红土镍矿原矿性质及其对直接还原焙烧的影响机理

第36卷第11期 北京科技大学学报 Vol.36 No.11 2014年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing NoV.2014 红土镍矿原矿性质及其对直接还原焙烧的影响机理 刘志国，孙体昌，蒋曼，许言，高恩霞，刘真真 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:sunte(@ces.usth.cdu.cn 摘要以两种红土镍矿为研究对象，通过光学显微镜、电子显微镜、X射线衍射等手段对试样进行了分析，对比其异同点，并 进行选择性还原焙烧实验，研究红土矿原矿性质对其还原焙烧的影响.结果发现，两种试样所含主要矿物相同，载镍矿相同， 镍在原矿中分布规律也相似，但由于F、Sⅰ和Mg含量的差异造成其选择性还原培烧一磁选结果有很大差异.其原因可能是焙 烧过程中铁、镁、钙等阳离子和硅氧离子形成不同硅酸盐，影响了焙烧矿的熔融性和镍的反应活性 关键词红土镍矿：矿物学；直接还原：焙烧：添加剂：硅酸盐 分类号TD952:TF815 Laterite ore properties and their influence mechanism on direct reduction roasting LIU Zhi-guo,SUN Ti-chang,JIANG Man,XU Yan,GAO En-xia,LIU Zhen-zhen School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:sunte@ces.ustb.edu.cn ABSTRACT Two types of nickel laterite ores were chosen as the object of study.Optical microscopy,scanning electron microscopy and X-ray diffraction were used to analyze the similarity and difference between the two ores.Both the ores were beneficiated by a se- lective reduction roasting-magnetic separation method for studying the influence of ore properties on direct reduction roasting.It is found that the main minerals,nickel-bearing minerals and nickel distribution are very similar in the two ores.But due to the difference in content of iron,silicon and magnesium,the beneficiation results using the selective reduction roasting-magnetic separation are quite different.This is probably the reason that in the roasting process,iron,magnesium and calcium cations react with silicate anions to form different silicates,affecting the melting properties of roasting ores and the reactivity of nickel. KEY WORDS laterite ore;mineralogy:direct reduction:roasting:additives:silicates 镍资源按地质成因主要划分为两大类：岩浆型 铁、镍和钴会有不同的迁移行为.硅、镁、镍等元素 硫化镍矿床和风化型红土镍矿床.资料表明，镍矿 表生迁移能力强而铁的迁移能力较差，导致其风化 资源的60%属于红土型镍矿床，40%属于岩浆型硫 形成的红土镍矿有明显的分层.一般情况下矿化剖 化物矿床.由于硫化镍矿选矿比较容易，目前60% 面自上而下分别是红土层（又称褐铁矿层）、腐岩层 以上的镍产量来源于硫化镍矿口.随着治金等行 和基岩层B-.在红土层主要的载镍矿物是针铁 业，特别是不锈钢工业的快速发展，镍的需求不断增 矿，镍以吸附的形式被针铁矿捕获，镍的质量分数在 加，而世界可供开发的硫化镍资源逐渐短缺.因此， 1%左右.在腐岩层主要的载镍矿物是镍蛇纹石、镍 从储量丰富的红土矿中提取镍成为了研究的热点. 绿泥石等含镍的硅酸盐矿物，镍一般以类质同象的 红土镍矿是超基性岩暴露在表生环境后受到氧 形式存在于含镍硅酸盐中，镍的质量分数一般大于 化、水解、碳酸等作用，经长期风化沉积形成的回. 1.5%. 在风化沉积过程中，超基性岩的造岩元素如硅、镁、 针对不同性质的红土矿有不同的镍回收方法 收稿日期：2013-09-03 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20130006110017) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.11.004;http:/journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 11 期 2014 年 11 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 11 Nov． 2014 红土镍矿原矿性质及其对直接还原焙烧的影响机理 刘志国，孙体昌，蒋 曼，许 言，高恩霞，刘真真 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: suntc@ ces． ustb． edu． cn 摘 要 以两种红土镍矿为研究对象，通过光学显微镜、电子显微镜、X 射线衍射等手段对试样进行了分析，对比其异同点，并 进行选择性还原焙烧实验，研究红土矿原矿性质对其还原焙烧的影响． 结果发现，两种试样所含主要矿物相同，载镍矿相同， 镍在原矿中分布规律也相似，但由于 Fe、Si 和 Mg 含量的差异造成其选择性还原焙烧--磁选结果有很大差异． 其原因可能是焙 烧过程中铁、镁、钙等阳离子和硅氧离子形成不同硅酸盐，影响了焙烧矿的熔融性和镍的反应活性． 关键词 红土镍矿; 矿物学; 直接还原; 焙烧; 添加剂; 硅酸盐 分类号 TD 952; TF 815 Laterite ore properties and their influence mechanism on direct reduction roasting LIU Zhi-guo，SUN Ti-chang ，JIANG Man，XU Yan，GAO En-xia，LIU Zhen-zhen School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: suntc@ ces． ustb． edu． cn ABSTＲACT Two types of nickel laterite ores were chosen as the object of study． Optical microscopy，scanning electron microscopy and X-ray diffraction were used to analyze the similarity and difference between the two ores． Both the ores were beneficiated by a se￾lective reduction roasting-magnetic separation method for studying the influence of ore properties on direct reduction roasting． It is found that the main minerals，nickel-bearing minerals and nickel distribution are very similar in the two ores． But due to the difference in content of iron，silicon and magnesium，the beneficiation results using the selective reduction roasting--magnetic separation are quite different． This is probably the reason that in the roasting process，iron，magnesium and calcium cations react with silicate anions to form different silicates，affecting the melting properties of roasting ores and the reactivity of nickel． KEY WOＲDS laterite ore; mineralogy; direct reduction; roasting; additives; silicates 收稿日期: 2013--09--03 基金项目: 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目( 20130006110017) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 11． 004; http: / /journals． ustb． edu． cn 镍资源按地质成因主要划分为两大类: 岩浆型 硫化镍矿床和风化型红土镍矿床． 资料表明，镍矿 资源的 60% 属于红土型镍矿床，40% 属于岩浆型硫 化物矿床． 由于硫化镍矿选矿比较容易，目前 60% 以上的镍产量来源于硫化镍矿［1］． 随着冶金等行 业，特别是不锈钢工业的快速发展，镍的需求不断增 加，而世界可供开发的硫化镍资源逐渐短缺． 因此， 从储量丰富的红土矿中提取镍成为了研究的热点． 红土镍矿是超基性岩暴露在表生环境后受到氧 化、水解、碳酸等作用，经长期风化沉积形成的［2］． 在风化沉积过程中，超基性岩的造岩元素如硅、镁、 铁、镍和钴会有不同的迁移行为． 硅、镁、镍等元素 表生迁移能力强而铁的迁移能力较差，导致其风化 形成的红土镍矿有明显的分层． 一般情况下矿化剖 面自上而下分别是红土层( 又称褐铁矿层) 、腐岩层 和基岩层［3 － 4］． 在红土层主要的载镍矿物是针铁 矿，镍以吸附的形式被针铁矿捕获，镍的质量分数在 1% 左右． 在腐岩层主要的载镍矿物是镍蛇纹石、镍 绿泥石等含镍的硅酸盐矿物，镍一般以类质同象的 形式存在于含镍硅酸盐中，镍的质量分数一般大于 1. 5% ． 针对不同性质的红土矿有不同的镍回收方法．

第11期 刘志国等：红土镍矿原矿性质及其对直接还原焙烧的影响机理 ·1449· 表层铁高镁低的褐铁矿型红土矿一般采取湿法工 表1两种试样中主要元素（质量分数） 艺因，而腐殖层中含镁高铁低的硅酸盐型红土矿一 Table 1 Main elements in the two kinds of ore samples% 般采取火法工艺因，介于两者之间的两种工艺都可 试样Ni TFe Mg(0SiO2Al203Cr203Mn0Co203 采取.湿法工艺存在的问题是效率较低且部分工艺 试样11.4934.6912.8116.393.032.271.340.28 对设备要求严格，传统的火法工艺主要缺点是能耗 试样21.4626.6815.3224.814.311.930.940.36 较大·-.为解决上述问题，近年来众多学者采用 可以得出两试样所含的主要矿物种类基本相同，为 直接还原的方法处理红土镍矿取得了较好的效果. 叶蛇纹石、利蛇纹石、针铁矿和赤铁矿.对比两试样 李光辉等回研究了钠盐对红土镍矿还原焙烧磁选 的衍射峰的强度，可以发现试样1的利蛇纹石和针 的影响机理，得出添加钠盐能够促进红土镍矿的还 铁矿的含量相对较高，试样2的叶蛇纹石和赤铁矿 原焙烧.北京科技大学针对红土镍矿进行了煤基选 的含量相对较高.由于原矿中镍含量较低，在衍射 择性还原焙烧一磁选回收镍铁的实验研究。该方法 图谱中没有独立镍矿物的峰 的优点是流程短，效率高，与传统的火法工艺相比能 试样2 B/D A一利蛇纹石(1g.F),SiO)(O 耗较少，且直接还原产品中可获得较高的镍品位和 B一叶蛇纹石Mg.Si,OOH) C一针铁矿F0(0用 回收率.曹志成等0采用此方法处理镍品位为 赤铁矿Fe,O 1.86%、铁品位为13.59%的红土镍矿，得到了镍品 位为9.15%的镍铁产品，镍回收率为91.18%.及 亚娜等研究了烟煤、石煤等还原剂对选择性还原 试样I 的影响并研究了煤种影响机理. 在进行红土矿选择性还原焙烧一磁选的研究过 程中发现，添加剂是影响选择性还原的重要因素，而 且不同产地和性质的红土矿的最佳工艺条件相差很 20 40 20/) 大，所需的添加剂种类也有明显的不同，在焙烧过程 中曹志成等o、及亚娜等回及蒋曼等加了KD- 图1试样的X射线衍射谱 Fig.I X-ray diffraction patterns of ore samples 1、KD-2、IN、NCP、NCS等多种添加剂，取得了不同 的实验结果.本文选择两种不同产地的红土镍矿， 1.2矿物的嵌布关系和镍铁赋存状态研究 结合荧光分析、X射线衍射、扫描电镜、能谱分析等 由于镍含量较低，在X射线衍射分析中不能准 手段，确定红土矿中镍、铁、硅、镁等主要元素的含量 确得出镍的赋存矿物.为进一步研究各种矿物的嵌 及赋存状态，研究红土镍矿原矿性质，在此基础上考 布关系和镍铁的赋存状态，对试样进行了光学显微 察原矿性质对红土镍矿选择性还原焙烧效果的影响 镜和扫描电镜分析. 规律. 图2为两种试样的光学显微镜照片对比.由图 2可知，二者所含矿物基本相同，矿物形貌和嵌布关 1原矿性质比较 系也比较相似，都是部分蛇纹石以纯净的单矿物颗 粒存在，部分和针铁矿胶结连生在一起.针铁矿则 1.1原矿元素和矿物成分比较 成胶状矿物连成一片并包裹夹杂蛇纹石和赤铁矿. 研究用两种来自东南亚的红土镍矿，简称为试 但是可以发现试样2所含的蛇纹石相对较多，这与 样1和试样2.观察发现两种试样颜色有明显不同： 衍射结果相一致. 试样1颜色为棕黄色，试样2颜色为棕红色. 为查明各元素，尤其是铁镍元素的分布状态，对 采用X射线荧光光谱半定量分析和化学分析 两种试样分别进行扫描电镜分析，结果见图3.图3 的方法比较了两种试样主要元素含量的区别，结果 (a)为试样1低倍放大得到的形貌图，将框线部分 见表1.由表可知，两种试样所含元素种类相近，要 局部进一步放大得到图3(c);图3(b)为试样2低 回收利用的镍元素含量相差不大，但铁、镁和硅含量 倍放大得到的形貌图，将框线部分局部进一步放大 相差较大，其他次要元素如铝、铬、锰和钴的含量相 得到图3(d).通过能谱分析，发现两试样所含矿物 差不大 种类基本相同，与X射线衍射分析结果一致.在电 为确定两种试样中主要矿物种类的差别，对其 镜下可以发现两试样的胶结针铁矿内部细微的结构 进行了X射线衍射分析，结果见图1.从衍射谱中 也相似，形貌基本相同

第 11 期 刘志国等: 红土镍矿原矿性质及其对直接还原焙烧的影响机理 表层铁高镁低的褐铁矿型红土矿一般采取湿法工 艺［5］，而腐殖层中含镁高铁低的硅酸盐型红土矿一 般采取火法工艺［6］，介于两者之间的两种工艺都可 采取． 湿法工艺存在的问题是效率较低且部分工艺 对设备要求严格，传统的火法工艺主要缺点是能耗 较大［7 － 8］． 为解决上述问题，近年来众多学者采用 直接还原的方法处理红土镍矿取得了较好的效果． 李光辉等［9］研究了钠盐对红土镍矿还原焙烧磁选 的影响机理，得出添加钠盐能够促进红土镍矿的还 原焙烧． 北京科技大学针对红土镍矿进行了煤基选 择性还原焙烧--磁选回收镍铁的实验研究． 该方法 的优点是流程短，效率高，与传统的火法工艺相比能 耗较少，且直接还原产品中可获得较高的镍品位和 回收率． 曹 志 成 等［10］ 采用此方法处理镍品位为 1. 86% 、铁品位为 13. 59% 的红土镍矿，得到了镍品 位为 9. 15% 的镍铁产品，镍回收率为 91. 18% ． 及 亚娜等［11］研究了烟煤、石煤等还原剂对选择性还原 的影响并研究了煤种影响机理． 在进行红土矿选择性还原焙烧--磁选的研究过 程中发现，添加剂是影响选择性还原的重要因素，而 且不同产地和性质的红土矿的最佳工艺条件相差很 大，所需的添加剂种类也有明显的不同，在焙烧过程 中曹志成等［10］、及亚娜等［12］及蒋曼等［13］加了 KD-- 1、KD--2、IN、NCP、NCS 等多种添加剂，取得了不同 的实验结果． 本文选择两种不同产地的红土镍矿， 结合荧光分析、X 射线衍射、扫描电镜、能谱分析等 手段，确定红土矿中镍、铁、硅、镁等主要元素的含量 及赋存状态，研究红土镍矿原矿性质，在此基础上考 察原矿性质对红土镍矿选择性还原焙烧效果的影响 规律． 1 原矿性质比较 1. 1 原矿元素和矿物成分比较 研究用两种来自东南亚的红土镍矿，简称为试 样 1 和试样 2． 观察发现两种试样颜色有明显不同: 试样 1 颜色为棕黄色，试样 2 颜色为棕红色． 采用 X 射线荧光光谱半定量分析和化学分析 的方法比较了两种试样主要元素含量的区别，结果 见表 1． 由表可知，两种试样所含元素种类相近，要 回收利用的镍元素含量相差不大，但铁、镁和硅含量 相差较大，其他次要元素如铝、铬、锰和钴的含量相 差不大． 为确定两种试样中主要矿物种类的差别，对其 进 行了X射线衍射分析，结果见图1 ． 从衍射谱中 表 1 两种试样中主要元素( 质量分数) Table 1 Main elements in the two kinds of ore samples % 试样 Ni TFe MgO SiO2 Al2O3 Cr2O3 MnO Co2O3 试样 1 试样 2 1. 49 1. 46 34. 69 26. 68 12. 81 15. 32 16. 39 24. 81 3. 03 4. 31 2. 27 1. 93 1. 34 0. 94 0. 28 0. 36 可以得出两试样所含的主要矿物种类基本相同，为 叶蛇纹石、利蛇纹石、针铁矿和赤铁矿． 对比两试样 的衍射峰的强度，可以发现试样 1 的利蛇纹石和针 铁矿的含量相对较高，试样 2 的叶蛇纹石和赤铁矿 的含量相对较高． 由于原矿中镍含量较低，在衍射 图谱中没有独立镍矿物的峰． 图 1 试样的 X 射线衍射谱 Fig． 1 X-ray diffraction patterns of ore samples 1. 2 矿物的嵌布关系和镍铁赋存状态研究 由于镍含量较低，在 X 射线衍射分析中不能准 确得出镍的赋存矿物． 为进一步研究各种矿物的嵌 布关系和镍铁的赋存状态，对试样进行了光学显微 镜和扫描电镜分析． 图 2 为两种试样的光学显微镜照片对比． 由图 2 可知，二者所含矿物基本相同，矿物形貌和嵌布关 系也比较相似，都是部分蛇纹石以纯净的单矿物颗 粒存在，部分和针铁矿胶结连生在一起． 针铁矿则 成胶状矿物连成一片并包裹夹杂蛇纹石和赤铁矿． 但是可以发现试样 2 所含的蛇纹石相对较多，这与 衍射结果相一致． 为查明各元素，尤其是铁镍元素的分布状态，对 两种试样分别进行扫描电镜分析，结果见图 3． 图 3 ( a) 为试样 1 低倍放大得到的形貌图，将框线部分 局部进一步放大得到图 3( c) ; 图 3( b) 为试样 2 低 倍放大得到的形貌图，将框线部分局部进一步放大 得到图 3( d) ． 通过能谱分析，发现两试样所含矿物 种类基本相同，与 X 射线衍射分析结果一致． 在电 镜下可以发现两试样的胶结针铁矿内部细微的结构 也相似，形貌基本相同． · 9441 ·

·1450· 北京科技大学学报 第36卷 1一蛇纹石：2一针铁矿：3一赤铁矿 图2两种试样光学显微镜照片对比.(a)试样1：(b)试样2 Fig.2 Optical microscope image contrast of two kinds of samples:(a)Sample 1:(b)Sample 2 在红土化过程中，镍能够替换蛇纹石中的 说明硅镍元素没有完全迁移，推断两试样同为过 镁，形成含镍的蛇纹石.选取单个蛇纹石颗粒进 渡层红土镍矿 行线扫描，得到图4.图4显示在镍铁含量高的 由能谱分析可以看出两试样的载镍矿物相同， 地方镁含量相对较低，而镁含量高的地方镍铁含 蛇纹石和针铁矿都为载镍矿物.为进一步分析试样 量相对较低，可以认为镍铁和镁是相互晶格替代 各元素的分布关系，尤其是镍元素在试样中的赋存 形成类质同象的.超基性岩释放的镍会首先被针 情况，对图3中C和D区域做了元素面分布扫描， 铁矿吸附，形成含镍针铁矿.对针铁矿区域进行 其结果见图6.结果显示镍在硅镁铁元素富集的地 线扫描，得到图5.图5显示在铝含量高的地方 方都有富集，表明镍在蛇纹石和针铁矿中均匀分布. 铁含量很低，而硅镍和铁则没有这种现象。这是 为确定镍在蛇纹石和针铁矿中的具体含量，取多点 由于铁和铝元素表生迁移能力差，容易留在红土 进行能谱分析并定量，取平均值，结果见表2.表2 化过程中残留富集，并且铝元素能够替换针铁矿 显示，两试样中镍含量分布规律相似.但是，试样2 中的铁元素，进入针铁矿的晶格中.硅和镍则 的蛇纹石中镁含量较高而且针铁矿中镍含量和硅含 是因物理吸附作用存在于针铁矿中，随着风化的 量与试样1相比都较高，尤其是硅含量高1.51% 继续进行，针铁矿吸附的硅和镍会被再次释放出 (质量分数). 来，一同向下迁移沉积，形成含镍的硅酸盐.硅元 扫描电镜图片、线扫描以及能谱分析采用德国 素表生迁移能力强，但两试样的针铁矿中都含有 卡尔蔡司EVOI8扫描电子显微镜及Bruke XFlsash 硅元素，而且镍在针铁矿和蛇纹石中均匀分布， Detector5010能谱分析仪获得. 表2两试样含镍矿物的元素分析结果（质量分数） Table 2 Element analysis results of nickel bearing minerals in the two samples 针铁矿 蛇纹石 试样 Fe 0 i Si Fe Mg 0 Si Ni 试样1 60.52 32.66 1.96 11.05 11.05 22.31 41.01 22.84 2.62 试样2 56.65 32.04 2.32 8.68 8.68 24.40 40.81 23.27 2.86 综上所述，两试样所含主要矿物与其嵌布关系 含量更高：其蛇纹石中铁含量较低而镁含量较高 相同，都是部分蛇纹石呈较纯净矿物颗粒存在，余下 的蛇纹石与针铁矿、赤铁矿胶结连生在一起.在两 2两试样选择性还原条件差异及分析 试样中镍的赋存方式相同，都是同时赋存在蛇纹石 2.1两试样选择性还原条件的差异 和针铁矿中.两试样的主要差别在其主要元素含量 选择性还原培烧实验是将试样、还原剂和添加 不同.与试样1相比，试样2的铁含量低，而硅镁含 剂混匀后放入加盖的石墨坩埚中，在马弗炉中进行 量高.试样2的针铁矿中镍含量相对较高，但其硅 还原焙烧.焙烧矿自然冷却，然后进行破碎、磨矿和

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 1—蛇纹石; 2—针铁矿; 3—赤铁矿 图 2 两种试样光学显微镜照片对比． ( a) 试样 1; ( b) 试样 2 Fig． 2 Optical microscope image contrast of two kinds of samples: ( a) Sample 1; ( b) Sample 2 在红 土 化 过 程 中，镍能够替换蛇纹石中的 镁，形成含镍的蛇纹石． 选取单个蛇纹石颗粒进 行线扫描，得到图 4． 图 4 显示在镍铁含量高的 地方镁含量相对较低，而镁含量高的地方镍铁含 量相对较低，可以认为镍铁和镁是相互晶格替代 形成类质同象的． 超基性岩释放的镍会首先被针 铁矿吸附，形成含镍针铁矿． 对针铁矿区域进行 线扫描，得到图 5． 图 5 显示在铝含量高的地方 铁含量很低，而硅镍和铁则没有这种现象． 这是 由于铁和铝元素表生迁移能力差，容易留在红土 化过程中残留富集，并且铝元素能够替换针铁矿 中的铁元素，进入针铁矿的晶格中［14］． 硅和镍则 是因物理吸附作用存在于针铁矿中，随着风化的 继续进行，针铁矿吸附的硅和镍会被再次释放出 来，一同向下迁移沉积，形成含镍的硅酸盐． 硅元 素表生迁移能力强，但两试样的针铁矿中都含有 硅元素，而且镍在针铁矿和蛇纹石中均匀分布， 说明硅镍元素没有完全迁移，推断两试样同为过 渡层红土镍矿． 由能谱分析可以看出两试样的载镍矿物相同， 蛇纹石和针铁矿都为载镍矿物． 为进一步分析试样 各元素的分布关系，尤其是镍元素在试样中的赋存 情况，对图 3 中 C 和 D 区域做了元素面分布扫描， 其结果见图 6． 结果显示镍在硅镁铁元素富集的地 方都有富集，表明镍在蛇纹石和针铁矿中均匀分布． 为确定镍在蛇纹石和针铁矿中的具体含量，取多点 进行能谱分析并定量，取平均值，结果见表 2． 表 2 显示，两试样中镍含量分布规律相似． 但是，试样 2 的蛇纹石中镁含量较高而且针铁矿中镍含量和硅含 量与试样 1 相比都较高，尤其是硅含量高 1. 51% ( 质量分数) ． 扫描电镜图片、线扫描以及能谱分析采用德国 卡尔蔡司 EVO18 扫描电子显微镜及 Bruke XFlsash Detector 5010 能谱分析仪获得． 表 2 两试样含镍矿物的元素分析结果( 质量分数) Table 2 Element analysis results of nickel bearing minerals in the two samples % 试样 针铁矿 蛇纹石 Fe O Ni Si Fe Mg O Si Ni 试样 1 60. 52 32. 66 1. 96 11. 05 11. 05 22. 31 41. 01 22. 84 2. 62 试样 2 56. 65 32. 04 2. 32 8. 68 8. 68 24. 40 40. 81 23. 27 2. 86 综上所述，两试样所含主要矿物与其嵌布关系 相同，都是部分蛇纹石呈较纯净矿物颗粒存在，余下 的蛇纹石与针铁矿、赤铁矿胶结连生在一起． 在两 试样中镍的赋存方式相同，都是同时赋存在蛇纹石 和针铁矿中． 两试样的主要差别在其主要元素含量 不同． 与试样 1 相比，试样 2 的铁含量低，而硅镁含 量高． 试样 2 的针铁矿中镍含量相对较高，但其硅 含量更高; 其蛇纹石中铁含量较低而镁含量较高． 2 两试样选择性还原条件差异及分析 2. 1 两试样选择性还原条件的差异 选择性还原焙烧实验是将试样、还原剂和添加 剂混匀后放入加盖的石墨坩埚中，在马弗炉中进行 还原焙烧． 焙烧矿自然冷却，然后进行破碎、磨矿和 · 0541 ·

第11期 刘志国等：红土镍矿原矿性质及其对直接还原焙烧的影响机理 ·1451· b 2004m*0 1200μmm (d) (e)Mg Si 1.0 1.2 0.80 1.0 0.6 0.8 0.6 0.4 0.4 e 0.2 Fe 4 5 7 8910 6 78910 能量从e 能量及eV 35 Fe 3.0 0 25- 2.0 1.5 1.0 0.5 456 78910 能量keV 1一蛇纹石：2一针铁矿：3一赤铁矿 图3试样的形貌及能谱.(a,c)试样1的形貌：(b,d)试样2的形貌：(c)1点的能谱：(02点的能谱：()3点的能谱 Fig.3 Morphology and energy spectra of samples.(a,c)morphology of Sample 1:(b,d)morphology of Sample 2:(e)EDS spectrum of Point 1; (f)EDS spectrum of Point 2:(g)EDS spectrum of Point 3

第 11 期 刘志国等: 红土镍矿原矿性质及其对直接还原焙烧的影响机理 1—蛇纹石; 2—针铁矿; 3—赤铁矿 图 3 试样的形貌及能谱． ( a，c) 试样 1 的形貌; ( b，d) 试样 2 的形貌; ( e) 1 点的能谱; ( f) 2 点的能谱; ( g) 3 点的能谱 Fig． 3 Morphology and energy spectra of samples. ( a，c) morphology of Sample 1; ( b，d) morphology of Sample 2; ( e) EDS spectrum of Point 1; ( f) EDS spectrum of Point 2; ( g) EDS spectrum of Point 3 · 1541 ·

·1452 北京科技大学学报 第36卷 I100 100 A 200 400 600 800 10 15 20 25 距离Am 距离hm 图4蛇纹石颗粒线扫描结果 图5针铁矿颗粒线扫描结果 Fig.4 Line scan results of serpentine particles Fig.5 Line scan results of goethite particles Mg-K Si-KA Mg-K Ni-KA Ni-KA Fe-KA 图6试样主要元素面分布.(a)试样1：(b)试样2 Fig.6 Surface distribution of main elements:(a)Sample 1:(b)Sample 2 磁选.还原剂和添加剂的用量都是指其质量与原矿 样1的焙烧矿中含有大量的浮士体.推测浮士体可 质量的比例.先对试样1进行了选择性还原一磁选 以同镍元素竞争，与原矿中的二氧化硅结合重结晶 实验研究，其实验结果详见文献3].由于试样1 生成橄榄石的，从而减少镍元素被包裹在硅酸盐中 和试样2的原矿性质相近，使用相同实验条件处理 的机率.试样2铁含量相对较少而硅含量相对较 试样2以期得到理想的实验结果.通过调整烟煤和 高，因此焙烧过程中，镍和硅酸盐重结晶或者被硅酸 NCS用量，得到试样2在此实验条件的最优实验条 盐包裹的机率增加，致使镍的回收率降低 件，结果见表3.由表3可以看出，在类似的处理条 试样2 A一铁镁做榄石(Mg.F)S0片 件下，试样2镍铁产品中镍品位和回收率都达不到 B一铁纹石FNi镍纹石Fei D一浮十体(FO:正一硫铁矿FS: 试样1的效果. F一拔石NA5) 表3两试样的最佳条件及结果对比 Table 3 Optimal experimental conditions and result comparison of the two samples 试样1 焙烧温焙烧时 煤用 NCS镍品 镍回收 试样 度/℃ 间/min 量/%用量/% 位/% 率/% 试样11200 50 2 7 9.5184.04 试样2120050 5 10 8.4574.47 60 80 20/9 2.2两试样实验条件差异原因分析 图7两试样培烧矿的X射线衍射谱 对两试样在各自最优焙烧条件下的焙烧矿做X Fig.7 X-ray diffraction patters of roasted ore of the two samples 射线衍射分析，结果见图7.比较可以发现，两试样 焙烧矿中主要矿物为铁镁橄榄石，主要含镍矿物都 为查明试样2镍回收率不高的原因，使用扫描 为铁纹石和镍纹石.两试样培烧矿的主要区别为试 电镜观察在各自最佳焙烧条件下所得的焙烧矿和磁

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 4 蛇纹石颗粒线扫描结果 Fig． 4 Line scan results of serpentine particles 图 5 针铁矿颗粒线扫描结果 Fig． 5 Line scan results of goethite particles 图 6 试样主要元素面分布． ( a) 试样 1; ( b) 试样 2 Fig． 6 Surface distribution of main elements: ( a) Sample 1; ( b) Sample 2 磁选． 还原剂和添加剂的用量都是指其质量与原矿 质量的比例． 先对试样 1 进行了选择性还原--磁选 实验研究，其实验结果详见文献［13］． 由于试样 1 和试样 2 的原矿性质相近，使用相同实验条件处理 试样 2 以期得到理想的实验结果． 通过调整烟煤和 NCS 用量，得到试样 2 在此实验条件的最优实验条 件，结果见表 3． 由表 3 可以看出，在类似的处理条 件下，试样 2 镍铁产品中镍品位和回收率都达不到 试样 1 的效果． 表 3 两试样的最佳条件及结果对比 Table 3 Optimal experimental conditions and result comparison of the two samples 试样 焙烧温 度/℃ 焙烧时 间/min 煤用 量/% NCS 用量/% 镍品 位/% 镍回收 率/% 试样 1 1200 50 2 7 9. 51 84. 04 试样 2 1200 50 5 10 8. 45 74. 47 2. 2 两试样实验条件差异原因分析 对两试样在各自最优焙烧条件下的焙烧矿做 X 射线衍射分析，结果见图 7． 比较可以发现，两试样 焙烧矿中主要矿物为铁镁橄榄石，主要含镍矿物都 为铁纹石和镍纹石． 两试样焙烧矿的主要区别为试 样 1 的焙烧矿中含有大量的浮士体． 推测浮士体可 以同镍元素竞争，与原矿中的二氧化硅结合重结晶 生成橄榄石［15］，从而减少镍元素被包裹在硅酸盐中 的机率． 试样 2 铁含量相对较少而硅含量相对较 高，因此焙烧过程中，镍和硅酸盐重结晶或者被硅酸 盐包裹的机率增加，致使镍的回收率降低． 图 7 两试样焙烧矿的 X 射线衍射谱 Fig． 7 X-ray diffraction patterns of roasted ore of the two samples 为查明试样 2 镍回收率不高的原因，使用扫描 电镜观察在各自最佳焙烧条件下所得的焙烧矿和磁 · 2541 ·

第11期 刘志国等：红土镍矿原矿性质及其对直接还原焙烧的影响机理 ·1453· 20 Hm 420 20um8- 20m 1.8 ( 1.6 14 0.8 0.6 0.4 0 Ni 234 5678910 4 5678910 能量keN 能量keN 4.5fg 40 (h) 4.0 Fe 3.5 3.00 25 2.0 2.0 1.5 15 1.0 1.0 0.5h 05 0 3 456 > 8 9 10 3 4567 8910 能量keV 能量ke\ 图8焙烧矿及磁选尾矿扫描电镜照片和能谱.(a)试样1焙烧矿：(b)试样2焙烧矿：(c)试样1磁选尾矿：()试样2磁选尾矿：(01点 能谱：(02点能谱：(g)3点能谱：(h)4点能谱 Fig.8 SEM images and EDS spectra of roasting ore and magnetic separation tailings:(a)roasted ore of Sample 1:(b)roasted ore of Sample 2:(e) magnetic separation tailings of Sample 1:(d)magnetic separation tailings of Sample 2:(e)EDS spectrum of Point 1:(f)EDS spectrum of Point 2: (g)EDS spectrum of Point 3:(h)EDS spectrum of Point 4

第 11 期 刘志国等: 红土镍矿原矿性质及其对直接还原焙烧的影响机理 图 8 焙烧矿及磁选尾矿扫描电镜照片和能谱． ( a) 试样 1 焙烧矿; ( b) 试样 2 焙烧矿; ( c) 试样 1 磁选尾矿; ( d) 试样 2 磁选尾矿; ( f) 1 点 能谱; ( f) 2 点能谱; ( g) 3 点能谱; ( h) 4 点能谱 Fig． 8 SEM images and EDS spectra of roasting ore and magnetic separation tailings: ( a) roasted ore of Sample 1; ( b) roasted ore of Sample 2; ( c) magnetic separation tailings of Sample 1; ( d) magnetic separation tailings of Sample 2; ( e) EDS spectrum of Point 1; ( f) EDS spectrum of Point 2; ( g) EDS spectrum of Point 3; ( h) EDS spectrum of Point 4 · 3541 ·

·1454 北京科技大学学报 第36卷 选尾矿，结果见图8.图8显示，试样2焙烧后含有 粒的大小对其杂质含量有较大影响，一般金属颗粒 较多小颗粒金属颗粒.试样1磁选尾矿中镍主要以 长大后杂质含量相对较少，这可以从一定程度上说 硫化镍铁形式存在，并有少量金属颗粒，其颗粒大小 明试样2在添加Ca0之后金属颗粒有所增大. 在1μm左右.与试样1相比，试样2磁选尾矿中有 表4精矿产品多元素分析结果（质量分数） 更多的金属颗粒包裹在脉石矿物中，这可能是试样 Table 4 Element analysis results of concentrate products 2焙烧磁选的镍回收率比试样1低很多的原因.可 精矿 TFe Ni Co SiO2 Mgo Al203 见，试样2中镍己经被还原出来，但是由于被焙烧之 试样1精矿70.299.980.67.8.315.392.80 后重结晶生成的脉石矿物包裹没能够充分长大而损 试样2精矿76.3710.820.615.412.701.47 失在尾矿中.蛇纹石中的硅、镁和铁含量对蛇纹石 重结晶生成的硅酸盐的熔点和反应性有很大的影 试样1和试样2的原矿性质相近，都为过渡型 响，这可能是试样1的金属颗粒生长较大而试样 红土矿，差别主要在其铁、硅和镁含量上，但其还原 2有较多小金属颗粒被包裹的主要原因. 焙烧磁选的焙烧条件相差很大，试样1只添加NCS 就可以达到较理想的实验效果，试样2必须另外添 3试样2的最佳添加剂选择 加氧化钙才能达到相似的结果.可见红土镍矿原矿 针对试样2，为得到理想的镍品位和回收率，在 性质对其选择性还原焙烧影响很大.可能的原因是 其他焙烧条件不变的情况下，进行了添加了CaO、 蛇纹石在焙烧重结晶过程中会形成富镁和富硅的硅 Na,CO,以及复合添加剂实验，得到各添加剂实验结 酸盐，它们的熔点和致密性相差很大.在选择性还 果见图9.由图9可以发现：无添加剂作用时，镍的 原焙烧过程中，铁、钙、镁、硅等元素可能通过形成不 回收率较高但品位低：添加氧化钙可以大幅提高镍 同性质的硅酸盐矿物来影响焙烧矿的熔融状态，进 的回收率但镍的品位不高：NCS能够提高镍的品位 而影响镍铁合金颗粒的长大以及镍元素的反应活 但是镍的回收率不高；氧化钙和NCS联合作用之 性，致使镍铁元素的品位和回收率有很大差别，其机 后，镍的品位回收率都较高，为最佳添加剂.总结发 理有待进一步研究 现，试样2的最佳焙烧条件为：焙烧温度1200℃，焙 5结论 烧时间50min,烟煤用量5%，氧化钙用量10%，NCS 用量10%.最终的镍铁产品镍品位达到8.58%，镍 (1)通过光学显微镜、电子显微镜、X射线衍射 回收率达到88.15%. 仪等确定两红土矿试样中原矿所含矿物和嵌布关系 基本相同，但是铁、硅和镁元素含量相差较大.两试 四品位 样的主要矿物都为蛇纹石、针铁矿和赤铁矿，含镍矿 ☑回收率 物都为蛇纹石和针铁矿，且镍在这两矿物中分布均 5 匀，无明显富集的区域.但是，试样2中针铁矿含硅 量更高，蛇纹石中镁含量更高. 80 (2)按照试样1的实验条件对试样2进行选择 性还原焙烧实验，实验效果不理想.对试样2焙烧 条件进行调整，只有在原来的焙烧基础上另外添加 氧化钙才能提高镍的回收率，达到预期的实验效果 红土镍矿中铁硅镁元素含量的差别对其选择性还原 Na.CO Na.CO 焙烧磁选的影响很大，由于这些元素的含量不同，选 NCS 添加1剂种类 择不同种类的添加剂来处理才能达到选择性还原的 图9不同添加剂作用实验结果 目的. Fig.9 Test results of different additives (3)还原反应主要是在固态下进行，在反应后 期局部出现液相.铁、钙、镁、硅等元素可能通过形 4 两试样磁选精矿产品检查 成不同性质的硅酸盐矿物来影响焙烧矿的熔融状 对两试样的精矿产品作多元素分析，结果见表4. 态，进而影响镍铁合金颗粒的长大以及镍元素的 表4显示，试样2在最优条件下得到的精矿产 反应活性，致使镍铁元素的品位和回收率有很大 品中杂质含量要低于试样1所得精矿.镍铁精矿颗 差别

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 选尾矿，结果见图 8． 图 8 显示，试样 2 焙烧后含有 较多小颗粒金属颗粒． 试样 1 磁选尾矿中镍主要以 硫化镍铁形式存在，并有少量金属颗粒，其颗粒大小 在 1 μm 左右． 与试样 1 相比，试样 2 磁选尾矿中有 更多的金属颗粒包裹在脉石矿物中，这可能是试样 2 焙烧磁选的镍回收率比试样 1 低很多的原因． 可 见，试样 2 中镍已经被还原出来，但是由于被焙烧之 后重结晶生成的脉石矿物包裹没能够充分长大而损 失在尾矿中． 蛇纹石中的硅、镁和铁含量对蛇纹石 重结晶生成的硅酸盐的熔点和反应性有很大的影 响［16］，这可能是试样 1 的金属颗粒生长较大而试样 2 有较多小金属颗粒被包裹的主要原因． 3 试样 2 的最佳添加剂选择 针对试样 2，为得到理想的镍品位和回收率，在 其他焙烧条件不变的情况下，进行了添加了 CaO、 Na2CO3以及复合添加剂实验，得到各添加剂实验结 果见图 9． 由图 9 可以发现: 无添加剂作用时，镍的 回收率较高但品位低; 添加氧化钙可以大幅提高镍 的回收率但镍的品位不高; NCS 能够提高镍的品位 但是镍的回收率不高; 氧化钙和 NCS 联合作用之 后，镍的品位回收率都较高，为最佳添加剂． 总结发 现，试样 2 的最佳焙烧条件为: 焙烧温度 1200 ℃，焙 烧时间 50 min，烟煤用量 5% ，氧化钙用量 10% ，NCS 用量 10% ． 最终的镍铁产品镍品位达到 8. 58% ，镍 回收率达到 88. 15% ． 图 9 不同添加剂作用实验结果 Fig． 9 Test results of different additives 4 两试样磁选精矿产品检查 对两试样的精矿产品作多元素分析，结果见表4． 表 4 显示，试样 2 在最优条件下得到的精矿产 品中杂质含量要低于试样 1 所得精矿． 镍铁精矿颗 粒的大小对其杂质含量有较大影响，一般金属颗粒 长大后杂质含量相对较少，这可以从一定程度上说 明试样 2 在添加 CaO 之后金属颗粒有所增大． 表 4 精矿产品多元素分析结果( 质量分数) Table 4 Element analysis results of concentrate products % 精矿 TFe Ni Co SiO2 MgO Al2O3 试样 1 精矿 70. 29 9. 98 0. 67 8. 31 5. 39 2. 80 试样 2 精矿 76. 37 10. 82 0. 61 5. 41 2. 70 1. 47 试样 1 和试样 2 的原矿性质相近，都为过渡型 红土矿，差别主要在其铁、硅和镁含量上，但其还原 焙烧磁选的焙烧条件相差很大，试样 1 只添加 NCS 就可以达到较理想的实验效果，试样 2 必须另外添 加氧化钙才能达到相似的结果． 可见红土镍矿原矿 性质对其选择性还原焙烧影响很大． 可能的原因是 蛇纹石在焙烧重结晶过程中会形成富镁和富硅的硅 酸盐，它们的熔点和致密性相差很大． 在选择性还 原焙烧过程中，铁、钙、镁、硅等元素可能通过形成不 同性质的硅酸盐矿物来影响焙烧矿的熔融状态，进 而影响镍铁合金颗粒的长大以及镍元素的反应活 性，致使镍铁元素的品位和回收率有很大差别，其机 理有待进一步研究． 5 结论 ( 1) 通过光学显微镜、电子显微镜、X 射线衍射 仪等确定两红土矿试样中原矿所含矿物和嵌布关系 基本相同，但是铁、硅和镁元素含量相差较大． 两试 样的主要矿物都为蛇纹石、针铁矿和赤铁矿，含镍矿 物都为蛇纹石和针铁矿，且镍在这两矿物中分布均 匀，无明显富集的区域． 但是，试样 2 中针铁矿含硅 量更高，蛇纹石中镁含量更高． ( 2) 按照试样 1 的实验条件对试样 2 进行选择 性还原焙烧实验，实验效果不理想． 对试样 2 焙烧 条件进行调整，只有在原来的焙烧基础上另外添加 氧化钙才能提高镍的回收率，达到预期的实验效果． 红土镍矿中铁硅镁元素含量的差别对其选择性还原 焙烧磁选的影响很大，由于这些元素的含量不同，选 择不同种类的添加剂来处理才能达到选择性还原的 目的． ( 3) 还原反应主要是在固态下进行，在反应后 期局部出现液相． 铁、钙、镁、硅等元素可能通过形 成不同性质的硅酸盐矿物来影响焙烧矿的熔融状 态，进而影响镍铁合金颗粒的长大以及镍元素的 反应活性，致使镍铁元素的品位和回收率有很大 差别． · 4541 ·

第11期 刘志国等：红土镍矿原矿性质及其对直接还原焙烧的影响机理 ·1455· 参考文献 2010(11):5 [Wang C Y,Yin F,Chen Y Q,et al.Worldwide processing tech- (李艳军，于海臣，王德全，等.红土镍矿资源现状及加工工 nologies and progress of nickel laterites.Chin J Nonferrous Met, 艺综述.金属矿山，2010(11)：5) 2008,18(Suppl1):1 9]Li G H,Rao M J,Jiang T,et al.Reduction roasting-magnetic (王成彦，尹飞，陈永强，等.国内外红土镍矿处理技术及进 separation mechanisms of nickelferrous laterite ore in presence of 展.中国有色金属学报，2008,18(Suppl1):1) sodium salts.Chin J Nonferrous Met,2012(1):274 Fu W,Zhou Y Z,Chen Y R,et al.Geological and geochemical (李光辉，饶明军，姜涛，等.红土镍矿钠盐还原培烧一磁选 characteristics of laterite nickel deposit and ore genesis:a case 的机理.中国有色金属学报.2012(1)：274) study of Kolonodale deposit in Indonesia Sulawesi,Southeast Asia. [10] Cao ZC,Sun T C,Yang H F,et al.Recovery of iron and nickel Earth Sci Front,2010,17 (2):127 from nickel laterite ore by direct reduction roasting and magnetic (付伟，周永章，陈远荣，等.东南亚红土镍矿床地质地球化 separation.J Univ Sci Technol Beijing,2010,32(6):708 学特征及成因探讨：以印尼苏拉威西岛Kolonodale矿床为例. (曹志成，孙体昌，杨慧芬，等.红土镍矿直接还原焙烧磁选 地学前缘，2010,17(2)：127) 回收铁镍.北京科技大学学报，2010,32(6)：708) B3]Luo TX.Geology and ore-forming mechanism of weathering crust- [11]Sun T C,Ji Y N,Jiang M,et al.Influence mechanism of different type nickeliferous silicate deposit at waigeo,Indonesia.Geol Pros- types of coal on selective nickle reduction in nickel laterite reduction pect,2008(4):45 moasting.J Unie Sci Technal Beijing,2011.33(10):1197 (罗太旭.印度尼西亚卫古岛风化壳型硅酸镍矿床地质特征 (孙体昌，及亚娜，蒋曼.煤种对红土镍矿中镍选择性还原 与成矿机制.地质与脚探，2008(4)：45) 的影响机理.北京科技大学学报，2011,33(10)：1197) 4]Fu W,Niu H J,Chen Y R,et al.Supergene enrichment and [12]Ji Y N,Sun T C,Jiang M,et al.The effect to nickel-bearing mineralization texture of nickel in laterite weathered crust from ul- laterite by direct reduction roasting-magnetic separation with dif- trabasic rocks:a case study of Kolonodale ore district in Sulawesi ferent types of coal.Nonferrous Met Miner Process Sect,2011 Island,Indonesia.Miner Deposits,2012 (2):229 (1):27 (付伟，牛虎杰，陈远荣，等.超基性岩红土风化壳中镍的表 (及亚娜，孙体昌，蒋曼，等。煤种对红土镍矿直接还原培 生富集规律及矿化结构研究：以印尼苏拉威西岛Kolonodale 烧-磁选的影响.有色金属：选矿部分，2011(1)：27) 矿区为例.矿床地质，2012(2)：229) [13]Jiang M,Sun T C,Liu Z G,et al.Efects of coal types and ad- [5]Li Q H,Wang J,Liu Z H.Development of exploitation and ditives on selective direct reduction of nickel laterite.Min Metall hydrometallurgical processes of nickel laterite resources in the Eng,2012,32(5):77 world.Conserv Util Miner Resour,2009(6):42 (蒋曼，孙体昌，刘志国，等.煤种类及添加剂对红土镍矿选 (李启厚，王娟，刘志宏.世界红土镍矿资源开发及其湿法治 择性直接还原的影响规律.矿治工程，2012,32(5)：77) 金技术的进展.矿产保护与利用，2009(6)：42) 04] Zhu D Q,Cui Y,Hapugoda S,et al.Mineralogy and crystal [6]Zhou X W,Zhang JC,Luo X P.The Current situation and pros- chemistry of a low grade nickel laterite ore.Trans Nonferrous Met pects of the process and technology of nickel extraction from later- Soe China,2012,22(4):907 ite-nickel ore.Sichuan Nonferrous Met,2008(1):18 [5]Cui Y.Study on Mechanism and Technology of Selective Reduc- (周晓文，张建春，罗仙平.从红土镍矿中提取镍的技术研究 tion-Magnetic Separation to Concentrate Nickel from Low Grade 现状及展望.四川有色金属，2008(1)：18) Laterite Ore [Dissertationl.Changsha:Central South University, Ji Y N,Sun T C,Jiang M,Advance in extraction of nickel from 2011. laterite nickel ore.Conserv Util Miner Resour,2011(2):43 (崔瑜.低品位红土镍矿选择性还原一磁选富集镍的工艺及 (及亚娜，孙体昌，蒋曼.红土镍矿提镍工艺进展.矿产保护 机理研究.中南大学，2011) 与利用，2011(2)：43) [16]Tsuji H.Behavior of Reduction and growth of metal in smelting of 8]Li Y J,Yu H C,Wang D Q,et al.The current status of laterite saprolite Niore in a rotary kiln for production of ferro-ickel al- nickel ore resources and its processing technology.Met Mine, loy.S0nt,2012,52(6):1000

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