【《红土镍矿的处理工艺分析概述》4400字】

红土镍矿的处理工艺分析概述由于红土镍矿中镍与其他矿物共生，镍都是以晶格的形式存在，无法通过寻常的选矿方法富集，通常是直接对红土镍矿进行处理。（见图1.1）目前，国内外常用的处理红土镍矿的工艺主要包括火法、湿法以及火湿联合法。不同的矿物类型需要不同的处理工艺来应对，即使在已经发展了几十年的基础上，各种处理工艺依旧不能做到没有缺点。对比各方法，做出以下各处理工艺的总结及分析。图1.1生产处理实景图1.1火法冶金处理工艺红土镍矿中的含量最多的元素是铁和镁，要从红土矿中提取出镍，镍、铁和镁之间的关系需妥善处理处理。冶金热力学中可知镍、铁与硫的亲合力远大于镁，而镁、氧的亲合力远大于镍和铁。所以，可以轻易分离镍铁与镁的。无机化学中可知金属氧化物比硫化物更稳定，铁的氧化物比镍的氧化物更稳定，借于这种亲合力的差异，开发了还原熔炼镍鋶工艺和还原熔炼镍铁工艺这两类火法冶金工艺。1.1.1还原熔炼镍鋶工艺工艺流程大概分为三个阶段：准备阶段、熔炼阶段和吹炼阶段。（见图1.2）首先，将红土镍矿破碎筛分、干燥脱水，加入硫化剂（如石膏、黄铁矿、硫磺等）和还原剂（如焦炭粉等），在鼓风炉或电炉中熔炼（炉内温度在1500~1600℃）；接着调控加入的硫化剂和还原剂的量得到不同成分的低镍鋶；最后在转炉吹炼得到高镍鋶，高镍鋶再经过焙烧脱硫得到可直接应用的镍，也可再处理得到其他镍产品。在20世纪的20~30年代还原熔炼工艺所用的设备时鼓风炉，到了20世纪70年代，大工厂都开始改用电炉，致使能耗更大了。作为最初处理氧化镍矿的冶金工艺，它的优点是：设备成本不低、工艺成熟、操作简单、镍产品多样等，然而缺点也是非常明显：能耗较高（电炉能耗和煤粉损耗）、处理过程中会产生环境有害的硫化气体，因此这种工艺渐渐被工业生产放弃。图1.2还原硫化熔炼镍鋶工艺流程1.1.2还原熔炼镍铁工艺还原熔炼镍铁工艺是世界上处理红土镍矿最多的工艺，这项工艺正是利用熔炼过程中铁与氧的亲合力相比于其他元素较大，容易还原成金属或金属氧化物。它的主要流程为：先将红土镍矿破碎筛分，干燥、煅烧、经过这些预处理后得到焙砂，然后放入高温炉中，加入还原剂，在高温条件下熔炼还原，使其中的中镍、铁的氧化物被还原成金属形式，得到镍铁合金.在煅烧熔炼过程中镍和钴的氧化物几乎全部被还原，而铁只有65%左右被还原，其余部分以FeO形式造渣，最后采用精炼，将粗镍铁合金得到成品镍铁合金。可投入规模生产的火法镍铁工艺有:回转窑-电炉熔炼工艺、还原焙烧磁选工艺、转底炉直接还原-熔分炉冶炼工艺和烧结-电炉还原熔炼工艺等。1.1.2.1回转窑-电炉熔炼工艺回转窑-电炉熔炼工艺主要流程：（见图1.3）将矿石破碎筛分粒度为50~150mm，放置在回转窑中干燥得到焙砂，加入还原剂置于电炉中还原熔炼得到粗镍铁，然后进行转炉吹炼得到高镍铁（可用于不锈钢生产）。这项工艺的优点有：设备和工艺简单、操作便利和生产效率高等；不足有：回转窑结圈严重维修成本高、能耗大、废料多、矿中的钴难回收、对红土镍矿品味有要求（镍含量>2%）。图1.3回转窑干燥预还原—电炉熔炼工艺流程1.1.2.2还原焙烧磁选工艺还原焙烧磁选工艺（日本大江山法）主要流程：（见图1.4）将矿石破碎磨细，加入煤粉和石灰石熔剂混合均匀，压制成球团状，置于回转窑干燥还原后磨细，再进行磁选处理得到镍铁合金。优点有：能耗低、生产成本较低；不足有：回转窑中还原难控制、工艺操作难度大、磁选参数难控制等。图1.4还原焙烧—磁选工艺流程1.1.2.3转底炉直接还原-熔分炉冶炼工艺转底炉直接还原-熔分炉冶炼工艺主要流程：（见图1.5）先将矿石破碎筛分，磨细加入还原剂（煤粉）和熔剂（石灰石）混合均匀，利用辊压球机和圆盘造球机制备成碳球团，然后将其置于转底炉焙烧还原成金属化球团，再将其放入熔分炉熔炼，分离铁渣得到镍铁合金。该工艺的优点有：能源消耗少、对原料限制较低、工艺流程简单等；不足有：热效率低、对碳球团强度要求高等。

图1.5转底炉直接还原—熔分炉冶炼工艺流程1.1.2.4立式烧结-电炉还原熔炼工艺立式烧结-电炉还原熔炼工艺主要流程:（见图1.6）先将矿石（镍1.5%~1.0%、铁15%~30%、水30%质量分数）破碎筛分，加入生石灰，待生石灰与水反应后加入焦粉，置于立式烧结机内进行干燥预还原，然后置于电炉中还原熔炼得到镍铁合金。该工艺优势是：工艺流程短、能耗低、排污较少等；不足有：原料适应性差、设备有要求。图1.6烧结—高炉工艺流程和立式烧结炉实物图火法冶金工艺发展较早，因此有工艺较成熟，生产效率可观，流程短和操作简单等优点，然而也伴随着限制性，如火法工艺对品味原料要求较高，能耗相对较大，有一定废料产生等不足。近几十年火法冶金的发展也是针对普遍缺点进行改善，如范兴祥对转底炉处理红土镍矿探索出最佳处理条件：25%质量分数石灰石、1.5%质量分数还原剂、1150℃预还原温度等；如朱德庆对还原-磁选工艺的研究也得出了改善后的处理条件。虽然火法工艺还在不断发展改进，但火法更适合应用在腐殖土层的高镁镍矿（品味较褐铁矿高），火法对原料品味的要求会限制到火法工艺的应用和可持续发展。希望能出现对原料包容性更强的火法工艺被研究出，因为未来的镍主要来源必会被低品位镍矿占据。1.2湿法冶金处理工艺相较于适合处理红土镍矿中品位较高的高镁镍矿的火法处理工艺，湿法处理工艺弥补了难以处理品味相对较低的褐铁矿的缺口。湿法工艺以具备能耗低、环境影响小、金属回收率高等特点备受研究者关注和探索。常见的湿法处理工艺分为加压酸浸和常压酸浸两种，以下是对这两种工艺的具体阐述。1.2.1加压酸浸主要流程：（见图1.7）先将红土镍矿破碎、磨细、制浆，置于温度250~270℃、4~5MPa的高温高压条件下反应，加入稀硫酸，将红土矿中镍、钴、铁、铝和硅等浸出，接着利用调节pH等控制条件的方式，使铁、铝、硅等杂志水解沉淀，析出于渣中，而镍和钴被选择性留在浸出液中，然后将浸出液与硫化氢还原中和处理就可得到镍和钴的硫化物，沉淀析出，后续可以通过精炼得到最终产品。这项工艺最大的优势是可以做到镍、钴90%的回收率（钴的高回收可减少生产成本）和能耗低，但此工艺的限制也有很多，如对原料红土镍矿的成分和矿物组成要求高（适合氧化镁含量<5%的针铁矿）；浸出过程需要高温高压环境致使高压釜这类设备的前期投资较高；加压酸浸过程中会产生结垢附着于高压釜以及管道，增加了后期设备维修成；操作技术难度大等。图1.7加压酸浸工艺流程1.2.2常压酸浸主要流程：（见图1.8）将红土镍矿破碎、磨细、制浆，将矿浆、洗涤液和硫酸按一定比例混合，加热反应使矿浆中镍和钴元素浸出，再加入碳酸钙做中和处理，过滤、固液分离去除杂质，使用氧化钙或硫化钠处理浸有镍、钴的浸出液，得到镍、钴硫化物沉淀析出，后续精炼得最终产品。这项工艺优点是能耗低、工艺简单、设备成本低和易操作控制；但不足又相当显著浸出率不足、浸出渣镍含量仍然较高等。图1.8常压酸浸工艺流程湿法工艺中常压酸浸效率偏低，高压酸浸才是低品位红土镍矿的首选工艺，只要高压釜制造技术和材料性能不断发展，高压酸浸得优势将会更加显著。1.3火湿联合法处理工艺因为火法冶金工艺和湿法冶金工艺都是各有优劣，结合火法湿法的处理工艺能否兼具两者优点摒弃其不足。常见的火湿联合工艺有三种：还原焙烧-氨浸工艺、硫化焙烧-水浸和还原焙烧-酸浸工艺等。1.1.1还原焙烧-氨浸工艺主要流程是：（见图1.9）将红土镍矿破碎筛分，干燥后加入煤粉和石灰石按比例混合均匀，置于600~700℃温度下焙烧还原，将矿中的镍和钴还原成金属镍和金属钴，将矿中大部分铁的氧化物还原成四氧化三铁或少量金属铁。焙烧后用氨和二氧化碳氨浸，可以在浸出液中得到镍氨络合物和钴氨络合物，同时金属铁转化为铁氨络化物再氧化成三价铁，接着通过水解反应可以得到氢氧化铁沉淀,然后将浸出液通过硫化沉淀的方式处理，浸出液中钴就可以硫化物形式析出回收，浸出液通过除铁和蒸发去除杂质，可以得到碱式硫酸镍，再将碱式硫酸镍通过焙烧得到氧化镍产品。这项工艺优势在于生产镍含量高，回收率达76%~85%，且有伴随的有价金属钴可以回收减少成本，回收率有40%~60%；缺点是不适合处理钴含量较高的镁镍硅型红土矿，对原料的适应性差限制了这个工艺的发展，所以近二十年的新厂没有使用这一工艺生产的。图1.9还原焙烧—氨浸工艺流程1.1.2硫化焙烧-水浸工艺主要流程:（见图1.10）先将红土镍矿和硫酸混合，在（700℃）高温条件下进行硫酸化化焙烧，将矿中的镍、钴氧化物转化为可溶性硫酸盐，这其中因为硫酸铁的难溶性，所以通过可以用水直接选择性的浸出有价镍和钴。我国研究者张云芳等探究出另一种硫化焙烧-水浸的方法：将红土矿破碎研磨，将之与硫酸铵和水按一定比例混合均匀，制成球状在马弗炉中焙烧，将焙烧后的产物干燥研磨，直接进行水浸得到有价镍和钴。这项工艺优点是镍、钴浸出率较高，杂质浸出较少；不足有反应过程难控制，设备腐蚀，处理工艺对原料适应性较差等。图1.10硫酸化焙烧—水浸工艺流程1.1.3还原焙烧-酸浸工艺这项工艺可在常压下进行，将红土镍矿破碎筛分，在710~730℃的环境下还原焙烧后，用亚硝酸或吹入二氧化硫的水浸出，能实现镍的高回收达到90%。这项工艺尚在实验室研究探索阶段，并未成熟到投入工业生产。1.4其他新型处理工艺近年来除了在传统火法、湿法冶金工艺上，也有很多研究者从其他方向上探索出红土镍矿的处理工艺，如生物浸出法、氯化工艺、堆浸工艺等。它们的研究为红土镍矿处理工艺的发展提供了更多可能。1.4.1生物浸出工艺生物浸出工艺是利用微生物在衍生过程中能够产生出可以作有效溶剂的有机酸，使低品位矿石中金属浸出。利用自身的氧化和还原特性来浸出红土镍矿，使矿石中选择性氧化还原，从而达到分离杂质的目的。这项工艺需要培养微生物真菌，因此时效长效率低，但其能耗和原料消耗极少，反应条件温和，成本低，可处理低品位镍矿。目前在实验室里效果显著，不适合大规模工业生产。1.4.2氯化工艺氯化工艺分为氯化焙烧、氯化离析和氯化浸取。氯化焙烧：将矿物与氯化剂混合制成球状，通过焙烧将其中金属转化为氯化物，然后用水或其他溶剂浸取的到金属离子，或者蒸发氯化物，通过冷凝回收有价金属离子。优势是可以处理任意品味红土镍矿，但对设备要求高，过程温度难控制，环境不友好等。未来抗腐蚀材料发展成熟，这项工艺将有更大发展。氯化离析：将矿石与还原剂以及氯化剂一起在弱还原气氛中高温加热，使矿石中金属转化为有价金属离子，再经过磁选或浮选对有价金属进行富集。该方法限制于我国熔炼炉技术不足，成本降低不显著。氯化浸取：本质是使湿法氯化，包括盐酸浸取和氯盐浸取两种。浸出过程中氯离子直接与矿物作用，将镍等元素溶解到溶液中，减少杂质离子的浸出。虽然这个方法可以选择性浸出镍且效果不错，