中南大学-低品位红土镍矿直接还原研究

1、低品位红土镍矿直接还原研究低品位红土镍矿直接还原研究2015年回转窑直接还原工艺技术交流会提 纲1.1.研究背景和意义研究背景和意义3.3.试验结果与分析试验结果与分析4.4.结论结论2.2.原料性能与研究方法原料性能与研究方法2006年，中国不锈钢粗钢产量561万吨，首次位居世界第一，2014年，预计国内不锈钢粗钢产量达2170万吨，同比增长14.3%。世界原生镍主要用于生产不锈钢，占世界镍消费量的63%，合金钢和有色合金各占5%、16%。冶金行业是镍的主导消费市场，其中不锈钢行业是镍市场增长的主要动力。2001-2012年全球不锈钢粗钢产量 冶金行业是镍的主导消费市场，用来制造不锈钢、高镍

2、合冶金行业是镍的主导消费市场，用来制造不锈钢、高镍合金钢和合金结构钢，镍是具有战略意义的金属资源。金钢和合金结构钢，镍是具有战略意义的金属资源。 研究背景研究背景 硫化镍矿资源日趋枯竭，使用占镍资源硫化镍矿资源日趋枯竭，使用占镍资源70%70%左右的红土左右的红土镍矿生产镍产品的比例在迅速提高。镍矿生产镍产品的比例在迅速提高。目前能采用现有成熟技术处理的高品位红土镍矿资源，大部分已被西方国家控制，而对占镍总储量50%以上的低品位红土镍矿，尚无成熟的技术可以高效处理利用。镍资源在矿石中的分布全球镍资源包括硫化矿和氧化矿(红土镍矿)两大类，以氧化矿存在的镍占65%72%，而目前70%的镍是从硫化镍

3、矿中提取的。 研究背景研究背景 国内红土镍矿储量少、品位低，国内的研究重点在由国内红土镍矿储量少、品位低，国内的研究重点在由邻国进口的红土镍矿。邻国进口的红土镍矿。2014年1月，印尼政府实施了禁止包括铝土矿在内的多种原矿产品的出口，而我国进口的红土镍矿一半来自印尼。国内红土镍矿储量仅80万吨，且属于低品位矿（含Ni1.4%)，多由我国周边近邻国家（印尼、菲律宾、缅甸等）进口。 研究背景研究背景表1我国镍资源分布及品位红土镍矿开发的工艺现状红土镍矿开发的工艺现状火法工艺：烧结高炉法（生产低镍生铁，能耗大、成本高，污染大）回转窑电炉法（RKEF，原料Ni1.4%，熔炼不稳定，） 研究背景研究背景

4、表2 红土镍矿处理工艺湿法工艺：还原焙烧氨浸（RRAL）硫酸加压酸浸（HPAL）生产效率低，环境污染难控制此外，红土镍矿水分高、使用困难、运输成本及生产成本高 利用低品位位红土镍矿生产高镍精矿，不仅突破出口限突破出口限制制，而且可以大幅度减少运输成本及电炉冶炼渣量减少运输成本及电炉冶炼渣量，提高镍铁生产经济效益。 本文以两种进口红土镍矿两种进口红土镍矿为原料，进行球团煤基直接还原-磁选工艺和机理研究，为推广直接还原技术提供依据。 研究意义研究意义2 2原料性能及研究方法原料性能及研究方法表2-1红土镍矿化学成分分析/%2.1 2.1 原料性能原料性能表2-2还原煤工业分析指标/%*注：Fcad

5、空气干燥基固定碳；Mad空气干燥基水分；Ad为干燥基灰分；Vdaf干燥无灰基挥发分2 2原料性能及研究方法原料性能及研究方法2.2 2.2 研究方法研究方法红土镍矿工艺矿物学检测单位与设备型号：光学显微结构：澳大利亚联邦科学院（CSIRO）过程科学与工程研究所（CPSE）完成，光学电子显微镜型号Zeiss Axiophot，采用Axio Vision 4.6软件进行图片采集；SEM以及EPMA：昆士兰大学，电子探针分析设备为配备波谱仪的JEOL Super Probe 8800L型电子探针，X射线衍射：D/MAX2500X型衍射仪。破碎（-3mm） 缩分取样化学分析X射线衍射分析热学性能检测制

6、备光片光学显微镜SEM扫描2 2原料性能及研究方法原料性能及研究方法2.2 2.2 研究方法研究方法球团直接还原-湿式磁选球磨磁选设备及参数：球磨：XMQ24090型球磨机，磨矿浓度50%，磨矿细度-0.074mm100%；磁选：XCGS-73型Davis磁选管，磁场强度1800Gs，分选时间6min。60%GL+40%DF高压辊磨抗压强度检测落下强度检测爆裂温度检测还原剂复合添加剂混合圆盘造球干燥还原焙烧球磨磁选化学分析试验结果与分析试验结果与分析红土镍矿工艺矿物学红土镍矿工艺矿物学图3-1 GL矿X射线衍射图(S: 硅酸盐, G: 针铁矿, H: 赤铁矿, Q: 石英)图3-2 GL红土矿

7、中土状针铁矿与硬质针铁矿组成的复杂结构（1 赤铁矿, 2 蛇纹石, 3 橄榄石, 4铬铁矿, 5 石英, 6 磁铁矿）GL矿属于褐铁矿型红土镍矿，针铁矿(Fe,Ni,Al)O(OH)(Ni0.87%)含量 80% ，镁硅酸盐(蛇纹石(Mg,Fe,Ni)3Si2O5(OH)(1.19%)和橄榄石(Mg,Fe,Ni)2SiO4)含量15%，无独立含镍矿物。试验结果与分析试验结果与分析红土镍矿工艺矿物学红土镍矿工艺矿物学图3-3 DF矿X射线衍射图(S: 硅酸盐, G: 针铁矿, H: 赤铁矿, Q: 石英)DF矿含55% 硅酸盐矿物，包括蛇纹石 (Mg,Fe,Ni)3Si2O5(OH)(含镍0.4

8、5%)和橄榄石(Mg,Fe,Ni)2SiO4)(含镍1.68%)，40%左右的针铁矿(Fe,Ni,Al)O(OH) (含镍1.59%)，无独立含镍矿物。图3-4硅酸盐矿物的微观结构(L-蛇纹石; O-橄榄石;G-针铁矿;C-铬铁矿;H-赤铁矿)图3-5 DF红土镍矿中针铁矿微观结构(G-针铁矿; L-蛇纹石; O-橄榄石; Mn-含锰矿物)试验结果与分析试验结果与分析复合添加剂球团制备复合添加剂球团制备表3-1造球水分对红土镍矿生球性能的影响表3-2造球时间对红土镍矿生球性能的影响红土镍矿复合添加剂球团生球制备：11%复合添加剂，水分为18.9-19.3%，造球时间为10-13min，生球落下

9、强度大于30次0.5m-1，抗压强度10.89-13.23N/个，爆裂温度215-245。试验结果与分析试验结果与分析选择性还原选择性还原-磁选参数的优化磁选参数的优化图3-6 还原温度对于红土镍矿球团镍和铁富集的影响900950100010501100115012001250024650607080品位 (%)还原温度 ()NiFe20406080100 回收率 (%) FeNi3040506070809002467080FeNi还原时间 (min)30405060708090100回收率 (%)品位 (%) FeNi图3-7还原时间对于红土镍矿球团镍和铁富集的影响选择性还原工艺参数：还原温

10、度为1100，还原时间60min。试验结果与分析试验结果与分析选择性还原选择性还原-磁选参数的优化磁选参数的优化 对于60%GL矿+40%DF矿组成的红土镍矿球团，获得的精矿产率为21.45%，精矿镍、铁品位分别为6.01%、69.69%，镍、铁回收率分别为92.08%、33.91%，实现了镍相对于铁的优先选择性还原，再通过磨选抛掉了75%左右的尾矿，大大地减少了后续镍铁冶炼的处理量。表3-3红土镍矿球团（60%GL矿+40%DF矿）的选择性还原-磁选效果试验结果与分析试验结果与分析复合添加剂球团还原机理复合添加剂球团还原机理图3-8 红土镍矿还原团块微观结构（A）及BSE照片（B）（1 铬铁

11、矿，2-Spinel，3-石英，4-硅酸盐矿物，5-浮氏体，明亮物相-Fe-Ni） 选择性还原工艺参数：还原温度为1100，还原时间60min。还原团块主要物相为：尖晶石、玻璃相、浮氏体、Fe-Ni相、铬铁矿、石英、未还原硅酸盐矿物等。试验结果与分析试验结果与分析复合添加剂球团还原机理复合添加剂球团还原机理表3-4红土镍矿还原团块中各物相EPMA元素分析/%还原试样中镍主要富集于在Fe-Ni；Fe-Ni-Co 固溶体相虽然镍含量高，但是在其中分布少；尖晶石以及浮氏体中有极少量镍分布；铁主要分布在浮氏体、尖晶石中，表明成功实现了选择性还原。试验结果与分析试验结果与分析复合添加剂球团还原机理复合添

12、加剂球团还原机理 如果忽略钴的影响，在1100 下，在Fe-S-Ni三元相图中，区域（R）符合还原团块中元素组成，表明在该浓度范围内，Fe-Ni和FeS是稳定存在的物相，无硫化镍，很好地预测了低品位红土镍矿的选择性还原产品的物相组成。图3-9 Fe-Ni-S三元相图1100 等温截面图（mss-单硫化物相）试验结果与分析试验结果与分析复合添加剂球团还原机理复合添加剂球团还原机理硅酸盐矿物在还原过程中表现出较差的还原性，还原后转变为尖晶石。图3-10红土镍矿团块硅酸盐矿物还原后物相微观结构（1-尖晶石，2-Fe-Ni，3-硅酸盐矿物）硅酸盐矿物试验结果与分析试验结果与分析复合添加剂球团还原机理复

13、合添加剂球团还原机理图3-11 红土镍矿还原团块中Fe-Ni-Co-S复杂物相的微观结构以及EPMA分析（F-Fe-Ni，Su-硫化铁固溶体，N- Fe-Ni-Co 固溶体， Mass %） 硫在还原产品中主要以Fe-S形式存在，其在物相镜下呈淡黄色固溶体状； 根据微观结构观察以及物相元素分析，硫主要与铁形成固溶体，无硫化镍的存在。试验结果与分析试验结果与分析复合添加剂球团还原机理复合添加剂球团还原机理反应初期针铁矿直接转化为磁铁矿；随着还原反应的进行，磁铁矿开始部分还原为浮氏体，其与硅酸盐矿物反应，生成橄榄石，促进了磁铁矿向浮氏体的转变；反应达到60 min后，Fe-Ni主要呈点状分布在尖晶

14、石物相或浮氏体颗粒中；Fe-Ni和浮氏体的形成表明成功实现了选择性还原。图3-12 红土镍矿团块针铁矿还原后微观结构（1-Fe-Ni，2-尖晶石，3-浮氏体）针铁矿试验结果与分析试验结果与分析复合添加剂球团还原机理复合添加剂球团还原机理 选择性还原过程中复合添加剂明显促进了镍铁晶粒的聚集、生长，这对于后续的磁选工艺意义重大，可显著提高金属回收效果。图3-13复合添加剂对镍铁晶粒粒度的影响010203040506070颗粒粒度 (m)无复合粘结剂团块平均粒度5.8 m20% 10 m含复合粘结剂团块平均粒度16.1 m45% 10 m试验结果与分析试验结果与分析复合添加剂球团还原机理复合添加剂球

15、团还原机理复合添加剂促进了红土镍矿的还原，显著加快了还原反应的速度。图3-14不同红土镍矿原料的选择性还原反应失重曲线(900预还原15min后升温至1100 还原,)0204060801416182022还原失重 (%)还原时间 (min)5431621-GL矿单矿 2-DF矿单矿3-GL矿添加6%复合添加剂4-DF矿添加6%复合添加剂5-GL矿中配加40%DF矿、6%复合添加剂6-GL矿+40% DF矿试验结果与分析试验结果与分析直接还原回转窑的前景分析直接还原回转窑的前景分析（2）原因及措施）原因及措施1）回转窑热工制度：温度及分布、气氛（一次风、二次风分配及窑头窑尾密）回转窑热工制度：

16、温度及分布、气氛（一次风、二次风分配及窑头窑尾密封）封）2）耐火材料：一般直接还原在）耐火材料：一般直接还原在1000-1100，钛铁太矿粉在，钛铁太矿粉在12001200 很多窑红土镍矿在很多窑红土镍矿在1300-1400 1300-1400 还原（已不属于直接还原）还原（已不属于直接还原）3）炉料质量：大多数采用压团法准备入炉料，团块的耐磨性）炉料质量：大多数采用压团法准备入炉料，团块的耐磨性（1）已有回转窑现状：结圈严重、作业率低、成本居高不下、单位生产能力低）已有回转窑现状：结圈严重、作业率低、成本居高不下、单位生产能力低（3）前景：制备高镍精矿）前景：制备高镍精矿u低品位红土镍矿工艺

17、矿物学研究表明，GL矿中针铁矿和硅酸盐矿物含量分别为80%和15%左右，二者含镍量分别为0.87%和1.19%；DF矿中针铁矿和硅酸盐矿物含量分别为40%和55%左右，二者含镍量分别为1.59%和1.07%左右。两种红土镍矿中含镍矿物（针铁矿、硅酸盐矿物）结晶程度差，且与脉石矿物混杂交生，镍的提取难度很大。u红土镍矿复合添加剂球团60%GL矿+40%DF矿）适宜的造球工艺参数为：高压辊磨预处理至粒度组成-0.074mm 72.12%，复合添加剂用量11%，造球水分为18.9-19.3%，造球时间为10-13 min，获得的红土镍矿生球落下强度30次/（0.5m），抗压强度10.89-13.23N/个，爆裂温度为215-245。结论结论u在最佳的选择性还原-磁选工艺参数下，对于红土镍矿球团（ 60%GL矿+40%DF矿），获得的精矿产率为21.45%，精矿镍、铁品位分别为6.01%、69.69%，镍、铁回