高熔点渣相体系下镍珠铁的生成规律及强化方法研究

摘要

不锈钢具有优良的耐腐蚀性，在军事及工农业中都有着广泛的应用。随着经济的发展，2001年后，我国成为了不锈钢生产和消费第一大国。镍作为不锈钢生产的重要原料，其消费量也随之迅速增长。世界陆基镍资源分为硫化镍矿和红土镍矿，随着硫化镍矿资源的枯竭及高品位红土镍矿资源的减少，利用低品位红土镍矿生产镍产品已备受关注。低品位红土矿的高效提取工艺对资源利用及钢铁行业意义重大。与其他几种红土矿的火法提取工艺相比，还原-重选或磁选工艺在降低成本及综合选择性利用角度具有潜力。分析国内外对红土镍矿还原磁选的诸多研究后发现，还原-重选或磁选工艺存在的问题主要包括：低温下，红土镍矿中镍的富集效率不高；添加剂用量大对环境造成污染以及对冶炼设备的腐蚀；高温下，渣与耐材的粘结和侵蚀等问题。因此，为提高镍的富集效率、避免半熔融态渣与耐材的粘结等问题，对现有还原-重选或磁选工艺进行优化具有重要意义。
　　本研究来自国家自然科学基金重点项目(No.51234010)，本文主要针对高熔点渣相体系下镍珠铁的生成规律、硫酸钠强化红土镍矿还原分离及镍珠铁聚集长大机理进行了研究，得出结论如下：
　　①该种红土镍矿Si和Mg含量较高，Ni品位为1.814％、铁含量为17.87%，主要物相为利蛇纹石、赤铁矿、叶蛇纹石、斜方钙沸石。
　　②添加SiO2能够提高该种红土镍矿球团熔点。高还原剂配比下的还原分离规律研究表明，在一定范围内升高还原温度可以提高合金精矿中的Ni、Fe含量，达到改善 Ni、Fe富集的效果；温度一定时，合金精矿中的 Ni、Fe含量随着还原时间的延长出现先增多后减少的趋势。在本研究条件下，合适的红土镍矿还原时间应不超过90min，当还原温度为1500℃、还原时间为90min条件下可获得Ni、Fe品位分别5.63%、71.82%的合金精矿。高熔点渣相体系下利用高配碳还原红土镍矿球团，可以在一定程度上对 Ni进行富集，但是富集效率并不理想，磁选精矿中Ni、Fe品位低。
　　③低还原剂配比下的还原分离规律研究表明，当C/O为0.8时，随着球团中SiO2/(SiO2+Al2O3+MgO)增多，渣的熔点逐渐升高，渣的熔融程度降低，合金精矿中Ni、Fe含量逐渐增高，当SiO2/(SiO2+Al2O3+MgO)为75%时，球团保持完整球形、球团表面及内部孔洞内有较大镍珠铁颗粒生成，可获得 Ni、Fe品位分别为8.82%、86.94%的镍珠铁；当C/O为1.0时，随着球团中SiO2/(SiO2+Al2O3+MgO)增多，合金精矿中 Ni、Fe含量逐渐增高、Ni、Fe回收率逐渐降低，当SiO2/(SiO2+Al2O3+MgO)为75%时，球团保持完整球形、球团表面及内部孔洞内有较大镍珠铁颗粒生成，合金精矿中Ni、Fe含量分别为8.33%、84.71%，Ni、Fe回收率分别为75.70%、77.97%。
　　④硫酸钠强化红土镍矿还原分离规律研究表明，Na2SO4对红土镍矿还原分离有较为明显的改善作用。当还原温度为1400℃、还原时间为60min、C/O为0.8时，Na2SO4添加量由0%增加至2%时，合金精矿中的Ni含量由2.37%增至8.35%、Ni回收率由56.80%提升至82.48%。当还原温度为1420℃、还原时间为60min、C/O为0.8时，Na2SO4添加量由0%增至2%时，Ni品位从3.21%增至8.72%，增加幅度达到5.51%，Ni回收率由56.82%提高至85.57%，继续增加Na2SO4至8%可获得Ni含量高达9.7%的镍珠铁。
　　⑤利用Hillert理论对镍珠铁聚集长大机理进行研究，结果表明，红土镍矿球团焙烧温度为1400℃时，焙烧时间为30min～60min时，镍铁颗粒的平均尺寸增加较快；焙烧时间为90min～120min时，镍铁颗粒的平均尺寸增加变缓。焙烧时间在30min～120min时，计算可得生长指数 n为1.5361，生长速率常数 k为2.136μm2·min-1，球团中镍铁合金的平均尺寸 d与还原时间t的关系式为d=exp0.6510 ln t+0.49406）。温度升高可促进球团中镍铁颗粒的聚集长大，在焙烧时间为60min、焙烧温度为1200℃～1400℃时，可计算出球团中镍铁颗粒生长的表观活化能Q为128.70kJ/mol，球团中镍铁颗粒的平均尺寸d与还原温度T的关系式为d=exp（10077.4/T+9.2874）。添加 S可以降低镍铁颗粒生长的表观活化能及提高球团中镍铁颗粒的平均尺寸，焙烧温度为1200℃、焙烧时间为60min时，S添加量从0%增至1.8%时，可使生长表观活化能Q从129.42kJ/mol降低至110.47kJ/mol。

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1 绪 论

1.1 镍的性质及其应用

1.2 镍资源概况及特性

1.3 红土镍矿资源及开发前景

1.4 红土镍矿处理工艺

1.5 还原磁选处理红土镍矿的研究现状

1.6 本课题意义及目的

1.7 研究内容

2 原料基本物理化学性质研究

2.1 成分分析

2.2 物相分析

2.3 热重分析

2.4 本章小结

3 高还原剂配比下的红土镍矿还原分离规律研究

3.1 理论计算

3.2 实验方案

3.3 实验步骤

3.4 实验设备

3.5 实验结果及分析

3.6 本章小结

4 低还原剂配比下的红土镍矿还原分离规律研究

4.1 理论计算

4.2 实验方案

4.3 实验结果及分析

4.4 本章小结

5 硫酸钠强化红土镍矿还原分离规律研究

5.1 实验方案

5.2 实验过程及设备

5.3 实验结果及分析

5.4 本章小结

6 镍珠铁聚集长大机理研究

6.1 Hillert理论

6.2 实验设计

6.3 实验步骤及设备

6.4 实验结果及分析

6.5 本章小结

7 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的学术活动

C. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目