某地紅土礦還原鎳鐵的研究

張蓓蓓，冀東晟

烏蘭察布市工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站，內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000

0 引言

鎳紅土礦的可采部分一般由三層組成：褐鐵礦層、過(guò)渡層和腐植土層，目前世界上對(duì)于鎳紅土礦的處理工藝歸納起來(lái)大致有三種，即火法工藝、濕法工藝和火濕法結(jié)合工藝。工藝的選擇主要依據(jù)是原礦的成分和最終的產(chǎn)品。褐鐵礦層，特點(diǎn)是高鐵低鎂，一般采用濕法提取，過(guò)渡層可采用濕法或火法，而腐植土層特點(diǎn)是低鐵高鎂采用火法處理。

某地紅土礦成分如表1所示：

表1 某地紅土礦成分

通過(guò)表1可知，某地鎳礦屬于過(guò)渡層，工藝的選擇可采用濕法或火法，本文討論火法工藝中還原熔煉鎳鐵工藝。

1 試驗(yàn)所用的儀器設(shè)備、原料

1.1 原料成分

本研究采用的原料來(lái)自馬布里鎳礦，經(jīng)曬干后，人工破碎至50mm左右。

從已有對(duì)紅土鎳礦分析的資料上，根據(jù)文獻(xiàn)資料報(bào)道，大多橄欖巖的礦物組成為針鐵礦、磁鐵礦和蛇紋石[3]。根據(jù)觀察，某地鎳礦具有較強(qiáng)的磁性，證明礦物中有一定的磁鐵礦成分。

1）還原劑

還原劑采用碳質(zhì)還原劑無(wú)煙煤和焦炭。

2）助劑

助劑采用石灰用來(lái)調(diào)節(jié)渣的堿度。

1.2 試驗(yàn)主要設(shè)備

鄂式破碎機(jī)：PE200*300，鼓風(fēng)地爐：自制（約處理800kg/天），礦熱直流電阻爐：100kVA；

包子：自制30kg，鼓風(fēng)干燥箱，紅外測(cè)溫儀、ISP，碳硫分析儀。

2 鎳鐵冶煉試驗(yàn)

2.1 冶煉機(jī)理[4]

2.1.1 預(yù)還原

電爐熔煉鎳鐵一般需要增加爐料預(yù)還原過(guò)程以節(jié)約電能。爐料的預(yù)還原是在固態(tài)下進(jìn)行，溫度在1 200℃～1 400℃之間，爐內(nèi)呈還原氣氛。地爐以無(wú)煙煤作為燃料和還原劑，與原礦混合后進(jìn)入地爐燒結(jié)。從理論上來(lái)說(shuō)，在1 200℃～1 400℃時(shí)，存在如下反應(yīng)：

2.1.2 電爐熔煉

還原熔煉可以在爐料溶化的同時(shí)進(jìn)行。爐料溶化后由固體炭還原。其反應(yīng)式為：

MeO+C=Me+CO

CO+MeO=Me+CO2

在電爐中幾乎所有的鎳的氧化物都被還原成金屬。爐渣是由氧化亞鐵、氧化硅等組成，增加氧化亞鐵含量可降低爐渣的熔點(diǎn)、操作溫度和爐渣中金屬損失量，提高爐渣的導(dǎo)電性，決定鎳鐵中碳、硅、鉻、磷等雜質(zhì)的含量。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 預(yù)還原

按原礦：無(wú)煙煤=1：0.15的比例混合原料，預(yù)還原是在鼓風(fēng)地爐中進(jìn)行的，地爐下面由鼓風(fēng)設(shè)備，先在鋼柵欄上鋪上稻草，底部墊煤20kg，以柴油做助燃劑，采用連續(xù)進(jìn)料的方式進(jìn)行預(yù)還原，還原時(shí)間10h左右。

2.2.2 電爐熔L煉

以燒結(jié)礦為原料，配入一定的炭質(zhì)還原劑，石灰混合，整個(gè)熔煉過(guò)程在直流礦熱電阻爐內(nèi)進(jìn)行，以20g焦丁起弧，分次加入爐料，待溫度達(dá)到要求后計(jì)算保溫時(shí)間。出爐后傾入自制鋼包內(nèi)。待冷卻后倒出分出渣相。金屬與渣分別稱重分析。還原熔煉進(jìn)行了加炭量、助劑量、冶煉時(shí)間的條件試驗(yàn)。助劑使用生石灰，還原劑采用無(wú)煙煤和焦炭。

圖1 加炭量對(duì)鎳品位與直收率的影響

1）加炭量試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：試驗(yàn)原料：燒結(jié)礦，熔煉溫度：1400℃，原料重量：15kg，生石灰： 0.84kg。

起弧焦炭：20g，熔煉時(shí)間：10min，還原劑：焦炭。

試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖中可以看出，鎳品位隨著用炭量的增加開始是下降，當(dāng)用碳量超過(guò)2.5%，開始增加，之后又開始下降，而直收率恰好相反。從試驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，如表2所示：

表2 還原劑試驗(yàn)過(guò)程

從試驗(yàn)表2中可以看當(dāng)試驗(yàn)為1、2爐時(shí)，爐體還原性太強(qiáng)，而當(dāng)3爐以后，基本呈現(xiàn)出與理論相符規(guī)律。

從結(jié)果來(lái)看，綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，選定還原劑用量為3%時(shí)為最優(yōu)條件，鎳品位可達(dá)8.91%，直收達(dá)83.16%，渣含鎳0.062%。

2）助劑量試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：試驗(yàn)原料：燒結(jié)礦，熔煉溫度：1 400℃，原料重量：15kg，起弧焦炭：20g

熔煉時(shí)間：10min，還原劑：無(wú)煙煤，3%

試驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示：

圖2 助劑量對(duì)鎳品位與直收率的影響

助劑為生石灰，目的是調(diào)節(jié)渣的性質(zhì)和金屬氧化物的活度。從圖中可以看出，鎳品位存在中間低，兩頭高的趨勢(shì)，直收率恰好相反。說(shuō)明在生石灰含量過(guò)高和過(guò)低時(shí)，都不利于金屬的還原，尤其是FeO的還原。可以通過(guò)查詢其相關(guān)活度圖加以分析。

綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，選取助劑量為15.39%時(shí)為本試驗(yàn)最優(yōu)條件，鎳品位可達(dá)8.33%，直收達(dá)88.54%，渣含鎳0.24%。

3）熔煉時(shí)間試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：試驗(yàn)原料：燒結(jié)礦1，熔煉溫度：1 400℃，原料重量：15kg，起弧焦炭：20g

生石灰： 2.799kg（18.66%），還原劑： 無(wú)煙煤，3%。

試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示：

圖3 熔煉時(shí)間對(duì)鎳品位與直收率的影響

從圖中可以看出，隨著熔煉時(shí)間的增加，鎳品位先升后降，直收率恰好相反。

熔煉時(shí)間為15min～20min時(shí)，存在一個(gè)較為明顯的變化，當(dāng)熔煉溫度為15min時(shí)，鎳品位較高，直收率僅為57.22%，當(dāng)熔煉溫度為20min時(shí)，直收率為88.19%，品位有一定下降，僅6.17。

2.3 小結(jié)

1）鎳品位隨著用炭量的增加開始是下降，當(dāng)用碳量超過(guò)2.5%，開始增加，之后又開始下降，而直收率恰好相反；還原劑用量為3%時(shí)為最優(yōu)條件，鎳品位可達(dá)8.91%，直收達(dá)83.16%，渣含鎳0.062%；

2）生石灰含量過(guò)高和過(guò)低時(shí)，都不利于金屬的還原，尤其是FeO的還原。助劑量為15.39%時(shí)為本試驗(yàn)最優(yōu)條件，鎳品位可達(dá)8.33%，直收達(dá)88.54%；

3）隨著熔煉時(shí)間的增加，鎳品位先升后降，直收率恰好相反

[1]彭容秋.鎳冶金[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2005，9.

[2]李小明，唐琳，劉仕良.紅土鎳礦處理工藝探討[J].鐵合金，2007，195(4):24.

[3]徐小峰.紅土鎳礦預(yù)富集-還原熔煉制取低鎳鐵合金研究：[碩士學(xué)位論文].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2007.

[4]唐思琪.鎳精礦冶煉鎳鐵試驗(yàn)研究.吉林：吉林大學(xué)，