红土矿冶炼镍铁工艺优化基础及新技术研究

摘要

由于不锈钢具有优良的耐腐蚀性，在军事、工业或民用中都有广泛的应用。2006年以来，中国不锈钢产量达到世界第一。近年来不锈钢产量继续呈逐年稳定增长趋势。镍是不锈钢生产的重要原料之一，世界镍资源主要分为硫化镍矿和氧化镍矿，随着硫化镍矿资源的枯竭，红土镍矿得到大量的开发利用。目前世界范围内的红土矿冶炼镍铁工艺，绝大部分采用预还原（造块）—精炼炉或矿热炉工艺(RKEF)。中国是一个镍资源缺乏的国家，目前国内各大镍铁生产企业均从菲律宾、印尼等国家进口大量的红土镍矿进行加工生产，由于红土矿含水量大、品位低，高昂的运输费用大大增加了冶炼成本，降低了经济效益。同时采用电炉冶炼镍铁也存在冶炼效率较低、能耗较高等缺点。因此，为了降低镍铁的生产成本，提高经济效益，对传统工艺进行优化以及开发冶炼新工艺具有重要意义。
　　本文围绕优化工艺、降低镍铁生产成本这一目标，分别针对红土矿基础性质、精料技术、冶炼条件优化、新工艺开发4个方面进行了理论及实验研究。
　　对研究所涉及的红土矿分别进行了化学分析、物相分析及热重分析。结果表明，4种红土矿Ni的品位较低，主要物相均为镁、铁硅酸盐的水合物。不同种类红土矿所含自由水、结晶水及羟基的适宜脱除温度存在差异，工业生产中应根据红土矿的特点制定适应的干燥焙烧制度。
　　采用正交试验研究了燃料比及熔剂添加量对红土矿烧结效果的影响。结果表明，燃料配比对烧结效果影响最大，烧结矿成品率随燃料比的增加而升高，烧结时间随燃料比的增加而缩短，燃料比越大水分脱除效果越好，适宜的配碳量应该大于10％；配加石灰石不利于红土矿烧结，烧结矿成品率随石灰石配加量的增加而降低，烧结时间随石灰石配加量的增加而延长。通过 SEM及 EDS分析可得，红土矿烧结矿呈多孔状，液相成分主要为(Mg,Fe)2SiO4。对红土矿球团焙烧过程进行的理论分析及实验研究，结果表明：焙烧温度对球团抗压强度和落下强度影响较大，温度低于1220℃，球团依靠固相反应和再结晶固结，球团强度较差；温度高于1220℃，球团依靠液相冷却固结，强度得到较大提高。
　　针对电炉冶炼红土镍矿生产镍铁合金的冶炼条件进行优化，通过理论计算和实验研究，分析了冶炼温度、还原剂配比、炉渣碱度等对合金成分及金属回收率的影响。研究结果表明：碱度对合金成分影响最大，其次是冶炼温度，配碳量的影响最小。当温度为1450℃，配碳量为5.0%，碱度为1.0时，合金中Ni、Fe含量达到最大值。冶炼温度对 Ni、Fe回收率的影响最大，对于 Ni的回收率，其次是配碳量，影响最小的是碱度；而对于Fe的回收率，影响最小的是配碳量。温度为1550℃，配碳量为6.0%，碱度为1.1时，Ni、Fe回收率达到最大值。通过实验及理论计算研究了炉渣碱度对炉渣熔化特性及粘度的影响，研究结果表明：炉渣碱度从0.76增加到0.92，软化温度、熔化温度和流动性温度随着碱度的增加而降低，当碱度增加到0.99，软化温度、熔化温度和流动性温度迅速升高。炉渣碱度处于0.76到0.99之间，炉渣粘温曲线的拐点温度随着碱度的增加而升高。结合工业生产条件，火法冶炼镍铁合金的炉渣碱度应该控制在0.9左右。
　　通过实验研究，考察了焙烧还原温度、还原剂配比及还原时间对红土镍矿含碳球团经还原-磁选，生产高品位含Ni原料的影响。研究结果表明：温度对还原磁选富集效果的影响最大，增加还原温度可以改善磁选富集效率，提高磁选精矿中Ni、Fe品位，还原温度为1300℃时，精矿中 Ni、Fe品位达到最大值；温度一定时，提高C/O可以在一定程度上改善还原磁选富集效果，C/O为2.0时，金属中Ni的品位及其回收率达到最大值；还原时间对磁选富集效果影响不大。该工艺处理红土镍矿含碳球团，可以在一定程度上对Ni、Fe进行富集，但是富集效率差，磁选精矿中Ni、Fe品位低。
　　针对转底炉处理红土镍矿含碳球团生产含镍珠铁工艺，通过模拟转底炉的还原条件，探讨了还原温度、炉渣成分、耐火材料、还原剂配比、球团直径及还原剂种类对转底炉处理红土矿生产镍珠铁的影响。研究结果表明：还原温度为1400℃，SiO2-MgO-CaO三元渣系中CaO含量为15%(对应的碱度为0.6)，球团直径为30mm，C/O为0.76时，采用石墨耐材，能够实现镍珠铁的生产，镍铁合金中Ni的含量达到13%，可以直接作为生产不锈钢的原料。

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1 绪 论

1.1 镍的用途及需求

1.2 镍资源的分布及利用状况

1.3 红土镍矿的开发利用

1.4 传统火法冶炼的研究现状

1.5 冶炼新工艺的研究现状

1.6 课题的研究目的及内容

1.7 课题研究技术路线及方法

2 红土镍矿基础性质研究

2.1 化学分析

2.2 物相分析

2.3 热重差热分析

2.4 脱水动力学研究

2.5 基础性质研究的应用

2.6 小结

3 烧结及球团工艺研究

3.1 烧结工艺研究

3.2 球团工艺研究

4 电炉冶炼优化

4.1 冶炼条件优化研究

4.2 炉渣性能研究

4.3 炉渣性能研究在生产中的应用

5 焙烧还原—磁选富集工艺

5.1 理论计算

5.2 低温低配碳研究

5.3 结果分析及工艺评价

5.4 高温高配碳研究

5.5 小结

6 转底炉生产镍珠铁工艺

6.1 理论计算

6.2 研究方案设计

6.3 温度及碱度的影响

6.4 耐火材料的影响

6.5 还原剂配比的影响

6.6 球团直径的影响

6.7 还原剂种类的影响

6.8 小结

7 结 论

致谢

参考文献

附 录