红土镍矿提炼镍金属的工艺分析及未来发展方向

红土镍矿提炼镍金属的工艺分析及未来发展方向

论文集 红土镍矿提炼镍金属工艺分析 刘逸涵 韩建 高鹏鹏 范忠良 东北大学 (辽宁省沈阳市和平区文化路3巷11号 ) [摘要] 介绍了红土镍矿资源现状和国内外红土镍矿工业应用的主要工艺流程和相关研究工作。对当前红土镍矿提炼镍金属的工艺进行了全面的比较分析，说明了红土镍矿火法冶炼镍铁合金目前在红土镍矿的利用中占有主导地位：指出解决火法冶炼工艺能耗高的问题和开发新的湿法冶炼工艺处理中低品位红土镍矿将是今后镍冶炼的发展方向。 【关键词】 红土镍矿 镍冶金 火法冶金 湿法冶金 1.引言长期以来，我国镍生产主要以硫化镍矿为主。但镍矿是不可再生资源，资源量逐步减少，开采难度加大。从国家战略储备考虑，我国镍矿资源应得到保护和开发。但从国际市场采购硫化镍矿不太可能解决国内短缺问题。因此，应借鉴世界上成熟的镍铁冶炼技术，发展适合国内原料和能源条件的技术，利用世界上易得的氧化镍矿生产镍铁，满足经济发展的要求。国外发达国家凭借雄厚的资金、先进的技术和国际经营经验，在国际矿业的全球竞争中抢占了先机。目前，国外许多知名镍生产公司都已涉足红土矿的开发，有的已取得实质性进展。 例如鹰桥与BHP合作开发的印尼含镍红土矿项目、在印尼和新喀里多尼亚开发的红土矿项目等。

在我国，2008年《国家发展改革委办公厅关于组织实施2008年度重大产业技术发展项目的通知》（发改办号）第三条明确提出：“资源综合利用关键技术：复杂多金属共生矿高效开发利用技术、冶炼过程中稀散元素提取技术、低品位红土镍矿高效利用关键技术、金属矿山二次资源有价元素高效捕获技术”。低品位红土镍矿高效利用关键技术被列为国家重大产业技术发展项目的内容之一。《全国有色金属工业中长期发展规划（2006-2020年）》也指出：“由于硫化镍矿资源短缺，开发红土镍矿意义重大”。 由此可见，利用国外氧化镍矿资源，借鉴国际成熟先进的节能环保火法镍铁冶炼技术，开发适合国情的红土镍矿高效利用技术，建设现代化镍铁工厂，是国家政策支持的好项目，具有很大的市场潜力，也是我国镍工业发展的必然趋势。2.从红土镍矿中提取镍的主要工艺从红土镍矿中提取镍金属主要有三种工艺，即湿法冶金(电解)、火法冶金(电炉)、火法冶金(高炉)。2.1湿法冶金2.1.1氨浸出用湿法冶金处理氧化镍矿的工业始于20世纪40年代。 最早的是氨浸出工艺，即把氧化镍矿经干燥、还原、焙烧后在常压下分多级用氨浸出，其代表性工厂建在美国。

采用氨浸法处理氧化镍矿，其产品可以是镍盐、镍粉、镍块等。氨浸法不适用于处理铜、钴含量较高的氧化镍矿，也不适用于硅镁镍烧结镍、镍粉、镍块等。氧化镍矿类型(新喀里多尼亚型)只适用于处理地表红土矿，大大限制了氨浸法的发展。另外氨浸法镍、钴的回收率较低，全流程镍的回收率仅为75～80%，钴的回收率约为40～50%。到目前为止，全球仅有4家工厂采用氨浸法处理氧化镍矿，且均是在20世纪70年代以前建成的，30多年来，没有新建工厂采用氨浸法。 2.1.2酸浸在250～270℃、4～5MPa的高温高压条件下，用稀硫酸将镍、钴等有价金属与铁、铝矿物一起溶解，然后157。

反应过程中控制pH值等条件，使铁、铝、硅等杂质元素水解进入渣中，而镍、钴则选择性地引入溶液中，通过溶剂萃取、硫化物沉淀等技术从中回收。酸浸处理氧化镍矿的工业生产始于20世纪50年代，当时代表性工厂为，也是由美国设计建造的。酸浸工艺适用于处理含镁量较低的氧化镍矿，矿石中镁含量过高会增加酸耗，增加操作成本，并影响工艺。如果矿石中钴含量较高，则更适合采用酸浸工艺，不仅钴的浸出率比氨浸高，而且由于金刚石的价值高于镍，使酸浸工艺的单位生产成本大大降低。 虽然高压酸浸对镍的浸出率可达90%以上，但酸浸工艺也受到矿石条件的制约，目前全球采用酸浸处理氧化镍矿的工厂仅有3家，且高温高压处理条件对设备要求苛刻，操作不太正常。总体来说，对酸浸工艺还有大量的研究工作要做。 2.2火法工艺 火法工艺处理氧化镍矿生产镍铁合金，具有流程短、效率高的优点，但能耗高，其运行成本中最大的组成部分就是能耗，如采用电炉冶炼，仅用电一项就占到运行成本的50%左右，再加上氧化镍矿冶炼前的干燥、焙烧预处理工序的燃料消耗，运行成本中能耗成本可能占到65%以上。 火法工艺处理中、低品位红土镍矿，由于冶炼矿石量大，能耗高，冶炼成本较高，因此目前火法工艺主要处理高品位红土镍矿。

2.2.1火法冶金电炉工艺火法冶金电炉工艺可提取含镍10-25%及少量钴、铬的镍铁，可替代纯镍作为冶炼300系不锈钢的镍原料。由于它以电为主要热能（一般生产一吨镍铁要耗电7000-8000度），不同于高炉以焦炭为热源，还会将焦炭中的磷带入产品中，电炉生产的镍铁含磷量要低于高炉，有利于缩短冶炼不锈钢的时间，因此受到市场的广泛欢迎。但美中不足的是，我国电力供应持续紧张，且我国对高耗电行业管控严格。 另外，生产企业所在地区一旦出现缺电，首先受到影响的就是电力大用户的电炉断电，造成生产不正常。其次，电炉镍铁产量低，单台2.5万KW电炉每年可生产镍含量14%的镍铁2.5万吨左右，远远不能满足近年来我国不锈钢产业井喷式发展对镍金属的巨大需求。需要注意的是，电炉冶炼镍含量15-25%甚至更高的镍铁，并不是通过提高入炉镍矿的镍含量来实现的，而是通过降低镍矿中铁的还原来实现的。 这样，大量未还原的氧化铁就以炉渣形式排出(有时炉渣中含铁量高达20%以上)，这些炉渣运到水泥厂制水泥或砖厂制砖瓦。考虑到目前进口含铁65%的铁矿石市场价格已达几千元每吨，用大量含铁炉渣来制造水泥或砖瓦，是一种极大的资源浪费。2.2.2火法冶金高炉工艺火法冶金高炉工艺可冶炼含镍1.5-10%及少量铁和铬的镍铁，可成为冶炼含镍不锈钢的基本原料。

目前市场上最畅销的是含镍10%、磷0.035%的镍铁，不锈钢厂家只需添加一定量的铬铁，即可冶炼成300系列产品。高炉冶炼镍铁最大的特点是产量高，一座208m高炉，一年可以产4万多吨。由于高炉冶炼的产量比较高，所以镍含量一般比电炉冶炼的要低，销售计价方式与电炉镍铁相同，但贴现系数较大，每一镍价略低于电炉镍价。高炉可以冶炼生铁和镍铁，镍铁和生铁虽然只差一个字，但分属铁合金和普通铁两个行业，所用的矿石成分、配方、冶炼工艺等都有较大差别。 把冶炼生铁的一套概念套用到冶炼镍铁上是绝对错误的。如果用进口含铁65%的矿石在高炉冶炼生铁，每生产一吨铁产品，只会排出几百公斤的炉渣。而冶炼含镍7%的镍铁，一般需要含镍1.5%、含铁20%左右的干矿5吨，湿矿约7.7吨。因此，生产1吨镍铁产生4吨炉渣，几乎是冶炼生铁产生炉渣的十倍。炉渣口开炉排渣的时间和排渣次数都大大增加，必须对工艺进行很大的调整。 由于镍铁冶炼的排渣量是生铁冶炼的许多倍，大型高炉不宜改用镍铁冶炼，因为排渣量过大，排渣口打开时间过长，影响炉温和生产的顺利进行。目前国内镍铁冶炼高炉一般都是由炼铁高炉改造而成，最大炉容不超过400m，生产还算正常，但我们发现炉容越大，生产越困难，每天单位体积产出的镍铁越少。

2.3火法与湿法联合工艺目前，世界上唯一一家采用火法与湿法联合工艺加工氧化镍的工厂是日本冶金工业公司的小山冶炼厂。其主要工艺流程为：将原矿磨矿后与煤粉混合制成团矿，将团矿干燥、高温还原焙烧，将焙烧后的团矿再次磨矿，用选矿(重选、磁选)法将矿浆分离，得到镍铁合金产品。该工艺最大的特点是生产成本低，85%的能耗由煤炭提供，每吨矿石需耗煤160.180千克。相比之下，火法工艺中电炉冶炼的能耗80%以上是由电力提供的，每吨矿石需耗电560.600千瓦时。 二者能耗成本差别很大，按目前国内市场价值计算，二者价格相差3.4倍。但此工艺还存在不少问题，尽管经过多次改进，但工艺技术仍不够稳定，历经几十年，其生产规模仍停留在1万吨镍/年左右。此工艺的关键技术是还原焙烧过程的温度控制、煤粉与矿石的混合制备等。从节能、低成本、镍资源综合利用（处理低品位氧化镍矿）角度考虑，此工艺值得进一步研究和推广。 ． １５８．

论文1俄罗斯科研人员对乌拉尔氧化镍矿采用分离焙烧进行浮选或磁选的试验研究并认为这是目前唯一能够降低成本、节约能源、提高镍产量的方法。适用于处理任何类型的氧化镍矿。3、三种工艺的总体比较综上所述，解决火法冶金工艺能耗高的问题，开发新的湿法冶金工艺处理中、低品位红土镍矿，将是今后镍冶炼的发展方向。从该工艺的产品质量、价格、市场需求等比较来看，湿法冶金：可分别提取99.9%的镍和钴金属，这是湿法冶金的最大优势。其产品纯镍是电镀、蓄电池、化工催化设备和特种不锈钢的主要原料；纯钴是高强度、耐高温、高耐磨特种钢的主要原料。 目前，处理中、低品位红土镍矿的主要方法是湿法冶金工艺，虽然成本比火法冶金工艺低，但湿法处理氧化镍矿工艺流程复杂，流程长，工艺条件对设备要求高。因此，利用湿法冶金工艺从红土镍矿中提取镍金属还有大量的研究工作要做。另外，湿法冶金工艺适用于高镍、高钴、低镁的红土镍矿。采用液酸（或氨水）作为浸出剂，提取Ni和Co，剩余的大量铁和少量的铬全部成为固体废物。浸出剂只有一部分被回收利用，其余部分经处理后以液体形式排放。这些废固、废液、废气不能回收利用，对环境危害很大。 火法冶炼镍铁是以C（或Si）为还原剂，在高温条件下还原氧化镍矿中的NiO和其他氧化物（如FeO）。

同时采用选择性还原工艺，合理使用还原剂，还原反应按NiO、FeO、Dr2O3、SiO：的顺序进行。在火法冶金过程中，无论是电炉还是高炉，生产中产生的固体炉渣都经过高温煅烧，经干燥、磨细后成为低强度水泥，是水泥厂家生产标准水泥的最佳填料，也是砖瓦厂生产砖瓦的优质原料，可100%回收利用。另外，高炉生产所用的冷却水，可在密闭冷却水池中循环使用；高炉渣水经沉淀后也可循环使用。因此，火法冶金产生的固体废弃物和液体废弃物几乎全部被回收利用。但是，无论是电炉还是高炉，生产中产生的CO排放，都没有彻底解决的办法。 虽然处理红土镍矿有湿法冶金工艺和火法冶金工艺，但目前世界上从红土镍矿冶炼镍铁合金较成熟的工艺方法还是以火法冶金为主。根据美国金属学会对世界红土镍矿冶炼厂及年产量的调查报告，2007年世界镍总产量为142万吨，其中氧化镍矿贡献了42%，其中以镍铁形式产出的金属镍约45万吨，约占世界原生镍总产量的30%。参考文献[1]刘大兴.从镍红土矿中回收镍和钴的技术开发[J].有色金属2002(03)[2]兰兴华.镍高压湿法冶金[J]. 世界有色金属2002(01)[3] HJ; JM.氧化物镍矿勘探的工程概念1981(03)[4]王云华，昝林汉，赵家春，安忠庆。

千星.红土镍矿氧压酸浸研究[J]有色金属(冶炼部分)2010(5) [5]邱莎.车小奎.郑奇.段金红土镍矿硫酸焙烧-水浸试验研究[J]稀有金属2010(3) [6]张永录.王成彦.徐志峰.低品位碱预处理红土镍矿加压浸出工艺[J]过程工程学报2010(2) [7]吴博科.刘奎.陈启元.胡惠萍.尹周兰.云南元江红土镍矿加压酸浸动力学[J]云南冶金2010(4) [8]徐东.刘燕.李杰.翟玉春.碳热还原.詹曦. 选择工艺富集红镍工艺[J]=金属镍/Jt[J]东北大学学报(自然科学版)2010(4)[9]曾志成.孙体昌.杨惠芬.王晶晶.吴晓丹.直接还原焙烧-磁选法从红土镍矿中回收铁和镍[J]北京科技大学学报2010(6)[10]邱国兴.石庆霞.红土矿含碳球团还原富集镍和铁工艺研究[J]矿冶工程2009(6)[11]付方科.胡启阳.李新海.王志兴.李金辉.李凌军.稀盐酸溶液还原浸出红土镍矿研究[J]矿冶工程2009(4)[12]李彦军. 余海晨.王德全.尹文新.百源盛红土镍矿资源现状及加工技术概述[J]金属矿山2010(11)[13]李启厚.王娟.刘志红.世界红土镍矿资源开发及湿法冶金技术进展[J].矿产保护与利用2009(6)[14]石庆霞.邱国兴.王秀梅.红土镍矿直接还原提镍技术研究[J].黄金2009(11)[15]王成彦.尹飞.陈永强.王忠.王俊.国内外红土镍矿加工技术及进展[J].有色金属学报2008(1)[16]付建刚.王辉.凌天英.叶红旗.红土镍矿加工技术研究现状及进展[J]. 铁合金 2009(3) [17] 徐敏. 徐倩. 刘国强. 红土镍矿资源开发及工艺进展[J]. 矿产综合利用 2009(3) [18] 李启厚. 王娟. 刘志红. 世界红土镍矿资源开发及镍冶金技术进展 [J] 湖南有色金属 2009(2) [19] 郭学义. 郝湛. 李东. 红土镍矿处理技术现状及展望 [J] 金属材料与冶金工程 2009(2) [20] 王宏. 邓海都. 陆秀峰. 重要有色金属资源——红土镍矿的现状及开发利用 [J] 甘肃冶金 2009(1) [21] 付方明. 胡启阳. 李金辉. 李凌君. 低品位红土镍矿盐酸浸出试验研究[J]湖南有色金属2008(6)[22]胡顺锋.姜涛.李海银.周润峰.红土镍矿质量特征及检验方法探讨[J]中国矿业2008(10)[23]王荣.田曦.普岭短流程镍铁生产过程中含镍废渣的处置[J]铁合金2008(4)[24]刘瑶,丛子凡.腐殖质层红土镍矿常压硫酸浸出[J]有色矿冶2006(2)[25]姜源,侯孟喜.全球镍资源供需研究[J]有色矿冶2008(2).159.

２６】孙宇毅,何延明,汪洋.镍铁生产工艺研究及设计进展[J]有色金属设计2008(2) [２７]周小文,张建春,罗先平.红土镍矿提取镍技术研究现状及展望[J]四川有色金属2008(1) [２８]翟秀静,付艳,常永锋,易淑丽,李英荣,王伟.表面活性剂在红土镍矿高压酸浸中的阻垢效果[J]化工工程学报2008(10) [２９]张幼平,周玉生,李兆宜,李卫国.红土矿资源特征及火法冶金工艺分析[J]铁合金2007(6) [３０]李小明,唐林,刘世良. 红土镍矿处理工艺探讨[J]铁合金2007(4).１６０.