一种低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法
【专利摘要】本发明提供了一种低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法，该方法通过较低的1400~1440℃的温度进行还原，使得还原产物中的炉渣以及还原出的镍铁合金均进入半熔融态，从而借助半熔融态的炉渣与镍铁合金之间的相界面作用力，使镍铁合金被炉渣排挤而聚集，以备冷却后以镍铁合金颗粒的形式夹杂在炉渣孔隙中，并在后续步骤中通过磁选进行渣铁分离，不需要将镍铁合金和炉渣都加热到容易流动的全熔融状态而进行分离，因此不仅还原温度相对较低，而且还原时间也只需要25~35分钟，相比于现有技术的红土镍矿处理工艺需要在1650℃以上的高温还原至少1小时而言，本发明方法的冶炼周期短，能耗明显降低，冶炼成本得到有效控制。
【专利说明】一种低品位红土镜矿半溶融态生产镜铁合金的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及冶金工程技术以及环保节能【技术领域】，尤其涉及一种低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法。
【背景技术】
[0002]镍(Ni)是一种稀有贵金属，广泛应用于航空航天、航海、医疗、汽车以及民用等行业。目前可供人类开发的陆基镍资源只有硫化镍矿和红土镍矿两种。红土镍矿冶炼工艺分为火法工艺和湿法工艺，火法工艺可以处理红土镍矿生产镍铁。目前世界上投产的火法冶炼红土镍矿生产镍铁工艺包括烧结矿一小高炉熔炼工艺、回转窑一电炉法(RKEF)、竖炉一电炉工艺等，其中回转窑一电炉法(RKEF)最为常用，其主要产品为镍铁或者镍锍。
[0003]随着我国经济的发展，对镍金属的需求越来越大。然而，随着镍资源的不断开发，地壳中镍资源品位越来越低。回转窑一电炉法(RKEF)、竖炉一电炉工艺等现有的红土镍矿冶炼处理工艺，通常都利用高温还原使得还原后的镍铁合金和炉渣在高温下熔融成为液态，利用镍铁合金和炉渣的密度差实现渣铁分离，要达到这一目的，需要还原温度达到炉渣熔融温度以上(通常要求在1650°C以上)，并还原时间要达到I小时以上(保证镍铁合金和炉渣均有足够长的时间在高温下熔融)，导致能耗高、冶炼成本高；而且现有的红土镍矿处理工艺对红土镍矿的矿石品位要求较高，如果处理低品位红土镍矿(通常镍含量低于2%的红土镍矿为低品位红土镍矿)，不仅影响镍铁合金生产品质，而且由于渣量更大，需要熔融更多的炉渣(炉渣比镍铁合金熔点更高)，其能耗高、冶炼成本高的问题更加突出。因此如何对低品位红土镍矿加以处理利用，并节能降耗、降低成本，已成为亟待解决的问题。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种能耗较低、成本较低的低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法，以解决现有技术中对低品位红土镍矿处理工艺能耗高、成本高的问题。
[0005]为实现上述目的，本发明采用了如下技术手段:
一种低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法，包括如下步骤:
1)将干燥的红土镍矿、煤粉、生石灰分别研磨为粉末；
2)取所述红土镍矿粉末、煤粉粉末、生石灰粉末均匀混合后形成的粉末混合物加入对辊压球机中，并加水压制形成生球；其中，加水量为粉末混合物总质量的59TlO% ;粉末混合物中红土镍矿粉末、煤粉粉末、生石灰粉末的混合比例根据各自的组成成分，按如下配比条件通过理论计算获得:
①煤粉粉末中的含碳量使得红土镍矿粉末中全部镍元素还原为镍单质、50%~70%的铁元素还原为铁单质；
②生石灰粉末的加入量使得所述粉末混合物中CaO的总质量占CaO、SiO2和MgO质量总和的12%"18% ；3)将生球送入干燥装置中干燥；
4)将干燥后的生球放入转底炉中进行还原，还原温度140(Tl440°C，还原时间25~35min，使得还原产物进入半熔融态，还原出的半熔融态的镍铁合金在相界面作用力下被半熔融的炉渣排挤而分散地聚集在不同的局部区域；然后，将还原产物进行水冷处理，使得聚集的镍铁合金在冷却过程中与渣相分离，形成镍铁合金颗粒夹杂在还原产物中；
5)经过水冷后的还原产物送入干燥装置中干燥；再利用破碎机将干燥后的还原产物破碎至4~8_，使得还原产物中夹杂的镍铁合金颗粒从破碎的炉渣中脱离出来，然后经过磁场强度为200-300高斯的磁场下进行磁选得到镍铁合金颗粒。
[0006]上述低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法中，作为优选方案，所述步骤
1)中，红土镍矿、煤粉、生石灰分别研磨所得的粉末中，-0.074mm的颗粒占80%以上。
[0007]上述低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法中，作为优选方案，所述步骤
2)中，压制形成的生球的直径为25~35mm。
[0008]上述低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法中，作为优选方案，所述步骤
3)中，干燥温度为11(T13 0°C，干燥时间为2~3个小时。
[0009]上述低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法中，作为优选方案，所述步骤5)中，干燥温度为10(Tl50°C，干燥时间为3(T40min。
[0010]上述低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法中，作为优选方案，所述干燥装置为竖炉或者微波炉。
[0011]相比于现有技术，本发明具有如下有益效果:
1、本发明低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法，通过较低的140(T144(TC的温度进行还原，使得还原产物中的炉渣以及还原出的镍铁合金在140(T144(TC的温度下均进入半熔融态，从而借助半熔融态的炉渣与镍铁合金之间的相界面作用力，使镍铁合金被炉渣排挤而分散地聚集在不同的局部区域，以备冷却后以镍铁合金颗粒的形式夹杂在还原产物中，并在后续步骤中通过磁选进行渣铁分离，由于只需要使得还原产物呈半熔融态，不需要将熔点高的炉渣全部熔融后进行分离，因此不仅还原温度相对较低，而且还原时间也只需要25~35分钟，相比于现有技术的红土镍矿处理工艺需要在1650°C以上的高温还原至少I小时而言，本发明方法的冶炼周期短，能耗明显降低，冶炼成本得到有效控制。
[0012]2、本发明低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法所得的镍铁合金产品为颗粒状，由还原过程中半熔融态的镍铁合金聚集后冷却而形成，且镍铁合金品质也较高，因此无需额外进行精炼加工和粉碎加工，便可以直接作为不锈钢生产原料，实现了对低品位红土镍矿中镍资源的有效回收。
[0013]3、本发明低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法所得的炉渣可以直接作为水泥生产原料，有助于提高矿物炉渣的回收利用率，有助于节能减排。
[0014]4、本发明低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法，既适用于对低品位红土镍矿的工业生产处理，也同样适用于对高品位红土镍矿的工业生产处理，因此可以直接用于不区分红土镍矿矿源品质的镍铁合金生产流程中，减少选矿过程对红土镍矿资源的浪费。
【专利附图】
【附图说明】[0015]图1为本发明低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法的流程图。
[0016]图2为实施例一中生球还原、水冷后得到的还原产物。
【具体实施方式】
[0017]针对现有技术中红土镍矿处理工艺能耗高、成本高，特别对于处理低品位红土镍矿其能耗、成本高更加突出等问题，需要找到一种能耗低、生产成本低的处理工艺。为此,本发明提供了一种低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法，其工艺流程如图1所示，具体包括如下步骤:
I)将干燥的红土镍矿、煤粉、生石灰分别研磨为粉末。该步骤中，最好要求红土镍矿、煤粉、生石灰分别研磨所得的粉末中-0.074mm的颗粒占80%以上，更有利于后续步骤中将红土镍矿粉末、煤粉粉末、生石灰粉末混合后压制成球。具体研磨时，可以采用球磨机进行研磨加工。
[0018]2)取所述红土镍矿粉末、煤粉粉末、生石灰粉末均匀混合后形成的粉末混合物加入对辊压球机中，并加水压制形成生球；其中，加水量为粉末混合物总质量的59TlO% ;粉末混合物中红土镍矿粉末、煤粉粉末、生石灰粉末的混合比例根据各自的组成成分，按如下配比条件通过理论计算获得:
①煤粉粉末中的含碳量使得红土镍矿粉末中全部镍元素还原为镍单质、50%~70%的铁元素还原为铁单质；
②生石灰粉末的加入 量使得所述粉末混合物中CaO的总质量占CaO、SiO2和MgO质量总和的12%" 18% ο
[0019]在配比条件①中，要求含碳量使得红土镍矿粉末中全部镍元素还原为镍单质,是为了保证有足够的碳还原剂以提高镍回收率。而同时要求含碳量使得50%~70%的铁元素还原为铁单质，一方面是因为本发明方法在后续步骤中，并非利用熔融液态的物质密度差来实现镍铁与炉渣的分离，而是在固态下实现分离，若仅仅是单质镍很难从矿物中分离出来，还需要铁单质融合形成镍铁合金，更有利于磁选手段实现分离；另一方面又并非还原全部的铁，主要是因为镍铁合金产品的品质是通过镍含量来加以衡量的，镍铁合金产品的镍含量越高则品质越高，而低品位红土镍矿中镍含量较低，若还原更多的铁，则能耗和成本更高，而所得镍铁合金产品的品质反而更低，因此控制含碳量满足还原全部镍元素之后，再还原50%~70%的铁元素。红土镍矿中的铁元素一般都为三价铁，因此根据铁元素计算含碳量时，以三价铁离子还原为铁单质来计算。
[0020]在配比条件②中，要求粉末混合物中CaO的总质量占CaO、SiO2和MgO质量总和的12%~18%，一方面是为了给还原反应提供良好的碱性环境，另一方面是因为CaO的总质量在CaO-SiO2-MgO体系总量中占12%~18%，可以使得红土镍矿中的脉石更多的转变为熔点较低的炉渣，让部分炉渣的熔点进入1400-1440?的温度区间，从而让炉渣成分能够在140(Tl44(TC的环境下进入半熔融态，同时140(Tl44(TC也是镍铁合金的半熔融温度区间，从而促进还原过程中炉渣与镍铁合金在半熔融态的相界面作用力下相互分离，并排挤镍铁合金分散地聚集在不同的局部区域，以便于后期进行渣铁分离。
[0021]此外，该步骤中，压制形成的生球的直径优选控制在25~35_，这样更有利于在还原处理过程中生球均匀受热，提高还原效率，避免因受热不均导致还原时间延长而增加能耗。
[0022]3)将生球送入干燥装置中干燥。之所以要对生球加以干燥处理，是因为湿润的生球直接进行高温还原的话，球内水分激烈蒸发会导致生球开裂甚至爆裂，并且水分蒸发吸收大量热能，会使得生球不能很快的上升到指定温度，导致加热还原时间延长、还原效率降低、燃料消耗增加等弊端。具体而言，所采用的干燥装置可以是竖炉，也可以是微波炉。同时，该步骤中优选干燥温度110-130°C，干燥时间2~3个小时，实现低温干燥，避免过多的消耗能源。
[0023]4)将干燥后的生球放入转底炉中进行还原，还原温度1400-l440°C，还原时间25~35min，使得还原产物进入半熔融态，还原出的半熔融态的镍铁合金在相界面作用力下被半熔融的炉渣排挤而分散地聚集在不同的局部区域；然后，将还原产物进行水冷处理，使得聚集的镍铁合金在冷却过程中与渣相分离，形成镍铁合金颗粒夹杂在还原产物中。
[0024]本发明方法中，控制还原温度为1400-l440-°C，远低于1650°C左右的炉渣熔点温度，使得还原产物进入半熔融态，还原出的半熔融态的镍铁合金在与半熔融的炉渣的相界面作用力下被排挤而聚集；然后再通过水冷处理使得还原产物冷却，一方面可以使得还原产物中分散聚集的镍铁合金在保持相界面的状态下快速冷却，从而与渣相分离，形成镍铁合金颗粒夹杂在还原产物中，以备后续进行渣铁分离处理，另一方面通过水冷后处理后得到的炉渣可以直接作为水泥生产原料(若采用其它的冷却处理方式，例如空冷，则炉渣无法再直接加以利用)，增加还原产物的利用率。
[0025]5)经过水冷后的还原产物送入干燥装置中干燥；再利用破碎机将干燥后的还原产物破碎至4~8_，使得还原产物中夹杂的镍铁合金颗粒从破碎的炉渣中脱离出来，然后经过磁场强度为200-300高斯的磁场下进行磁选得到镍铁合金颗粒。
[0026]该步骤中，所采用的干燥装置可以是竖炉，也可以是微波炉；同时，优选干燥温度为100-l50-°C，干燥时间为30-40min，通过低温干燥避免过多的消耗能源。由于水冷、干燥后的还原产物因为炉渣结块呈现块状，其中的镍铁合金颗粒夹杂在炉渣结块中无法直接分离出来，因此需要将还原产物破碎至4~8_，使得还原产物中夹杂的镍铁合金颗粒从破碎的炉渣中脱离出来；而作为渣铁分离手段，虽然镍铁合金可通过磁选分离，但考虑到此前铁元素并未被完全还原，炉渣中还分散地含有少量的铁元素，需要考虑炉渣中分散的铁元素对磁选的影响，由于炉渣中含有的铁元素有限且较为分散，与镍铁合金相比其受到磁场的吸引力存在差别，考虑二者在磁场中所受吸引力的差异，因此控制磁选的磁场强度为200-300高斯，以获得较好的磁选效果。
[0027]在现有技术中，回转窑一电炉法(RKEF)、竖炉一电炉工艺等土镍矿冶炼处理工艺，都利用1650°C以上的高温还原使得还原后的镍铁合金和炉渣在高温下熔融为液态，利用镍铁合金和炉渣的熔液密度差实现渣铁分离，而要达到这样的目的，高温还原时间通常要达到I小时以上。而通过本发明低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法流程可以看到，本发明采用了与现有技术完全不同的还原方法和渣铁分离原理，其通过控制生球中土镍矿粉末、煤粉粉末、生石灰粉末均的配比，采用较低的140(Tl44(rC的温度进行还原，目的是使得还原产物中的炉渣以及还原出的镍铁合金均进入半熔融态，以促使还原出的镍铁合金聚集并与渣相分离，以备冷却后以镍铁合金颗粒的形式夹杂在还原产物中，并在后续步骤中通过磁选进行渣铁分离，由于只需要使得还原产物呈半熔融态，不需要将熔点高的炉渣进行熔融分离，因此不仅还原温度相对较低，而且还原时间也只需要25~35分钟(保证炉渣和镍铁合金均进入半熔融态)，相比于现有技术的红土镍矿处理工艺需要在1650°C以上的高温还原至少I小时而言，本发明方法的冶炼周期短，能耗明显降低，冶炼成本得到有效控制；并且，由于本发明方法在还原过程中，只需要还原产物在半熔融态下还原，不需要将熔点高的炉渣进行完全熔融分离，因此本发明方法的能耗量并不会因为低品位红土镍矿渣量大的问题而明显增加，同时，本发明方法中，渣铁分离是基于半熔融态镍铁合金聚集、冷却而形成镍铁合金颗粒后通过磁选而得以实现的，因此低品位红土镍矿渣量大的问题也不会对本发明方法镍铁合金生产品质造成本质的影响，而且较低的还原温度也有助于避免未被还原的铁氧化物以及其它杂质熔融进入镍铁合金中而影响镍铁合金生产品质，所以本发明方法特别适用于对低品位红土镍矿的工业生产处理，并且本发明方法也同样适用于对高品位红土镍矿的工业生产处理，因此本发明方法可以直接用于不区分红土镍矿矿源品质的镍铁合金生产流程中，减少选矿过程对红土镍矿资源的浪费；此外，本发明低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法所得到的镍铁合金产品为颗粒状，由还原过程中半熔融态的镍铁合金在炉渣孔隙中聚集后冷却而形成，所得的镍铁合金产品的颗粒粒径大小通常在2~10_之间，镍铁合金品质也较高，因此无需额外进行精炼加工和粉碎加工，便可以直接作为不锈钢生产原料，而所得的炉渣又可以直接作为水泥生产原料，不仅实现了对低品位红土镍矿中镍资源的有效回收，还有助于提高矿物炉渣的回收利用率，有助于节能减排。 [0028]下面通过实施例对本发明进行进一步的说明。
[0029]实施例一:
本实施例采用本发明方法对某矿区的低品位红土镍矿进行加工，生产镍铁合金。该低品位红土镍矿的主要成分参见表1，生产镍铁合金过程中采用的煤粉和生石灰的成分分别参见表2和表3。
[0030]表1红土镍矿主要成分(wt%)
_Xi ITe FeO P SiO2 AI2O3 Cr2O3 CaO MgO S 其它
纤+_矿 1,814 17J7 0.44 0.005 34J7 4.75 0.31 1,54 13,3 0H64 余量
表2煤粉成分(wt%)
SH；0C灰分其它
~Si Eis 733 7L41 UM~
表3生石灰成分(wt%)
CaO SiO； MgO 其它
生破 --2 Ei El S~
本实施例中，采用本发明方法，利用上述低品位红土镍矿生产镍铁合金的操作步骤如
下:
I)将干燥的红土镍矿、煤粉、生石灰分别研磨至-0.074mm的颗粒占80%以上的粉末。
[0031]2)取所述红土镍矿粉末、煤粉粉末、生石灰粉末均匀混合后形成的粉末混合物加入对辊压球机中，并加水压制形成直径为25_的生球；其中，加水量为粉末混合物总质量的5% ;粉末混合物中红土镍矿粉末、煤粉粉末、生石灰粉末的混合比例根据各自的组成成分，按如下配比条件通过理论计算获得:
①煤粉粉末中的含碳量使得红土镍矿粉末中全部镍元素还原为镍单质、50-70%的铁元素还原为铁单质；
②生石灰粉末的加入量使得所述粉末混合物中CaO的总质量占CaO、SiO2和MgO质量总和的12~18%。
[0032]理论计算中，考虑红土镍矿粉末中镍元素与碳的还原反应过程为:
Ni0+C=Ni+CO ；
考虑红土镍矿粉末中+3价铁元素与单质碳的还原反应过程为:
Fe203+C=2Fe0+C0 ;Fe0+C=Fe+C0。
[0033]因此，根据红土镍矿以及煤粉的成分组成，按照配比条件①计算，本实施例中，粉末混合物中红土镍矿与煤粉的混合比例取为100:6.15 ;再根据红土镍矿以及生石灰的按照成分组成，按照配比条件②计算，本实施例中，粉末混合物中红土镍矿与生石灰的混合比例取为100:12.56 ;因此，本实施例的粉末混合物中，红土镍矿、煤粉、生石灰三者的混合比例为 100:6.15:12.56。
[0034]3)将生球送入竖炉中干燥，干燥温度120°C，干燥时间2个小时。
[0035]4)将干燥后的生球放入转底炉中进行还原，还原温度1400°C，还原时间35min，使得还原产物进入半熔融态，还原出的半熔融态的镍铁合金在相界面作用力下被半熔融的炉渣排挤而分散地聚集在不同的局部区域；然后，将还原产物进行水冷处理，使得聚集的镍铁合金在冷却过程中与渣相分离，形成镍铁合金颗粒夹杂在还原产物中。该步骤中生球经过还原、水冷后得到的还原产物，如图2所示；从图2中可以看到，还原产物中存在凹坑、孔洞等孔隙，从部分孔隙中可以看到其夹杂有表面圆润的颗粒，这些颗粒就是还原所得的半熔融态镍铁合金经冷却后形成镍铁合金颗粒，因此需要对还原产物进行破碎，使得其中夹杂的镍铁合金颗粒从破碎的炉渣中脱离出来。
[0036]5)经过水冷后的还原产物送入竖炉中干燥，干燥温度120°C，干燥时间40min ;再利用破碎机将干燥后的还原产物破碎至4_，使得还原产物中夹杂的镍铁合金颗粒从破碎的炉渣中脱离出来，然后经过磁场强度为200高斯的磁场下进行磁选得到镍铁合金颗粒。
[0037]本实施例最终得到的镍铁合金的成分组成参见表4。
[0038]表4镍铁合金成分(wt%)
【权利要求】
1.一种低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)将干燥的红土镍矿、煤粉、生石灰分别研磨为粉末； 2)取所述红土镍矿粉末、煤粉粉末、生石灰粉末均匀混合后形成的粉末混合物加入对辊压球机中，并加水压制形成生球；其中，加水量为粉末混合物总质量的59TlO% ;粉末混合物中红土镍矿粉末、煤粉粉末、生石灰粉末的混合比例根据各自的组成成分，按如下配比条件通过理论计算获得: ①煤粉粉末中的含碳量使得红土镍矿粉末中全部镍元素还原为镍单质、50%~70%的铁元素还原为铁单质； ②生石灰粉末的加入量使得所述粉末混合物中CaO的总质量占CaO、SiO2和MgO质量总和的12%"18% ； 3)将生球送入干燥装置中干燥； 4)将干燥后的生球放入转底炉中进行还原，还原温度140(Tl440°C，还原时间25~35min，使得还原产物进入半熔融态，还原出的半熔融态的镍铁合金在相界面作用力下被半熔融的炉渣排挤而分散地聚集在不同的局部区域；然后，将还原产物进行水冷处理，使得聚集的镍铁合金在冷却过程中与渣相分离，形成镍铁合金颗粒夹杂在还原产物中； 5)经过水冷后的还原产物送入干燥装置中干燥；再利用破碎机将干燥后的还原产物破碎至4~8_，使得还原产物中夹杂的镍铁合金颗粒从破碎的炉渣中脱离出来，然后经过磁场强度为200-300高斯的 磁场下进行磁选得到镍铁合金颗粒。
2.根据权利要求1所述的低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法，其特征在于，所述步骤I)中，红土镍矿、煤粉、生石灰分别研磨所得的粉末中，-0.074mm的颗粒占80%以上。
3.根据权利要求1所述的低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法，其特征在于，所述步骤2)中，压制形成的生球的直径为25~35mm。
4.根据权利要求1所述的低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法，其特征在于，所述步骤3)中，干燥温度为11(T130°C，干燥时间为2~3个小时。
5.根据权利要求1所述的低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法，其特征在于，所述步骤5)中，干燥温度为10(Tl50°C，干燥时间为3(T40min。
6.根据权利要求1所述的低品位红土镍矿半熔融态生产镍铁合金的方法，其特征在于，所述干燥装置为竖炉或者微波炉。
【文档编号】C22B5/10GK103695634SQ201410011705
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】吕学伟, 刘梅, 刘猛, 吕学明, 白晨光 申请人:重庆大学