某地红土矿还原镍铁的研究
2012-02-01张蓓蓓冀东晟
张蓓蓓，冀东晟
乌兰察布市工程质量监督检测站，内蒙古乌兰察布 012000
0 引言
镍红土矿的可采部分一般由三层组成：褐铁矿层、过渡层和腐植土层，目前世界上对于镍红土矿的处理工艺归纳起来大致有三种，即火法工艺、湿法工艺和火湿法结合工艺。工艺的选择主要依据是原矿的成分和最终的产品。褐铁矿层，特点是高铁低镁，一般采用湿法提取，过渡层可采用湿法或火法，而腐植土层特点是低铁高镁采用火法处理。
某地红土矿成分如表1所示：
表1 某地红土矿成分
通过表1可知，某地镍矿属于过渡层，工艺的选择可采用湿法或火法，本文讨论火法工艺中还原熔炼镍铁工艺。
1 试验所用的仪器设备、原料
1.1 原料成分
本研究采用的原料来自马布里镍矿，经晒干后，人工破碎至50mm左右。
从已有对红土镍矿分析的资料上，根据文献资料报道，大多橄榄岩的矿物组成为针铁矿、磁铁矿和蛇纹石[3]。根据观察，某地镍矿具有较强的磁性，证明矿物中有一定的磁铁矿成分。
1）还原剂
还原剂采用碳质还原剂无烟煤和焦炭。
2）助剂
助剂采用石灰用来调节渣的碱度。
1.2 试验主要设备
鄂式破碎机：PE200*300，鼓风地炉：自制（约处理800kg/天），矿热直流电阻炉：100kVA；
包子：自制30kg，鼓风干燥箱，红外测温仪、ISP，碳硫分析仪。
2 镍铁冶炼试验
2.1 冶炼机理[4]
2.1.1 预还原
电炉熔炼镍铁一般需要增加炉料预还原过程以节约电能。炉料的预还原是在固态下进行，温度在1 200℃～1 400℃之间，炉内呈还原气氛。地炉以无烟煤作为燃料和还原剂，与原矿混合后进入地炉烧结。从理论上来说，在1 200℃～1 400℃时，存在如下反应：
2.1.2 电炉熔炼
还原熔炼可以在炉料溶化的同时进行。炉料溶化后由固体炭还原。其反应式为：
MeO+C=Me+CO
CO+MeO=Me+CO2
在电炉中几乎所有的镍的氧化物都被还原成金属。炉渣是由氧化亚铁、氧化硅等组成，增加氧化亚铁含量可降低炉渣的熔点、操作温度和炉渣中金属损失量，提高炉渣的导电性，决定镍铁中碳、硅、铬、磷等杂质的含量。
2.2 试验过程
2.2.1 预还原
按原矿：无烟煤=1：0.15的比例混合原料，预还原是在鼓风地炉中进行的，地炉下面由鼓风设备，先在钢栅栏上铺上稻草，底部垫煤20kg，以柴油做助燃剂，采用连续进料的方式进行预还原，还原时间10h左右。
2.2.2 电炉熔L炼
以烧结矿为原料，配入一定的炭质还原剂，石灰混合，整个熔炼过程在直流矿热电阻炉内进行，以20g焦丁起弧，分次加入炉料，待温度达到要求后计算保温时间。出炉后倾入自制钢包内。待冷却后倒出分出渣相。金属与渣分别称重分析。还原熔炼进行了加炭量、助剂量、冶炼时间的条件试验。助剂使用生石灰，还原剂采用无烟煤和焦炭。
图1 加炭量对镍品位与直收率的影响
1）加炭量试验
试验条件：试验原料：烧结矿，熔炼温度：1400℃，原料重量：15kg，生石灰： 0.84kg。
起弧焦炭：20g，熔炼时间：10min，还原剂：焦炭。
试验结果如图1所示。
从图中可以看出，镍品位随着用炭量的增加开始是下降，当用碳量超过2.5%，开始增加，之后又开始下降，而直收率恰好相反。从试验过程来看，如表2所示：
表2 还原剂试验过程
从试验表2中可以看当试验为1、2炉时，炉体还原性太强，而当3炉以后，基本呈现出与理论相符规律。
从结果来看，综合考虑各项指标，选定还原剂用量为3%时为最优条件，镍品位可达8.91%，直收达83.16%，渣含镍0.062%。
2）助剂量试验
试验条件：试验原料：烧结矿，熔炼温度：1 400℃，原料重量：15kg，起弧焦炭：20g
熔炼时间：10min，还原剂：无烟煤，3%
试验结果如图2、3所示：
图2 助剂量对镍品位与直收率的影响
助剂为生石灰，目的是调节渣的性质和金属氧化物的活度。从图中可以看出，镍品位存在中间低，两头高的趋势，直收率恰好相反。说明在生石灰含量过高和过低时，都不利于金属的还原，尤其是FeO的还原。可以通过查询其相关活度图加以分析。
综合考虑各项指标，选取助剂量为15.39%时为本试验最优条件，镍品位可达8.33%，直收达88.54%，渣含镍0.24%。
3）熔炼时间试验
试验条件：试验原料：烧结矿1，熔炼温度：1 400℃，原料重量：15kg，起弧焦炭：20g
生石灰： 2.799kg（18.66%），还原剂： 无烟煤，3%。
试验结果如图3所示：
图3 熔炼时间对镍品位与直收率的影响
从图中可以看出，随着熔炼时间的增加，镍品位先升后降，直收率恰好相反。
熔炼时间为15min～20min时，存在一个较为明显的变化，当熔炼温度为15min时，镍品位较高，直收率仅为57.22%，当熔炼温度为20min时，直收率为88.19%，品位有一定下降，仅6.17。
2.3 小结
1）镍品位随着用炭量的增加开始是下降，当用碳量超过2.5%，开始增加，之后又开始下降，而直收率恰好相反；还原剂用量为3%时为最优条件，镍品位可达8.91%，直收达83.16%，渣含镍0.062%；
2）生石灰含量过高和过低时，都不利于金属的还原，尤其是FeO的还原。助剂量为15.39%时为本试验最优条件，镍品位可达8.33%，直收达88.54%；
3）随着熔炼时间的增加，镍品位先升后降，直收率恰好相反
[1]彭容秋.镍冶金[M].长沙：中南大学出版社，2005，9.
[2]李小明，唐琳，刘仕良.红土镍矿处理工艺探讨[J].铁合金，2007，195(4):24.
[3]徐小峰.红土镍矿预富集-还原熔炼制取低镍铁合金研究：[硕士学位论文].长沙：中南大学，2007.
[4]唐思琪.镍精矿冶炼镍铁试验研究.吉林：吉林大学，
