煤种对红土镍矿中镍选择性还原的影响机理

D0I:10.13374.issn1001-053x.2011.10.015 第33卷第10期 北京科技大学学报 Vol.33 No.10 2011年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2011 煤种对红土镍矿中镍选择性还原的影响机理 孙体昌四及亚娜蒋曼 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:suntc@ces.usth.cdu.cn 摘要以某含镍1.86%（质量分数）、铁13.24%（质量分数）的红土镍矿为对象，分别采用石煤和无烟煤作为还原剂，考察 了煤种对红土镍矿中镍的选择性还原的影响.结果表明，用石煤作为还原剂能够达到镍选择性还原的目的.X射线衍射及扫 描电镜分析研究表明，还原过程中镍、铁先以镍纹石形式存在，随着煤用量增加，逐渐变为以铁纹石形式存在.同时随着煤用 量的增加，焙烧后生成的含镍铁矿物中镍的比例逐渐递减，而铁的比例逐渐递增.石煤为还原剂时培烧产物中主要以镍纹石 的形式存在，同时金属铁的生成量比无烟煤作还原剂时低，因此采用石煤作还原剂比无烟煤作还原剂对镍还原具有更强的选 择性，可以得到更高镍品位的镍铁精矿， 关键词红土镍矿；石煤：无烟煤：镍：选择性还原 分类号TD925 Influence mechanism of different types of coal on selective nickle reduction in nickel laterite reduction roasting SUN Ti-ehang,JI Ya-na,JIANG Man State Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Ming and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Bei- jing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:sunte@ces.ustb.edu.cn ABSTRACT With a nickel laterite of 1.86%Ni and 13.24%Fe as a sample,the influence of different types of coal on selective nickel reduction in nickel laterite reduction roasting was studied with stone coal or anthracite as a reductant.It is indicated that nickel can be selectively reduced with stone coal as a reductant.The results obtained by X-ray diffraction (XRD)and scanning electron mi- croscopy (SEM)show that taenite is the main form of nickel and iron in the roasted products when the dosage of coal is small,but the main mineral form changes into kamacite with the dosage of coal increasing.At the same time,with the dosage of coal increasing,the proportion of nickel decreases and the proportion of iron increases in Ni-Fe containing minerals produced after roasting.The roasted products are formed as taenite with stone coal as a reductant,the amount of gained Fe is lower but the selectivity for nickel is stronger than that with anthracite as a reductant,so Ni-Fe concentrate ores with high grade of nickel are obtained. KEY WORDS nickel laterite:stone coal:anthracite;nickel:selective reduction 镍具有抗腐蚀、抗氧化、耐高温、强度高和延展 不断减少，而大量存在的品位1%~2%左右的红土 性好等特点，因此用途广泛，60%以上的镍用于不锈 镍矿越来越引起人们的关注-.根据红土镍矿床 钢的生产).据国际镍研究组织(INSG)的最新数 不同，有火法和湿法两种处理工艺.火法工艺 据显示，2009年全球镍产量128万t,2010年继续回 (即还原焙烧方法)处理红土镍矿的最大缺点是能 升至135万t.从2005年开始中国已取代日本成为 源消耗高.湿法工艺包括氨浸工艺和加压浸出工 世界上镍消费量最大的国家，2009年，我国镍的实 艺.其中高压酸浸法应用最为广泛，国内外学者对 际消费量估计为44.7万t,同比增加37.6%.随着 加压酸浸工艺做了大量的研究，并在传统工艺上进 镍资源的开采，硫化镍矿和高品位红土镍矿资源的 行创新0：但总体而言，该工艺存在复杂、流程相 收稿日期：20100909

第 33 卷 第 10 期 2011 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 10 Oct． 2011 煤种对红土镍矿中镍选择性还原的影响机理 孙体昌 及亚娜 蒋 曼 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: suntc@ ces． ustb． edu． cn 摘 要 以某含镍 1. 86% ( 质量分数) 、铁 13. 24% ( 质量分数) 的红土镍矿为对象，分别采用石煤和无烟煤作为还原剂，考察 了煤种对红土镍矿中镍的选择性还原的影响． 结果表明，用石煤作为还原剂能够达到镍选择性还原的目的． X 射线衍射及扫 描电镜分析研究表明，还原过程中镍、铁先以镍纹石形式存在，随着煤用量增加，逐渐变为以铁纹石形式存在． 同时随着煤用 量的增加，焙烧后生成的含镍铁矿物中镍的比例逐渐递减，而铁的比例逐渐递增． 石煤为还原剂时焙烧产物中主要以镍纹石 的形式存在，同时金属铁的生成量比无烟煤作还原剂时低，因此采用石煤作还原剂比无烟煤作还原剂对镍还原具有更强的选 择性，可以得到更高镍品位的镍铁精矿． 关键词 红土镍矿; 石煤; 无烟煤; 镍; 选择性还原 分类号 TD925 Influence mechanism of different types of coal on selective nickle reduction in nickel laterite reduction roasting SUN Ti-chang ，JI Ya-na，JIANG Man State Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Ming and Safety of Metal Mines，University of Science and Technology Bei￾jing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: suntc@ ces． ustb． edu． cn ABSTRACT With a nickel laterite of 1. 86% Ni and 13. 24% Fe as a sample，the influence of different types of coal on selective nickel reduction in nickel laterite reduction roasting was studied with stone coal or anthracite as a reductant． It is indicated that nickel can be selectively reduced with stone coal as a reductant． The results obtained by X-ray diffraction ( XRD) and scanning electron mi￾croscopy ( SEM) show that taenite is the main form of nickel and iron in the roasted products when the dosage of coal is small，but the main mineral form changes into kamacite with the dosage of coal increasing． At the same time，with the dosage of coal increasing，the proportion of nickel decreases and the proportion of iron increases in Ni-Fe containing minerals produced after roasting． The roasted products are formed as taenite with stone coal as a reductant，the amount of gained Fe is lower but the selectivity for nickel is stronger than that with anthracite as a reductant，so Ni-Fe concentrate ores with high grade of nickel are obtained． KEY WORDS nickel laterite; stone coal; anthracite; nickel; selective reduction 收稿日期: 2010--09--09 镍具有抗腐蚀、抗氧化、耐高温、强度高和延展 性好等特点，因此用途广泛，60% 以上的镍用于不锈 钢的生产［1］． 据国际镍研究组织( INSG) 的最新数 据显示，2009 年全球镍产量 128 万 t，2010 年继续回 升至 135 万 t． 从 2005 年开始中国已取代日本成为 世界上镍消费量最大的国家，2009 年，我国镍的实 际消费量估计为 44. 7 万 t，同比增加 37. 6% ． 随着 镍资源的开采，硫化镍矿和高品位红土镍矿资源的 不断减少，而大量存在的品位 1% ～ 2% 左右的红土 镍矿越来越引起人们的关注［2--6］． 根据红土镍矿床 不同，有火法和湿法两种处理工艺［7--8］． 火法工艺 ( 即还原焙烧方法) 处理红土镍矿的最大缺点是能 源消耗高． 湿法工艺包括氨浸工艺和加压浸出工 艺． 其中高压酸浸法应用最为广泛，国内外学者对 加压酸浸工艺做了大量的研究，并在传统工艺上进 行创新［9--11］; 但总体而言，该工艺存在复杂、流程相 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.10.015

·1198 北京科技大学学报 第33卷 对较长以及对设备要求高的缺点2-) 分比无烟煤高，而其固定碳含量则低 目前我国中小企业生产的镍生铁中镍的质量分 表1实验用煤工业分析（质量分数） 数多为4%~8%，不能达到治冶炼不锈钢的标准.从 Table 1 Industrial analysis of coals used in the test % 经济效益方面而言，镍生铁的价格以镍品位作为计 煤种 水分 灰分 挥发分 固定碳 价的标准，生产出来的镍生铁镍品位越高，镍生铁的 无烟煤 1.36 8.01 7.11 84.88 经济价值就越高，因此提高镍铁精矿中镍的品位具 石煤 1.68 28.30 5.02 66.68 有重要的研究价值.近年来，北京科技大学针对难 选红土镍矿开展了直接还原焙烧磁选研究.结果表 实验方法 明，直接还原焙烧μ磁选工艺中，添加助熔剂能够显 著提高镍、铁品位及回收率。同时发现，采用不同的 原矿破碎至-4mm.焙烧和磁选过程详见文 煤对镍、铁能起到选择性还原的作用，即可以使红土 献5].采用SX2-10-13型马弗炉进行焙烧实验， 镍矿中的镍尽可能多还原，而使铁少还原，提高镍铁 焙烧温度和时间固定为1200℃和40min.磁选实验 精矿中镍的品位5一.当采用无烟煤、褐煤和石煤 使用RK/CXG中50型磁选管.磨矿磁选采用一段 三种煤作为还原剂时，对红土镍矿还原的强弱顺序 磨矿一段磁选.实验证明，随着磨矿细度的增加，镍 为无烟煤>褐煤>石煤.并且发现，石煤在红土镍 铁精矿中镍品位逐渐升高，回收率则逐渐降低，铁品 矿还原焙烧过程中可以在保证镍被还原的同时抑制 位逐渐增加，而铁回收率有明显降低趋势.最终确 铁的还原，从而实现镍的选择性还原，但其机理尚不 定磨矿细度为-74μm占98.72%：随着磁场强度的 清楚.本文选择对镍选择性还原差距较大的石煤和 提高，镍铁精矿中镍品位逐渐降低，镍的回收率呈现 无烟煤，研究了在红土镍矿还原焙烧过程中对镍、铁 逐渐升高趋势，铁品位和回收率逐渐升高，实验中确 选择性还原的机理 定的磁选的磁场强度是198.73kA·m1 还原焙烧后的焙烧产物分成两部分：一部分制 1 试样性质及实验方法 成电镜光片，进行扫描电镜(SEM)分析，观察焙烧 1.1矿石性质 后产物的结构和焙烧过程中不同矿物的变化过程： 所用试样为某地红土镍矿（以下称为原矿），其 另一部分磨细后进行X射线衍射(XRD)分析，分析 中镍、铁的品位较低，分别为1.86%和13.24%.原 不同焙烧条件所得焙烧产物中矿物成分的变化 矿中铁和镍以氧化物和硅酸盐的形式存在，且在硅 情况 酸盐中的分布率都很高，镍达到68.93%，铁达到 3结果与讨论 51.83%.矿石性质详见文献16] 1.2还原剂性质 3.1不同煤对镍、铁品位及回收率影响 由于煤的还原性主要取决于煤质分析中的固定 分别用石煤和无烟煤作为还原剂，用量范围相 碳、挥发分和灰分的比例.因此选用了两种性质相 同，添加助熔剂N,质量分数为20%，研究了煤用量 差大的煤种即无烟煤和石煤作为还原剂，其工业分 对镍铁精矿中镍、铁品位及回收率的影响，结果见 析结果见表1. 图1. 由表1可以看出，两种煤的水分和挥发分相差 从图1(a)可以看出：随着煤用量的增加，两种 不是很大，但灰分和固定碳有很大差别.石煤的灰 煤作还原剂时镍铁精矿中镍的品位均呈下降的趋 10 85 (a)" 70无烟煤铁品位 100 9 80 65 ·石煤铁品位 8 一无烟煤镍品位75空 80 送60 的 安 7 一石煤镍品位 7n 55 6 50 无烟煤镶回收率 ◆无烟煤铁回收率 一石煤镍回收率 60 45 。石煤铁回收率 40 10 15 2 煤的质量分数% 46810214120 煤的质量分数/% 图1煤用量对镍铁精矿中镍、铁品位及回收率的影响.(a)对镍还原的影响：()对铁还原的影响 Fig.1 Effects of coal dosage on the grades and recoveries of nickel and iron in Ni-Fe concentrates:(a)nickel reduction:(b)iron reduction

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 对较长以及对设备要求高的缺点［12--14］． 目前我国中小企业生产的镍生铁中镍的质量分 数多为 4% ～ 8% ，不能达到冶炼不锈钢的标准． 从 经济效益方面而言，镍生铁的价格以镍品位作为计 价的标准，生产出来的镍生铁镍品位越高，镍生铁的 经济价值就越高，因此提高镍铁精矿中镍的品位具 有重要的研究价值． 近年来，北京科技大学针对难 选红土镍矿开展了直接还原焙烧磁选研究． 结果表 明，直接还原焙烧μ磁选工艺中，添加助熔剂能够显 著提高镍、铁品位及回收率． 同时发现，采用不同的 煤对镍、铁能起到选择性还原的作用，即可以使红土 镍矿中的镍尽可能多还原，而使铁少还原，提高镍铁 精矿中镍的品位［15--16］． 当采用无烟煤、褐煤和石煤 三种煤作为还原剂时，对红土镍矿还原的强弱顺序 为无烟煤 ＞ 褐煤 ＞ 石煤． 并且发现，石煤在红土镍 矿还原焙烧过程中可以在保证镍被还原的同时抑制 铁的还原，从而实现镍的选择性还原，但其机理尚不 清楚． 本文选择对镍选择性还原差距较大的石煤和 无烟煤，研究了在红土镍矿还原焙烧过程中对镍、铁 选择性还原的机理． 1 试样性质及实验方法 1. 1 矿石性质 所用试样为某地红土镍矿( 以下称为原矿) ，其 中镍、铁的品位较低，分别为 1. 86% 和 13. 24% ． 原 矿中铁和镍以氧化物和硅酸盐的形式存在，且在硅 酸盐中的分布率都很高，镍达到 68. 93% ，铁达到 51. 83% ． 矿石性质详见文献［16］． 图 1 煤用量对镍铁精矿中镍、铁品位及回收率的影响 . ( a) 对镍还原的影响; ( b) 对铁还原的影响 Fig． 1 Effects of coal dosage on the grades and recoveries of nickel and iron in Ni-Fe concentrates: ( a) nickel reduction; ( b) iron reduction 1. 2 还原剂性质 由于煤的还原性主要取决于煤质分析中的固定 碳、挥发分和灰分的比例． 因此选用了两种性质相 差大的煤种即无烟煤和石煤作为还原剂，其工业分 析结果见表 1． 由表 1 可以看出，两种煤的水分和挥发分相差 不是很大，但灰分和固定碳有很大差别． 石煤的灰 分比无烟煤高，而其固定碳含量则低． 表 1 实验用煤工业分析( 质量分数) Table 1 Industrial analysis of coals used in the test % 煤种 水分 灰分 挥发分 固定碳 无烟煤 1. 36 8. 01 7. 11 84. 88 石煤 1. 68 28. 30 5. 02 66. 68 2 实验方法 原矿破碎至 － 4 mm． 焙烧和磁选过程详见文 献［15］． 采用 SX2--10--13 型马弗炉进行焙烧实验， 焙烧温度和时间固定为 1200 ℃和 40 min． 磁选实验 使用 RK/CXG--50 型磁选管． 磨矿磁选采用一段 磨矿一段磁选． 实验证明，随着磨矿细度的增加，镍 铁精矿中镍品位逐渐升高，回收率则逐渐降低，铁品 位逐渐增加，而铁回收率有明显降低趋势． 最终确 定磨矿细度为 － 74 μm 占 98. 72% ; 随着磁场强度的 提高，镍铁精矿中镍品位逐渐降低，镍的回收率呈现 逐渐升高趋势，铁品位和回收率逐渐升高，实验中确 定的磁选的磁场强度是 198. 73 kA·m － 1 ． 还原焙烧后的焙烧产物分成两部分: 一部分制 成电镜光片，进行扫描电镜( SEM) 分析，观察焙烧 后产物的结构和焙烧过程中不同矿物的变化过程; 另一部分磨细后进行 X 射线衍射( XRD) 分析，分析 不同焙烧条件所得焙烧产物中矿物成分的变化 情况． 3 结果与讨论 3. 1 不同煤对镍、铁品位及回收率影响 分别用石煤和无烟煤作为还原剂，用量范围相 同，添加助熔剂 IN，质量分数为 20% ，研究了煤用量 对镍铁精矿中镍、铁品位及回收率的影响，结果见 图 1． 从图 1( a) 可以看出: 随着煤用量的增加，两种 煤作还原剂时镍铁精矿中镍的品位均呈下降的趋 ·1198·

第10期 孙体昌等：煤种对红土镍矿中镍选择性还原的影响机理 ·1199· 势，镍的回收率则呈上升趋势：但以石煤为还原剂时 高，但回收率比使用无烟煤时低 镍铁精矿中镍的品位明显高于以无烟煤为还原剂时 3.2不同煤用量时焙烧产物的X射线衍分析 的情况.图1(b)可以看出，铁的品位以及回收率均 为分析不同还原性质的煤对红土镍矿体镍的影 是逐渐升高的.由图中对比可见，两种煤相同用量 响，首先对不同条件下的焙烧产物进行了X射线衍 情况下，使用石煤时镍、铁的品位均比使用无烟煤时 射分析，结果见图2 (a) (bi 石煤20% 无烟煤20% H LH K/J H 石煤15% uHH 无烟煤15% H LH LH HH 石煤10% HBH班 无烟煤10% LH LH K/J 石煤5% H HHH 无烟煤5% LH LH K I K/ K K I K/I 石煤1% 无烟煤1经 H IK 原矿 原品 F 102030405060708090100102030405060708090100 20r 28 A一叶蛇纹石(3Mg02Si02·2H20):B一石英(SiO2):C一镍蛇纹石(Ni3(Si205),(0H),·nH20),D一针铁矿(Fc0(OH)):E一赤铁矿 (Fe0):F一铁橄横石(Fe2SiO4):H一镁橄榄石[Mg,Fe),SiO4]:I一镍纹石(Ni,Fe):J一铁纹石(Fe,Ni):K一金属铁(Fe):L一霞石 [Na(AISiO) 图2石煤(a)、无烟煤(b)不同用量培烧产物的XD图谱 Fig.2 XRD pattems of roasted products obtained by using different dosages of stone coal (a)and anthracite (b) 由图2中原矿的XRD分析可以看出，原矿中含 此时已经出现微弱的金属铁峰.随着无烟煤用量的 镍矿物有镍蛇纹石，含铁矿物有针铁矿、赤铁矿及铁 增加，在无烟煤的质量分数为5%，金属铁峰迅速升 橄榄石.结合原矿的物相分析可知，镍、铁主要以硅 高，当无烟煤的质量分数为10%时镍铁合金就以铁 酸盐形式存在，因此原矿中镍应主要存在于镍蛇纹 纹石的形式存在 石中，铁主要存在于铁橄榄石中.图2还可以看出， 分别使用石煤、无烟煤作为还原剂，不同剂量时 直接还原焙烧产物中生成的镍铁合金有两种形式存 所得镍铁精矿对比如表2所示. 在：一种是镍纹石()，它是由铁和镍构成的合金矿 从表2中可以看出，与无烟煤相比，石煤用量较 物，其中镍含量相对较高：另一种是铁纹石(J),其 少时，镍铁精矿中镍铁合金主要以镍纹石的形式存 中镍含量相对较低. 在，此时镍铁精矿中铁和镍的回收率相对差值大 如图2(a)所示：石煤的质量分数为1%时，没 实验结果与XRD检测结果一致.因此用石煤作为 有金属铁峰出现，此时铁还原量较少；部分镍、铁从 还原剂能够达到选择性还原镍、铁的目的. 原矿中还原出来，生成含镍较高的镍纹石.随着石 造成石煤和无烟煤对镍、铁选择性还原的主要 煤用量的增加，铁大量从原矿中还原出来，当石煤的 因素是两种煤的煤质差别.无烟煤固定碳质量分数 质量分数为5%时，出现金属铁峰.石煤的质量分数 约为石煤固定碳质量分数的1.3倍(84.88/ 大于15%后，镍铁合金以铁纹石的形式存在.如 66.68).因此，单从固定碳含量方面比较，无烟煤的 图2(b)所示：无烟煤的质量分数为1%时，少部分 还原性要比石煤还原性强，这与表2中无烟煤作还 镍、铁从原矿中还原出来，生成含镍高的镍纹石，但 原剂时镍铁回收率高的结果相一致.参考以上实验

第 10 期 孙体昌等: 煤种对红土镍矿中镍选择性还原的影响机理 势，镍的回收率则呈上升趋势; 但以石煤为还原剂时 镍铁精矿中镍的品位明显高于以无烟煤为还原剂时 的情况． 图 1( b) 可以看出，铁的品位以及回收率均 是逐渐升高的． 由图中对比可见，两种煤相同用量 情况下，使用石煤时镍、铁的品位均比使用无烟煤时 高，但回收率比使用无烟煤时低． 3. 2 不同煤用量时焙烧产物的 X 射线衍分析 为分析不同还原性质的煤对红土镍矿体镍的影 响，首先对不同条件下的焙烧产物进行了 X 射线衍 射分析，结果见图 2． A—叶蛇纹石( 3MgO·2SiO2·2H2O) ; B—石英( SiO2 ) ; C—镍蛇纹石( Ni3 ( Si2O5 ) x ( OH) y·nH2O) ，D—针铁矿( FeO( OH) ) ; E—赤铁矿 ( Fe2O3 ) ; F—铁橄榄石( Fe2 SiO4 ) ; H—镁橄榄石［( Mg，Fe) 2 SiO4 ］; I—镍纹石( Ni，Fe) ; J—铁纹石( Fe，Ni) ; K—金属铁( Fe) ; L—霞石 ［Na( AlSiO4) ］ 图 2 石煤( a) 、无烟煤( b) 不同用量焙烧产物的 XRD 图谱 Fig． 2 XRD patterns of roasted products obtained by using different dosages of stone coal ( a) and anthracite ( b) 由图 2 中原矿的 XRD 分析可以看出，原矿中含 镍矿物有镍蛇纹石，含铁矿物有针铁矿、赤铁矿及铁 橄榄石． 结合原矿的物相分析可知，镍、铁主要以硅 酸盐形式存在，因此原矿中镍应主要存在于镍蛇纹 石中，铁主要存在于铁橄榄石中． 图 2 还可以看出， 直接还原焙烧产物中生成的镍铁合金有两种形式存 在: 一种是镍纹石( I) ，它是由铁和镍构成的合金矿 物，其中镍含量相对较高; 另一种是铁纹石( J) ，其 中镍含量相对较低． 如图 2( a) 所示: 石煤的质量分数为 1% 时，没 有金属铁峰出现，此时铁还原量较少; 部分镍、铁从 原矿中还原出来，生成含镍较高的镍纹石． 随着石 煤用量的增加，铁大量从原矿中还原出来，当石煤的 质量分数为 5% 时，出现金属铁峰． 石煤的质量分数 大于 15% 后，镍铁合金以铁纹石的形式存在． 如 图 2( b) 所示: 无烟煤的质量分数为 1% 时，少部分 镍、铁从原矿中还原出来，生成含镍高的镍纹石，但 此时已经出现微弱的金属铁峰． 随着无烟煤用量的 增加，在无烟煤的质量分数为 5% ，金属铁峰迅速升 高，当无烟煤的质量分数为 10% 时镍铁合金就以铁 纹石的形式存在． 分别使用石煤、无烟煤作为还原剂，不同剂量时 所得镍铁精矿对比如表 2 所示． 从表 2 中可以看出，与无烟煤相比，石煤用量较 少时，镍铁精矿中镍铁合金主要以镍纹石的形式存 在，此时镍铁精矿中铁和镍的回收率相对差值大． 实验结果与 XRD 检测结果一致． 因此用石煤作为 还原剂能够达到选择性还原镍、铁的目的． 造成石煤和无烟煤对镍、铁选择性还原的主要 因素是两种煤的煤质差别． 无烟煤固定碳质量分数 约为石煤固定碳质量分数的 1. 3 倍 ( 84. 88 / 66. 68) ． 因此，单从固定碳含量方面比较，无烟煤的 还原性要比石煤还原性强，这与表 2 中无烟煤作还 原剂时镍铁回收率高的结果相一致． 参考以上实验 ·1199·

·1200· 北京科技大学学报 第33卷 结果，当无烟煤的质量分数为7.5%、石煤的质量分 分质量分数分别为0.60%和2.83%，考察灰分对镍 数为10%时，两种煤所含固定碳质量分数相同，灰 铁还原的影响，实验结果如表3所示 表2石煤，无烟煤不同用量时所得镍铁精矿对比 Table 2 Comparison of the roasted products after using different dosages of stone coal and anthracite 石煤 无烟煤 煤质量 Ni品 Ni回收 镍铁合金 Ni回收 分数/% Fe品 Fe回收 Ni品 Fe品 Fe回收 镍铁合 位1% 率/% 位/% 率/% 存在形式 位/% 率/% 位1% 率/% 金形式 2.5 9.70 59.40 52.95 31.45 镍纹石 5.78 65.51 46.93 51.65 镍纹石 5.0 8.65 66.45 55.67 41.53 镍纹石 5.66 70.67 48.68 64.20 镍纹石 10.0 7.14 75.01 60.98 62.21 镍纹石 4.48 79.51 51.77 88.83 铁纹石 15.0 5.97 81.00 64.84 73.57 铁纹石 4.35 84.74 58.47 90.45 铁纹石 表3固定碳质量分数相同时，分别采用无烟煤和石煤时镍铁精矿镍、铁品位及回收率比较 Table 3 Comparison of nickel,iron grades and recovery in Ni-Fe concentrate obtained using stone coal and anthracite coal containing same content of fixed carbon 煤中灰分质量分数/% 煤种和用量 Ni品位/% Ni回收率/% Fe品位I% Fe回收率/% 0.60 添加质量分数为7.5%无烟煤 4.92 77.74 50.44 77.39 2.83 添加质量分数为10%的石煤 7.14 75.01 60.98 62.21 由表3可见，添加两种不同的还原剂使固定碳 如图4所示.从图4中可以看出，随着无烟煤用量 含量相同时，所得到的镍铁精矿中镍、铁品位却都相 的增加，焙烧后产物图中亮白色的镍铁合金增多，这 差很大.因此，两种还原剂所含成分中除了固定碳 一规律与采用石煤作还原剂时相同.从图4中可以 影响焙烧过程以外，灰分也是一个重要的影响因素 看出，镍铁合金中铁峰逐渐增强.图4(a)中1处镍 由以上分析可见，由于石煤中所含固定碳以及 的质量分数为21.09%，铁的质量分数为78.91%； 灰分的作用，采用石煤作还原剂时可以有效控制铁 图4(b)中2处镍的质量分数12.68%，铁质量分数 的还原程度，并通过控制石煤用量，使还原产物中主 87.32%:图4(c)中3处镍的质量分数为3.13%，铁 要以镍纹石形式存在，从而实现镍、铁的选择性还 的质量分数为93.87%. 原.原矿中的铁橄榄石转变成为镁橄榄石，加入到 对比图3、图4得出，煤用量相同时，无烟煤作 原矿中的助熔剂与原矿中的铝、硅元素生成霞石. 还原剂的焙烧产物中镍铁合金的总量相对多.但 3.3不同煤用量时焙烧产物的扫描电镜分析 是，对比能谱分析图可以看出，在石煤作还原剂的焙 为了进一步分析煤种对红土镍焙烧过程中的影 烧产物中，生成的镍铁合金中镍含量高，铁含量低， 响，对石煤的质量分数分别为1%、5%和20%的焙 而无烟煤则相反.该分析结果进一步证实了还原性 烧产物进行了电镜分析，结果如图3所示 较差的石煤相对于无烟煤，对还原镍、铁更具有选 从图3可以看出，随着石煤用量的增加，焙烧后 择性. 产物中亮白色的镍铁合金逐渐增多，这是因为随着 4结论 石煤用量的增加，大量镍、铁从原矿中被还原出来 从能谱图中可以看出，随着石煤用量的增加，镍铁合 (1)采用石煤和无烟煤进行的对比实验表明， 金中镍的比例逐渐降低，而铁的比例逐渐升高. 用石煤作还原剂所得镍铁精矿中镍、铁品位均高于 图3(a)中1处镍质量分数为70.21%，铁的质量分 相同用量的无烟煤所得到的镍、铁品位，但镍、铁的 数为29.79%：图3(b)中2处镍的质量分数为 回收率比相同用量的无烟煤要低 52.98%,铁的质量分数为47.02%；图3(c)中3处 (2)XRD分析及SEM观察表明：以石煤为还原 镍的质量分数为6.13%，铁的质量分数为93.87%. 剂，培烧产物中的镍主要以镍纹石的形式存在；而以 分别取无烟煤质量分数1%、5%和20%三个无 无烟煤为还原剂时，焙烧产物中的镍主要以铁纹石 烟煤用量相差大的焙烧产物进行电镜观察，电镜图 的形式存在.同时以石煤为还原剂时金属铁的生成

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 结果，当无烟煤的质量分数为 7. 5% 、石煤的质量分 数为 10% 时，两种煤所含固定碳质量分数相同，灰 分质量分数分别为 0. 60% 和 2. 83% ，考察灰分对镍 铁还原的影响，实验结果如表 3 所示． 表 2 石煤、无烟煤不同用量时所得镍铁精矿对比 Table 2 Comparison of the roasted products after using different dosages of stone coal and anthracite 煤质量 分数/% 石煤 无烟煤 Ni 品 位/% Ni 回收 率/% Fe 品 位/% Fe 回收 率/% 镍铁合金 存在形式 Ni 品 位/% Ni 回收 率/% Fe 品 位/% Fe 回收 率/% 镍铁合 金形式 2. 5 9. 70 59. 40 52. 95 31. 45 镍纹石 5. 78 65. 51 46. 93 51. 65 镍纹石 5. 0 8. 65 66. 45 55. 67 41. 53 镍纹石 5. 66 70. 67 48. 68 64. 20 镍纹石 10. 0 7. 14 75. 01 60. 98 62. 21 镍纹石 4. 48 79. 51 51. 77 88. 83 铁纹石 15. 0 5. 97 81. 00 64. 84 73. 57 铁纹石 4. 35 84. 74 58. 47 90. 45 铁纹石 表 3 固定碳质量分数相同时，分别采用无烟煤和石煤时镍铁精矿镍、铁品位及回收率比较 Table 3 Comparison of nickel，iron grades and recovery in Ni-Fe concentrate obtained using stone coal and anthracite coal containing same content of fixed carbon 煤中灰分质量分数/% 煤种和用量 Ni 品位/% Ni 回收率/% Fe 品位/% Fe 回收率/% 0. 60 添加质量分数为 7. 5% 无烟煤 4. 92 77. 74 50. 44 77. 39 2. 83 添加质量分数为 10% 的石煤 7. 14 75. 01 60. 98 62. 21 由表 3 可见，添加两种不同的还原剂使固定碳 含量相同时，所得到的镍铁精矿中镍、铁品位却都相 差很大． 因此，两种还原剂所含成分中除了固定碳 影响焙烧过程以外，灰分也是一个重要的影响因素． 由以上分析可见，由于石煤中所含固定碳以及 灰分的作用，采用石煤作还原剂时可以有效控制铁 的还原程度，并通过控制石煤用量，使还原产物中主 要以镍纹石形式存在，从而实现镍、铁的选择性还 原． 原矿中的铁橄榄石转变成为镁橄榄石，加入到 原矿中的助熔剂与原矿中的铝、硅元素生成霞石． 3. 3 不同煤用量时焙烧产物的扫描电镜分析 为了进一步分析煤种对红土镍焙烧过程中的影 响，对石煤的质量分数分别为 1% 、5% 和 20% 的焙 烧产物进行了电镜分析，结果如图 3 所示． 从图 3 可以看出，随着石煤用量的增加，焙烧后 产物中亮白色的镍铁合金逐渐增多，这是因为随着 石煤用量的增加，大量镍、铁从原矿中被还原出来． 从能谱图中可以看出，随着石煤用量的增加，镍铁合 金中镍的比例逐渐降低，而铁的比例逐渐升高． 图 3( a) 中 1 处镍质量分数为 70. 21% ，铁的质量分 数为 29. 79% ; 图 3 ( b) 中 2 处镍的质量分数为 52. 98% ，铁的质量分数为 47. 02% ; 图 3( c) 中 3 处 镍的质量分数为 6. 13% ，铁的质量分数为 93. 87% ． 分别取无烟煤质量分数 1% 、5% 和 20% 三个无 烟煤用量相差大的焙烧产物进行电镜观察，电镜图 如图 4 所示． 从图 4 中可以看出，随着无烟煤用量 的增加，焙烧后产物图中亮白色的镍铁合金增多，这 一规律与采用石煤作还原剂时相同． 从图 4 中可以 看出，镍铁合金中铁峰逐渐增强． 图 4( a) 中 1 处镍 的质量分数为 21. 09% ，铁的质量分数为 78. 91% ; 图 4( b) 中 2 处镍的质量分数 12. 68% ，铁质量分数 87. 32% ; 图 4( c) 中 3 处镍的质量分数为 3. 13% ，铁 的质量分数为 93. 87% ． 对比图 3、图 4 得出，煤用量相同时，无烟煤作 还原剂的焙烧产物中镍铁合金的总量相对多． 但 是，对比能谱分析图可以看出，在石煤作还原剂的焙 烧产物中，生成的镍铁合金中镍含量高，铁含量低， 而无烟煤则相反． 该分析结果进一步证实了还原性 较差的石煤相对于无烟煤，对还原镍、铁更具有选 择性． 4 结论 ( 1) 采用石煤和无烟煤进行的对比实验表明， 用石煤作还原剂所得镍铁精矿中镍、铁品位均高于 相同用量的无烟煤所得到的镍、铁品位，但镍、铁的 回收率比相同用量的无烟煤要低． ( 2) XRD 分析及 SEM 观察表明: 以石煤为还原 剂，焙烧产物中的镍主要以镍纹石的形式存在; 而以 无烟煤为还原剂时，焙烧产物中的镍主要以铁纹石 的形式存在． 同时以石煤为还原剂时金属铁的生成 ·1200·

第10期 孙体昌等：煤种对红土镍矿中镍选择性还原的影响机理 ·1201· 250 200 150 100 50 10 15 20 能量keV 400 300 200 Fe Ni 100 10 15 能量keV 500 400 300 200 100 10 15 20 能量eV e 图3不同石煤用量培烧产物分析.()石煤质量分数1%培烧产物中“1”点能谱图：(b)石煤质量分数5%培烧产物中“2”点能谱图：(c) 石煤质量分数20%培烧产物中“3”点能谱图 Fig.3 Roasted products obtained by adding different dosages of stone coal:(a)EDS spectrum of Point 1 after adding 1%stone coal:(b)EDS speetrum of Point 2 after adding5%stone coal:(c)EDS spectrum of Point 3 after adding 20%stone coal 量低，而用无烟煤时金属铁生成量高，所以采用石煤 固定碳含量相同时，所得到的镍铁精矿中镍、铁品位 作还原剂比无烟煤作还原剂对镍还原具有更强的选 相差的很大，说明对于石煤和无烟煤而言，煤的选择 择性. 性还原除了固定碳影响外，灰分也是一个重要的影 (3)分别添加石煤和无烟煤作还原剂使添加的 响因素

第 10 期 孙体昌等: 煤种对红土镍矿中镍选择性还原的影响机理 图 3 不同石煤用量焙烧产物分析． ( a) 石煤质量分数1% 焙烧产物中“1”点能谱图; ( b) 石煤质量分数5% 焙烧产物中“2”点能谱图; ( c) 石煤质量分数 20% 焙烧产物中“3”点能谱图 Fig． 3 Roasted products obtained by adding different dosages of stone coal: ( a) EDS spectrum of Point 1 after adding 1% stone coal; ( b) EDS spectrum of Point 2 after adding 5% stone coal; ( c) EDS spectrum of Point 3 after adding 20% stone coal 量低，而用无烟煤时金属铁生成量高，所以采用石煤 作还原剂比无烟煤作还原剂对镍还原具有更强的选 择性． ( 3) 分别添加石煤和无烟煤作还原剂使添加的 固定碳含量相同时，所得到的镍铁精矿中镍、铁品位 相差的很大，说明对于石煤和无烟煤而言，煤的选择 性还原除了固定碳影响外，灰分也是一个重要的影 响因素． ·1201·

·1202· 北京科技大学学报 第33卷 600 00 Fe 200Fe 10 15 20 能量keV 600 克400 200 10 能量人eV b 300 Fe 0 10 20 能量keV (c) 图4不同无烟煤用量培烧后产物分析.()无烟煤质量分数1%焙烧产物中“1”点能谱图：(b)无烟煤质量分数5%焙烧产物中“2”点能 谱图：（©）无烟煤质量分数20%培烧产物中“3”点能谱图 Fig.4 Roasted products obtained by adding different dosages of anthracite:(a)EDS spectrum of Point I after adding 1%anthracite:(b)EDS spectrum of Point 2 after adding 5%anthracite:(c)EDS spectrum of Point 3 after adding 20%anthracite 参考文献 B]Cheng MM.Current development status,market analysis and [1]Zhang Y P.Zhou YS,LiZY,et al.Characteristics of laterite re- prospect of ferronickel in China.Express Inf Min Ind,2008,24 (8):1 source and analysis on its pyrometallurgy process.Ferro-lloys, (程明明.中国镍铁的发展现状、市场分析与展望.矿业快报， 2007,38(6):18 2008,24(8):1) (张友平，周渝生，李肇毅，等.红土矿资源特点和火法治金工 4]Fan X R,Wang X D.Thinking about nickel industry in China. 艺分析.铁合金，2007,38(6)：18) China Nonferrous Met Ind,2001(11):16 Fan R Z.Nickel:rainbow comes after storm-retrospect during (樊相如，王晓东.对我国镍工业现状的几点思考.有色金属 2009 and prospect during 2010 for nickel market.China Nonfer- 工业，2001(11)：16) rous Met,2010(4):64 [5] Chen J B,Xu J H.Status quo of nickel mineral resource of our (范润泽.镍：守得云开见月明—2009年镍市场回顾及2010 country and countermeasures.Min Inf,2006,25(8):1 年展望.中国有色金属，2010(4)：64) (陈甲斌，许敬华.我国镍矿资源现状及对策.矿业快报

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 4 不同无烟煤用量焙烧后产物分析 . ( a) 无烟煤质量分数 1% 焙烧产物中“1”点能谱图; ( b) 无烟煤质量分数 5% 焙烧产物中“2”点能 谱图; ( c) 无烟煤质量分数 20% 焙烧产物中“3”点能谱图 Fig． 4 Roasted products obtained by adding different dosages of anthracite: ( a) EDS spectrum of Point 1 after adding 1% anthracite; ( b) EDS spectrum of Point 2 after adding 5% anthracite; ( c) EDS spectrum of Point 3 after adding 20% anthracite 参 考 文 献 ［1］ Zhang Y P，Zhou Y S，Li Z Y，et al． Characteristics of laterite re￾source and analysis on its pyrometallurgy process． Ferro-Alloys， 2007，38( 6) : 18 ( 张友平，周渝生，李肇毅，等． 红土矿资源特点和火法冶金工 艺分析． 铁合金，2007，38( 6) : 18) ［2］ Fan R Z． Nickel: rainbow comes after storm—retrospect during 2009 and prospect during 2010 for nickel market． China Nonfer￾rous Met，2010( 4) : 64 ( 范润泽． 镍: 守得云开见月明———2009 年镍市场回顾及 2010 年展望． 中国有色金属，2010( 4) : 64) ［3］ Cheng M M． Current development status，market analysis and prospect of ferronickel in China． Express Inf Min Ind，2008，24 ( 8) : 1 ( 程明明． 中国镍铁的发展现状、市场分析与展望． 矿业快报， 2008，24( 8) : 1) ［4］ Fan X R，Wang X D． Thinking about nickel industry in China． China Nonferrous Met Ind，2001( 11) : 16 ( 樊相如，王晓东． 对我国镍工业现状的几点思考． 有色金属 工业，2001( 11) : 16) ［5］ Chen J B，Xu J H． Status quo of nickel mineral resource of our country and countermeasures． Min Inf，2006，25( 8) : 1 ( 陈甲斌，许 敬 华． 我国镍矿资源现状及对策． 矿 业 快 报， ·1202·

第10期 孙体昌等：煤种对红土镍矿中镍选择性还原的影响机理 ·1203· 2006,25(8):1) leaching of arid-region nickel laterite ore:Part II Effect of ore 6]Li J H,Cheng W,Xiao Z H.Review on process technologies of type.Hydrometallurgy,2003,70(1-3)47 laterite-nickel ore.Hydrometall China,2004,23(4):191 [13]Xu M,Xu Q,Liu R Q.Exploitation of laterite-nickel mineral re- (李建华，程威，肖志海.红土镍矿处理工艺综述.湿法治金， sources and technology advances.Multipurpose Util Miner Resour, 2004,23(4):191) 2009(3):28 Zhao C M.Zhai Y C.Research development on nickel recovery (徐敏，许茜，刘日强.红土镍矿资源开发及工艺进展.产 technologies from nickel bearing laterite.Mater Rev,2009,23 综合利用，2009(3)：28) (6):73 [14]Li Z M,Zhu T,Wu JZ.Using of the nickel resource and devel- (赵昌明，程玉春.从红土镍矿中回收镍的工艺研究进展.材 opment of the ferronickel industry.China Nonferrous Metall, 料导报，2009,23(6)：73) 2009(1):29 [8]Xu Q X.The past and the future of nickel laterites.China Nonfer- (李志茂，朱形，吴家正.镍资源的利用及镍铁产业的发展 rous Metall,2005 (6):1 中国有色治金，2009(1)：29) (徐庆新.红土矿的过去与未来.中国有色治金，2005(6)：1) [15]Cao Z C,Sun T C,Yang H F,et al.Recovery of iron and nickel 9]Johnson J A,Cashmore B C,Hockridge R J.Optimisation of nick- from nickel laterite ore by direct reduction roasting and magnetic el extraction from laterite ores by high pressure acid leaching with ad- separation.J Univ Sci Technol Beijing,2010,32(6):708 dition of sodium sulphate.Miner Eng,2005,18(13/14):1297 (曹志成，孙体昌，杨慧芬，等.红土镍矿直接还原焙烧磁选 [10]Johnson J A,McDonald R G,Muir D M,et al.Pressure acid 回收铁镍.北京科技大学学报，2010,32(6)：708) leaching of arid-region nickel laterite ore:Part VI:Effect of acid 16] Ji Y N,Sun T C,Jiang M,et al.The effect to nickel-bearing loading and additives with nontronite ores.Hydrometallurgy, laterite by direet reduction roasting-magenetic separation with dif- 2005,78(3/4):264 ferent types of coal.Nonferrous Met Miner Process Sect,2011 [11]Munroe N D H.Leaching of nickeliferous laterite with ferric chlo- (1):29 ride.Metall Mater Trans B,1997,28 (6):995 (及亚娜，孙体昌，蒋曼，等.煤种对红土镍矿直接还原培烧一 [12]Whittington B I,Johnson JA,Quan L P,et al.Pressure acid 磁选的影响.有色金属：选矿部分，2011(1)：29)

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