红土镍矿深度还原--磁选工艺研究

摘要

近年来随着钢铁工业的发展，镍的需求不断上升。硫化镍矿资源品质好，选矿工艺技术成熟，长期以来我国镍原料的获取以硫化镍为主，但硫化镍矿因长期开采，且近20年来在新资源勘探上没有重大突破，保有储量急剧下降。传统的硫化镍矿矿山的开采深度日益加深、开采难度加大，选、冶难度也增加。为此，全球镍行业将资源开发的重心瞄准储量丰富的红土镍矿。红土镍矿资源的采冶利用比例将呈不断上升的趋势。
　　红土镍矿大致分为铁含量高的褐铁矿型和腐植土型两类，前者镍含量低，宜采用高压酸浸湿法冶金工艺处理，而对于镍含量高的腐植土型红土镍矿，电炉还原熔炼是其主流工艺。针对湿法工艺会造成环境污染、电炉工艺又存在能耗高等问题，本文创造性地提出“深度还原-磁选”工艺从红土镍矿中富集镍铁。首先通过深度还原将红土镍矿中的镍矿物和铁矿物还原为镍铁金属颗粒，然后通过磁选对还原物料进行分选。
　　本研究以缅甸达贡山红土镍矿为原料(矿石含镍2.26％，铁14.24％)，运用化学分析、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热重-差热扫描量热分析(TG-DSC)等检测手段对缅甸达贡山红土镍矿的工艺矿物学特性进行了研究。结果表明:该红土镍矿中镍不以独立矿物存在，主要与镁、铁以类质同象的形式存在于蛇纹石等硅酸盐矿物晶格中，其分配率达到85.40％，其余的少部分镍以硫化镍和吸附镍的形式存在，属于典型的硅镁镍矿，难以用传统选矿方法富集。红土镍矿矿物成分复杂，加热过程的变化有脱水(OH)和相转变等热效应特征。加热到800℃时，主要矿物晶格破坏，开始形成新的物相;在1000℃时，铁（镍）氧化物开始从硅酸盐矿物晶格中析出，形成赤铁矿（氧化镍）;红土镍矿的熔点为1359.7℃，开始熔化温度为1325℃。
　　针对红土镍矿的上述特点，本文系统考查了还原温度、还原时间、渣相碱度、配碳系数、物料层厚度等因素对红土镍矿深度还原-磁选效果的影响。研究表明还原温度、还原时间、渣相碱度是影响深度还原过程的重要因素。试验确定的深度还原适宜条件为:返回强磁精矿占原矿25％，还原温度1275℃、还原时间50min、渣相碱度1.0、配碳系数2.5、物料层厚度30mm。在此条件下，制备出的还原物料经磨矿-磁选试验后，可得到镍铁精矿产品，其中镍品位为6.96％、回收率为94.06％;铁品位为34.74％、回收率为80.44％。
　　应用化学分析、XRD、SEM、EDS等分析手段对深度还原后物料的化学组成、矿物组成、微观形貌等工艺矿物学特性进行了系统的研究。结果表明:还原温度影响深度还原发生的可能性，还原时间影响还原反应的进度，渣相碱度影响炉料中渣的组成以及镍铁元素从基体中溢出富集形成镍铁颗粒的速度，上述因素是影响深度还原过程的主要因素。红土镍矿深度还原-磁选过程产生的强磁选精含有一定的镍、铁成分，这部分物料可以作为深度还原过程很好的成核剂，促进深度还原过程镍铁颗粒的聚集、长大，促进深度还原反应的进行，并且降低深度还原过程所需的温度，缩短深度还原反应进行的时间，降低还原过程能耗。
　　本文还结合金属镍铁颗粒生成、长大的动力学模型，对深度还原的机理进行了深入研究。结果表明:红土镍矿深度还原过程中，金属镍铁颗粒以球状从脉石基体中析出，并且以小颗粒向大颗粒聚集的方式长大。镍铁颗粒的生长过程可分为还原成核、深度还原反应、金属颗粒粗化长大三个阶段。
　　本文用深度还原-磁选工艺探索了红土镍矿利用的新方法，为红土镍矿资源利用开辟了新的途径，并为其实际应用奠定了理论基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 世界镍资源状况及利用现状

1．2．1 镍的性质特征

1．2．2 镍的需求及用途

1．2．3 镍的矿物学和地质学

1．2．4 我国镍资源概况

1．3 红土镍矿的利用工艺及发展趋势

1．3．1 红土镍矿处理技术的难点

1．3．2 火法处理工艺

1．3．3 湿法处理工艺

1．3．4 生物浸出工艺

1．3．5 火法湿法结合工艺

1．3．6 其他处理工艺

1．3．7 小结

1．4 本课题的研究目的及意义

1．5 本课题的研究内容

第2章 试验原料及试验方法

2．1 试验原料

2．1．1 原料来源及制备

2．1．2 还原剂制备

2．2 试验设备

2．3 研究方法

2．3．1 深度还原

2．3．2 分选试验

2．3．3 试验流程图

2．3．4 检测方法

第3章 红土镍矿工艺矿物学特性研究

3．1 红土镍矿的化学组成

3．2 镍的物相组成

3．3 红土镍矿的矿物组成

3．4 红土镍矿的TG-DSC分析

3．4．1 红土镍矿的TG-DSC曲线

3．4．2 加热过程主要矿物发生的反应

3．5 小结

第4章 红土镍矿深度还原-磁选试验研究

4．1 配碳系数计算

4．2 深度还原时间对磁选结果的影响

4．3 还原物料开路试验研究

4．3．1 还原物料预先脱碳试验研究

4．3．2 还原物料弱磁选试验研究

4．3．3 还原物料强磁选试验研究

4．3．4 开路流程试验结果

4．4 闭路试验研究

4．4．1 不同比例返回强磁精矿试验研究

4．4．2 配碳系数试验研究

4．4．3 物料层厚度试验研究

4．4．4 影响因素间的主次顺序确定

4．4．5 还原温度试验研究

4．4．6 还原时间试验研究

4．4．7 渣相碱度试验研究

4．4．8 闭路试验流程图

4．5 小结

第5章 红土镍矿深度还原机理研究

5．1 热结基本理论

5．2 红土镍矿深度还原的理论基础

5．3 深度还原物料的微观形貌及组成特征

5．3．1 深度还原物料的物相组成

5．3．2 深度还原物料的微观形貌

5．4 红土镍矿的深度还原机理研究

5．4．1 还原温度的影响机理研究

5．4．2 还原时间的影响机理研究

5．4．3 添加剂的影响机理研究

5．5 深度还原过程动力学研究

5．5．1 固相反应的还原机理

5．5．2 气-固反应的还原机理

5．5．3 红土镍矿还原的动力学模型

5．6 渣型的选择

5．7 深度还原后物料的处理

5．8 磁选产品特性分析

5．8．1 磁选产品成分分析

5．8．2 磁选产品物相分析

5．9 小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文