction of rotary kiln, adding reduced coal containing 5% of carbon into pre-reduction samples, then, smelting by electric furnace at 1 550 ℃, the nickel contents in produced ferronickel was 23.13%, and the recovery rate of nickel and iron were 95.21% and 91.97%, respectively.

nickel laterite ore; pre-reduction of rotary kiln; reduction with electric furnace; carbon content; metallization ratio; nickel grade

侯俊京 (1989—)，男，碩士研究生。

F416.32； TF815

A