紅土鎳礦火法冶煉工藝現(xiàn)狀及進(jìn)展

武兵強(qiáng)，齊淵洪，周和敏，洪陸闊，鄒宗樹

（1 鋼鐵研究總院 先進(jìn)鋼鐵流程及材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；3 鋼研晟華科技股份有限公司 研發(fā)部，北京 100081）

鎳是一種具有重要戰(zhàn)略意義的金屬，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、延展性以及機(jī)械強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于不銹鋼冶煉、新型復(fù)合材料制備、儲(chǔ)氫材料制備、醫(yī)療、軍事等眾多行業(yè)和領(lǐng)域[1-5]。近年來，全世界不銹鋼產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)，特別是中國、印度尼西亞等東南亞國家更是如此。據(jù)中國特鋼企業(yè)協(xié)會(huì)不銹鋼分會(huì)統(tǒng)計(jì)，2018 年中國不銹鋼粗鋼產(chǎn)量為2670.68 萬 t，比2017 年增加了93.31 萬 t，增幅為3.62%；2018 年印尼不銹鋼總產(chǎn)量為219.3 萬 t，比2017年增加了141.3萬 t，增幅為181.15%。不銹鋼產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)推動(dòng)了鎳的需求量以及鎳資源的消耗量大幅度增加。

目前，世界上可利用的鎳資源包括2 類，即硫化鎳礦和紅土鎳礦。在已探明的鎳資源儲(chǔ)量中，硫化鎳礦占比約30%，紅土鎳礦占比約70%[6-7]，然而，約70%的鎳產(chǎn)量來源于硫化鎳礦[8]。隨著硫化鎳礦的不斷消耗，目前可供開采的硫化鎳礦資源越來越少，而且硫化鎳礦勘探周期和建設(shè)周期均比較長(zhǎng)，而紅土鎳礦作為將來鎳資源的主要原料，儲(chǔ)量豐富，易于開采，運(yùn)輸便利，因此高效開發(fā)利用紅土鎳礦對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。

由于紅土礦中鎳與其他礦物共生，鎳嵌布在礦物中，難以通過選礦方法富集，通常采用直接冶煉生產(chǎn)金屬鎳、鎳鐵或鎳锍。目前，國內(nèi)外處理紅土鎳礦的方法主要有火法冶煉和濕法冶煉兩種。火法冶煉工藝具有流程短，生產(chǎn)效率高，工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)。本文主要分析火法冶煉技術(shù)處理紅土鎳礦的工藝現(xiàn)狀及研究進(jìn)展。

1 紅土鎳礦火法冶煉工藝現(xiàn)狀

1.1 還原硫化熔煉鎳锍工藝

還原硫化熔煉鎳锍工藝流程為：先將紅土鎳礦干燥脫除自由水以及部分結(jié)晶水，配加硫化劑[9]（硫磺、黃鐵礦、石膏或含硫的鎳原料）和還原劑（焦炭粉）在鼓風(fēng)爐或電爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度為1500 ～1600℃，通過調(diào)整還原劑和硫化劑的加入量得到不同成分的低鎳锍，然后可送入轉(zhuǎn)爐進(jìn)一步吹煉成為高鎳锍[10]。其工藝流程見圖1。

圖 1 還原硫化熔煉鎳锍工藝流程Fig .1 Flow diagram of reduction smelting nickel matte process

還原硫化熔煉鎳锍的原理為：爐料中的焦炭在鼓風(fēng)爐內(nèi)被熱空氣氧化產(chǎn)生CO 和CO2，紅土鎳礦中的鎳、鐵等金屬氧化物被CO 還原為金屬鎳、鐵，又被爐料中的黃鐵礦、石膏等硫化劑硫化反應(yīng)生成硫化鎳、硫化鐵，這些金屬硫化物的混合產(chǎn)物即為低鎳锍[10]。

還原硫化熔煉鎳锍工藝具有工藝成熟，設(shè)備成本低，操作簡(jiǎn)單，鎳產(chǎn)品形式多樣等優(yōu)點(diǎn)，但存在能耗高，特別是煤粉消耗量大，對(duì)環(huán)境影響大[11-12]，鼓風(fēng)爐排出的煙氣需要治理，鎳收得率比較低等不足之處[13]。

1.2 回轉(zhuǎn)窯干燥預(yù)還原-電爐熔煉工藝

回轉(zhuǎn)窯干燥預(yù)還原-電爐熔煉工藝（RKEF）是目前世界上應(yīng)用最廣泛的火法冶煉紅土鎳礦工藝方法。采用此方法的中國企業(yè)見表1。

表 1 采用RKEF 工藝的一些企業(yè)[14-15]Table 1 Some companies adopting RKEF process

該方法的生產(chǎn)過程為：將紅土鎳礦破碎篩分至粒度范圍為50 ～150 mm，送入回轉(zhuǎn)窯干燥預(yù)還原得到焙砂，焙砂配加還原劑裝入電爐還原熔煉獲得含鎳＞8%的粗鎳鐵，再經(jīng)轉(zhuǎn)爐進(jìn)一步吹煉可生產(chǎn)出含鎳＞25%的高品位鎳鐵，可用于生產(chǎn)不銹鋼[14]。其工藝流程見圖2。

圖 2 回轉(zhuǎn)窯干燥預(yù)還原-電爐熔煉工藝流程Fig .2 Flow diagram of RKEF reduction smelting process

回轉(zhuǎn)窯干燥預(yù)還原-電爐熔煉工藝（RKEF）是目前生產(chǎn)鎳鐵合金的主要工藝[16]，該方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝流程短，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在以下問題需要解決或優(yōu)化[17-18]：（1）回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈嚴(yán)重，維修成本高；（2）能耗高，渣量大，要求當(dāng)?shù)赜谐渑娴娜剂匣螂娏?；?）無法回收紅土鎳礦中的鈷，適用于鈷含量小于0.05%的紅土鎳礦；（4）紅土鎳礦中鎳的含量對(duì)該工藝的生產(chǎn)成本影響很大，適合冶煉含鎳量大于2%的礦石。

1.3 還原焙燒-磁選工藝

還原焙燒-磁選工藝又被稱為回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝，目前世界上采用此工藝方法的企業(yè)只有日本大江山冶煉廠[14]。該工藝流程為紅土鎳礦破碎磨細(xì)，配加煤粉和石灰石熔劑混勻壓制成為含碳球團(tuán)，送入回轉(zhuǎn)窯經(jīng)過干燥和還原焙燒后磨細(xì)，礦漿經(jīng)過重選和磁選等處理即可獲得鎳鐵合金[18]。其工藝流程見圖3。

圖 3 還原焙燒-磁選工藝流程Fig .3 Flow diagram of reduction roasting magnetic separation process

還原焙燒-磁選工藝的優(yōu)勢(shì)在于能耗小，生產(chǎn)成本比較低[18]，但是也存在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)還原難以控制，操作難度大，磁選參數(shù)不易控制等問題，生產(chǎn)規(guī)模仍停留在年產(chǎn)鎳量大約1 萬 t。

1.4 轉(zhuǎn)底爐直接還原-熔分爐冶煉工藝

轉(zhuǎn)底爐最開始是應(yīng)用于軋鋼廠的環(huán)形加熱爐，隨后被鋼鐵廠用于處理含鐵塵泥及固體廢棄物，再后來被美國、日本、德國等國家用于直接還原鐵礦石。轉(zhuǎn)底爐的環(huán)形爐膛是固定的，爐膛布置有多組燃?xì)鉄欤糜诳刂妻D(zhuǎn)底爐內(nèi)不同區(qū)域的溫度和氣氛；轉(zhuǎn)底爐的爐底是旋轉(zhuǎn)的，需要還原處理的含碳球團(tuán)爐料被上料系統(tǒng)鋪在爐底，爐料隨著爐底旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過轉(zhuǎn)底爐內(nèi)不同區(qū)域的還原溫度和氣氛，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘倩驁F(tuán)。轉(zhuǎn)底爐直接還原-熔分爐冶煉工藝處理紅土鎳礦工藝主要流程為：紅土鎳礦破碎篩分磨細(xì)，加入還原劑（煤粉）和熔劑（石灰石）混勻，使用圓盤造球機(jī)或?qū)亯呵驒C(jī)制備含碳球團(tuán)，含碳球團(tuán)送入轉(zhuǎn)底爐直接還原后成為金屬化球團(tuán)，金屬化球團(tuán)送入熔分爐熔煉，使渣鐵分離，獲得鎳鐵合金。其工藝流程見圖4。

圖 4 轉(zhuǎn)底爐直接還原-熔分爐冶煉工藝流程Fig .4 Flow diagram of rotary hearth furnace reduction-melting furnace smelting process

轉(zhuǎn)底爐直接還原-熔分爐冶煉工藝的優(yōu)勢(shì)在于以煤制氣或天然氣為燃料，采用非焦煤作為還原劑，對(duì)原、燃料的適應(yīng)范圍廣泛；工藝流程和冶煉周期短，生產(chǎn)效率高；生產(chǎn)過程容易控制，運(yùn)行比較穩(wěn)定；轉(zhuǎn)底爐還原后的含碳球團(tuán)被直接熱裝熱送入熔分爐內(nèi)，避免了含碳球團(tuán)冷卻造成的熱量浪費(fèi)，能耗低，對(duì)環(huán)境影響小；設(shè)備費(fèi)用小，生產(chǎn)成本低[18]。但是也存在轉(zhuǎn)底爐熱效率低，對(duì)球團(tuán)的強(qiáng)度要求高等需要改善的不足。

根據(jù)上述分析，對(duì)不同紅土鎳礦火法冶煉工藝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2。

表 2 不同紅土鎳礦火法冶煉工藝的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比[15]Table 2 comparison of different pyrometallurgy process

2 紅土鎳礦火法冶煉研究進(jìn)展及前景

紅土鎳礦作為未來生產(chǎn)鎳的主要原料，高效開發(fā)紅土鎳礦具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。很多科研工作者對(duì)紅土鎳礦進(jìn)行了深入研究。有的學(xué)者對(duì)焙燒過程或者干燥預(yù)處理過程中紅土鎳礦的礦物學(xué)特征進(jìn)行了深入研究。徐玉棱等[19]對(duì)印度尼西亞紅土鎳礦焙燒過程中礦相轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)紅土鎳礦在300℃脫除結(jié)晶水形成赤鐵礦，在700℃蛇紋石分解產(chǎn)生無定形態(tài)硅鎂酸鹽。張鈺婷等[20]對(duì)微波干燥后的紅土鎳礦進(jìn)行了礦相分析，結(jié)果表明微波能夠改變紅土鎳礦的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步的氫還原試驗(yàn)表明，經(jīng)微波干燥處理后鎳氧化物和鐵氧化物還原率高于經(jīng)常規(guī)干燥處理。劉志國等[21]對(duì)紅土鎳礦還原焙燒過程中CaO 的作用機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)CaO 與硅酸鹽礦物反應(yīng)形成輝石，降低NiO與SiO2結(jié)合的概率。蔣曼等[22]采用選擇性還原焙燒紅土鎳礦富集鎳，并對(duì)紅土鎳礦微觀結(jié)構(gòu)和相變轉(zhuǎn)化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)鐵氧化物形成浮氏體相，硅酸鹽以橄欖石形式存在。

有的學(xué)者對(duì)紅土鎳礦冶煉工藝條件優(yōu)化進(jìn)行了試驗(yàn)研究。朱德慶等[23]對(duì)低品位腐殖土型紅土鎳礦進(jìn)行了還原-磁選試驗(yàn)研究，通過配加添加劑提高鎳和鐵回收效果，在添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%，堿度為0.2，還原溫度為1250℃，煤與礦質(zhì)量比為2.7，磨礦細(xì)度-0.074 mm，磁選磁場(chǎng)強(qiáng)度為131.34 kA/m 條件下，獲得了鎳和鐵品位分別為4.22%和69.75%的精礦，鎳和鐵回收率分為達(dá)到92.22%和85.73%。劉暢等[24]對(duì)適用于高鎂型紅土鎳礦還原的渣系進(jìn)行了分析，認(rèn)為MgO 含量為21%～22%時(shí)，渣系的熔化溫度較低，黏度適宜，熔煉試驗(yàn)結(jié)果顯示渣中NiO 含量低于0.05%。揭曉武等[25]對(duì)殘積型紅土鎳礦還原焙燒-磁選富集鎳鐵進(jìn)行了試驗(yàn)研究，較佳工藝參數(shù)為：促進(jìn)劑添加量為5%，煤粉添加量為7%，焙燒溫度為1200℃，焙燒時(shí)間為150 min，獲得了鎳7.32%，鐵73.85%的精礦，鎳回收率達(dá)到93%，鐵回收率達(dá)到75%。

有的學(xué)者采用不同還原劑對(duì)紅土鎳礦還原進(jìn)行了試驗(yàn)研究。胡志強(qiáng)等[26]采用3 種不同的煙煤對(duì)紅土鎳礦還原焙燒進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)固定碳含量相同時(shí)，揮發(fā)分越高，還原效果越好。蔣曼等[27]采用銀坪石煤、寧夏褐煤、寧夏煙煤和云南褐煤等4 種不同種類的煤粉作為還原劑對(duì)紅土鎳礦進(jìn)行還原焙燒-磁選試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)4 種煤粉中寧夏煙煤還原效果最好。張鈺婷等[28]研究了氫氣氮?dú)饣旌蠚怏w對(duì)低品位紅土鎳礦還原效果，得到的最優(yōu)試驗(yàn)條件為：還原溫度為850℃，還原時(shí)間為40 min，氫氣65%氮?dú)?5%混合氣體，鎳和鐵的還原率分別達(dá)到43%和62%。

有的學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)底爐處理紅土鎳礦進(jìn)行了研究。范興祥等[29]研究了紅土鎳礦經(jīng)轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原后進(jìn)入電爐熔分制備鎳鐵合金的工藝，最優(yōu)條件為：石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，還原劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%，預(yù)還原溫度為1150℃，預(yù)還原時(shí)間為30 min，電爐熔分溫度為1450℃，熔分時(shí)間為15 min，制備的鎳鐵合金中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.68%，鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86.23%，該工藝實(shí)現(xiàn)鎳回收率達(dá)到97.62%。胡長(zhǎng)松[30]對(duì)轉(zhuǎn)底爐直接還原-電爐熔煉工藝處理紅土鎳礦進(jìn)行了中試試驗(yàn)，結(jié)果表明，石灰石配比為6%，還原溫度為1300℃，配煤比為1%，還原時(shí)間為20 min，鎳和鐵回收率最高，分別為81.76%和91.66%。在1450℃熔煉后獲得了鎳10.77%、鐵82.00%的鎳鐵合金。馬丁等[31]對(duì)轉(zhuǎn)底爐處理紅土鎳礦工業(yè)實(shí)踐進(jìn)行了分析，詳細(xì)介紹了轉(zhuǎn)底爐系統(tǒng)的組成。李紅科等[32]介紹了轉(zhuǎn)底爐還原紅土鎳礦-鐵浴爐冶煉鎳鐵合金工藝，并進(jìn)行了工業(yè)實(shí)踐。

最近兩年新建轉(zhuǎn)底爐數(shù)量不斷增加，目前首鋼京唐、上海寶鋼等單位正在建設(shè)轉(zhuǎn)底爐。隨著轉(zhuǎn)底爐應(yīng)用越來越多，工藝參數(shù)不斷優(yōu)化提升，轉(zhuǎn)底爐處理紅土鎳礦工藝的應(yīng)用前景愈發(fā)光明。

3 結(jié) 語

（1）隨著全球各國對(duì)鎳需求量的不斷增加，硫化鎳礦資源日益枯竭，紅土鎳礦將成為生產(chǎn)鎳的主要原料，高效開發(fā)利用紅土鎳礦成為眾多科研工作者的研究焦點(diǎn)，綜合利用紅土鎳礦對(duì)世界各國發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（2）處理紅土鎳礦的工藝方法均需要考慮紅土鎳礦資源的特點(diǎn)、工藝流程、設(shè)備成本，建設(shè)周期、能耗大小、環(huán)境保護(hù)等因素。當(dāng)前，還原硫化熔煉鎳锍工藝和回轉(zhuǎn)窯-電爐冶煉鎳鐵工藝均存在能耗高，污染嚴(yán)重的問題，還原焙燒-磁選工藝存在還原過程難以控制，生產(chǎn)規(guī)模難以擴(kuò)大的不足，降低能耗，減輕污染，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)是當(dāng)下急需解決的問題。

（3）轉(zhuǎn)底爐直接還原-熔分爐冶煉工藝處理紅土鎳礦，以煤制氣或天熱氣作為能量來源，非焦煤作為還原劑與紅土鎳礦配礦，壓制成含碳球團(tuán)，送入轉(zhuǎn)底爐還原后進(jìn)入熔分爐熔煉生產(chǎn)鎳鐵合金。該工藝具有原料適應(yīng)性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，工藝流程短，設(shè)備成本低，生產(chǎn)過程容易控制，對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的發(fā)展前景。