鎳冶金NickelMetallurgy1第五節(jié)氧化鎳礦的火法冶金2

氧化鎳礦有兩種類型：一種是褐鐵礦型，通常蘊藏在氧化礦床的表層，其主要成分是含鐵的氧化礦物；另一種是硅酸鹽型，通常儲藏于氧化礦床的較深層。氧化鎳礦中鎳呈化學浸染狀態(tài)，因而不能采取選礦的方法進行富集。雖然處理這種低品位原料的加工費用比較高，但其開采容易、開采費低，從而可以得到補償。火法處理氧化鎳礦的方法主要有兩種：一種是還原、硫化、熔煉，產(chǎn)出鎳锍而與脈石分離；另一種是還原硫化熔煉。其中以鼓風爐還原硫化熔煉較為普遍。3一、氧化鎳礦燒結和鼓風爐熔煉1、氧化鎳礦的燒結氧化鎳礦由于疏松易碎且含水量較高，不宜直接裝入鼓風爐中熔煉，一般需要先經(jīng)制團或燒結成塊料后才入爐熔煉。不管采用哪種預處理方法，事先都需要經(jīng)破碎、篩分、配料或干燥等幾個工序。

氧化鎳礦干燥至含水10~14%后，配入硫化劑，在對輥式制團機制團，再經(jīng)干燥即可進鼓風爐熔煉。

應用最普遍的是燒結塊熔煉。燒結時配入8~11%焦粉和25~30%返粉，燒結料層溫度1150~1200℃。硫化劑黃鐵礦可在燒結時配入以獲得硫化燒結塊。4

氧化鎳礦燒結屬還原燒結，所需熱量絕大部分由焦粉燃燒供給。燒結時發(fā)生脫水、分解、還原、造渣和硫化反應：2Fe2O3·3H2O=2Fe2O3+3H2OCaCO3=CaO+CO23Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO22FeO+SiO2=2FeO·SiO2NiO+CO+1/2S2=NiS+CO252、鼓風爐還原硫化熔煉

燒結塊送鼓風爐熔煉而得冰鎳。冰鎳和冰銅相似，也是硫化物的熔體。由于這種熔煉方法是將礦石中的鎳、鈷和部分鐵還原并使其硫化為金屬硫化物與熔渣分開，故稱還原硫化熔煉。進爐爐料由團礦或燒結塊、硫化劑和熔劑組成。此外加入大量的（20~30%）焦炭作為燃料與還原劑。大量焦炭在風口區(qū)燃燒，使風口附近的爐溫達1700℃以上。結果使固體爐料熔化，成為鎳锍和爐渣兩種熔體流入本床。高溫爐氣向上流動，使向下運動的爐料加熱并進行還原、硫化、熔化等過程。6（1）離解反應

黃鐵礦在超過600℃，會離解為FeS。黃鐵礦的離解是不希望發(fā)生的，因為反應發(fā)生在爐子上部，導致一半硫沒有參與硫化反應，而以硫蒸氣或被氧化成SO2為煙氣所帶走。此外黃鐵礦離解常常伴隨著崩裂作用，形成大量碎塊，這些碎塊也易為煙氣所帶走，造成硫化劑消耗過高。因此在生產(chǎn)上采取增大黃鐵礦粒度的措施，以降低其離解率。一般粒度保持在25~50mm。過大也不好，因為過大粒度的硫化劑在爐內分布不均勻。由于黃鐵礦的這一缺點，許多工廠都樂于采用較難離解的石膏（CaSO4）作硫化劑。7（2）還原反應鼓風爐還原的主要反應為：NiO+C(CO)=Ni+CO(CO2)NiSiO3+2FeO+C(CO)=Ni+Fe2SiO4+CO(CO2)NiSiO3+CaO+C(CO)=Ni+CaSiO3+CO(CO2)Fe3O4+CO=3FeO+CO2FeO+CO=Fe+CO2Fe3O4+CO+3/2SiO2=3/2Fe2SiO4+CO2Fe2SiO4+2CO=2Fe+SiO2+2CO2

最易還原的氧化物是NiO，而硅酸鎳的還原要難得多，當爐料中存在FeO和CaO時，由于形成硅酸鹽，可以加速硅酸鎳的還原反應。8

一定量的鐵氧化物被還原為金屬鐵是有利的，因為金屬鐵可使硫化過程和造鎳锍過程加速。但是爐內還原程度高，以鎳鐵形態(tài)存在的金屬鐵量會增多。在鼓風爐熔煉的溫度下，鎳鐵在鎳锍中溶解度有限，便有可能在本床析出成為爐結，給生產(chǎn)帶來麻煩。

爐內還原度過低也是不希望的，因為這會降低鎳在鎳锍中的回收率。9（3）硫化反應以石膏作硫化劑時，以下式離解：CaSO4·2H2O=CaO+SO3+2H2O

隨后含有CO和SO3的氣體與金屬氧化物相互反應而使后者硫化：3NiO+9CO+2SO3=Ni3S2+9CO2FeO+4CO+SO3=FeS+4CO23NiSiO3+9CO+2SO3=Ni3S2+3SiO2+9CO21/2Fe2SiO4+4CO+SO3=FeS+1/2SiO2+4CO210

在有焦炭存在時，SO3可在600℃將鎳硫化。在焦點區(qū)附近，還原硫化反應所形成的硫化物和少量金屬相與爐渣一起熔化，當這些熔體流經(jīng)風口區(qū)時，有少部分被再氧化為氧化物。鎳的氧化物在本床再與金屬鐵和FeS相互反應，最后完成鎳的硫化過程。3NiO+FeS+Fe=Ni3S2+3FeO3NiSiO3+2FeS+Fe=Ni3S2+3/2Fe2SiO4+3/2SiO2NiO+Fe=FeO+Ni2NiSiO3+2Fe=2Ni+Fe2SiO4+SiO211

熔煉的產(chǎn)品為冰鎳、爐渣和爐氣。氧化鎳還原硫化熔煉所產(chǎn)冰鎳為低鎳锍，是溶有金屬的硫化物熔體，金屬化程度可達50%，Ni、Fe、S總量超過95%，故可用Ni-Fe-S狀態(tài)圖來研究。溫度降低時在I區(qū)首先析出的是鎳鐵合金，即冰鎳金屬化程度愈高，共熔點也愈高。12

在II區(qū)析出的是2FeS·Ni3S2-Ni3S2和Ni3S2-Ni組成的固溶體，且含Ni3S2愈高的冰鎳，其熔點也愈低。然而在實際生產(chǎn)中，冰鎳含硫一般為16~20%，這一成分正落在I區(qū)內，故冰鎳的熔點比冰銅高，當本床溫度稍有降低時，便有析出鎳鐵爐結的可能性。氧化鎳礦還原硫化熔煉的爐渣為高硅高鎂渣型，且渣量很大。工廠的渣組成范圍（%）：39~45SiO2，16~20FeO，14~18CaO，6~8Al2O3，8~11MgO，1~1.5Cr2O3，并要求SiO2+Al2O3不宜超過50%，以免爐渣難熔。鼓風爐的煙氣組成（%）：10~16%CO2，8~16CO，0.5~1.0O2。13二、冰鎳的吹煉冰鎳吹煉為周期性作業(yè)，分兩個階段，即吹煉階段和精煉階段。

吹煉的目的是除去冰鎳中大部分的硫和鐵，待爐內有足夠的富冰鎳時，集中到一個轉爐內進行精煉。金屬化的冰鎳含有較多的金屬鎳和金屬鐵。吹煉時，由于鐵對氧的親和力很大，所以在大部分金屬鐵氧化除去后，F(xiàn)eS才開始氧化。

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冰鎳猶如冰銅一樣在臥式轉爐中吹煉，但最終產(chǎn)品不是金屬鎳，而是Ni3S2和Ni組成的合金（高冰鎳），原因是金屬鎳（1453℃）和氧化鎳（1665℃）熔點都很高，空氣吹煉放出的熱不足以維持如此高的爐溫；且反應Ni3S2+4NiO=7Ni+2SO2要高到約1700℃溫度時，pSO2才達到101325Pa，在普通的冰鎳吹煉轉爐是不能達到的。由此可見冰鎳吹煉的主要反應是鐵和部分硫的氧化。15

精煉的目的是使殘留的鐵和鈷氧化造渣，使富冰鎳的品位提高成高冰鎳。

溫度越高，鈷的氧化造渣便越完全。為此在精煉階段開始時，先倒入少量冰鎳以提高轉爐熔池溫度。有的工廠采用爐外精煉除鐵的方法，即高冰鎳注入沉淀罐中保溫冷卻一小時，溫度由1250~1300℃降至900℃（高出冰鎳熔點100℃），由于高冰鎳熔體內的氧將鐵進一步氧化，含鐵由0.8~1.0%降至0.2%。16三、高冰鎳的處理高冰鎳含（%）：78~79.5Ni，0.3~0.5%Fe，0.8~2.5Cu，17~19S，且金屬鎳約占全鎳的20%。高冰鎳經(jīng)破碎和焙燒后，還原成粗鎳陽極。

焙燒的目的是使高冰鎳中的硫化物氧化，同時使銅變成可溶銅，以便浸出除去。焙燒分沸騰爐焙燒和回轉窯焙燒兩步進行。

沸騰焙燒是為了氧化脫硫。溫度為970~1150℃。此時金屬和硫化物先后氧化。過程能自熱進行。焙砂含硫可降至0.4~0.6%。17

高溫焙砂從沸騰爐直接卸入回轉窯，靠焙砂自身的熱和反應熱即可維持窯頭反應帶溫度在600~750℃。回轉窯焙燒的目的在于使銅轉變?yōu)橐兹苡谒嵝运芤旱牧蛩猁}、氯化物和氯酸鹽，而鎳、鈷、鐵則基本上仍為氧化物狀態(tài)。由圖可知，在加入食鹽（8~15%）作氯化劑焙燒時，Cu2O形成氯化物的強度最大而Fe3O4最小。各種氯化物在空氣中的穩(wěn)定性也不同，其中以銅的氯化物最穩(wěn)定。Cu2ONiOCr3O4Fe2O3Fe3O4氯化金屬為原始金屬的%溫度，℃18

溶浸除銅的焙砂在另一臺回轉窯烘干和氧化焙燒。焙燒產(chǎn)物為氧化亞鎳，配入石油焦或瀝青焦在電弧爐中還原，產(chǎn)生鎳錠、鎳粒或金屬鎳陽極。還原時多配一些還原劑使鎳滲碳，以降低其熔點，使熔化過程加速。待熔化后再加NiO脫碳：Ni3C+NiO=4Ni+CO脫硫則用高純石灰石，反應為：Ni3S2+2CaO+2C=3Ni+2CaS+2CO其后再加入元素硅脫氧，得致密粗鎳陽極。19四、氧化鎳礦制取鎳鐵從氧化鎳礦生產(chǎn)鎳鐵的工藝較簡單，大多采用回轉窯干燥及預還原，然后在電爐內進行還原熔煉。適于處理含鎳較高含鈷、銅低的紅土礦，一般可回收鎳90%~95%，回收鐵50%~60%，經(jīng)精煉后的鎳回收率仍可達85%以上。由于合金鋼的生產(chǎn)對鎳鐵商品的需求日益增加，目前世界各因日益重視紅土礦的開發(fā)。由于原料成分不同，特別是Fe/Ni比和SiO2/MgO比的不同，處理含鎳紅土礦的各廠采用了不同的生產(chǎn)方法。然而，所有的生產(chǎn)都有如下共同之處。20

（1）干燥。紅土礦的真實水分約為30%~45%，各家工廠大都在~250℃的低溫條件下用回轉窯將礦石干至殘余水分為15%~20%，以免干燥過程產(chǎn)生過量粉塵。（2）焙燒和預還原。紅土礦的化學結合水一般在~400℃下脫除，當?shù)V石移向窯的加熱端時，溫度升高，還原勢增強，礦石在500~600℃下開始金屬化，當?shù)V石到達出料端時，溫度可升至800~900℃，并且大部分的NiO和少部分的氧化鐵還原成金屬。窯內最高工作溫度受到礦石在窯壁上結塊并形成爐結的限制。211、電爐熔煉法此法應用較廣。經(jīng)回轉窯脫水、干燥以后加熱至1000℃左右的鎳礦，連續(xù)裝入電爐進行還原熔煉得金屬鎳。鐵和硅都比鎳更難還原，但因其含量高，也有少量被還原。

其中一部分碳將鎳和鐵的氧化物還原成鎳鐵，一部分則溶入鎳鐵中，熔煉獲得的高碳鎳鐵合金，可直接用作生產(chǎn)不銹鋼的原料，或送去精煉。鎳在電爐熔煉中的回收率約為97%。22

爐渣成分主要是SiO2和MgO，因電爐熔煉時不加入石灰石熔劑。電爐熔煉得到的鎳鐵合金精煉是在煉鋼轉爐中進行。

在加入熔劑情況下鼓入空氣或氧氣，使