专利名称：一种从红土矿中提取镍铁合金的方法
技术领域：
本发明属于有色金属火法冶金领域。涉及一种红土矿(氧化镍矿)提取镍铁合金的方法，特别是涉及用火法冶炼提取镍铁合金的方法。
背景技术：
目前，世界镍储量(金属)基础为5630万吨；查明资源超过7000万吨(指矿石含镍＞1％的资源)；其中20％为硫化镍矿，80％为红土型矿床(氧化矿)；但约有60％的产品来于硫化矿。我国镍的保有储量为785.31万吨，但是已消耗的和现有的生产矿山占总储量的67％左右。磐石镍矿已进入中晚期，而储量最大的金川镍矿80％的资源集中在矿区深部，开采难度加大。
由于全球硫化矿资源的日益枯竭，导致镍产量增长缓慢，但由于需求量快速增长，使全球镍供应短缺，从而导致目前镍价格处于1990年以来的最高水平。因此，对氧化镍矿的关注程度日益增加，使氧化镍矿的开发利用被提上议事日程。
在自然界中，氧化镍矿床是含镍橄榄岩在热带或亚热带经大规模长期风化淋滤变质而成的。元江镍矿是国内最大的氧化镍矿。该矿含有大量的镁、铁、硅及少量的镍。该矿体包含了深层的硅酸镍矿(Ni·Mg)6Si4-O10(OH)8(蛇纹石)和表层的褐铁矿(Fe·Ni)O·(OH)·nH2O两类。根据地质勘探，该矿上层是铁质矿(俗称铁帽)，中层是铁镁质矿，下层是镁质矿(蛇纹石矿)。但是由于矿床的地质变动，矿床上部的铁质矿与下部的镁质硅酸镍矿常常不能保持在原有的矿层，而且几种矿石常在同一矿床中出现，形成混合型红土矿。
红土矿的处理工艺流程主要是湿法流程和火法流程。湿法流程主要有湿法氨浸和加压酸浸。
湿法氨浸的代表工厂有古巴的尼加罗厂、美国矿务局USBM法流程、澳大利亚昆士兰镍公司雅布鲁厂、巴西托坎提斯镍公司、菲律宾马林杜克矿业公司苏里高镍厂、印度苏金达厂；尼加罗厂所用矿石成分Ni 1.4％、Co 0.06％、SiO214％、MgO 10.3％、Fe 38％、H2O 28~30％；这些工厂都采用还原焙烧-常压氨浸-制液-沉镍-电积镍(或生产氧化镍)的工艺流程直接处理红土矿，该流程的缺点是流程长，能耗高(45400~61700KW/t Ni)，金属镍的回收率低，苏里高镍厂的金属镍回收率为78％。
湿法工艺中采用加压酸浸的有古巴毛阿镍厂，处理铁、钻含量较高，含蛇纹石很少(镁含量低)的矿。其主要流程为红土矿制浆-加压酸浸-沉(Ni、Co)S-Ni、Co回收。该流程因原料中镁含量低而耗酸低，该法宜处理含镍高(＞1.5％)、含镁低的氧化矿，不然镍的回收率低、酸耗高污染环境。
火法冶金处理氧化镍矿的方法在国外有熔炼镍铁和造锍熔炼。如新喀里多尼亚多尼安博冶炼厂、日本太平洋金属公司八户冶炼厂、日本住友金属矿业公司日向冶炼厂等。新喀里多尼亚多尼安博冶炼厂的矿石成分为Ni 2.5~2.9％、Fe14~15％、SiO235~40％、MgO20~28％、H2O20~30％，采用回转-电炉工艺。这些厂家处理的矿石特点都是镍品位高、镁高、铁低。
另一方面，氧化镍矿由于成矿条件和风化程度不同，成分差异较大，其物理性质区别也很大，其粒度从数百毫米到粉末状，含表面水也可以从百分之几到百分之几十之间波动，比重差异也大，所以处理方法各异。根据资料报导，不同成分矿石处理方法大致划分见表1表1不同成分矿石处理方法
对于低品位的红土矿，且铁高、镁高的矿；虽然各国曾研究过从中提取镍、钴的方法，但是在工业上应用的工艺流程不多，国内还是空白。
作为国内首家采用湿法工艺流程处理红土矿的元江镍业公司，经过实践，对红土矿性质有充分认识，因其成分镍低、铁高、镁高；因其形状为土状、渗透性差、比重轻，浸出液中悬浮物多、液固分离困难；在堆浸和搅浸过程中，镍浸出率低、酸耗高，对环境影响大，综合效益差。所以对于这种在国外不推荐用火法，也不宜用湿法的矿石，经研究认为其成分虽然复杂，但是矿石中钴、铜含量低，并且有相当的造渣成分，只要配料合理，工艺条件合适，用火法工艺处理还适宜些。
在我国尚没有开发镁质硅酸盐型氧化镍矿资源，缺乏氧化镍矿火法冶炼工艺的经验。
发明内容
本发明所针对的主要原料是红土矿，其物理性质外观为褐色、细粒、土状；比重小(1.1g/cm3)、表面水和结晶水总量＞25％、灼减达到15％；含镍0.99~1.35％(平均为1.07％)、Co 0.03％、Cu 0.011％、Fe2O325.8％、SiO231.96％、Al2O36.9％、CaO 0.34％、MgO 19.7％，矿石中99％以上的镍呈硅酸盐形态存在。
本发明是以一种红土矿(氧化镍矿)为原料，用火法冶炼提取镍铁合金的方法。
本发明的目的在于对低镍、高铁、高镁、物理形状差的红土矿提供火法生产镍铁合金的方法，将红土矿经过预处理-电炉还原熔炼得到含镍6~18％的商品镍铁合金，镍的回收率在93~97％；炉渣作为生产水泥的原料。
电炉还原熔炼法是生产镍铁合金的主要方法。该法以碳作还原剂，还原红土矿生产镍铁合金，炉料加入炉内并将电极插入炉料中，靠电弧和电流通过炉料而产生电阻电弧热进行加热将物料熔化，熔化的金属聚集在炉底，炉渣则在合金之上。试验室中采用间歇式冶炼方法，在大规模工业生产中则采用连续式冶炼方法。在电炉中几乎所有的镍、钴氧化物都被还原成金属，氧化铁还原成金属的量由加入的还原剂量决定。
本发明的原料、辅料及配料如表2、表3、表4。
主原料为红土矿(氧化镍矿)，其化学成分为Ni 0.99~1.35％(平均为1.07％)、Co 0.03％、Cu 0.011％、Fe2O325.8％、SiO231.96％、Al2O36.9％、CaO 0.34％、MgO 19.7％。
辅料包括熔剂石灰石、石英、萤石及还原剂焦粉。
表3原料预处理(干燥)后熔炼配料比
表2原料直接熔炼配料比
表4原料预处理(烧结)后熔炼配料比
本发明的方法包括红土矿干燥脱水、烧结预还原、电炉熔炼得到粗镍铁合金、精炼镍铁合金等工序，属于有色金属火法冶金领域，具体步骤如下(1)将上面所述的含水红土矿在加热炉中加热到300℃，时间2~4h，使矿石中水份＜7％；(2)将干燥后的物料配入5~8％的焦粉在烧结窖中进行烧结，温度800~1200℃，炉料在烧结炉中烧结时间为4~6h；(3)将由所得烧结料与熔剂(石灰、石英)以及还原剂(焦粉)按以下比例混合烧结料∶石灰∶石英∶焦丁＝100∶3~8∶8~15∶3~8，其中石灰成分为CaO＞85％、P＜0.02％、S＜0.2％、粒度50～80mm；石英成分为SiO2＞98％、P2O5＜0.02％、粒度5～60mm；焦粉成分为C＞82％、S＜0.6％、P＜0.02～0.06、从粉状~20mm；(4)把烧结好的炉料加入电弧炉埋弧熔炼。
所用电弧炉功率为20KVA单相电炉；炉膛规格φ250×350mm；石墨电极规格50×50×600mm；额定整流电压20KW；感应调压器型号TSTA-100/0.5，操作过程控制条件电流200~400A；电压30~60V；熔炼温度1450~1600℃；熔炼时间40~60min；过程产生烟尘含量＜0.5％，经收尘系统回收后返回配料；
所得合金含镍6~18％；炉渣含Ni 0.01~0.1％、FeO 25~35％、CaO 5~10％、MgO 10~16％、Al2O35~12％、SiO238~45％。
过程中主要还原反应NiO+C＝Ni+CO↑FeO+C＝Fe+CO↑过程中主要造渣反应2FeO+SiO2＝2FeO·SiO2MgO+SiO2＝2MgO·SiO2Al2O3+CaO+SiO2＝CaO·Al2O3·SiO2粗镍铁合金的精炼电炉熔炼所得粗镍铁合金中含镍6~18％，其杂质C、Si、P、S如符合炼不锈钢厂的要求，即可以作商品镍铁铸锭出售；如果C、Si、P、S(尤其是P)超标，就需要精炼，精炼工艺如下在铸钢包中加石灰(或碳酸钠)脱硫，操作温度1550~1600℃，再在转炉或吹炼炉中吹氧脱Si、P、C，操作温度1650℃；吹炼合格后的镍铁合金铸成15或22.5Kg/块，吹炼渣返回电炉熔炼回收镍。
本发明能适应成分复杂，成分波动大(高硅、高铝、高铁、高水分)的各种含镍氧化物矿石或其它物料。使低品位的红土矿得到合理利用，对改进和简化镍冶炼工艺、保护性开发镍资源、增加社会经济效益及环境保护产生积极意义。
本发明与公知技术相比存在的优点1、针对既不适宜火法又不好用湿法处理的红土矿，找到一种适宜的火法冶炼工艺，使镍与铁、硅、钙、镁等杂质进行有效分离，得到粗镍铁合金。合金中含镍6~18％，达到不锈钢行业对镍铁合金的质量要求。整个工艺流程简捷、合理。矿石中金属镍回收率高，可以达到93~97％，远远高于湿法工艺的回收率，易于工业化生产。
2、本发明所得粗镍铁合金中的杂质C、Si、P、S可以得到合理控制，不必精炼就可作商品镍铁销售。在当前不锈钢冶金行业对金属镍需求量极大的情况下，市场前景看好。
3、本发明产生的烟尘率＜0.5％，经收尘后达标排放，且烟气中无二氧化硫等有害气体；所得炉渣CaO、MgO、Al2O3、FeO总量在98％以上，系不发生变化的固体冶炼渣，可作为水泥生产用原料；工艺用水循环使用，不向外排放，所以本发明不会对环境造成危害影响，有利于环保。
4、本发明对原料的适应性强，可适用于各种含镍氧化物料(含一次、二次资源)，使镍资源得到充分的利用和保护，有较好的推广价值。
5、本发明工艺简捷，便于规模化实施，直接用于大型工业化生产。
图1是本发明工艺流程。
具体实施例方式
实施例1采用第1批红土矿，成分见表5。
表5元江红土矿化学成分表
按表2原料直接熔炼配料比进行配料，用石灰、石英、萤石作熔剂，焦粉作还原剂，在20KVA单相电弧炉中熔炼。
加入炉料原矿10Kg、石灰1.5Kg、石英2.5Kg、焦粉0.5Kg(配料比矿料∶石灰∶石英∶焦粉＝100∶15∶25∶5)，熔炼过程电流300A；电压50V；熔炼温度1450~1500℃；熔炼时间55min。
熔炼得到合金0.93Kg、合金含镍8.04％；得到炉渣8.35Kg、炉渣含镍0.06％；合金中金属镍直收率93.1％；炉渣中金属镍损失率为6.24％；镍铁合金与炉渣中镍的总回收率为99.34％。
所用电弧炉功率为20KVA单相电炉；炉膛规格φ250×350mm；石墨电极规格50×50×600mm；额定整流电压20KW，感应调压器型号TSTA-100/0.5，操作过程控制条件电流200~400A；电压30~60V；熔炼温度1450~1600℃；熔炼时间40~60min；过程产生烟尘含量＜0.5％，经收尘系统回收后返回配料；实施例2采用第II批红土矿，成分见表6
表6元江红土矿化学成分表
按表3原料预处理(干燥)后熔炼配料比进行配料，用石灰、石英砂、萤石作熔剂，焦粉作还原剂。将矿料10Kg、石灰1.0Kg、石英2.0Kg、焦粉0.5Kg(配料比矿料∶石灰∶石英∶焦粉＝100∶10∶20∶5)混合均匀后，在马弗炉中300℃下经4h干燥脱水，然后加入20KVA单相电弧炉中熔炼；熔炼过程电流200A；电压50V；熔炼温度1450~1480℃；熔炼时间50min。
熔炼得到合金1.25Kg、合金含镍7.20％；得到炉渣8.12Kg、炉渣含镍0.04％；合金中金属镍直收率93.75％；炉渣中金属镍损失率为3.38％；镍铁合金与炉渣中镍的总回收率为97.13％。
实施例3采用第III批红土矿，原矿20Kg中加入1.6Kg焦粉(按8％的比例加入)在1100℃焙烧5h，原矿及烧结料成分见表7。
表7元江红土矿化学成分表
按表4原料预处理(烧结)后熔炼配料比进行配料，取烧结料10Kg，加入石灰0.5Kg、石英1.0Kg、焦粉0.5Kg(配料比矿料∶石灰∶石英∶焦粉＝100∶5∶10∶5)；然后加入20KVA单相电弧炉中熔炼；熔炼过程电流350A；电压40V；熔炼温度1450~1520℃；熔炼时间45min。
熔炼得到合金1.52Kg、合金含镍9.35％；得到炉渣8.8Kg、炉渣含镍0.033％；合金中金属镍直收率96.03％；炉渣中金属镍损失率为1.96％；镍铁合金与炉渣中镍的总回收率为97.99％。
权利要求
1.一种从红土矿中提取镍铁合金的方法包括红土矿干燥脱水、烧结预还原、电炉熔炼得到粗镍铁合金、精炼镍铁合金等工序，其特征在于包含以下步骤(1)将上面所述的含水红土矿在加热炉中加热到300℃，时间2~4h，使矿石中水份＜7％；(2)将干燥后的物料配入5~8％的焦粉在烧结窖中进行烧结，温度800~1200℃，炉料在烧结炉中烧结时间为4~6h；(3)将由所得烧结料与熔剂(石灰、石英)以及还原剂(焦粉)按以下比例混合烧结料∶石灰∶石英∶焦丁＝100∶3~8∶8~15∶3~8，其中石灰成分为CaO＞85％、P＜0.02％、S＜0.2％、粒度50～80mm；石英成分为SiO2＞98％、P2O5＜0.02％、粒度5～60mm；焦粉成分为C＞82％、S＜0.6％、P＜0.02～0.06、从粉状~20mm；(4)把烧结好的炉料加入电弧炉埋弧熔炼。
2.根据权利要求1所述的从红土矿中提取镍铁合金的方法，其特征在于所述的电弧炉的功率为20KVA单相电炉；炉膛规格φ250×350mm；石墨电极规格50×50×600mm；电流200~400A；电压30~60V；熔炼温度1450~1600℃；熔炼时间40~60min。
3.一种粗镍铁合金精炼为精镍铁合金的方法如下①在铸钢包中加石灰(或碳酸钠)脱硫，操作温度1550~1600℃；②在转炉或吹炼炉中吹氧脱Si、P、C，操作温度1650℃；合金铸成15Kg或22.5Kg/块，吹炼渣返回电炉熔炼回收镍。
全文摘要
该方法以红土矿为原料，经过预处理，加入熔剂、还原剂后，在1450~1550℃下进行还原熔炼，保持温度反应45~60min，得到镍铁合金，所得合金含镍6~18％，炉渣含镍＜0.05％，镍铁合金中杂质P＜0.05％、C、Si、S等符合商品镍铁合金的质量要求。解决了红土矿用湿法处理镍回收率低、周期长、不利环保、综合效益差的问题，使低品位的红土矿得到合理利用，对改进和简化镍冶炼工艺、保护性开发镍资源及环境保护产生积极意义。
文档编号C22B1/14GK101082095SQ200710066019
公开日2007年12月5日 申请日期2007年7月9日 优先权日2007年7月9日
发明者曹国华, 杨思增, 顾华祥, 姚亨桃 申请人:贵研铂业股份有限公司