镍产业链工艺全解析：从镍铁到高冰镍，一文读懂镍的生产流程

镍产业链工艺全解析：从镍铁到高冰镍，一文读懂镍的生产流程

镍产业链相对复杂，工艺路线环节较多，一招牵一发而动全身。最近大家问得最多的问题可能是镍铁能不能生产出高品位冰镍？中间品生产硫酸镍和镍豆生产硫酸镍有什么区别？镍豆和镍板之间的产线一样吗，能互相转换吗？……当工艺问题夹杂着市场经济问题，一些消息出来后大家很难判断会波及哪些环节，比如这两天的热点问题。红土镍矿到高品位冰镍的通道全面打通并量产后，对镍价会有什么影响？首先要了解的是高品位冰镍是什么？主要用什么生产，用来生产什么？之前为什么没有生产出来等等。本文我们不谈市场，只谈工艺。 我们总结了前辈们的许多文章和生产经验，提供了相对全面的镍产业链中大部分产品的生产工艺流程，希望对大家有所帮助。

01

镍产业链概况

02

红土镍矿与硫化镍矿冶炼区别

镍是亲铁元素，在地球中的含量排在硅、氧、铁、镁之后，居第五位。地核中含镍量最高，是天然的镍铁合金。在地壳中，铁镁质岩含镍量比硅质岩和铝质岩高，如橄榄岩含镍量比花岗岩高1000倍，辉长岩含镍量比花岗岩高80倍。已知含镍矿物有50多种。其中镍磁黄铁矿、磁黄铁矿等硫化物以游离镍硫化物形式存在，相当一部分镍以同质异形存在于磁黄铁矿中。在氧化镍矿石中，镍红土矿含铁高、硅镁低，含镍1%～2%；镍硅酸盐含铁低、硅镁高，含镍1.6%～4.0%。 氧化镍矿的开发利用以镍红土矿为主，镍红土矿是由超基性岩风化发育而成，镍主要以镍褐铁矿（很少结晶至不结晶的氧化铁）形式存在。Ni2+对硫有很强的亲和力，在岩浆结晶早期，在镍含量一定的前提下，岩石中镍的富集取决于硫的逸度，当硫足够时，镍与硫及类硫物质（砷、锑）形成镍硫化物，在硅酸盐矿物结晶前析出，形成镍硫化物（或砷）（如镍矿、磁黄铁矿、镍黄铁矿、赤砷镍矿、砷镍矿、镍汞矿）。 所谓镁硅镍矿（即镍硅酸盐矿）是一系列含镁矿物的混合物的总称，从蛇纹石到粘土状的亚硫酸钠和皂石。在氧化条件下，部分镁被镍取代。氧化镍与硫化镍一样，成为镍的重要来源①。镍矿主要分为铜镍硫化矿和氧化镍矿，两者的选矿冶炼工艺完全不同：

2.1 硫化镍矿

铜镍矿的选矿方法以浮选为主，辅以浮选、磁选等方法。根据原料种类、成分及产品要求选择工艺流程。硫化矿大多采用制锍法冶炼，即将各种镍硫化矿采用不同的火法冶炼成低镍锍，再将低镍锍在转炉中吹炼成高镍锍，即硫化镍与硫化铜的合金。高镍锍再经镍精炼厂不同的精炼方法精炼，生产出不同的镍产品。芬兰除了生产高品位镍锍外，还采用生物堆浸法生产MSP，再加工成下游产品。下面详细介绍冶炼的具体细节。

2.2 红土镍矿

氧化镍矿的冶炼方法也可分为火法冶金和湿法冶金两大类，火法冶金又可分为镍铁工艺和还原硫生产工艺。火法冶金适用于处理硅、镁含量较高的镍矿，其优点是适应性好，回收率高，缺点是能耗高。湿法冶金常用的方法为HPAL高压酸浸，氨浸比较少见。红土镍矿湿法冶金优点是能耗低，回收率高，但前期投资成本大，投资建设周期长。

全球红土镍矿储量远高于硫化镍矿，因此近年来对红土镍矿冶炼技术发展的关注度逐渐提升，特别是近两年随着新能源的发展，湿法冶炼技术的投资建设如火如荼。

1、火法冶炼的两种工艺：镍铁工艺和还原炼硫工艺。国内最常见的镍铁工艺是RKEF工艺、EF工艺和BF工艺，针对的矿石品位不同，后面讲到镍铁冶炼工艺时再详细讲解。另一种还原炼硫工艺的产品是镍冰铜，与硫化镍矿生产的镍冰铜基本相同，这种工艺也是最近又重新受到关注的一种工艺，具体见下文。

2、湿法冶金的两种工艺：氨浸工艺和高压酸浸工艺。氨浸工艺一般只适用于处理地表红土矿，而镁、铝含量较低、铁含量较高的矿石则适合采用高压酸浸工艺。

红土镍矿火法冶金与湿法冶金的优缺点如下图②所示：

2.3 全球镍冶炼企业生产工艺一览

03

中间产品冶炼工艺

3.1湿法中间体MSP/MHP冶炼工艺

湿法中间体的原料多为红土镍矿，硫化镍矿多用于生产高品位镍冰铜，除芬兰采用生物堆浸法生产MSP外，目前尚无其他利用硫化镍矿生产的湿法中间体。

湿法处理红土镍矿主要分为氨浸出法（RRAL）和加压硫酸浸出法（HPAL），目前全球在产的大型红土镍矿湿法冶炼厂所选用的工艺多为HPAL。但湿法冶炼也有明显的弊端，固体废弃物和污染气体排放量大。湿法冶炼矿石中近97%含Fe较高（占总量的10~45%），含少量Cr，全部作为固体废弃物丢弃；湿法冶炼采用液酸或氨作为Ni、Co的浸出剂，使用后除部分回收利用外，其余以液体形式处理后排入河流或废液池；湿法冶炼还会产生大量的CO2气体排放，均属于三废全排放③。国外湿法中间体项目多采用以下工艺生产湿法中间体：

1. HPAL高压酸浸技术

高压酸浸是红土镍矿较为成熟的湿法冶金工艺，国际上在产项目也大多采用此法生产，但后期中和反应生成的中间产物不同，既可生产MSP，又可生产MHP。国内最早采用HPAL技术，此工艺适用于处理MgO含量相对较低的褐铁矿型红土镍矿，HPAL工艺最大的优点是镍、钴的回收率可达90%以上④。HPAL工艺生产MHP工艺流程：进料准备及粗选提高品位（制浆浓度）—HPAL加压酸浸（加酸和蒸汽，在高压容器中）—浓缩及中和反应（加入石灰和絮凝剂，本工艺中中和反应后的物料部分送至尾矿库）—混合氢氧化物沉淀。国外某大型冶炼厂均采用此法生产，见下图④。

HPAL工艺生产MSP工艺流程：进料准备及粗选提高品位（制浆密度）—HPAL加压酸浸（加入酸和蒸汽，在高压容器内进行）—中和除铁、铝—（加入H2S）选择性除锌—硫化物沉淀—硫化物镍钴混合物

以前就是这样制作的。

红土镍矿加压酸浸生产MSP/MHP两种工艺的前半部分基本相同，从原矿浆储存到原矿浆浓缩—加压浸出—矿浆中和—CCD溶液中和（去除铁、铝等杂质）—溶液储存。工艺流程和设备基本相同，仅产品沉淀过程不同。两种产品溶液各有优缺点，镍钴硫化物混合溶液产品镍钴品位高，杂质少，有利于后续冶炼，运输量小。但缺点是需额外投资1亿多美元，建设氢气工厂、H2S工厂、小型氮气工厂⑤。

RRAL工艺又称为Caron工艺，其工艺流程为：

地表红土镍矿—还原焙烧—镍钴及偏铁合金—多级逆流氨浸出—浸出液硫化沉淀—沉淀母液除铁蒸氨—碱式硫酸镍—煅烧为氧化镍或还原制得镍粉

该工艺生产的镍块中镍的质量分数可达90%，全流程镍回收率可达78%～80%。与火法工艺相比，钴可得到部分回收，回收率为40%～50%。但氨浸法只适合处理红土镍矿层上层的红土矿，不适宜处理硅、镁含量较高的下层矿，这大大限制了氨浸法的发展，自20世纪70年代以来，没有新建工厂选择此工艺。

红土镍矿生产湿法中间体的工艺主要就是以上两种，一般来说现在基本都是采用HPAL工艺，氨浸工艺可以简单了解一下。

3.2 火法中间高品位冰镍生产工艺

红土镍矿或硫化镍矿可生产出高品位镍冰铜。

利用红土镍矿生产高品位镍冰铜的工艺，目前仅有淡水河谷印尼一家公司在生产，采用还原硫化物冶炼法。改进工艺的生产流程为：

红土镍矿加入含硫物料（黄铁矿、石膏）—1500～1600℃高炉吹炼（或电炉冶炼）—低镍冰铜—转炉吹炼—高镍冰铜（高镍铁）或红土镍矿—RKEF工艺—高镍铁—加入含硫物料再转炉吹炼—高镍冰铜。

此生产工艺的镍回收率较RKEF工艺低，但具有生产工艺简单、投资少、操作方便、用电少等优点。如果当地硫化铁矿或石膏矿供应充足，又不考虑铁回收，硫化物冶炼应是经济上可行的选择。硫化物冶炼需对氧化镍矿进行预干燥或烧结，高炉产生的低浓度SO2烟气需进行吸收处理。随着RKEF工艺的推广，此工艺已逐渐被淘汰。但由于近年来新能源的发展，此工艺又被重新重视，不仅可以通过上述工艺生产出高品位的镍冰铜，还可以利用高镍铁或水净化后的镍，生产出高品位的镍冰铜，再生产出硫酸镍。

硫化镍矿生产高品位冰镍是生产高品位冰镍的主流工艺，金川、新鑫、金矿均采用硫化镍矿生产高品位冰镍。国外硫化镍矿生产纯镍的中间产品大多为高品位冰镍。高品位冰镍生产设备的多样化主要与原料的形态、品位有关。而生产过程基本都要经过低品位冰镍的工艺，低品位冰镍由FeS、Cu2S、Ni3S2组成，含镍量为20%-30%，高品位冰镍含镍量为55-65%。下图为硫化镍矿生产高品位冰镍的常见工艺流程。 关于高品位镍锍冶炼的工艺过程，这里就不再赘述了，因为该工艺过程具有连续性，以后讲纯镍冶炼时再详细讲述高品位镍锍冶炼工艺过程。

04

纯镍冶炼工艺

有了以上对矿石和中间产品的大致了解，我们继续探索如何生产出标准产品——纯镍。通常，冶炼过程会经过我们所谓的中间产品。唯一一家不经过中间产品直接生产纯镍的工厂是澳大利亚，该工厂已经停产。下面我们以冶炼方法为例。让我们大致了解一下镍冶炼通常需要的步骤。

4.1 选矿

4.2 高品位镍锍冶炼

公司火法冶金主要采用三种方法：电炉冶炼、闪速炉冶炼、富氧顶吹炉冶炼。由于电炉难以处理大规模冶炼，因此后续改进计划均采用后两种方法。

选矿精矿—原料准备—干精矿—镍闪速炉—低镍锍—转炉吹炼—高镍锍—矿坑缓冷72小时—送至炼厂

镍精矿预干燥—富氧顶吹炉冶炼—电炉沉降分离—水平转炉吹炼—电炉贫化吹渣

富氧顶吹工艺与闪速炉工艺最明显的区别就是对原料的适用性更强，尤其是可以处理高镁原料矿，而且投资低。如果只是小规模生产，可以考虑采用富氧顶吹冶炼，投资少，见效快。但富氧也有明显的缺点，比如有效金属回收率低、炉子寿命短、设备运转率低。

生产出高品位的冰镍后，接下来就是精炼工序：

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硫酸镍冶炼工艺

硫酸镍原料包括湿法中间体MSP/MHP、镍豆、废料，均为独立生产线。左下图：MHP生产硫酸镍 右下图：MSP生产硫酸镍

硫酸镍原料包括湿法中间体MSP/MHP、镍豆、废料，均为独立生产线。下图左图：镍豆自溶生产硫酸镍。下图右图：废料生产硫酸镍。

生产硫酸镍各种原料优缺点比较：

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镍铁冶炼工艺

6.1 镍生铁冶炼工艺

目前利用低品位红土镍矿生产NPI的项目主要集中在中国和印尼。生产工艺主要分为：RKEF（回转窑-矿热炉冶炼）、EF（电炉冶炼）、BF（高炉冶炼）。目前主要的冶炼工艺为RKEF工艺。下面列举各工艺的流程及生产优缺点：

1.RKEF（回转窑-矿热炉冶炼）

RKEF工艺流程为：矿石配料-干燥窑干燥-回转窑焙烧-矿热炉冶炼-出铁

该工艺生产镍铁是目前发展最快的红土镍矿处理工艺，工艺成熟，设备简单易控，生产效率高。缺点是消耗大量冶金焦和电，能耗大，生产成本高，冶炼过程中炉渣过多，冶炼温度高（约1500℃），粉尘污染严重。而且矿石的镍品位对火法工艺生产成本影响很大，矿石镍品位每降低0.1%，生产成本增加约3-4%。在回转窑中，当焙烧带温度在1100℃左右时，镍矿中的自由水和结晶水将被全部脱除，镍矿中约40%的NiO被还原为Ni（NiO+C→Ni+CO↑）。 在矿热炉中，当冶炼温度在1400℃左右时，剩余的NiO被C直接还原为Ni，部分FeO被还原为Fe，Fe元素约占总量的70%。

2.EF（电炉冶炼）

EF工艺流程为：矿石配料-烧结机烧结-电炉冶炼-出铁

此工艺与RKEF工艺相比，缺少了早期的回转窑干燥焙烧，回转窑主要热源为煤粉和矿热炉煤气，能耗较烧结工艺低，冶炼产品差别不大，生产成本高于RKEF工艺，因此逐渐被淘汰。

3.BF（高炉冶炼）

高炉工艺流程为：红土矿——脱水烧结制球——加入焦炭熔剂——高炉冶炼——出铁

还原冶炼工艺是我国近几年发展起来的红土矿冶炼工艺，随着国家产业政策的调整，500立方米以下炼铁高炉大量被淘汰，而国内由于不锈钢用镍资源短缺，需要大量进口红土镍矿。加之地方政府为了解决就业问题、创造税收，利用这些淘汰的高炉加工红土镍矿，生产含镍1.5-2%的镍铁。小高炉镍铁冶炼面临政策性淘汰，大高炉冶炼6-8%镍铁效率低；焦炭价格影响高炉镍铁成本，导致高炉镍铁冶炼技术进步缓慢。利润的变薄必然打击国内高炉镍铁生产企业的积极性。国内目前生产高炉低镍铁的厂家大多为200系不锈钢综合厂。 从技术角度看，高炉还原冶炼工艺存在高炉容积利用率低、焦炭消耗大、烧结污染严重、镍生铁中磷含量高、镍回收率低等缺点。该工艺适用于处理镍品位小于1.2%、Fe>30~40%的褐铁矿B型红土矿。

6.2 铁矿石冶炼工艺⑥

目前常用的镍铁冶炼工艺与NPI冶炼工艺基本相同，只是在矿热炉后增加了一道精炼工序。与NPI的区别在于镍铁中镍含量较高，P/S杂质元素含量较低。NPI的P含量一般小于0.04%，硫含量小于0.4%。镍铁的P含量一般小于0.04%，S含量小于0.2%。从生产成本上看，镍铁的生产成本高于NPI。除了以上工艺外，镍铁冶炼还进行了一些其他工艺探索：

回转窑-矿热炉工艺（简称RKEF）

RKEF工艺流程为：矿石配料——回转窑干燥——回转窑焙烧——炉冶炼粗镍铁——LF炉精炼（或机械搅拌脱硫）——精炼镍铁水淬——产出合格镍铁颗粒。

2006年8月，帕拉州奥卡普马（）镍铁项目开工建设。该项目采用丹麦设计的RKEF工艺处理红土镍矿生产镍铁。项目配置2座φ4.6×45m干燥窑、2座φ6×135m回转窑、2台kVA矩形矿热炉（目前为世界最大功率），年产合金22万吨（品位25%）、镍5.2万吨。

回转窑-磁选

回转窑-磁选工艺流程为：原矿磨矿与煤粉混合制成团矿-回转窑干燥/高温还原焙烧-焙烧矿磨矿成矿浆-重选磁选

回转窑-磁选工艺又称直接还原工艺，目前全球仅有一家公司采用此工艺，此工艺被公认为处理红土镍矿最经济的方法，其最大特点是生产成本低，85%的能耗由煤炭提供，每吨矿石耗煤160-180公斤。电炉冶炼镍铁工艺80%以上的能耗由电力提供，每吨矿石耗电560-120公斤。但此工艺的主要问题是回转窑的结圈和回收率，大江山冶炼厂虽经多次改进，但工艺技术仍不够稳定，历经几十年，其生产规模仍停留在1万吨/年镍左右。此工艺的技术关键是煤粉与矿石混合及还原焙烧过程的温度控制。 此工艺适用于处理A型镁硅酸盐红土矿，镍品位0.7-1.2%，铁含量8-11%。这些中试装置要么成本太高，要么操作难度太大，无法量产。其中很多还处于理论研究阶段，没有工业化生产。因此，回转窑-磁选工艺仍需要不断探索和进步。

转底炉+熔炼炉

一种以煤气或天然气为燃料的转底炉冶炼红土镍矿新方法，是以煤气或天然气为燃料，非焦煤为还原剂，以红土镍矿为原料，采用转底炉和还原冶炼炉生产镍铁的冶炼方法。红土镍矿原料中镍含量为0.8-3.0%。该冶炼方法工艺流程短，操作简单，容易控制，原料适应性强，能耗低，燃料热价比高，污染少，设备投资少，生产成本低，镍回收率高。最适合在电力资源匮乏、煤炭资源丰富的地区投资建厂。该工艺适用于处理Ni品位为0.8-3.0%，铁含量为15-20%的镁硅酸红土矿。 目前国内多数企业采用转底炉直接还原铁矿石或冶金尘灰（泥）生产海绵铁，产品供高炉使用或直接作为炼钢转炉原料，尚无加工红土镍矿生产镍铁的应用实例。主要原因是转底炉热效率低，原料需精磨制球，生球需干燥，生球强度、水分含量对转底炉运行稳定性至关重要。同时从投资和生产成本来看，与成熟的RKEF工艺相比并无明显优势。因此，还需对转底炉关键控制点进行进一步研究，实现串珠镍铁一步法生产工艺，体现转底炉的优势。

由于我国镍矿资源有限，高品位镍矿非常少，生产Feni的先天条件不足。由于NPI是为适应中、低品位镍矿冶炼而开发的，因此全部为海外冶炼厂。名单及产能如下：

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不锈钢冶炼工艺

7.1 常用冶炼设备图片

目前世界上不锈钢冶炼方法主要有一步法、二步法、三步法三种，所谓一步法、二步法，主要看所用主要设备的数量。

一步法：

早期的一步法是指在一台电炉中完成废铁熔化、脱碳、还原、精炼等工序，将炉料一次性冶炼成不锈钢。但这种冶炼工艺有明显的缺陷，在一台炉中完成全部冶炼意味着冶炼流程长，而且冶炼环境单一，无法兼顾需要不同环境去除的有害元素或合金处理，生产成本也高，因此已逐渐被淘汰，但目前国内400系钢厂采用的新型一步法冶炼法相对更为经济，高炉生产的低磷铁水直接进入AOD(氩氧精炼炉)进行脱碳、合金化处理。综合型200系不锈钢厂也有采用改进的生产方法，但小高炉生产的是低镍铁水。

两步法：

所谓两步法，其实就是在精炼炉前增加一步电炉或中频炉冶炼工序，即EF→AOD。此工艺应用较多，主要用电炉或中频炉熔炼镍铁、铬铁、硅锰、废钢等冷料，钢水由钢包输送到AOD炉进一步精炼合金化，要求不高的300系列不锈钢可用此法生产。

三步法：

三步法基本工艺流程为：初炼精炼炉→复吹转炉/AOD炉→真空精炼装置。三步法是冶炼不锈钢的先进方法，产品质量好，适合专业厂家，也适合合资钢铁企业的不锈钢生产。

除以上几种不锈钢冶炼方式外，部分300系列综合不锈钢厂多采用从铁水直接炼成不锈钢的生产工艺，生产流程为：RKEF（回转窑电炉）+AOD（氩氧精炼炉）。其余冷料可采用中频炉或电炉熔化后加入​​AOD炉精炼。

然后，熔融的钢经过类似于普通碳钢的冶炼过程，进入了含水，结晶器和连续的铸造机，以拉出钢钢坯，然后进行热滚动和冷滚动。

以上是SMM对镍产业链中各种链接的生产过程的摘要。

结尾