重金属冶金技术-镍冶金-1

重金属冶金技术冶金与材料工程系取精用弘

卓尔不群学无止境

行至于善第四章镍冶金镍及其主要化合物的性质与用途1.炼镍的原料2.镍的生产方法3.4.1镍冶金一般知识前言

镍在世界物质文明发展中有着十分重要的作用。人类发现镍的时间不长，但使用镍的时间可一直追溯到公元前300年左右。我国至迟在春秋战国时期就已经出现了含镍成分的兵器及合金器皿。古代云南出产的一种“白铜”中，也含有很高的镍。1751年，瑞典科学家克朗斯塔特首次制取到了金属镍。直到十九世纪末，由于产量有限，镍被人们视为贵金属，用以制作首饰。二十世纪以来，人们发现了镍的多种用途及其在改善钢的性能方面所具有的独特功能，现代镍工业由此诞生并得到了迅速发展。镍是一种银白色的金属。在公元前我国就知道使用镍锌、镍铜合金。国外于1775年制得纯镍，在1825～1826年间瑞典开始了镍的工业生产。当时，由于技术条件等因素的限制，镍的生产长期未得到显著的发展。直到发现将镍炼制成合金钢以后，镍工业才有了较快的发展，产量也迅速上升。

1910年世界镍产量只有2.3万吨、1960年为32.55万吨、1980年为74.28万吨，至2002年世界镍的年产量已达到117.59万吨，镍的消费量也将达到104.7万吨或更多。随着我国经济发展速度的进一步加快和国民经济结构的调整，不锈钢行业、电池、电镀、触媒行业对镍的需求量将进一步增加。

4.1.1

镍及其主要化合物的性质用途1.镍的性质（1）物理性质：Ni,第Ⅷ族元素，磁性金属之一，银白色，熔点1453℃，沸点约2800℃。其物理性质与金属钴、铁有相当一致的地方，重要表现在：A.镍的密度：在20℃时为8.908,可靠数值为8.9～8.908，熔点时液体镍的比重为7.9。B.镍的比热：在0～1000℃的温度范围内变动于420～620J/kg.K，在居里点或其附连有一显著的高峰，此温度下失去铁磁性。4.1.1

镍及其主要化合物的性质用途

C.镍的电阻：在20℃时按其纯度99.99～99.8%变动于6.8～9.9微欧厘米（10-8Ωm）。镍基合金虽然广泛用于热电元件，但由于氧化关系纯镍实际上无此用途。D.镍的热电性与铁、铜、银、金等金属不同，较铂为负，所以在冷端的电流由铂流向镍，因此，以镍作为热电元件时可产生高的电动势。E.镍具有磁性，是许多磁性物料（由高导磁率的软磁合金至高矫顽力的永磁合金）的主要组成部分，其含量常为10~20%。

4.1.1

镍及其主要化合物的性质用途

（2）化学性质：A.在大气中不易生锈以及能抵抗苛性碱的腐蚀。大气实验结果，99%纯度的镍在20年内不生锈痕，无论在水溶液或熔盐内镍抵抗苛性碱的能力都很强，在50%沸腾苛性钠溶液中每年的腐蚀性速度不超过25微米，对盐类溶液只容易受到氧化性盐类（如氯化高铁或次氯酸铁盐）的侵蚀。镍能抵抗所有的有机化合物。4.1.1

镍及其主要化合物的性质用途B.在空气中或氧气中，镍表面上形成一层NiO薄膜，可防止进一步氧化，含硫的气体对镍有严重腐蚀，尤其在镍与硫化镍Ni3S2共晶温度在643℃以上时更是如此。在500℃以下时镍对于氯气无显著作用。C.20℃时镍的电极电位为-0.227伏，25℃镍的电极电位为-0.231伏，若溶液中有少量杂质，尤其是有硫存在时，镍即显著钝化。4.1.1

镍及其主要化合物的性质用途2.镍的化合物及性质镍的化合物在自然界里有三种基本形态，即镍的氧化物、硫化物和砷化物。（1）镍的氧化物镍有三种氧化物：即氧化亚镍（NiO），四氧化三镍（Ni3O4）及三氧化二镍（Ni2O3）。三氧化二镍仅在低温时稳定，加热至400~450℃，即离解为四氧化三镍，进一步提高温度最终变成氧化亚镍。4.1.1

镍及其主要化合物的性质用途（2）镍的硫化物

镍的硫化物有：NiS2、Ni6S5、Ni3S2、NiS。硫化亚镍（NiS）在高温下不稳定，在中性和还原气氛下受热时按下式离解：3NiS=Ni3S2+1/2S2在冶炼温度下，低硫化镍（Ni3S2）是稳定的，其离解压比FeS小，但比Cu2S大。4.1.1

镍及其主要化合物的性质用途（3）镍的砷化物镍的砷化物有砷化镍（NiAs）和二砷化三镍（Ni3As2）。前者在自然界中为红砷镍矿，在中性气氛中可按下式离解：3NiAs=Ni3As2+As在氧化气氛中红砷镍矿的砷一部分形成挥发性的As2O3，一部分则形成无挥发性的砷酸盐（NiO.As2O3）。

4.1.1

镍及其主要化合物的性质（4）羰基镍

镍类似铁和钴，在50~100℃温度下，可与一氧化碳形成羰基镍[Ni（CO）4]，如下式所示：Ni+4CO=Ni(CO)4+163.6kJ

当温度提高至180~200℃时，羰基镍又分解为金属镍。这个反应是羰基法提取镍的理论基础。

镍的主要用途a.作金属材料，包括制作不锈钢，耐热合金钢和各种合金等3000多种，占镍消费量的70%以上；b.用于电镀，其用量约占镍消费量的15%。c.在石油化工的氢化过程中作催化剂。d.用于用作化学电源，是制作电池的材料。e.制作颜料和染料。如陶瓷上常用NiO作着色剂添加还能增加料坯与铁素体间的粘结性，并使料坯表面光洁致密。铁素体是一种较新的陶瓷材料，主要用于高频电器设备。镍的消费

镍的消费相对比较单一，主要集中在不锈钢、合金钢、电镀、电池、触媒、军工等领域，其中不锈钢行业耗镍量最大，约占整个镍消费的60—70%。

现在，我国已成为世界第一大不锈钢消费国、世界最大的电池生产和消费国，还是世界最大的硬质合金生产国和人造金刚石的生产大国，而应用于这些领域中的原材料也因此表现出了旺盛的需求，其中包括镍和钴，仅2003年镍的消费量已达到近12万吨以上，钴的消费量也已达到6700多吨，均居世界前列，并且还将进一步增加，这使得中国在国际镍钴市场上的影响显得举足轻重。4.1.2

炼镍的原料

镍的矿物资源主要有硫化镍矿、氧化镍矿和砷化镍矿，再就是储存于深海底部的含镍锰结核。有关统计资料表明，至1990年，全世界已发现的陆地镍储量为5800万吨，储量基础为1.23亿吨，海洋锰结核矿的镍资源若以准边界品位估计，约有689万吨。在全世界镍储量中，硫化镍矿占了30—40%，氧化硫矿占了60—70%。主要分布在古巴、加拿大、俄罗斯、新喀里多尼亚、印度尼西亚、南非、澳大利亚和中国、巴西、哥伦比亚、多米尼加、希腊、菲律宾等国。世界各国所产镍金属中，百分之七十左右来源于硫化镍矿。4.1.2

炼镍的原料

我国已探明的镍矿点有70余处，储量为800万吨，储量基础为1000万吨，在世界上占第八位。其中硫化镍矿占总储量的87%，氧化镍矿占13%。主要分布在甘肃、四川、云南、青海、新疆、陕西等15个省、自治区中，其中甘肃最多。金川镍矿已探明的镍储量为548万吨，占全国总储量的68.5%。其中次为云南、新疆、吉林和四川，其镍储量分别占全国总储量的9.1%、7.5%、5.2%和4.5%（见表1-2）。金川镍矿则由于镍金属储量集中、有价稀贵元素多等特点，成为世界同类矿床中罕见的、高品级的硫化镍矿床。4.1.2

炼镍的原料4.1.2炼镍的原料1.镍的硫化矿石

自然界广泛存在的镍硫化矿是镍黄铁矿((Fe,Ni)9S8)，和镍磁黄铁矿((NiFe)7S8)，其次是针硫镍矿NiS。另外还有辉铁镍矿（3NiS.FeS）和钴镍黄铁矿(Ni、CO)3S4

或闪锑镍矿（Ni，SbS）等。硫化矿中含有铜、钴和铂族元素。硫化矿为主要炼镍原料，矿石品位为0.3%~1.5%，冶炼前需经选矿将品位提高到4%~8%。

4.1.2炼镍的原料

镍黄铁矿镍磁黄铁矿4.1.2炼镍的原料2.镍的氧化矿石

占80%，分两类，一类是高硅镁质的镍矿，包括硅酸镁镍矿和暗蛇纹石（NiSO3.mMgSiO3.nH2O）；另一类为红土矿是镍（含量1%）铁（含量40%~50%）氧化物组成的共生矿。氧化镍矿难选，故它目前占镍产量比重不大（只有40%），但氧化矿占镍储藏量大，特别是红土矿（占氧化矿的80%），因此它是未来镍的主要来源。4.1.2炼镍的原料暗蛇纹石红土镍矿4.1.2炼镍的原料3.砷化镍矿

砷化镍矿的含镍矿物为红镍矿（NiAs）、砷镍矿（NiAs2）辉砷镍矿(NiAsS)，此类矿物只有北非摩洛哥有少量产出。

含镍砷化矿发现很早（1865年），而且在炼镍史上起过重要作用，但是后来没有发现这一类型的大矿床，因而现在从含镍砷化矿中提炼镍仅限于个别国家。含镍的砷矿物有红砷镍矿NiAs，自毒砂或砷镍矿（NiAs2）和辉砷镍矿（NiAsS）4.1.3镍的生产方法

镍的生产方法分为火法和湿法。1.硫化镍精矿的火法冶炼占硫化矿提镍的86%，其处理方法是先进行造锍熔炼制取低镍锍，然后再送转炉对低镍锍进行吹炼产出高镍锍；经缓冷后进行破碎、磨细；通过浮选、磁选产出高品位硫化镍精矿、硫化铜精矿和铜镍合金。类似于火法炼铜工艺。4.1.3镍的生产方法硫化镍矿的火法冶炼工艺流程4.1.3镍的生产方法

2.

硫化镍矿湿法冶炼

a.常压