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低品位红土镍矿真空碳热还原机理及实验研究

罗启  
【摘要】:镍作为一种重要的战略金属,广泛应用于化工、冶金、机械制造、建筑、航天、仪器仪表、电镀、电池等领域,是社会和经济发展不可缺少的金属资源。随着世界镍需求的不断攀升和硫化镍矿资源的逐渐枯竭,对于红土镍矿的研究迫在眉睫。真空冶金具有能耗低、清洁、环境友好等特点而得到了较多的关注。因此本文总结了国内外对红土镍矿开发利用的现状,以提高资源的综合利用和降低生产成本为目的,提出了红土镍矿真空碳热还原-磁选回收镁、镍铁及硅的新工艺,得到如下结论: 热力学研究表明:在100Pa条件下,镍、铁氧化物的临界反应温度为522~706K;Si02的临界反应温度为1330~1427K,产物为SiC和SiO,SiO气体容易挥发且温度低于1538K时极不稳定,容易歧化分解为Si和SiO2;氧化镁和碳生成镁蒸气的碳热还原反应是固体碳直接还原的固-固反应,临界反应温度为1467K,高于Si02的临界反应温度,在红土镍矿真空还原回收镁的同时不可避免会产生SiO气体,污染金属镁;硅、镁氧化物的真空碳热还原温度比在常压下降低了456~552K;在温度较低的冷凝系统,Mg蒸气与CO、02和Si的反应在系统压力为1Pa时,其吉布斯自由能仍为负值,生成MgO和Mg2Si,影响金属镁的纯度。 红土镍矿原矿性质的研究表明:在103.4℃时脱除吸附水,581.7℃时脱除结晶水,794.2℃时脱除蛇纹石中所含有的结构水,817.7℃时蛇纹石脱羟基生成镁橄榄石;Mg、Fe和Si的元素面分布很稠密,Ni的元素面分布非常稀散;镍是取代硅酸盐晶格中镁或铁的形式存在;在700℃时干燥焙烧能够改变矿物的微观结构,促进矿物的分解;在1450℃时干燥焙烧物料发生熔融,形成了结晶良好的2MgO·SiO2和MgO·SiO2,结构紧密,气孔率低,还原性差。 红土镍矿真空碳热还原-磁选研究表明:还原过程产物主要有Fe-Si合金、Mg蒸气和SiO气体,其中SiO挥发至冷凝系统歧解生成Si和Si02,金属Mg在冷凝系统受到O、Si元素的轻度污染;反应温度的升高、还原煤用量的增加和反应时间的延长,镁的还原率显著增大,渣中镍的含量也有所上升;添加剂CaO和CaF2可显著改善红土镍矿的还原效果,促进了镍铁颗粒的聚集;磨矿细度和磁场强度对镍铁合金和碳化硅的磁选分离影响较大,粒度不够或者磁场强度过大,均会使过多的非磁产品夹杂在磁性产品中,降低镍、铁的品位和硅的回收率;当磨矿细度为-400目,电流强度为4A时,磁性产品中镍含量和回收率为5.21%和87.7%,铁含量和回收率为53.5%和88.5%,非磁产品中硅的回收率为69.4%。 对二氧化硅在真空碳热还原过程中的挥发行为进行研究发现:Si02和C反应生成的SiO气体挥发至石墨冷凝系统歧化生成Si和Si02,造成硅的损失,且有部分SiO气体和石墨反应生成SiC;Fe/Si摩尔比的增大、配碳量的增加以及还原剂粒度的减小均降低了硅的挥发率,提高了Si02还原反应速率;反应时间的延长和升温速率的提高,增加了硅的挥发率。 最后对红土镍矿添加铁粉和增加煤炭细度进行的研究表明:当Fe粉添加量为6%,煤炭由原来的小于-140目细磨至小于-250目,钢板冷凝系统的镁块由含Mg67.5%、Si1.2%变为Mg69.2%、Si0.8%,硅的挥发率从25.1%降低到20.3%。 本文的冶炼工艺创新了红土镍矿综合提取有价金属的技术,流程短,能耗低,原料适应性强,具有较强的推广和应用前景。


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