红土镍矿处理工艺现状及研究进展(1).pdf

2 0 1 5 年第6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m 。o n 9 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 6 ．0 0 3 红土镍矿处理工艺现状及研究进展 杨涛，李小明，赵俊学，崔雅茹，谢庚，饶衍冰 西安建筑科技大学冶金工程学院，西安7 1 0 0 5 5 搞要对红土镍矿回转窑干燥～电炉还原熔炼、回转窑直接还原生产镍铁、还原～硫化熔炼生产镍锍等 典型火法工艺以及还原焙烧一氨浸、加压酸浸等湿法工艺综合回收镍、钴进行了比较，并对微生物浸出、 微波辅助矿物改型、氯化离析、焙烧改善矿物结构后再行浸出、直接还原制备镍铁及剩余组分制备胶凝 材料的耦合技术等新工艺进行了分析。 关键词红土镍矿；工艺；进展 中图分类号T F 8 1 5文献标志码A 文章编号1 0 0 7 ～7 5 4 5 2 0 1 5 0 6 0 0 0 9 0 5 S t a t u sa n dR e s e a r c hP r o g r e s so fL a t e r i t eN i c k e lO r e Y A N GT a o ，L IX i a o m i n g ，Z H A OJu n - x u e ，C U IY a r u ，X I EG e n g ，R A OY a n b i n g S c h o o lo fM e t a l l u r g i c a lE n g i n e e r i n g ，X i ’a nU n i v e r s i t yo fA r c h i t e c t u r e ＆T e c h n o l o g y ，X i ’a n7 1 0 0 5 5 ，C h i n a A b s t r a c t P y r o m e t a l l u r g yp r o c e s s e s ，i n c l u d i n gr o t a r yk i l nd r y e l e c t r i cf u r n a c er e d u c t i o ns m e l t i n g ，d i r e c t r e d u c t i o ni nr o t a r yk i l nt op r o d u c ef e r r o n i c k e l ，a n dr e d u c t i o n s u l f u r a t i o np r o c e s st op r o d u c en i c k e lm a t t e ， w e r es u m m a r i z e da n dc o m p a r e dw i t hh y d r o m e t a l l u r g yp r o c e s s e s ，i n c l u d i n gr e d u c t i o nr o a s t i n g a m m o n i a l e a c h i n g ，h i g hp r e s s u r ea c i dl e a c h i n g ，f o rc o m p r e h e n s i v er e c o v e r yo fn i c k e la n dc o b a l tf r o ml a t e r i t eo r e ． T e c h n i c a lp r o g r e s sa n dc o s to fe a c hp r o c e s sw a sc o m p a r e d ．B i o l e a c h i n g ，m i c r o w a v e a s s i s t e dl e a c h i n g ， c h l o r i n a t i o ns e g r e g a t i o n ，r o a s t i n g l e a c h i n g ，a n dan o v e lc o u p l i n gt e c h n o l o g yt oe x t r a c tf e r r o n i c k e la n d c e m e n t i n gm a t e r i a l sb yd i r e c tr e d u c t i o nw e r ei n t r o d u c e d ． K e yw o r d s l a t e r i t en i c k e lo r e ；t e c h n o l o g y ；p r o g r e s s 镍主要来源于含镍的硫化矿和氧化矿，硫化镍 矿品位较高且可以通过选矿使品位迸一步提高，是 现阶段制备纯镍及镍基合金 除不锈钢 镍的主要来 源，但资源量及品位逐渐降低。红土镍矿资源丰富， 采矿成本低，选冶工艺趋于成熟，可生产氧化镍、镍 铁 可用于生产不锈钢 等多种中间产品以及纯镍， 是未来镍的主要来源。我国已明确将氧化镍矿开发 利用列为重点项目[ 1 ‘2 ] ，因而积极探讨并研究红土镍 矿的利用方法具有重要的现实意义。 1 现有处理工艺 不同产地的红土镍矿矿物的化学成分与矿物组 成变化很大，提炼工艺亦不同。现今探明的红土镍 矿多分布在南、北回归线一带。典型红土镍矿的主 要成分[ 1 ’3 ] 如表1 所示。 目前，处理红土镍矿的主要工艺有回转窑干燥 预还原一电炉熔炼法、回转窑直接还原法、还原一硫 化熔炼法、氨浸法、酸浸法等。 回转窑干燥一电炉还原熔炼 R K E F 法 是火法 处理红土镍矿的典型工艺，也是目前采用红土镍矿 生产镍铁的主要工艺，可处理高硅高镁型红土镍矿 和褐铁矿型红土镍矿[ 4 ] 。红土镍矿先在回转窑内进 行干燥及预还原 6 5 0 ～8 0 0 ℃ ，而后将其加入还原 电炉 15 5 0 ～16 0 0 ℃ 进行熔分得到粗镍铁，经转 收稿日期2 0 1 4 1 2 3 0 基金项目陕西省科学技术研究发展计划项目 2 0 1 4 X T - 2 4 ；西安市科技计划项目 C X Y l 4 3 3 1 作者简介杨涛 1 9 8 9 一 ，男，陕西周至人，硕士研究生；通信作者李小明 1 9 7 4 一 ，男。陕西洛川人，博士，教授． 万方数据 1 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第6 期 炉精炼后可得含镍2 5 ％以上的镍铁合金。工艺优 点是熔池可达到较高的温度且温度易于控制，矿物 适应性强；镍回收率高；生产容易控制，易于实现机 械化和自动化；产品镍铁可用作不锈钢生产原料E 5 | 。 缺点是无法回收镍矿中的钴；耗电量大，要求当地具 备充沛的电力和燃料供应；产渣量大，渣未直接利 用‘6 | 。 表1 不同类型红土镍矿的主要成分 T a b l e1M a i nc h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fd i f f e r e n tt y p eo fl a t e r i t e 回转窑直接还原粒铁工艺由日本大江山Ⅲ冶炼 厂最先提出 流程图见图1 。工艺的优点在于设备 简单、综合能耗低、生成金属流程短且产品杂质含量 低；缺点为操作条件苛刻、难于操作和控制、窑内容 易结圈、尾渣产量大且渣未能直接利用阻1 0 ] 。 红土镍矿 l 干燥、粉碎、筛分、造球 粗镍铁 含镍7 ％～1 8 ％ 图1回转窑直接还原法生产镍铁的 原则流程图 F i g ．1 F l o wd i a g r a mo ff e r r o n i c k e lp r o d u c t i o n b yr e d u c t i o nm e l t i n gi nr o t a r yk i l n 还原一硫化熔炼法用于生产高镍锍。先将红土 镍矿进行筛分 5 0 ～1 5 0I T l m ，弃去细颗粒后在 15 0 0 ～16 0 0 ℃煅烧，然后加入硫化剂 黄铁矿、石 膏、硫磺和含硫的镍原料等 使矿石中的镍和部分铁 转化为硫化物，焙砂在电炉进行还原熔炼得到低镍 锍，再经过转炉吹炼后得到高镍锍[ 1 。此工艺易于 操作、产品灵活性大、可生产各种形式的镍产品[ 12 | 。 但镍回收率较低，仅为7 0 ％，煤、电的消耗较高，环 境污染严重[ 13 | 。 还原焙烧一氨浸法是利用镍、钴能与氨络合而 溶于溶液中，而其它杂质则滞留在渣中，从而将镍、 钴选择性浸出[ 1 10 1 4 ] 。此工艺的产品可以是镍盐、烧 结镍、镍粉、镍块等，缺点是镍、钴回收率低，全流程 镍回收率仅7 5 ％～8 0 ％，钴为4 0 ％～5 0 ％，不适合 处理含钴量较高的红土镍矿以及硅镁型红土镍 矿口5 。16 | 。尹飞等[ 1 7 3 采用选择性还原焙烧一氨浸工 艺从低品位红土镍矿中综合提取镍、钴 图2 ，可使 镍、钴浸出率分别达到8 9 ．8 7 ％和6 2 ．2 0 ％。 红十镇矿 图2 还原焙烧一氨浸法工艺流程图 F i g ．2 F l o wd i a g r a mo fr e d u c t i o n r o a s t i n g - a m m o n i al e a c h i n g 加压酸浸法用于处理低品位难以直接熔化冶炼 的褐铁矿型红土矿口8 。19 | 。此工艺的优点是钴浸出率 可以达到9 0 ％以上；反应速度快；操作成本低。缺 点是对设备和材料的要求比较严格，由于处理的红 土矿含M g O 较高，因而酸的耗损较大，生产过程中 易结垢，从而使工艺经济指标受到影响[ J ”2 1 。伍博 克n 胡通过试验获得了元江红土镍矿加压酸浸的最 佳工艺条件 图3 ，在此条件下，镍、钴浸出率分别 达到9 9 ．6 7 ％和9 3 ．4 2 ％。 万方数据 2 0 1 5 年第6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 红土镍矿 浸出渣浸出液 图3 加压酸浸法工艺流程图 F i g ．3 F l o wd i a g r a mo fh i g hp r e s s u r e a c i dl e a c h i n g 2新兴工艺 除以上相对成熟、应用较广的工艺外，近年来国 内外还开展了新的研究，如微生物浸出、微波法辅助 浸出、氯化离析、加碱焙烧和直接焙烧改善矿物结构 后浸出、直接还原及胶凝材料协同研究等。 2 ．1 微生物浸出镍钴 微生物浸出工艺的本质在于利用浸出剂、微生 物、表面活性剂等有选择性地使有价金属溶解于溶 液，从而实现金属的浸出与回收[ 23 。。微生物浸出有 真菌衍生有机酸浸出、异样微生物直接浸出等工 艺‘2 “。 影响微生物辅助浸出的因素有矿浆浓度、温度、 搅拌速度、p H 、矿物粒度等。如采用黑曲霉菌衍生 有机酸对红土镍矿进行的浸出研究表明，在矿浆浓 度为5 ％和2 ．5 ％，温度为3 5 ℃、摇瓶转速为1 2 0 r ／m i n 等条件下，镍的浸出率分别达到6 3 ％和 7 3 ．50 A [ 25 | 。使用氧化亚铁硫杆菌，在矿浆浓度 2 ．6 ％，p H2 ．0 和粒度一6 3 ”m 的条件下镍回收率 为7 9 ．8 ％E z 6 ] 。 微生物浸出工艺的优点是可以在低温、常压下 运行，反应条件温和，成本低，可处理品位低的红土 镍矿口] 。缺点为细菌分解矿物缓慢，且细菌培养受 环境影响较大、甚至导致死亡，目前仅只在示范厂取 得成功[ 2 川。 2 ．2 微波法辅助浸出 微波法是通过微波在短时间内破坏矿物的化学 键，改变结构组成，从而达到对矿物改性的目的，然 后再对其浸出。可实现自动控制且流程无污染，具 有应用前景[ 2 引。 在不同的微波功率、加热温度、酸浓度、反应时 间、固液比条件下，微波辅助浸出的效果不同。如在 微波功率9 5 5W 、酸浓度0 ．9m o l ／L 、浸出时间4 0 m i n 的条件下对红土镍矿进行浸出，镍的浸出率可 达9 9 ％[ 28 | 。对经过3 0 0 ℃焙烧预处理的红土镍矿 进行微波加热 5 0 ℃ 同时进行浸出，时间为1h 时，镍、钴的浸出率分别为9 3 ．6 5 ％和8 7 ．8 6 ％[ 2 9 ] 。 该工艺的优点在于微波能对物质具有选择性加 热，可控制加热过程，可缩短工艺流程，节省能耗。 缺点是微波设备昂贵，同时微波具有辐射。 2 ．3 氯化离析法 氯化离析[ 1 2 1 即在矿石中加入适量的氯化剂和 碳质还原剂，在弱还原性气氛中进行加热焙烧，从而 使有价金属从矿石中以氯化物形态挥发出来，并同 时使氯化物在还原剂表面被还原成为金属。 氯化离析工艺的影响因素有红土镍矿粒度、氯 化剂类型及用量、还原剂类型及用量、温度、反应时 间等。如采用红土镍矿磨粉与2 5 ％氯化剂和1 0 ％ 炭粉进行制球 直径大于1 5r a m ，在回转窑内高温 10 0 0 ℃ 反应9 0m i n 后得到的镍精矿品位为 1 0 ．3 3 ％，镍回收率为8 7 ．2 2 ％[ 3 0 3 。在碳粉加入量为 8 ％、工业盐加入量为3 0 ％、离析温度10 0 0 ℃、离析 时间9 0m i n 、球团直径1 5m m 的条件下，采用氯化 离析一磁选新工艺，获得镍精矿品位为1 1 ．7 ％、镍 回收率为8 7 ．2 2 ％E 3 1 ] 。 2 ．4 焙烧法[ 2 5 ] 主要分为加碱焙烧和直接焙烧[ 32 | 。往红土镍 矿中加碱后进行焙烧可以达到对矿物改性的目的。 加碱焙烧后浸出率显著提高。加碱焙烧后浸出与直 接酸浸相比，镍浸出率由7 9 ．9 6 ％增加到9 7 ．5 2 ％， 钴浸出率由7 0 ．0 2 ％增加到9 5 ．3 3 ％[ 33 | 。加碱后浸 出工艺降低了加压浸出的苛刻条件，能有效实现矿 物中有价金属的综合利用。 直接焙烧是指对红土镍矿直接进行高温焙烧， 从而达到矿物改性的目的。试验表明，红土镍矿在 3 0 0 ℃焙烧后浸出，镍浸出率可以高达9 3 ％，进一步 升温对提高镍浸出率有不利影响口“。直接焙烧后 浸出工艺优点在于镍浸出率提高，常压浸出、易于控 制，工艺简单。 万方数据 1 2 有色金属 冶炼部分 h t t p f ／y s y l 。b g r i m m 。c n 2 0 1 5 年第6 期 2 ．5 红土矿直接还原及胶凝材料协同制备研究 红土镍矿含有一定量的镍、钴，含较大量的铁， 并含大量的S i O 和M g O ，综合考虑对红土镍矿的 综合利用，我们提出红土矿直接还原及胶凝材料协 同制备的新工艺。在用直接还原法提取镍铁合金的 同时加入C a O 等添加剂将其他组分综合利用制备 成胶凝材料。其原则工艺流程如图4 所示。 红土镆矿 0 7 4 n m 氧化钙、碳粉 ℃ 镍铁台金胶凝材料 图4 红土矿直接还原及胶凝材料协同 制备工艺流程 F i g ．4 F l o wd i a g r a mo ff e r r o n i c k e lp r o d u c t i o n b yd i r e c tr e d u c t i o na n dc o l l a b o r a t i v ep r o d u c t i o n o fc e m e n t i n gm a t e r i a l s 此工艺的优点是采用直接还原，降低反应温度， 耗电量低，节省能耗；并可同时生成胶凝材料，避免 了传统工艺产出的镍渣后续再次加工而导致的成本 增加；具有周期短、工序简单、易于操作的特点。 3 工艺分析 3 ．1 火法工艺 1 生产成本。回转窑直接还原法使用煤粉作为 热量来源，不依靠电能或焦炭，生产成本低于R K E F 法，适合电力供应紧张地区。干矿综合加工成本约 4 0 0 元／t ，相当于R K E F 法的一半，成本方面具有极 强的竞争力[ 9 ] 。2 ．5 节介绍的红土矿直接还原及胶 凝材料协同制备的新工艺与回转窑直接还原法均使 用煤粉作为热量来源，减少电能的消耗，但前者可将 回转窑直接还原法产生的大量炉渣在还原阶段转化 为胶凝性材料，带来额外效益。将原本的直接还原 镍铁和炉渣后续再加工两种工艺合二为一，缩短了 工艺流程，相比于回转窑直接还原法避免了大量炉 渣堆存和再处理所带来的经济负担。 2 技术和设备。R K E F 法工艺成熟，在冶炼过 程中可通过调整焦炭的加入量来控制铁的还原率， 因为镍的密度较大，在生产中容易造成炉墙和炉底 被侵蚀或烧穿[ 5 ] 。虽然回转窑直接还原法与R K E F 法相比具有短流程的特点，但工艺条件苛刻，难于操 作和控制，生产中极易形成窑内结圈，不利于该工艺 的推广应用u ⋯。 3 ．2 湿法工艺 1 生产成本。近几年红土镍矿的加压酸浸技术 表明，如果包含钴的价值，每千克镍的生产成本低于 3 ．1 美元，与火法和氨浸法比较，在技术和经济上都 占有优势[ 2 ⋯。 2 技术和设备。氨浸法氧化除铁过程中产生的 氢氧化铁会吸附大量钴，造成钴的损失较大，同时镍 和钴的回收率不高，铜也不易分离，限制了此工艺的 应用与推广[ 19 | 。高压酸浸法对操作控制要求高，高 压釜设备维护费用较高，投资大，对M g O 含量较低 的褐铁矿类红土镍矿采用高压酸浸法比较合适。而 对钴含量高的矿石，酸浸工艺更具优势，且钴产品价 值更高[ 3 5 | 。 4结论 1 火法冶炼红土镍矿具有工艺成熟、流程短、效 率高等优点。在低能耗冶炼方面，回转窑直接还原 法比电炉还原熔炼法具有优势，对该工艺进行优化 和改进以减轻结圈现象以及设备改进方面是今后开 发的热点。同时，如何有效利用火法工艺产生的大 量还原渣、减轻环境污染、实现绿色冶金也是当下急 需解决的问题。 2 湿法工艺具有低成本、高回收率的优势，但在 处理的红土镍矿晶位上有局限性。相对于氨浸法， 加压酸浸在经济方面更有发展前景，但是应该进一 步降低酸的消耗量以及改进浸出介质可循环利用。 3 微生物浸出、微波法辅助浸出、氯化离析、加 碱焙烧和直接焙烧改善矿物结构后浸出、直接还原 及胶凝材料协同研究等各自具有一定的特点，应深 入开展相关理论研究，并促使其尽快工业化。 参考文献 [ 1 ] 李小明，白涛涛，赵俊学，等．红土镍矿冶炼工艺研究现 状及进展[ J ] ．材料导报，2 0 1 4 ，2 8 3 1 1 2 1 1 6 ． E 2 ] 徐敏，许茜，刘日强．红土镍矿资源开发及工艺进展 [ J ] ．矿产综合利用，2 0 0 9 3 2 8 3 0 ． 万方数据 2 0 1 5 年第6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．o n 1 3 [ 3 ] 刘大星，从镍红土矿中回收镍、钴技术的进展[ J ] ．有色 金属 冶炼部分 ，2 0 0 2 3 6 - 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