镍冶金概述与镍铁冶炼用原材料1课件

1/22镍冶金概述与冶炼用原材料报告单位：技术部技术一课

报告人：陈锦辉制成工程师报告日期：2012.6.201/22镍冶金概述与冶炼用原材料报告单位：技术部2/22大纲1.

镍矿资源概述

1.1

镍矿资源类型与分布

1.2世界主要产镍国与储量

2.

镍的性质与消费

1.2镍的性质与用途

1.3镍的市场消费结构

3.金属氧化还原基本理论

3.1氧化还原热力学

3.2氧化还原动力学

4.金属挥发

4.1金属挥发作用与影响

4.2

金属挥发之衡量参考

4.3Dalton的经验式

5.

镍铁冶炼用原材料

5.1原材料分类

5.2

主炉料

5.3冶金辅料

6.结论

2/22大纲1.镍矿资源概述4.金属挥发3/281.1镍矿资源类型与分布镍矿硫化镍矿氧化镍矿深海底含镍锰结核⑴镍矿类型：⑵镍矿分布：类型分布储量/亿吨平均镍含量镍储量/亿吨硫化镍矿亚欧非和大洋洲、北美洲1050.58％0.62红土镍矿主要分布在赤道南北30度内1261.28％1.6深海底含镍锰结核各大洋底部估计300001.37%4113/281.1镍矿资源类型与分布镍矿硫化镍矿氧化镍矿深4/28深海底含镍锰结核硫化镍矿红土镍矿1.1镍矿资源类型与分布4/28深海底含镍锰结核硫化镍矿红土镍矿1.1镍矿资源5/221.1镍矿资源类型与分布氧化镍矿镁质硅酸盐型褐铁矿型中间型⑶氧化镍矿的三种类型：类型成分适合冶炼类型镁质硅酸盐型A:Fe8%-12%SiO240%-48%MgO25%-35%火法褐铁矿型Fe>30%B1:SiO2<20%B2:SiO2>25%湿法中间型Fe12%-25%C1:MgO20%-35%C2:MgO10%-25%湿法、火法⑷氧化镍矿成分差异及冶炼类型：5/221.1镍矿资源类型与分布氧化镍矿镁质硅酸盐型褐6/221.镍矿资源概述国家可靠储量/kt估计储量/kt新喀里多尼亚1400015000加拿大82008500俄罗斯80008100菲律宾55005600澳大利亚52005600古巴32003400美国多为伴生2700印度尼西亚23002500希腊21002400注：未计入锰结核资源1.2世界主要产镍国及储量6/221.镍矿资源概述国家可靠储量/kt估计储量/kt7/222.1镍的性质与用途①银白色金属，第Ⅷ族元素，原子序数28，原子量58.69，熔点1455℃，沸点2730℃，具磁性。②不易生锈，抵抗苛性碱腐蚀，空气中形成NiO薄膜，高温性能好，700~800℃不氧化，化学性能稳定。⑵自然界镍的三种基本形态：⑴镍的性质：氧化物硫化物砷化物Ni2O3NiONi3O4氧化物硫化物砷化物Ni2O3NiONi3O4400~500℃继续升温7/222.1镍的性质与用途①银白色金属，第Ⅷ族元素，原8/222.2镍的市场消费结构国际上镍用于生产不锈钢上占总消费的65%，中国在07到09年不锈钢的镍消费比例逐年上涨。年份国别消费结构/%不锈钢电池电镀合金及铸造有色金属及合金化学品其他2007国际658125102007中国51.38.4268.55.82008中国69515832009中国77410728/222.2镍的市场消费结构国际上镍用于生产不锈钢上占9/223.1氧化还原热力学△Gθ：生成吉布斯自由能（标准摩尔生成吉布斯自由能）指定温度及标准压力下，稳定单质生成1mol某物质时的吉布斯自由能变量。（稳定单质△Gθ为零）Ⅰ.

某金属氧化物△Gθ值越小或越负:该元素其被氧化倾向越大，氧化物越稳定，不容易被还原。Ⅱ.

某金属氧化物△Gθ值越大或越正:则该元素氧化倾向越小，氧化物越不稳定，越容易被还原。⑴生成吉布斯自由能概述：9/223.1氧化还原热力学△Gθ：生成吉布斯自由能（标准10/283.1氧化还原热力学T↑，NiO的△Gθ↑NiO越不稳定，越易被还原（因此高温下镍的氧化物更容易还原成镍）。⑵△Gθ与温度T关系：△Gθ=A+BT10/283.1氧化还原热力学⑵△Gθ与温度T关系：△Gθ11/223.2氧化还原动力学⑴金属氧化过程三个环节：外扩散：氧由气相通过边界层向氧-氧化膜界面扩散（靠浓度差扩散）。内扩散：氧通过固体氧化膜向氧化膜-金属界面扩散。结晶化学反应：在金属-氧化膜界面上，氧和金属发生界面化学反应，金属晶格变成金属氧化物晶格。11/223.2氧化还原动力学⑴金属氧化过程三个环节：12/223.2氧化还原动力学⑵限制性环节讨论：a).外扩散：一般不是限制性环节，因为金属熔炼过程中，气流速度较快，常常

高于形成边界层的临界速度。b).内扩散：氧化物的分子体积大于此金属原子体积时，氧化膜致密，随氧化膜

增厚，氧扩散阻力增大，限制性环节为内扩散（如铝硅镍等大多数金属）。c).结晶化学反应：相反若小于，则氧化膜疏松多孔，氧扩散阻力较小，限制性

环节为结晶化学反应，此时氧化速度为一常数（如碱金属锂、镁等）。⑶一般性结论与应用：一般认为，低温下氧化过程受化学反应控制，而高温下化学反应速度迅速增

大，大大超过扩散速度，因此高温下反应过程由动力学区转移到扩散区。此

时氧化速度与反应温度、反应面积及氧的浓度有关。在合金熔体中，加入少量使氧化膜致密化的合金元素，能改变熔体氧化行为

降低氧化烧损。12/223.2氧化还原动力学⑵限制性环节讨论：13/224.金属挥发4.1金属挥发之作用与影响：

⑴精炼提纯，⑵熔炼时使金属成分损失，⑶污染环境。4.2金属挥发之衡量参考：

蒸汽压（越高越易于挥发），沸点、蒸发热（越低越易于挥发）4.3Dalton的经验式：

uv=(p0Me-pMe)b/p（uv：挥发速率p:体系外部压力p0Me:元素蒸气压pMe:元素实际蒸气分压b:常数）

⑴p↓，挥发速率↑（应用：真空熔炼）⑵(p0Me-pMe)＞=＜0分别表现为蒸发、平衡、凝聚影响因素：温度、挥发表面积（↑，元素蒸气压↑，促进挥发）蒸发空间体积、传质速度（↑，元素实际蒸气分压↓，促进挥发）13/224.金属挥发4.1金属挥发之作用与影响：14/225.镍铁冶炼用原材料镍铁冶炼用原材料主炉料冶金辅料5.1原材料分类：14/225.镍铁冶炼用原材料镍铁冶炼用原材料主炉料冶金辅15/22主炉料氧化镍矿含镍铁返回料5.2主炉料⑴主炉料分类：15/22主炉料氧化镍矿含镍铁返回料5.2主炉料⑴主炉16/22⑵

含镍铁返回料根据入炉成分要求，可与新矿搭配利用。包括：合金冶炼产生的除尘灰、含镍不锈钢、含镍材料的打磨屑、镀镍泥等。⑶

氧化镍矿氧化镍矿（含水30%左右）干燥窑干燥（含20%左右结晶水）

回转窑煅烧（充分排水、60%-90%的铁质变为FeO、10%的铁被还原成金属铁、0-40%镍被还原成金属镍）

5.2主炉料矿热炉熔炼含镍不锈钢氧化镍矿16/22⑵含镍铁返回料5.2主炉料矿热炉熔炼含镍不17/225.3冶金辅料冶金辅料

无烟煤（还原剂）石灰石（溶剂）

膨润土（造球粘结剂）⑴冶金辅料分类：17/225.3冶金辅料冶金辅料无烟煤（还原剂）石灰石（⑶煤炭分类及用途：无烟煤：按煤化程度高低，可用于还原剂或燃料等。烟煤：可作为炼焦、燃料等。褐煤：主要作为原材料制造其它工业产品，如活性炭、化肥等。⑵无烟煤：过去氧化镍矿焙烧处理多用低硫、低灰分、高发热值的焦煤。为节约焦煤和改善工艺效果，目前多用无烟煤代替或部分代替。对其煤质要求为：①灰分＜15%②硫分＜1.5%③磷分＜0.04%5.3冶金辅料无烟煤烟煤褐煤⑶煤炭分类及用途：⑵无烟煤：5.3冶金辅料无烟煤烟煤褐19/22⑷煤质指标分级：5.3冶金辅料等级固定碳/%挥发份/%灰分/%水分/%硫分/%磷分/%低分<60<20≤15≤5≤1.5<0.01中等60-7920-3515-255-151.5-2.50.01-0.1高分≥80>3525-40>152.5-4>0.1级别发热量/KJ·kg-1块煤强度（大于25mm）/%黏结性（胶质层最大厚度）/mm热稳定性KP6/%高值25121-29308高强>65强黏>20好≤30中值18841-25121中强50-65中黏10-20中等30-45低值12560-18841低强30-50弱黏<10差45-60煤质指标等级㈠煤质指标等级㈡19/22⑷煤质指标分级：5.3冶金辅料等级固定碳/%挥5.3冶金辅料⑹石灰石等级分类：

类别等级化学成分（质量分数）/%CaOCaO+MgOMgOSiO2PS不小于不大于

普通石灰石特级品54

3

1.00.0020.02一级品43

1.50.010.08二级品52

2.20.020.10三级品51

3.00.030.12四级品50

4.00.040.15

高镁石灰石特级品

55

8

1.00.0050.02一级品

541.50.010.08二级品

532.20.020.10三级品

523.00.030.12四级品

514.00.040.15⑸石灰石：石灰石作为镍铁冶金溶剂的作用：使炉渣成分：FeO-MgO-SiO2CaO-FeO-MgO-SiO2，降低炉渣熔点，减小炉渣密度，有利于炉渣与镍铁分离，提高镍铁品位和回收率。质量要求：①酸性氧化物（SiO2+Al2O3）含量＜3.5%，②S含量＜0.08%P含量＜0.03%越低越好，③石灰石有一定强度和均匀块度。石灰石5.3冶金辅料⑹石灰石等级分类：

化学成分（质量分数）/%⑺膨润土/皂土：用作成球粘结剂，分钙质钠质两种，以蒙脱石为主，质量要求：⑴最适宜含水量7%~8%，⑵＜0.043mm粒度的含量高于70%，＜0.074mm粒度的含量高于90%，＜0.150mm粒度的含量高于97%。⑶应具以下形态：3g膨润土与0.15g化学纯的MgO及100mL蒸馏水混合静置24h，无沉淀，胶体量不小于90mL，上层溶液不超过10%。⑻膨润土质量参考指标：5.3冶金辅料指标级别一级二级蒙脱石含量（质量分数）/%>6045-602h吸水率/%>120100-120膨胀倍数>128-12粒度小于0.074mm(-200目)的占99%以上水分/%小于10%硫分/%小于0.5%膨润土⑺膨润土/皂土：用作成球粘结剂，分钙质钠质两种，以蒙脱石22/226.总结随硫化镍矿的长期消耗日益枯竭，储量丰富的氧化镍矿冶炼镍铁极具市场前景。深入研究金属氧化还原的基本原理对制定合理的金属提取和精炼方法，开发研制相关的工艺，预见性地控制生产过程具有重要的作用。原材料的质量及供应条件直接关系着镍铁冶炼的各项技术经济指标，确保冶炼用原料的化学成分和物理性质达标及原料品性稳定，关系到产品品质与成本效益。22/226.总结随硫化镍矿的长期消耗日益枯竭，储量丰富的敬請指教敬請指教报告笔记组织架构逻辑性（煤炭分类不插入辅料介绍照中）主题小点，深入分析主题（三种氧化镍矿成分分析中缺少镍分析，△Gθ进一步研究，三种氧化镍矿的地层分析）一个论点的前因后果（无烟煤为何取代焦煤）24/28报告笔记组织架构逻辑性（煤炭分类不插入辅料介绍照中）24/225/22镍冶金概述与冶炼用原材料报告单位：技术部技术一课

报告人：陈锦辉制成工程师报告日期：2012.6.201/22镍冶金概述与冶炼用原材料报告单位：技术部26/22大纲1.

镍矿资源概述

1.1

镍矿资源类型与分布

1.2世界主要产镍国与储量

2.

镍的性质与消费

1.2镍的性质与用途

1.3镍的市场消费结构

3.金属氧化还原基本理论

3.1氧化还原热力学

3.2氧化还原动力学

4.金属挥发

4.1金属挥发作用与影响

4.2

金属挥发之衡量参考

4.3Dalton的经验式

5.

镍铁冶炼用原材料

5.1原材料分类

5.2

主炉料

5.3冶金辅料

6.结论

2/22大纲1.镍矿资源概述4.金属挥发27/281.1镍矿资源类型与分布镍矿硫化镍矿氧化镍矿深海底含镍锰结核⑴镍矿类型：⑵镍矿分布：类型分布储量/亿吨平均镍含量镍储量/亿吨硫化镍矿亚欧非和大洋洲、北美洲1050.58％0.62红土镍矿主要分布在赤道南北30度内1261.28％1.6深海底含镍锰结核各大洋底部估计300001.37%4113/281.1镍矿资源类型与分布镍矿硫化镍矿氧化镍矿深28/28深海底含镍锰结核硫化镍矿红土镍矿1.1镍矿资源类型与分布4/28深海底含镍锰结核硫化镍矿红土镍矿1.1镍矿资源29/221.1镍矿资源类型与分布氧化镍矿镁质硅酸盐型褐铁矿型中间型⑶氧化镍矿的三种类型：类型成分适合冶炼类型镁质硅酸盐型A:Fe8%-12%SiO240%-48%MgO25%-35%火法褐铁矿型Fe>30%B1:SiO2<20%B2:SiO2>25%湿法中间型Fe12%-25%C1:MgO20%-35%C2:MgO10%-25%湿法、火法⑷氧化镍矿成分差异及冶炼类型：5/221.1镍矿资源类型与分布氧化镍矿镁质硅酸盐型褐30/221.镍矿资源概述国家可靠储量/kt估计储量/kt新喀里多尼亚1400015000加拿大82008500俄罗斯80008100菲律宾55005600澳大利亚52005600古巴32003400美国多为伴生2700印度尼西亚23002500希腊21002400注：未计入锰结核资源1.2世界主要产镍国及储量6/221.镍矿资源概述国家可靠储量/kt估计储量/kt31/222.1镍的性质与用途①银白色金属，第Ⅷ族元素，原子序数28，原子量58.69，熔点1455℃，沸点2730℃，具磁性。②不易生锈，抵抗苛性碱腐蚀，空气中形成NiO薄膜，高温性能好，700~800℃不氧化，化学性能稳定。⑵自然界镍的三种基本形态：⑴镍的性质：氧化物硫化物砷化物Ni2O3NiONi3O4氧化物硫化物砷化物Ni2O3NiONi3O4400~500℃继续升温7/222.1镍的性质与用途①银白色金属，第Ⅷ族元素，原32/222.2镍的市场消费结构国际上镍用于生产不锈钢上占总消费的65%，中国在07到09年不锈钢的镍消费比例逐年上涨。年份国别消费结构/%不锈钢电池电镀合金及铸造有色金属及合金化学品其他2007国际658125102007中国51.38.4268.55.82008中国69515832009中国77410728/222.2镍的市场消费结构国际上镍用于生产不锈钢上占33/223.1氧化还原热力学△Gθ：生成吉布斯自由能（标准摩尔生成吉布斯自由能）指定温度及标准压力下，稳定单质生成1mol某物质时的吉布斯自由能变量。（稳定单质△Gθ为零）Ⅰ.

某金属氧化物△Gθ值越小或越负:该元素其被氧化倾向越大，氧化物越稳定，不容易被还原。Ⅱ.

某金属氧化物△Gθ值越大或越正:则该元素氧化倾向越小，氧化物越不稳定，越容易被还原。⑴生成吉布斯自由能概述：9/223.1氧化还原热力学△Gθ：生成吉布斯自由能（标准34/283.1氧化还原热力学T↑，NiO的△Gθ↑NiO越不稳定，越易被还原（因此高温下镍的氧化物更容易还原成镍）。⑵△Gθ与温度T关系：△Gθ=A+BT10/283.1氧化还原热力学⑵△Gθ与温度T关系：△Gθ35/223.2氧化还原动力学⑴金属氧化过程三个环节：外扩散：氧由气相通过边界层向氧-氧化膜界面扩散（靠浓度差扩散）。内扩散：氧通过固体氧化膜向氧化膜-金属界面扩散。结晶化学反应：在金属-氧化膜界面上，氧和金属发生界面化学反应，金属晶格变成金属氧化物晶格。11/223.2氧化还原动力学⑴金属氧化过程三个环节：36/223.2氧化还原动力学⑵限制性环节讨论：a).外扩散：一般不是限制性环节，因为金属熔炼过程中，气流速度较快，常常

高于形成边界层的临界速度。b).内扩散：氧化物的分子体积大于此金属原子体积时，氧化膜致密，随氧化膜

增厚，氧扩散阻力增大，限制性环节为内扩散（如铝硅镍等大多数金属）。c).结晶化学反应：相反若小于，则氧化膜疏松多孔，氧扩散阻力较小，限制性

环节为结晶化学反应，此时氧化速度为一常数（如碱金属锂、镁等）。⑶一般性结论与应用：一般认为，低温下氧化过程受化学反应控制，而高温下化学反应速度迅速增

大，大大超过扩散速度，因此高温下反应过程由动力学区转移到扩散区。此

时氧化速度与反应温度、反应面积及氧的浓度有关。在合金熔体中，加入少量使氧化膜致密化的合金元素，能改变熔体氧化行为

降低氧化烧损。12/223.2氧化还原动力学⑵限制性环节讨论：37/224.金属挥发4.1金属挥发之作用与影响：

⑴精炼提纯，⑵熔炼时使金属成分损失，⑶污染环境。4.2金属挥发之衡量参考：

蒸汽压（越高越易于挥发），沸点、蒸发热（越低越易于挥发）4.3Dalton的经验式：

uv=(p0Me-pMe)b/p（uv：挥发速率p:体系外部压力p0Me:元素蒸气压pMe:元素实际蒸气分压b:常数）

⑴p↓，挥发速率↑（应用：真空熔炼）⑵(p0Me-pMe)＞=＜0分别表现为蒸发、平衡、凝聚影响因素：温度、挥发表面积（↑，元素蒸气压↑，促进挥发）蒸发空间体积、传质速度（↑，元素实际蒸气分压↓，促进挥发）13/224.金属挥发4.1金属挥发之作用与影响：38/225.镍铁冶炼用原材料镍铁冶炼用原材料主炉料冶金辅料5.1原材料分类：14/225.镍铁冶炼用原材料镍铁冶炼用原材料主炉料冶金辅39/22主炉料氧化镍矿含镍铁返回料5.2主炉料⑴主炉料分类：15/22主炉料氧化镍矿含镍铁返回料5.2主炉料⑴主炉40/22⑵

含镍铁返回料根据入炉成分要求，可与新矿搭配利用。包括：合金冶炼产生的除尘灰、含镍不锈钢、含镍材料的打磨屑、镀镍泥等。⑶

氧化镍矿氧化镍矿（含水30%左右）干燥窑干燥（含20%左右结晶水）

回转窑煅烧（充分排水、60%-90%的铁质变为FeO、10%的铁被还原成金属铁、0-40%镍被还原成金属镍）

5.2主炉料矿热炉熔炼含镍不锈钢氧化镍矿16/22⑵含镍铁返回料5.2主炉料矿热炉熔炼含镍不41/225.3冶金辅料冶金辅料

无烟煤（还原剂）石灰石（溶剂）

膨润土（造球粘结剂）⑴冶金辅料分类：17/225.3冶金辅料冶金辅料无烟煤（还原剂）石灰石（⑶煤炭分类及用途：无烟煤：按煤化程度高低，可用于还原剂或燃料等。烟煤：可作为炼焦、燃料等。褐煤：主要作为原材料制造其它工业产品，如活性炭、化肥等。⑵无烟煤：过去氧化镍矿焙烧处理多用低硫、低灰分、高发热值的焦煤。为节约焦煤和改善工艺效果，目前多用无烟煤代替或部分代替。对其煤质要求为：①灰分＜15%②硫分＜1.5%③磷分＜0.04%5.3冶金辅料无烟煤烟煤褐煤⑶煤炭分类及用途：⑵无烟煤：5.3冶金辅料无烟煤烟煤褐43/22⑷煤质指标分级：5.3冶金辅料等级固定碳/%挥发份/%灰分/%水分/%硫分/%磷分/%低分<60<20≤15≤5≤1.5<0.01中等60-7920-3515-255-151.5-2.50.01-0.1高分≥80>3525-40>152.5-4>0.1级别发热量/KJ·kg-1块煤强度（大于25mm）/%黏结性（胶质层最大厚度）/mm热稳定性KP6/%高值25121-29308高强>65强黏>20好≤30中值18841-25121中强50-65中黏10-20中等30-45低值12560-18841低强30-50弱黏<10差45-60煤质指标等级㈠煤质指标等级㈡19/22⑷煤质指标分级：5.3冶金辅料等级固定碳/%挥5.3冶金辅料⑹石灰石等级分类：

类别等级化学成分（质量分数）/%CaOCaO+MgOMgOSiO2PS不小于不大于

普通石灰石特级品54

3

1.00.0020.02一级品43

1.50.010.08二级品52

2.20.020.10三级品51