２０１３年第４２卷第１期 ＶＯ１．４２ ＮＯ．１ ２Ｏ１ ３ 童加熟 ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＨＥＡＴＩＮＧ ４５ ＤＯＩ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００２－１６３９．２０１３．０１．０１４ 红土镍矿金属化球团转底炉工艺实验研究 郭亚光 ，朱 荣 ，林腾昌 ， 马国宏 ，郭明威２，王永威 （１．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京１０００８３； ２．北京中冶设备研究设计总院有限公司，北京１０００２９） 摘要：以低品位红土镍矿（ｗ（ＴＦｅ）＝２２％、ｗ（Ｎｉ）＝ｌ＿８９％）为原料，运用高温电阻炉对转底炉直接还原红土镍矿新工艺进行热态 模拟实验研究。通过正交实验考察了焙烧温度、焙烧时间、ｗ（Ｃ）／ｗ（Ｏ）三个因素对红土镍矿选择性还原的影响，并分析了考察因 素对金属化率的影响程度，得出最优实验方案。结果表明，红土镍矿含碳球团转底炉工艺因素对金属化率影响程度依次为：ｗ（Ｃ） １ｗ（Ｏ）＞焙烧温度＞焙烧时间。当ｗ（Ｃ）／ｗ（Ｏ）到０．８时，铁金属化率最大为６７．８５％，此时ＸＲＤ分析已检测不到镍氧化物的存在 关键词：红土镍矿；焙烧；金属化率；正交实验；含碳球团 中图分类号：ＴＦ８０６．２７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２—１６３９（２０１３）０１－００４５—０３ Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｌａｔｅｒｉｔｅ Ｎｉｃｋｅｌ Ｐｅｌｌｅｔｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｒｏｔａｒｙ Ｈｅａｒｔｈ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ ＧＵＯ Ｙａｇｕａｎｇ ，ＺＨＵ Ｒｏｎｇ ，Ｌ１Ｎ Ｔｅｎｇｃｈａｎｇ ，ＭＡ Ｇｕｏｈｏｎｇ ，ＧＵＯ Ｍｉｎｇｗｅｉ ，ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇｗｅｉ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０００２９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｄｕｃｔ ａ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｕｓｉｎｇ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｆｕｒｎａｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ ｇｒａｄｅ ｌａｔｅｒｉｔｅ ｎｉｃｋｅｌｓ（ｗ（ＴＦｅ）＝２２％、ｗ（Ｎｉ）＝１．８９％）ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｒｏｔａｒｙ ｈｅａｒｔｈ ｆｕｒｎａｃｅ ｎｅｗ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍａｓｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｒｏａｓｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｗ（Ｃ）／ｗ（Ｏ）ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｔｅｒｉｔｅ ｎｉｃｋｅｌｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｈｅｔ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔ， ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｓ ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ａｂｏｖｅ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｃｏｎｃｌｕｄｅ ａｎ ｉｄｅａｌ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆｌａｔｅｒｉｔｅ－ｎｉｃｋｅｌ Ｏｒｅ ｃａｒｂｏｎ—ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｐｅｌｌｅｔ ｏｔｒａｒｙ ｈｅａｒｔｈ ｆｕｒｎａｃｅ ｏｎ ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｒｄｅｒ ａｓ：ｗ（Ｃ）／ｗ（Ｏ１＞ ｃａｌｃｉｎａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ＞ｃａｌｃｉｎａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｗ（Ｃ）／ｗ（Ｏ）ｒｅａｃｈ ０．８，ｍａｘｉｍｕｍ ｏｆｔｈｅ ｉｒｏｎ ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ｉｓ ６７．８５％，ｔｈｅ ＸＲＤ ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｏｅｓｎ’ｔ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｏｆ ｎｉｃｋｅｌ ｏｘｉｄｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｔｅｒｉｔｅ ｎｉｃｋｅｌ；ｍａｓｔｉｎｇ；ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔ；ｃａｒｂｏｎｉｃ ｐｅｌｌｅｔｓ 镍是一种银白色，具有铁磁性的金属，它能够高度 镍矿具有重大意义 。 磨光和抗腐蚀，主要用于合金（如镍钢和镍银）及用作 催化剂（如拉内镍，尤指用作氢化的催化剂）。不锈钢和 合金生产是镍应用最广泛的领域，全球６６％的镍用于不 １实验原料及方法 １．１实验原料及分析 １．１．１实验原料 锈钢生产，其消费量在有色金属中占据第５位［１－２］。 在已探明的镍矿资源中，硫化镍矿占２０％、氧化镍 实验矿样及还原煤均为印度尼西亚所产，对两种原 料进行成分分析，结果分别见表１、表２。 表１原红土镍矿化学成分 ％ 矿占８０％。随着硫化镍矿资源长期开发，硫化镍矿储量 急剧下降，导致全球硫化镍矿已出现资源危机。因此， 氧化镍矿的利用越来越受重视，尤其占氧化镍矿９３％的 ｗ（Ｎｉ）ｗ（ＴＦｅ）ｗ（Ｃｒ）ｗ（ＡｈＯ３）ｗ（Ｓｉ０２）ｗ（ＣａＯ）ｗ（Ｍ＃３）ｗ（Ｓ）ｗ（Ｐ）ｗ（ｃｏ）灼减 １．８９ ２２ ０．６４ ３．３６ ２９．１ ０．７７ ｌ６．２ ０．０３４ ０．Ｏ１ ０．０３７ １３．７ 红土镍矿的利用研究受到极大的关注 ３］。由于红土镍矿 品位低，主要回收利用其中的镍。通过热力学分析可知， 镍氧化物比铁氧化物更容易被还原成金属。研究红土镍 矿选择性还原，对有效开采利用储量丰富的低品位红土 如表１所示，Ｗ（ＴＦｅ）：２２％、Ｗ（ＭｇＯ）＝１６．２％、 收稿日期：２０１２・１０－３０ ｗ（ＳｉＯ２）＝２９．１％，实验所用红土镍矿为典型的硅镁系镍 矿。 作者简介：郭亚光（１９８９一），男，在读博士研究生，主要从事冶金 资源综合利用、转底炉工艺研究开发． 将红土镍矿在１１０℃鼓风干燥箱中烘干，磨成粉状， ４６ 案加热 ２０１３年第４２卷第１期 ＶＯ１．４２ ＮＯ．１ ２Ｏ１ ３ ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＨＥＡＴＩＮＧ 在Ｎ２气氛保护下，１０￣Ｃ／ｍｉｎ升温速率条件下进行ＤＴＡ－ ＴＧ分析，结果如图１所示。从图１可见：红土镍矿样品 中含有１７．３％的结晶水、自由水及其他挥发性物质。在 加热开始时，即有自由水脱除，说明样品储存过程中吸 附了空气中自由水。８００℃处有一放热峰，此时会发生 晶体转变。 Ｔ８６３８．６—１９８８）、原子吸收分光光度法、碳硫分析仪（ＧＢ／ Ｔ２２３．６９—２００８）进行分析。 ２实验结果及分析 ２．１正交实验 镍铁合金制备方式主要采用选择性还原机理，即缺 碳操作：使得在生产镍铁合金过程中原料中的镍氧化物 都被还原成金属态，而铁则不必完全还原，铁的还原程 度通过调整还原剂加入量而控制。因此为获得价值较高 的铁镍合金，在进行分析计算ｗ（Ｃ）／ｗ（Ｏ）时，一般选择 图１脱水过程ＤＴＡ・ＴＧ曲线 １．１．２还原热力学分析 根据氧化物的氧势图，在１ ４００～１ ６００Ｋ的温度条 件下，红土镍矿中氧化物稳定性依次为：ＣａＯ＞ＭｇＯ＞ Ａｌ２Ｏ３＞ＳｉＯ２＞Ｃｒ２Ｏ３＞Ｆｅ２Ｏ３＞ＣｏＯ＞ＮｉＯ。氧化物稳定 性越低越易被碳还原，因此，红土镍矿含碳球团中氧化 物被还原程度依次为：ＮｉＯ＞ＣｏＯ＞Ｆｅ２０３＞Ｃｒ２０３＞ＳｉＯ２＞ Ａ１２０３＞ＭｇＯ＞ＣａＯ＿５＿。 ３Ｆｅ２０３＋Ｃ＝２Ｆｅ３０ｄ＋ＣＯ △Ｇｏｌ＝１２４ ４２９—２２４．２Ｔ Ｊ・ｍｏｌ一 （１） Ｆｅ３０ｄ＋Ｃ＝３ＦｅＯ＋ＣＯ △ＧＯ２＝１９６ ７２０—３２８．４６Ｔ Ｊ・ｍｏｌ一 （２） ＦｅＯ＋Ｃ＝Ｆｅ＋ＣＯ △ＧＯ３＝１４９ ６００—１５０．３６Ｔ Ｊ・ｍｏｌ一 （３） Ｃ＋ＮｉＯ＝ＣＯ＋Ｎｉ △Ｇ９４＝１２４ ０９０—１７０．０８Ｔ Ｊ・ｍｏｌ （４） １．２研究方法 原矿破碎至粒径小于１ ｍｍ，为准确控制红土镍矿加 入量，先将原料在１１０℃下烘干１２０ｍｉｎ，除去原料中自 由水，配以还原剂煤，采用对辊压球机压制成规则的、 大小一致的含碳球团。将含碳球团置于石墨坩埚，在高 温电阻炉中还原焙烧，考察正交设计中ｗ（Ｃ）／ｗ（Ｏ）、焙 烧时间、焙烧温度对金属化率的影响。 １．３分析与测试 采用德国ＮＥＴＺＳＣＨ公司生产的高温热分析仪器 ＳＴＡ４０９Ｃ对红土镍矿进行热失重分析。采用日本玛坷科 学仪器公司（ＭＡＣ Ｓｅｉｅｎｃｅ Ｃｏ．Ｌｔｄ．）提供的Ｍ２１Ｘ超大 功率ｘ射线衍射仪对产物金属化球团进行物相分析。金 属化球团中Ｆｅ、Ｎｉ及残Ｃ分别采用重铬酸钾滴定法（ＧＢ／ ｗ（Ｃ）／ｗ（Ｏ）＜１进行配料还原。 （１）实验结果采用三因素三水平正交设计分别考察 焙烧时间、焙烧温度、ｗ（Ｃ）／ｗ（Ｏ）对红土镍矿还原的影 响进行实验。对九组经焙烧后球团的化学成分进行选择 性分析，主要检测其中ＴＦｅ、ＭＦｅ、Ｎｉ及残Ｃ，成分含 量见表３。 表３焙烧实验与分析结果 注：１为后文所述因素Ａ；２为因素Ｂ；３为因素Ｃ。 通过表３可知： （１）由于配料及实验条件不同，不同实验铁的金属 化率相差较大； （２）铁及镍品位较原矿有了较大的提高，还原过程 带走的氧的量远大于还原剂留在球团中的灰分及残Ｃ。 ２．２正交分析 为研究因素对铁金属化率影响情况，对正交实验进 行分析（见表４），计算极差，并作出效应曲线进行研究 （见图２）。 表４正交设计直观分析表