低品位红土镍矿选择性还原—磁选富集镍的工艺及机理研究

论文摘要

作为世界上镍消费量最大的国家,我国每年需要进口大量镍矿,其中绝大多数为红土镍矿,所生产的镍主要作为不锈钢原料。对有效利用低品位红土镍矿作为镍铁合金原料的研究在国内处于刚刚起步的阶段。在国家自然科学基金项目（低品位红土镍矿制备高镍精矿基础理论与工艺研究,50974135,2010年）以及国家发改委基金项目（高效利用低品位红土镍矿关键技术研究,NDRC-高新办2009-606,2009年）的资助下,本文针对印尼低品位褐铁矿型以及腐殖土型红土镍矿进行了选择性还原焙烧-湿式磁选制备高品位镍铁精矿新工艺及其机理研究。对红土镍矿工艺矿物学、镍钻赋存状态、选择性还原反应理论基础和热力学、还原过程各工艺参数的优化、还原过程铁镍钴行为以及选择性还原过程中添加剂作用机理等方面进行了系统的分析和阐述。印尼红土镍矿原矿工艺矿物学以及矿物晶体化学研究表明：LN矿样属于褐铁矿类型红土镍矿,镍含量为0.97%。含80%针铁矿和13%硅酸盐矿物,针铁矿物相含镍0.87%,硅酸盐矿物含镍1.19%。SN矿样属于腐殖土型红土镍矿,镍含量为1.42%。含30%针铁矿和65%硅酸盐矿物,针铁矿物相含镍1.59%,硅酸盐矿物含镍1.07%。在两种矿样中,镍在针铁矿晶格中取代铁,在硅酸盐矿物中取代镁。针铁矿与硅酸盐矿物微观结构表现多样化,矿物共生关系复杂,镍在含镍矿物中分布不均匀,与微观结构有关。钴主要赋存于钴土矿中,钴土矿与针铁矿紧密共生选择性还原理论研究表明：在热力学上对于氧化镍以及浮氏体的选择性还原存在可能,在还原焙烧过程中控制CO浓度约在10%到50%之间、还原温度约在435。C到720℃之间时,可以形成只还原氧化镍不还原浮氏体的选择性还原条件。然而由于在实际操作中以及工业应用上的困难,很难达到选择性还原效果。研究表明还原过程中铁橄榄石的形成以及硫的存在可以提高还原选择性以及促进镍铁晶粒的生长。通过优化选择性还原过程工艺参数,得到了褐铁矿型红土镍矿单矿选择性还原-湿式磁选富集镍的优化条件,即添加3.0%的还原剂、3.0%的硫酸钙、碱度为0.07的LN红土镍矿团块在1250℃的温度下还原焙烧60 min,将还原试样磨矿磁选分离。在该条件下可以获得高品位镍铁精矿,精矿含镍5.10%、含铁82.66%,镍回收率为98.79%,镍铁精矿产率为24.60%。配加SN矿样的LN红土镍矿选择性还原焙烧-湿式磁选富集镍的优化条件为,对添加40.0%SN矿样、5.0%还原剂、6.0%硫酸钙的LN红土镍矿团块进行选择性还原焙烧,还原条件为一段还原温度为900℃,还原时间为15min,二段还原温度为1100℃,还原时间为60 min,之后对还原团块进行磨矿磁选。可获得含镍6.01%、含铁69.69%高品位镍铁精矿,镍回收率为92.08%,镍铁精矿产率为21.45%。这两种镍铁精矿镍品位高,是电炉冶炼镍铁合金的理想炉料,可以为电炉生产节省大量能耗、显著降低渣量,为有效利用低品位红土镍矿资源,特别是为火法工艺利用褐铁矿型红土镍矿提供了一条有效途径。选择性还原反应动力学以及还原团块微观结构研究结果表明：添加剂显著提高了红土镍矿选择性还原反应速率。还原团块主要物相为γFe-Ni相、浮氏体、尖晶石等。镍被有效富集于γFe-Ni中,铁则大部分赋存于浮氏体、尖晶石中,实现了选择性还原。含硫添加剂的存在使得还原团块中γFe-Ni物相的平均粒径由5.8μm提高到16.1μm,粒径大于10μm的γFe-Ni颗粒比例由20%左右提高到45%左右。硫主要与铁形成硫化物固溶体,无硫化镍存在,这一结果与热力学相图一致；置换反应的生成可能导致镍、钻富集程度高的Fe-Ni-Co固溶体在铁硫化物物相中的析出。

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ABSTRACT

第一章文献综述

1.1 镍的特性及其用途

1.2 镍资源概况及利用现状

1.2.1 国外镍资源及利用现状

1.2.2 国内镍资源及利用现状

1.2.3 红土镍矿资源开发优势及前景

1.3 红土镍矿的利用工艺

1.3.1 湿法工艺

1.3.2 湿法火法结合工艺

1.3.3 火法工艺

1.3.4 其它工艺

1.3.5 红土镍矿还原机理以及还原焙烧-磁选研究现状

1.4 本课题的目的及意义

第二章原料性能及研究方法

2.1 原料性能

2.1.1 低品位红土镍矿

2.1.2 还原剂

2.1.3 添加剂

2.2 实验方法

2.2.1 微观结构以及矿物晶体化学研究

2.2.2 选择性还原焙烧以及磁选实验研究

2.2.3 选择性还原机理研究

第三章红土镍矿微观结构以及元素赋存状态研究

3.1 褐铁矿型红土镍矿工艺矿物学

3.1.1 LN红土镍矿中的针铁矿

3.1.2 LN红土镍矿中的硅酸盐矿物

3.1.3 LN红土镍矿中的其它物相

3.2 腐殖土型红土镍矿工艺矿物学

3.2.1 SN红土镍矿中的针铁矿

3.2.2 SN红土镍矿中的硅酸盐矿物

3.2.3 SN红土镍矿中的其它物相

3.3 红土镍矿矿物组成分析

3.4 矿物晶体化学研究

3.4.1 LN红土镍矿

3.4.2 SN红土镍矿

3.5 本章小结

第四章红土镍矿选择性还原-湿式磁选工艺研究

4.1 红土镍矿选择性还原热力学分析

4.2 LN矿样选择性还原焙烧-磁选

4.2.1 还原温度对LN单矿镍富集的影响

4.2.2 还原时间对LN单矿镍富集的影响

4.2.3 内配还原剂用量对LN单矿镍富集的影响

4.2.4 原料碱度对LN单矿镍富集的影响

4.2.5 添加剂用量对LN单矿镍富集的影响

4.2.6 LN单矿选择性还原焙烧-磁选全流程工艺试验

4.3 红土镍矿配矿选择性还原-湿式磁选

4.3.1 第二段还原温度对混合矿镍富集的影响

4.3.2 SN矿样的配比对混合矿镍富集的影响

4.3.3 第一段还原温度对混合矿镍富集的影响

4.3.4 第二段还原时间对混合矿镍富集的影响

4.3.5 内配还原剂用量对混合矿镍富集的影响

4.3.6 添加剂配比对混合矿镍富集的影响

4.3.7 外配还原剂用量对混合矿镍富集的影响

4.3.8 混合矿选择性还原-磁选全流程工艺试验

4.4 工艺探讨

4.5 本章小结

第五章红土镍矿选择性还原反应机理研究

5.1 选择性还原动力学及还原团块微观结构

5.1.1 选择性还原反应速率

5.1.2 还原团块微观结构

5.2 选择性还原团块矿物晶体化学研究

5.2.1 针铁矿物相变化

5.2.2 硅酸盐物相变化

5.2.3 还原团块γFe-Ni物相以及S-Fe-Ni-Co复杂共熔体

5.3 硫作用机理研究

5.3.1 硫对镍铁晶粒生长的影响

5.4 选择性还原过程热力学分析以及预测

5.5 本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要研究成果

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