一种还原气氛窑炉快速还原镍渣生产铁镍铜合金粉的方法

摘要

一种还原气氛窑炉中快速深度还原镍弃渣生产铁镍铜合金粉的方法，其特征在于：将镍弃渣、还原剂和添加剂按比例混合破碎或磨细至200目筛余20%～40%，掺入粘结剂和占全部物料干基质量5～20%的水，混均后用压球机或制段机制成直径15mm～30mm的小球或直径和高度均为15mm～30mm的小圆柱，烘干后平铺在窑底，料层厚度为20mm～45mm，料层的还原温度为1250℃～1450℃，还原时间为10～40min。还原后的料球或料段经冷却、破碎、湿磨和湿法磁选得到铁回收率为85%～99%的铁镍铜合金微粉，所得产品中铁含量为88%～98%，镍含量为0.13%～1.98%，铜含量为0.14%～1.29%，粒度为3～100um，可作为冶炼耐候钢的原料。湿磨湿法磁选的尾渣可作为提取硅灰石或生产空心烧结砖的原料。

说明书

技术背景

本发明涉及资源综合利用领域，提供了一种在还原气氛窑炉中快速还原镍弃渣生产铁镍 铜合金粉的方法。

我国目前年产镍弃渣约200万吨，全国镍弃渣中每年约有4600吨金属镍、3200吨金属铜被 浪费。镍弃渣中除残余金属镍、铜等具有较高的价值外，还经常含有30%～50%的铁，镍弃渣 中的铁主要以硅酸铁的形式存在，因此采用传统的选矿方法不能将其中的铁富集到有市场价 值的铁精矿粉的品位。目前我国的镍弃渣一般卖给水泥厂作为烧制水泥熟料的配料，配入百 分比一般在3%～5%，西部地区由于水泥企业较少，无法消耗大量产出的镍弃渣。因此镍弃渣 基本处于堆存状态。全国镍弃渣堆存达4000万吨，若将其折合成金属，则已累积弃置堆存了 约1600万吨的铁金属、6.4万吨的铜金属和9.2万吨的镍金属。我国目前铁矿石开采的实际边界 品位在10%～30%,镍弃渣中的铁含量远远高于我国铁矿石开采的实际边界品位。但由于镍弃渣 中的铁主要是以硅酸铁的形式存在，而导致传统的选矿工艺无法将其中的铁进行有效的富集。 因此无论是出售给水泥厂作为烧制水泥熟料的配料或是堆弃处置，都造成这种渣中镍资源、 铜资源和铁资源的巨大浪费。

本发明的目的就是将其中的残余镍、铜和大量铁资源以铁镍铜合金微粉的形式提取出来， 使提取出来的产品具有较高的价值，同时创造经济效益、环境效益和社会效益。

与本发明最紧密相关的现有技术是各种难选铁矿石的还原焙烧磁选。

公开号为CN101161830A的专利描述了一种矿粉造球还原焙烧工艺，包括造球工艺和焙烧 工艺，采用独特的配方和工艺，在生产出合格的焙矿球产品的前提下，使矿粉能用于钢铁冶 炼，充分利用并节约自然资源，有效保护环境并节约企业生产成本。该发明只是涉及到了造 球工艺和焙烧工艺，焙烧后的矿球含铁品位平均为45%～63%,这样的产品不能直接用来炼钢。 该技术没有提供焙烧后矿球中铁的还原率、铁粒尺寸和可选性的数据。

公开号为CN101063181A的专利描述了一种用转底炉快速还原含碳含金黄铁矿烧球团富集 金及联产铁粉的方法，具有原料适应性强，操作方便，温度场均匀，生产时间较短，反应时 间快，生产效率高，金和铁回收率高，成本低，易自动控制等特点。但该技术所涉及的物料 中的铁主要是氧化铁，没有给出控制硅酸铁还原的方法。该技术也没有给出强还原转底炉尾 气如何处理的有效方法，在现有国家倡导节能减排的形势下难以工业化实施。另外，该技术 中所给出的三个实施例都是关于镁质红土镍矿的处理，与发明书中描述不一致，无法实施。

公开号为CN101413057A的专利描述了一种低品位及复杂铁矿高效分选方法，对不同品位 和种类的复杂铁矿石分类处理，得到块矿和矿粉造球后干燥预热，还原焙烧，冷却，球磨， 磁选，球磨，磁选或反浮选，得到铁精矿或还原铁粉。该专利是采用链板机—竖炉工艺，在 900℃～1000℃进行弱还原，所采用的原料也仅以氧化铁为主要含铁矿物的低品位的铁矿石， 不涉及控制硅酸铁还原的技术。此外，该技术也未涉及弱还原性尾气再利用的技术问题。

发明内容

本发明目的是主要解决两个方面的核心技术难题：一是在窑炉内创造1250℃～1450℃的 高温强还原气氛，同时利用高温强还原尾气的物理热能和化学热能；二是控制物料的反应过 程，在石灰，碳酸钠等添加剂的作用下将硅酸铁中的Fe²⁺置换出来，99%以上还原成金属铁， 控制金属镍、铜进入金属铁，形成铁镍铜合金微粉，同时控制铁镍铜合金微粉尺寸在3～100um, 以便后续的湿磨、湿法弱磁选能够选出铁品位和回收率都在90%以上的铁镍铜合金微粉。

本发明所提出的一种在还原气氛窑炉中快速深度还原镍弃渣生产铁镍铜合金微粉的方 法，由窑炉控制、配料、造球或造段、深度还原焙烧和破碎湿磨—湿法磁选等四部分组成。

为了控制窑炉内部的强还原气氛，窑炉燃烧时空气或氧气或富氧空气的供应量为所供应 燃料完全燃烧时所需的全部空气或氧气或富氧空气的40%～60%。上述完全燃烧所需要的空气 或氧气或富氧空气量是指将燃料中的各种含碳化合物100%转变成CO₂所需要的理论计算量。

为了使窑炉内既保持较强还原气氛，又能使窑炉内达到快速深度还原所需的1250℃～ 1450℃的高温，燃料气及空气或氧气或富氧空气均需要进行高温预热处理。所用燃料气为天 燃气或煤层气或石油气或页岩气或煤气。燃料气的预热采用管式换热器与深度还原窑炉所排 出的高温废气进换热，预热后的燃料气的温度为300℃～500℃。空气或氧气或富氧空气的预 热采用蓄热式高温燃烧技术或热风炉，热风炉加热采用深度还原窑炉排出的强还原性废气作 为燃料。空气或氧气或富氧空气经蓄热式高温燃烧技术或热风炉预热后，温度达到900℃～ 1300℃。这样通过上述燃料气及空气或氧气或富氧空气的双预热技术，实现了深度还原炉内 的高温和强还原环境，并将强还原废气的物理热能和化学热能全部回收利用，消除了排放废 气中CO、CH₄等对大气具有强烈污染的有害组分。

本发明中的配料采用镍弃渣、还原剂、添加剂及粘结剂的比例为，镍弃渣：还原剂：添 加剂：粘结剂=100：12～28：5～10：1～5。

所述镍弃渣的主要化学成分质量百分比为：TFe：35%～45%，SiO₂：30%～40%，Al₂O₃： 2%～7%，MgO：1%～10%，CaO：1%～5%，Ni：0.1%～0.8%，Cu：0.1%～1.2%，其他： 0.1%～3%。（注：全铁TFe是指以任何形式存在的所有铁，包括游离铁以及和氧或其他元素结 合的铁，全铁含量35%～45%换算成铁氧化物含量表示为45%～64%，与其他成分质量百分比之 和可达到100%。）所述还原剂为焦粉、褐煤、烟煤、无烟煤中的一种或某几种的组合。所述 添加剂为石灰石、石灰、碳酸钠、萤石、工业碱中的一种或某几种的组合。所述粘结剂为粘 土、水玻璃、赤泥、污泥、有机粘结剂中的一种或某几种的组合。

将上述镍弃渣、还原剂和添加剂按比例混合破碎或磨细至200目筛余20%～40%，掺入粘 结剂和占全部物料干基质量5～20%的水，混匀后用压球机或制段机制成直径15mm～30mm的 小球或直径和高度均为15mm～30mm的小圆柱，烘干后平铺在窑炉底，料层厚度为20mm～ 45mm，料层的还原温度为1250℃～1450℃，还原时间为10～40min。还原后的料球或料段中， 原始物料中各种铁的存在形态有99.1%～99.8%被还原成金属铁，原始物料中各种镍的存在形 态有85.2%～99.5%被还原成金属镍，并进入金属铁微粒。原始物料中各种铜的存在形态有 88.3%～99.5%被还原成金属铜，并进入金属铁微粒。深度还原后的料球或料段经冷却、破 碎、湿磨、湿法磁选得到铁回收率为85%～99%的铁镍铜合金微粉，所得产品中铁含量为88%～ 98%，镍含量为0.13%～1.98%，铜含量为0.14%～1.29%，粒度为3～100um，可作为冶炼耐候 钢的原料。湿磨湿法磁选的尾渣可作为提取硅灰石或生产空心烧结砖的原料。

本发明的有益效果

1.将传统选矿技术以及已有还原焙烧磁选技术无法选出的镍弃渣中大量硅酸铁中的铁及 残余镍、铜提取出来，并转变成具有高附加值的铁镍铜合金微粉；

2.与现有的其他还原窑炉还原焙烧工艺相比，在实现了高温的强还原环境的同时，还实 现了高温强还原废气的物理热能和化学热能的回收再利用，避免了向大气中排放CO和CH₄等 强污染性气体，提高了能源的利用效率；

3.与现有的氧化气氛窑炉窑具密封深度还原技术相比，还原时间缩短了10倍以上，有利 于提高效率，降低成本；

4.实现了镍弃渣中三种主要有价金属——铁、镍和铜的同时提取利用，对镍弃渣的综合 利用具有重要意义；

5.由于湿磨湿法磁选的尾渣中已将铁、镍、铜等金属元素的绝大部分去除，有利于尾渣生 产环境友好型空心烧结转。

附图说明

图1是本发明的还原气氛窑炉处理镍弃渣生产铁镍铜合金微粉的工艺流程图。

具体实施方式

参照图1，按照本发明的工艺流程图实施本发明，包括：

1.原料准备阶段：

将所用的镍弃渣、还原剂（焦粉、褐煤、烟煤、无烟煤中的一种或某几种的组合）、添加 剂（石灰石、石灰、碳酸钠、萤石、工业碱中的一种或某几种的组合）破碎、磨细，至200 目筛余20%～40%；

2.配料工序：

从图1可以看出，该试验的配料包括四个部分：镍弃渣、还原剂、添加剂及粘结剂。在本 发明中，镍弃渣、还原剂、添加剂及粘结剂的配比为，镍弃渣：还原剂：添加剂：粘结剂=100： 12～28：5～10：1～5。

3.混料工序：

将第2步中配好的原料进行充分的混合，保证混合好的物料是均匀的；

4.压球或压柱工序

将混合好的物料加入占全部物料干基质量5%～20%的水，同时搅拌均匀，用压球机压成 15～30mm的球团或者用制段机制成底面直径和高度均为15～30mm的小圆柱，并干燥处理。

5.装料及还原工序：

将压制的料球或料段干燥后置入还原气氛窑炉，在一定的还原温度下进行深度还原焙 烧，料层均匀铺在炉底，期间经历预热、加热、并深度还原。混合物料主要在深度还原温度 带进行深度还原，还原温度为1250℃～1450℃，还原时间为10～40min，待温度下降至80℃以 下，将物料从该还原气氛窑炉中取出。还原后的料球或料段中，原始物料中各种铁的存在形 态有99%～99.8%被还原成金属铁。原始物料中各种镍的存在形态有90%～99.8%被还原成金 属镍，并进入金属铁微粒。原始物料中各种铜的存在形态有90%～99.8%被还原成金属铜，并 进入金属铁微粒。

6.破碎、湿磨及湿法磁选工序

如图1所示，还原后的料球或料段经冷却、破碎、湿磨、湿法磁选得到铁回收率为85%～ 99%的铁镍铜合金微粉，所得产品中铁含量为88%～98%，镍含量为0.13%～1.98%，铜含量 为0.14%～1.29%，粒度为3～100um，可作为冶炼耐候钢的原料，湿磨湿法磁选的尾渣可作为 提取硅灰石或生产空心烧结砖的原料。

实施例1

本实施例工艺流程由窑炉控制、配料、造段、深度还原焙烧和破碎湿磨—湿法磁选等四 部分组成。

为了控制窑炉内部的强还原气氛，窑炉燃烧时空气供应量为所供应燃料完全燃烧时所需 的全部空气的50%。上述完全燃烧所需要的空气是指将燃料中的各种含碳化合物100%转变成 CO₂所需要的理论计算量。

为了使窑炉内既保持较强还原气氛，又能使窑炉内达到快速深度还原所需的1350℃的高 温，燃料气及空气均需要进行高温预热处理。所用燃料气为天然气。天然气的预热采用管式 换热器与深度还原窑炉所排出的高温废气进换热，预热后的天然气的温度为500℃，空气的预 热采用蓄热式高温燃烧技术，空气经蓄热式高温燃烧技术预热后，温度达到1200℃。这样通 过上述燃料气及空气的双预热技术，实现了深度还原炉内的高温和强还原环境，并将强还原 废气的物理热能和化学热能全部回收利用，消除了排放废气中CO、CH₄等对大气具有强烈污染 的有害组分。

本实施例的配料采用镍弃渣、还原剂、添加剂及粘结剂的比例为，镍弃渣：还原剂：添 加剂：粘结剂=100：20：5.4：5。所用镍弃渣的主要化学成分为：TFe41.31%，SiO₂35.62%， Al₂O₃2.43%，MgO8.74%，CaO3.29%，Ni0.22%，Cu0.19%，其它2.9%。所用还原剂为褐煤， 所用添加剂为石灰，所用粘结剂为羧甲基纤维素钠（CMC）。

将上述镍弃渣、褐煤和石灰按比例混合磨细至200目筛余20%，掺入粘结剂和占全部物料 干基质量10%的水，混匀后用制段机制成直径和高度均为20mm的小圆柱，烘干后平铺在窑炉 底，料层厚度为30mm，料层的还原温度为1450℃，还原时间为10min，还原后的料段经冷却、 破碎、湿磨、湿法磁选得到铁回收率为94.65%的铁镍铜合金微粉，所得产品中铁含量为 91.38%，,镍含量为0.42%，铜含量为0.26%，粒度为5～70um，可作为冶炼耐候钢的原料。湿 磨采用一段磨矿，磨矿浓度为65%，磨矿时间20min；湿法磁选磁场强度为60.8KA/m。湿磨湿 法磁选的尾渣可作为提取硅灰石或生产空心烧结砖的原料。

实施例2

所用镍弃渣的主要化学成分为：TFe40.21%，SiO₂34.61%，Al₂O₃2.26%，MgO8.86%，CaO 3.37%，Ni0.23%，Cu0.16%，其它2.6%。所用还原剂为褐煤，所用添加剂为石灰，所用粘 结剂为羧甲基纤维素钠（CMC）。将上述镍弃渣、褐煤和石灰按比例混合磨细至200目筛余20%， 掺入粘结剂和占全部物料干基质量9%的水，混匀后用制段机制成直径和高度均为20mm的小 圆柱，烘干后平铺在窑底，料层厚度为30mm，料层的还原温度为1350℃，还原时间为40min， 还原后的料段经冷却、破碎、湿磨、湿发磁选得到铁回收率为97.51%的铁镍铜合金微粉，所 得产品中铁含量为91.97%，镍含量为0.47%，铜含量为0.28%，粒度为5～70um，可作为冶炼 耐候钢的原料。湿磨采用一段磨矿，磨矿浓度为65%，磨矿时间20min；湿法磁选磁场强度为 60.8KA/m。湿磨湿法磁选的尾渣可作为提取硅灰石或空心烧结砖的原料。

实施例3

本实施例的配料采用镍弃渣、还原剂、添加剂及粘结剂的比例为，镍弃渣：还原剂：添 加剂：粘结剂=100：14：5.4：5。所用镍弃渣的主要化学成分为：TFe42.31%，SiO₂35.60%， Al₂O₃2.37%，MgO5.77%，CaO3.26%，Ni0.22%，Cu0.16%，其它2.55%。所用还原剂为焦 粉，所用添加剂为石灰，所用粘结剂为羧甲基纤维素钠（CMC）。

将上述镍弃渣、焦粉和石灰按比例混合磨细至200目筛余20%，掺入粘结剂和占全部物料 干基质量10%的水，混匀后用制段机制成直径和高度均为20mm的小圆柱，烘干后平铺在窑底， 料层厚度为30mm，料层的还原温度为1350℃，还原时间为20min，还原后的料段经冷却、破 碎、湿磨、湿法磁选得到铁回收率为90.61%的铁镍铜合金微粉，所得产品中铁含量为91.74%， 镍含量为0.45%，铜含量为0.35%，粒度为6～85um，可作为冶炼耐候钢的原料。湿磨采用一段 磨矿，磨矿浓度为65%，磨矿时间20min；湿法磁选磁场强度为60.8KA/m。湿磨湿法磁选的尾 渣可作为提取硅灰石或生产空心烧结砖的原料。

实施例4

本实施例的配料采用镍弃渣、还原剂、添加剂及粘结剂的比例为，镍弃渣：还原剂：添 加剂：粘结剂=100：20：6：5。所用镍弃渣的主要化学成分为：TFe40.52%，SiO₂31.64%， Al₂O₃3.76%，MgO3.62%，CaO2.73%，Ni0.21%，Cu0.18%，其它2.06%。所用还原剂为焦 粉，所用添加剂为石灰，所用粘结剂为羧甲基纤维素钠（CMC）。

将上述镍弃渣、焦粉和石灰按比例混合磨细至200目筛余20%，掺入粘结剂和占全部物料 干基质量8%的水，混匀后用制段机制成直径和高度均为20mm的小圆柱，烘干后平铺在窑底， 料层厚度为30mm，料层的还原温度为1350℃，还原时间为30min，还原后的料段经冷却、破 碎、湿磨、湿法磁选得到铁回收率为92.01%的铁镍铜合金微粉，所得产品中铁含量为92.11%， 镍含量为0.41%，铜含量为0.31%，粒度为7～90um，可作为冶炼耐候钢的原料。湿磨采用一 段磨矿，磨矿浓度为65%，磨矿时间20min；湿法磁选磁场强度为60.8KA/m。湿磨湿法磁选的 尾渣可作为提取硅灰石或生产空心烧结砖的原料。