红土镍矿含碳团块直接还原生产镍铁粒工艺

D0I:10.13374.issn1001-053x.2011.12.015 第33卷第12期 北京科技大学学报 Vol.33 No.12 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 红土镍矿含碳团块直接还原生产镍铁粒工艺 黄冬华12)@ 张建良” 林重春”毛 瑞) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学期刊中心，北京100083 区通信作者，E-mail:huangdh@usth.cd.cn 摘要以红土镍矿和煤粉复合团块为原料，利用高温直接还原制备镍铁粒.讨论了焙烧温度、焙烧时间、C/0摩尔比和熔剂 加入量对镍、铁品位和回收率以及对镍铁粒质量的影响.当焙烧温度为1350℃，C/0=1.4、焙烧时间为60mi以及石灰石加 入量为20%时，镍、全铁品位分别为9.4%和87.5%，镍、铁回收率分别为96.6%和97.9%.X射线衍射、扫描电镜及能谱分析 表明，镍铁粒中镍、铁基本以合金态存在，碳基本固溶在合金中. 关键词红土镍矿；直接还原：铁：镍 分类号TF556 Production of ferro-nickel granules from nickel laterite ore/coal composite bri- quettes by direct reduction HUANG Dong-hua'2☒，ZHANG Jian-4iamg》,LIN Chong-thun',MAO Rui 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Journals Publishing Center,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:huangdh@ustb.edu.cn ABSTRACT Ferro-nickel granules were produced from nickel laterite ore/coal composite briquettes by high-temperature direct reduc- tion.The effects of roasting temperature,roasting time,C/O(carbon/oxygen)molar ratio and fux amount on the grades and recovery rates of nickel and iron as well as on the quality of ferro-nickel granules were studied.The grades of nickel and total iron in the gran- ules are 9.4%and 87.5%and the recovery rates of nickel and iron are 96.6%and 97.9%,respectively,when the roasting tempera- ture is 1350C,the C/O molar ratio is 1.4,the roasting time is 60 min,and the limestone amount is 20%.The ferro-nickel granules were characterized by X-ray diffraction (XRD)and scanning electron microscopy (SEM)equipped with an energy dispersive spectrom- eter (EDS).The results show that nickel and iron basically exist in alloy state,and carbon is solid-soluted in the alloy. KEY WORDS nickel laterite:direct reduction:iron:nickel 随着我国不锈钢产量的快速增长，对镍的需 层和腐植土层三层组成.褐铁矿层的主要成 求不断增加口.世界镍资源主要有硫化镍矿和红 分（质量分数）为含铁的氧化矿物，镍一般不超过 土镍矿两种.由于不能通过选矿富集、处理工艺复 1.5%,铁高于40%，二氧化硅小于5%，氧化镁小 杂等原因，占世界陆基镍资源72%的红土镍矿仅 于5%，钴含量比较高(Co/Ni≥0.1)，这种矿石宜 产出世界原生镍总产量的42%回.随着世界上可 采用湿法治金工艺处理.腐植土层中硅、镁的含量 经济利用的疏化镍矿资源的日益减少，全球镍资 比较高，铁含量较低，钴含量也较低，镍含量比较 源开发利用重心正逐步向资源相对充裕的红土镍 高，适于火法治炼.中间过渡层可采用湿法或火法 矿转移可 治金工艺的.来自红土镍矿的镍，有70%是用火 红土镍矿的可采部分一般由褐铁矿层、过渡 法治金生产的因.火法治金中比较成熟的工艺主 收稿日期：201104-一12

第 33 卷 第 12 期 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 12 Dec． 2011 红土镍矿含碳团块直接还原生产镍铁粒工艺 黄冬华1，2) 张建良1) 林重春1) 毛 瑞1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学期刊中心，北京 100083 通信作者，E-mail: huangdh@ ustb． edu． cn 摘 要 以红土镍矿和煤粉复合团块为原料，利用高温直接还原制备镍铁粒． 讨论了焙烧温度、焙烧时间、C/O 摩尔比和熔剂 加入量对镍、铁品位和回收率以及对镍铁粒质量的影响． 当焙烧温度为 1 350 ℃、C/O = 1. 4、焙烧时间为 60 min 以及石灰石加 入量为 20% 时，镍、全铁品位分别为 9. 4% 和 87. 5% ，镍、铁回收率分别为 96. 6% 和 97. 9% ． X 射线衍射、扫描电镜及能谱分析 表明，镍铁粒中镍、铁基本以合金态存在，碳基本固溶在合金中． 关键词 红土镍矿; 直接还原; 铁; 镍 分类号 TF556 Production of ferro-nickel granules from nickel laterite ore /coal composite bri￾quettes by direct reduction HUANG Dong-hua1，2) ，ZHANG Jian-liang1) ，LIN Chong-chun1) ，MAO Rui 1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Journals Publishing Center，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: huangdh@ ustb． edu． cn ABSTRACT Ferro-nickel granules were produced from nickel laterite ore /coal composite briquettes by high-temperature direct reduc￾tion． The effects of roasting temperature，roasting time，C/O ( carbon /oxygen) molar ratio and flux amount on the grades and recovery rates of nickel and iron as well as on the quality of ferro-nickel granules were studied． The grades of nickel and total iron in the gran￾ules are 9. 4% and 87. 5% and the recovery rates of nickel and iron are 96. 6% and 97. 9% ，respectively，when the roasting tempera￾ture is 1 350 ℃，the C/O molar ratio is 1. 4，the roasting time is 60 min，and the limestone amount is 20% ． The ferro-nickel granules were characterized by X-ray diffraction ( XRD) and scanning electron microscopy ( SEM) equipped with an energy dispersive spectrom￾eter ( EDS) ． The results show that nickel and iron basically exist in alloy state，and carbon is solid-soluted in the alloy． KEY WORDS nickel laterite; direct reduction; iron; nickel 收稿日期: 2011--04--12 随着我国不锈钢产量的快速增长，对镍的需 求不断增加［1］． 世界镍资源主要有硫化镍矿和红 土镍矿两种． 由于不能通过选矿富集、处理工艺复 杂等原因，占世界陆基镍资源 72% 的红土镍矿仅 产出世界原生镍总产量的 42%［2］． 随着世界上可 经济利用的硫化镍矿资源的日益减少，全球镍资 源开发利用重心正逐步向资源相对充裕的红土镍 矿转移［3］． 红土镍矿的可采部分一般由褐铁矿层、过渡 层和腐植土层三层组成［4--5］． 褐铁矿层的主要成 分( 质量分数) 为含铁的氧化矿物，镍一般不超过 1. 5% ，铁高于 40% ，二氧化硅小于 5% ，氧化镁小 于 5% ，钴含量比较高( Co /Ni≥0. 1) ，这种矿石宜 采用湿法冶金工艺处理． 腐植土层中硅、镁的含量 比较高，铁含量较低，钴含量也较低，镍含量比较 高，适于火法冶炼． 中间过渡层可采用湿法或火法 冶金工艺［5］． 来自红土镍矿的镍，有 70% 是用火 法冶金生产的［6］． 火法冶金中比较成熟的工艺主 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.12.015

第12期 黄冬华等：红土镍矿含碳团块直接还原生产镍铁粒工艺 ·1443· 要有回转窑干燥预还原一电炉熔炼法、烧结一鼓 1原料基本性质及实验方法 风炉熔炼法网、烧结一高炉还原熔炼法口.这些工 艺存在着能耗高、环境污染严重及对原料要求高 1.1红土镍矿 等缺点.粒铁法是直接还原法的一种，于1930年 实验所用的矿石为印尼红土镍矿，其化学成 由原联邦德国Krupp公司开发成功，该法适用于处 分见表1.矿石中镍的品位较低，为1.83%，全铁 理含酸性脉石的贫铁矿.日本治金工业公司大江 的品位为16.8%，S、P等有害杂质含量较低.利用 山厂从1952年开始利用该方法熔炼进口的硅镁 X射线衍射研究了红土镍矿的物相组成，结果见 镍矿生产镍铁粒用于生产不锈钢-0，被公认为 图1.该红土镍矿中的主要物相有针铁矿、赤铁 是目前最为经济的处理红土镍矿的方法。目前，对 矿、暗镍蛇纹石、斜纤蛇纹石和高岭石.镍以镁质 红土镍矿火法治金方面的研究主要集中在干 硅酸盐的形式存在，含铁矿物有针铁矿和赤铁矿. 燥-、烧结、还原机理以及新工艺s的 根据化学成分及矿物组成分析认为，此种镍矿是 开发上.本文研究了红土镍矿含碳团块直接还原 高氧化镁类的镍矿石.由于蛇纹石、高岭石都是含 生产镍铁粒的方法，考察了还原工艺条件对生成 水硅酸盐矿物，同时针铁矿中含有结晶水，因此此 镍铁粒的影响. 矿的结晶水分较高 表1红土镍矿化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the nickel laterite ore % i TFe FeO SiO2 Ca0 Mgo Al2O Co 1.59 16.86 0.57 39.9 1.29 15.0 3.19 0.02 0.47 0.019 0.004 500 C/0摩尔比为1.2~1.5，石灰石加入量为矿量的 女一针铁FeO(OH》 ★一暗镍蛇纹石 10%~40%.红土镍矿在恒温干燥箱中烘干 400 ((Ni.Mg)SiO.(OH)) (105℃，3h)后，经密封式制样机制样(-100目占 -赤铁矿(e0) 300 ◆-高岭不(A,Si,0,OH) 90%以上)，并置于烘箱中备用.将红土镍矿粉、煤 士)图 △一斜纤蛇纹石 粉及石灰石按所需比例充分混匀后压成中l5mm× (Mg Si0,(OH)) 200 15mm的试样.试样烘干后置于石墨坩埚中，表面 100t 盖一层焦粉.待高温电阻炉（型号$X8-16,额定温 度1600℃，额定功率8kW)达到指定的温度后，将 40 60 80 坩埚送入，含碳团块将发生还原、渗碳、熔化和汇集 2) 等过程.达到指定的时间后，将坩埚取出，表面再覆 图1红土镍矿X射线衍射谱 盖一层焦粉，防止表面被氧化.待冷却到室温后，对 Fig.1 XRD pattern of the nickel laterite ore 还原后的团块进行破碎、筛分，得到大颗粒、高品位 1.2还原剂 的镍铁粒 实验所用的还原剂为神木烟煤，破碎磨细至 2结果与讨论 -80目，其工业分析结果见表2 2.1还原后产物的形貌 表2煤粉的工业分析（质量分数） 高温下红土镍矿含碳团块自还原得到金属镍和 Table 2 Industrial analysis of the pulverized coal 铁，经扩散聚集成镍铁粒.图2(a)为红土镍矿含碳 名称 Cd Vd Ad 团块还原熔分后产物的形貌，镍铁粒镶嵌于渣中. 神木烟煤 57.52 34.52 7.96 经破碎、筛分后，可以得到粒度为1~15mm的镍铁 注：Cd为空气干燥基固定碳，Vd为干燥无灰基挥发分，Ad为干 粒（图2(b)) 燥基灰分 2.2工艺参数对镍、铁品位和回收率以及对镍铁粒 1.3实验方法 尺寸的影响 研究涉及的工艺参数包括焙烧温度、焙烧时间、 镍、铁的回收率分别指含碳团块还原后经破碎 配碳量(C/0摩尔比)和碱度.实验过程中控制焙 分离后所得镍铁粒中镍、全铁质量占还原前团块中 烧温度为1325~1400℃，焙烧时间为40~100min, 镍、全铁质量的百分数，与渣和金属分离程度及镍铁

第 12 期 黄冬华等: 红土镍矿含碳团块直接还原生产镍铁粒工艺 要有回转窑干燥预还原--电炉熔炼法［7］、烧结--鼓 风炉熔炼法［8］、烧结--高炉还原熔炼法［1］． 这些工 艺存在着能耗高、环境污染严重及对原料要求高 等缺点． 粒铁法是直接还原法的一种，于 1930 年 由原联邦德国 Krupp 公司开发成功，该法适用于处 理含酸性脉石的贫铁矿． 日本冶金工业公司大江 山厂从 1952 年开始利用该方法熔炼进口的硅镁 镍矿生产镍铁粒用于生产不锈钢［9--10］，被公认为 是目前最为经济的处理红土镍矿的方法． 目前，对 红土镍 矿 火 法 冶 金 方 面 的 研 究 主 要 集 中 在 干 燥［11--12］、烧结［13］、还原机理［14］以及新工艺［15--16］的 开发上． 本文研究了红土镍矿含碳团块直接还原 生产镍铁粒的方法，考察了还原工艺条件对生成 镍铁粒的影响． 1 原料基本性质及实验方法 1. 1 红土镍矿 实验所用的矿石为印尼红土镍矿，其化学成 分见表 1． 矿石中镍的品位较低，为 1. 83% ，全铁 的品位为 16. 8% ，S、P 等有害杂质含量较低． 利用 X 射线衍射研究了红土镍矿的物相组成，结果见 图 1． 该红土镍矿中的主要物相有针铁矿、赤 铁 矿、暗镍蛇纹石、斜纤蛇纹石和高岭石． 镍以镁质 硅酸盐的形式存在，含铁矿物有针铁矿和赤铁矿． 根据化学成分及矿物组成分析认为，此种镍矿是 高氧化镁类的镍矿石． 由于蛇纹石、高岭石都是含 水硅酸盐矿物，同时针铁矿中含有结晶水，因此此 矿的结晶水分较高． 表 1 红土镍矿化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the nickel laterite ore % Ni TFe FeO SiO2 CaO MgO Al2O3 Co Cr S P 1. 59 16. 86 0. 57 39. 9 1. 29 15. 0 3. 19 0. 02 0. 47 0. 019 0. 004 图 1 红土镍矿 X 射线衍射谱 Fig． 1 XRD pattern of the nickel laterite ore 1. 2 还原剂 实验所用的还原剂为神木烟煤，破碎磨细至 － 80目，其工业分析结果见表 2． 表 2 煤粉的工业分析( 质量分数) Table 2 Industrial analysis of the pulverized coal % 名称 Cd Vd Ad 神木烟煤 57. 52 34. 52 7. 96 注: Cd 为空气干燥基固定碳，Vd 为干燥无灰基挥发分，Ad 为干 燥基灰分． 1. 3 实验方法 研究涉及的工艺参数包括焙烧温度、焙烧时间、 配碳量( C /O 摩尔比) 和碱度． 实验过程中控制焙 烧温度为 1 325 ～ 1 400 ℃，焙烧时间为 40 ～ 100 min， C /O 摩尔比为 1. 2 ～ 1. 5，石灰石加入量为矿量的 10% ～ 40% ． 红土镍矿在恒温干燥箱中烘干 ( 105 ℃，3 h) 后，经密封式制样机制样( － 100 目占 90% 以上) ，并置于烘箱中备用． 将红土镍矿粉、煤 粉及石灰石按所需比例充分混匀后压成 15 mm × 15 mm 的试样． 试样烘干后置于石墨坩埚中，表面 盖一层焦粉． 待高温电阻炉( 型号 SX--8--16，额定温 度 1 600 ℃，额定功率 8 kW) 达到指定的温度后，将 坩埚送入，含碳团块将发生还原、渗碳、熔化和汇集 等过程． 达到指定的时间后，将坩埚取出，表面再覆 盖一层焦粉，防止表面被氧化． 待冷却到室温后，对 还原后的团块进行破碎、筛分，得到大颗粒、高品位 的镍铁粒． 2 结果与讨论 2. 1 还原后产物的形貌 高温下红土镍矿含碳团块自还原得到金属镍和 铁，经扩散聚集成镍铁粒． 图 2( a) 为红土镍矿含碳 团块还原熔分后产物的形貌，镍铁粒镶嵌于渣中． 经破碎、筛分后，可以得到粒度为 1 ～ 15 mm 的镍铁 粒( 图 2( b) ) ． 2. 2 工艺参数对镍、铁品位和回收率以及对镍铁粒 尺寸的影响 镍、铁的回收率分别指含碳团块还原后经破碎 分离后所得镍铁粒中镍、全铁质量占还原前团块中 镍、全铁质量的百分数，与渣和金属分离程度及镍铁 ·1443·

·1444- 北京科技大学学报 第33卷 b 图2红土镍矿含碳团块还原后形貌()和还原团块破碎分离后所得镍铁粒(b) Fig.2 Morphology of the reduced nickle laterite/coal composite briquettes (a)and the ferro-nickel granules separated from the reduced briquettes (b) 粒尺寸等有关 金属壳内快速被还原.脉石、灰分、熔剂及未还原的 2.2.1焙烧温度 铁氧化物则形成半熔融状炉渣.还原后的金属镍铁 焙烧温度对镍铁粒中镍、全铁品位的影响见 在高温下渗碳，形成镍铁粒，与炉渣可以有效地分 图3.从图3可见：在石灰石加入量为20%，C/0= 离.如果温度过低，固态金属壳熔化很慢甚至不熔 1.4(摩尔比)，焙烧时间为60min的条件下，温度从 化，渣的流动性差，渣与金属难以彻底分离.当温度 1325℃升高到1350℃，镍的品位从9.0%提高到 升高时，镍铁和渣更容易熔化，熔渣的黏度降低，流 9.4%,镍的回收率从91.9%提高到96.6%；继续升 动性更好，有利于金属的扩散聚集，有利于金属与渣 高温度，镍的品位趋于平稳.随温度的升高，全铁品 的分离，因此铁的回收率升高.经综合考虑，焙烧温 位增幅较少，1350℃时全铁品位为87.5%，回收率 度为1350℃比较合适 为97.9%. 2.2.2焙烧时间 100 100 在石灰石加入量为20%，C/0=1.4,温度为 90 1350℃的条件下，考察了焙烧时间对镍铁粒中镍、 95 全铁品位及回收率的影响，结果见图4.当焙烧时间 80 ■一TFe品位 由40min增加到60min时，镍的回收率由84.5%增 ●一Ni品位 20 4一Fe回收率 加到96.6%，镍品位由8.0%增加到9.4%.超过 ★一Ni回牧率 10 85 60min后，镍、全铁品位及镍、铁回收率趋于平稳.这 表明在1350℃的条件下，焙烧时间为60min比较合 80 1325 13501375 1400 适，此时渣与金属己经完全分离 温度℃ 2.2.3配碳量 图3培烧温度对镍铁粒中镍、全铁品位及镍、铁回收率的影响 在石灰石加入量为20%，焙烧时间为60min,焙 Fig.3 Effects of reduction temperature on the grades and recovery 烧温度为1350℃的条件下，考察了配碳量(C/0摩 rates of nickel and iron in the ferro-nickel granules 尔比)对镍铁粒中镍、全铁品位及镍、铁回收率的影 焙烧温度为1325℃时，镍铁粒细小，与渣结合 响，结果见图5.随着配碳量的增加，镍的品位及回 比较紧密，镍铁粒与渣之间的缩孔小.随焙烧温度 收率逐渐增加，当C/0=1.4时达到顶峰，铁的品位 升高，镍铁粒尺寸逐渐增大，温度为1350℃、 及回收率增幅比较平缓.随着配碳量的增加，所得 1375℃时，镍铁粒尺寸相对较均匀，渣与金属分离 镍铁粒的质量逐渐增加，C/0=1.4时达到最大.当 效果好，到1400℃后镍铁聚集为一整块. C/0=1.5时，细小的镍铁粒较多. 红土镍矿含碳团块高温加热时，还原首先在表 配碳主要起两个作用：(1)作为镍、铁氧化物的 面开始，在表面形成了一个金属壳，可以防止其内部 还原剂：(2)当镍、铁被还原以后，过量的碳渗透到 反应产生的C0气体向外部逸出，使镍铁氧化物在 镍铁合金中降低开始熔化温度，使镍铁合金熔化

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 2 红土镍矿含碳团块还原后形貌( a) 和还原团块破碎分离后所得镍铁粒( b) Fig． 2 Morphology of the reduced nickle laterite /coal composite briquettes ( a) and the ferro-nickel granules separated from the reduced briquettes ( b) 粒尺寸等有关． 2. 2. 1 焙烧温度 焙烧温度对镍铁粒中镍、全铁品位的影响见 图 3． 从图 3 可见: 在石灰石加入量为 20% ，C /O = 1. 4 ( 摩尔比) ，焙烧时间为 60 min 的条件下，温度从 1 325 ℃升高到 1 350 ℃，镍的品位从 9. 0% 提高到 9. 4% ，镍的回收率从 91. 9% 提高到 96. 6% ; 继续升 高温度，镍的品位趋于平稳． 随温度的升高，全铁品 位增幅较少，1 350 ℃ 时全铁品位为 87. 5% ，回收率 为 97. 9% ． 图 3 焙烧温度对镍铁粒中镍、全铁品位及镍、铁回收率的影响 Fig． 3 Effects of reduction temperature on the grades and recovery rates of nickel and iron in the ferro-nickel granules 焙烧温度为 1 325 ℃ 时，镍铁粒细小，与渣结合 比较紧密，镍铁粒与渣之间的缩孔小． 随焙烧温度 升高，镍铁粒尺寸逐渐增大，温 度 为 1 350 ℃、 1 375 ℃时，镍铁粒尺寸相对较均匀，渣与金属分离 效果好，到 1 400 ℃后镍铁聚集为一整块． 红土镍矿含碳团块高温加热时，还原首先在表 面开始，在表面形成了一个金属壳，可以防止其内部 反应产生的 CO 气体向外部逸出，使镍铁氧化物在 金属壳内快速被还原． 脉石、灰分、熔剂及未还原的 铁氧化物则形成半熔融状炉渣． 还原后的金属镍铁 在高温下渗碳，形成镍铁粒，与炉渣可以有效地分 离． 如果温度过低，固态金属壳熔化很慢甚至不熔 化，渣的流动性差，渣与金属难以彻底分离． 当温度 升高时，镍铁和渣更容易熔化，熔渣的黏度降低，流 动性更好，有利于金属的扩散聚集，有利于金属与渣 的分离，因此铁的回收率升高． 经综合考虑，焙烧温 度为 1 350 ℃比较合适． 2. 2. 2 焙烧时间 在石灰石加入量为 20% ，C /O = 1. 4，温 度 为 1 350 ℃的条件下，考察了焙烧时间对镍铁粒中镍、 全铁品位及回收率的影响，结果见图 4． 当焙烧时间 由 40 min 增加到 60 min 时，镍的回收率由 84. 5% 增 加到 96. 6% ，镍品位由 8. 0% 增加到 9. 4% ． 超过 60 min后，镍、全铁品位及镍、铁回收率趋于平稳． 这 表明在 1 350 ℃的条件下，焙烧时间为 60 min 比较合 适，此时渣与金属已经完全分离． 2. 2. 3 配碳量 在石灰石加入量为 20% ，焙烧时间为 60 min，焙 烧温度为 1 350 ℃的条件下，考察了配碳量( C /O 摩 尔比) 对镍铁粒中镍、全铁品位及镍、铁回收率的影 响，结果见图 5． 随着配碳量的增加，镍的品位及回 收率逐渐增加，当 C /O = 1. 4 时达到顶峰，铁的品位 及回收率增幅比较平缓． 随着配碳量的增加，所得 镍铁粒的质量逐渐增加，C /O = 1. 4 时达到最大． 当 C /O = 1. 5 时，细小的镍铁粒较多． 配碳主要起两个作用: ( 1) 作为镍、铁氧化物的 还原剂; ( 2) 当镍、铁被还原以后，过量的碳渗透到 镍铁合金中降低开始熔化温度，使镍铁合金熔化． ·1444·

第12期 黄冬华等：红土镍矿含碳团块直接还原生产镍铁粒工艺 ·1445· 100 100 100 100 90 901 95 95 80 80 "一TFe品位 ·一Ni品位 ■-TFe品位 20 ▲一F:回收率 ●一Ni品位 4一Fe可收率 ★一N回收 ★一Ni同收率 10 85 85 10- 80 40 5060708090100 J80 20 30 40 时间/min 石灰石加入量% 图4培烧时间对镍铁粒中镍、全铁品位及镍、铁回收率的影响 图6石灰石加入量对镍铁粒中镍、全铁品位及镍、铁回收率的 Fig.4 Effects of reduction time on the grades and recovery rates of 影响 nickel and iron in the ferro-nickel granules Fig.6 Effects of limestone amount on the grades and recovery rates of nickel and iron in the ferro-nickel granules 100 100 90 95 大，不利于镍和铁的扩散聚集.因此，石灰石的加入 量为20%比较合适. 80 90 ■一T下e品位 话20l ●一Ni品位 3镍铁粒分析 85叵 一Fe回收率 ★一Ni回收 10 80 3.1X射线衍射分析 对红土镍矿经直接还原得到的镍铁粒进行了X 0 75 1.2 1.3 1.4 1.5 射线衍射分析.实验条件：温度1350℃，焙烧时间 CO摩尔比 60min,C/0=1.4,石灰石加入量为20%.所得X射 图5C/0摩尔比对镍铁粒中镍、全铁品位及镍、铁回收率的影 多 线衍射谱见图7.主要物相为FeNi及C,镍固溶到 Fig.5 Effects of the C/O molar ratio on the grades and recovery 铁相中，无明显的脉石成分 rates of nickel and iron in the ferro-nickel granules 5000 随着配碳量的增加，团块的还原速率加快，镍铁合金 的渗碳期提前，渗碳量增加，使得镍铁合金熔化的温 4000 度降低，形成镍铁粒的时间缩短.但是，当配碳量太 号300 高时，由于过剩的碳颗粒太多，渣黏度增大，会阻碍 照2000 金属和渣的扩散聚集，因此细小的镍铁粒较多.同 时过多的配碳量不仅会给产物带入更多的灰分，降 1000 低还原矿中镍和铁的品位，还会增硫，影响产品的质 量.因此，C/0=1.4为宜. 20 40 60 80 26) 2.2.4熔剂加入量 图7镍铁粒的X射线衍射图谱 在配碳量为C/0=1.4,焙烧温度为1350℃，焙 Fig.7 XRD pattern of the ferro-nickel granules 烧时间为60min的条件下，考察了石灰石加入量对 镍、全铁品位及镍、铁回收率的影响，结果见图6.当 3.2扫描电镜及能谱分析 石灰石加入量为矿量的20%时，镍的回收率达到峰 对镍铁粒的表面进行了扫描电镜(SEM)及能 值.随石灰石加入量的增加，铁的品位及回收率缓 谱(EDS)分析，结果见图8和图9.图8中的面扫描 慢增加 表明，镍铁粒中镍含量很高，其质量分数为 石灰石加入量较低时，渣和金属互相包裹，很难 10.89%,铁的质量分数为83.15%.镍铁粒的主要 将其分离：当石灰石加入量达到20%后，含碳团块 物相为FeNiCS相和FeNiCrCS相，镍、铁基本以合金 的熔化性能较好，渣和金属能基本分离.过多的熔 态存在，碳基本固溶在合金中.由于镍铁粒表面的 剂会减少红土镍矿粉与还原剂的接触面积，对还原 碳含量较高，可见到高碳含量的FeC相（图9点B 不利，同时使渣量增多，使得金属相之间的距离变 处)存在，同时有石墨析出

第 12 期 黄冬华等: 红土镍矿含碳团块直接还原生产镍铁粒工艺 图 4 焙烧时间对镍铁粒中镍、全铁品位及镍、铁回收率的影响 Fig． 4 Effects of reduction time on the grades and recovery rates of nickel and iron in the ferro-nickel granules 图 5 C /O 摩尔比对镍铁粒中镍、全铁品位及镍、铁回收率的影 响 Fig． 5 Effects of the C /O molar ratio on the grades and recovery rates of nickel and iron in the ferro-nickel granules 随着配碳量的增加，团块的还原速率加快，镍铁合金 的渗碳期提前，渗碳量增加，使得镍铁合金熔化的温 度降低，形成镍铁粒的时间缩短． 但是，当配碳量太 高时，由于过剩的碳颗粒太多，渣黏度增大，会阻碍 金属和渣的扩散聚集，因此细小的镍铁粒较多． 同 时过多的配碳量不仅会给产物带入更多的灰分，降 低还原矿中镍和铁的品位，还会增硫，影响产品的质 量． 因此，C /O = 1. 4 为宜． 2. 2. 4 熔剂加入量 在配碳量为 C /O = 1. 4，焙烧温度为 1 350 ℃，焙 烧时间为 60 min 的条件下，考察了石灰石加入量对 镍、全铁品位及镍、铁回收率的影响，结果见图 6． 当 石灰石加入量为矿量的 20% 时，镍的回收率达到峰 值． 随石灰石加入量的增加，铁的品位及回收率缓 慢增加． 石灰石加入量较低时，渣和金属互相包裹，很难 将其分离; 当石灰石加入量达到 20% 后，含碳团块 的熔化性能较好，渣和金属能基本分离． 过多的熔 剂会减少红土镍矿粉与还原剂的接触面积，对还原 不利，同时使渣量增多，使得金属相之间的距离变 图 6 石灰石加入量对镍铁粒中镍、全铁品位及镍、铁回收率的 影响 Fig． 6 Effects of limestone amount on the grades and recovery rates of nickel and iron in the ferro-nickel granules 大，不利于镍和铁的扩散聚集． 因此，石灰石的加入 量为 20% 比较合适． 3 镍铁粒分析 3. 1 X 射线衍射分析 对红土镍矿经直接还原得到的镍铁粒进行了 X 射线衍射分析． 实验条件: 温度 1 350 ℃，焙烧时间 60 min，C /O = 1. 4，石灰石加入量为 20% ． 所得 X 射 线衍射谱见图 7． 主要物相为 FeNi 及 C，镍固溶到 铁相中，无明显的脉石成分． 图 7 镍铁粒的 X 射线衍射图谱 Fig． 7 XRD pattern of the ferro-nickel granules 3. 2 扫描电镜及能谱分析 对镍铁粒的表面进行了扫描电镜( SEM) 及能 谱( EDS) 分析，结果见图 8 和图 9． 图 8 中的面扫描 表 明，镍铁粒中镍含量很高，其 质 量 分 数 为 10. 89% ，铁的质量分数为 83. 15% ． 镍铁粒的主要 物相为 FeNiCS 相和 FeNiCrCS 相，镍、铁基本以合金 态存在，碳基本固溶在合金中． 由于镍铁粒表面的 碳含量较高，可见到高碳含量的 FeC 相( 图 9 点 B 处) 存在，同时有石墨析出． ·1445·

·1446· 北京科技大学学报 第33卷 1800rb) FeKa 1400 ) 1100 700 FeLa 400 NiLa SKa ANiKa 0 12 3456 7 910 能量keV 图8镍铁粒的SEM像(a)及EDS谱(b) Fig.8 SEM image (a)and EDS spectrum (b)of a ferronickel granule 2000[ FeKa 2600 e 1600 2100 FeLa 800 1100 FeKa 400 FeKb 500 NiLa CrKb ANiKa 0 23 456 7 8910 12 3456 78910 能量keV 能量keV 图9镍铁粒的SEM像及EDS谱.(a)镍铁粒的SEM像：(b)图(a)中点A处的EDS谱：(c)图(a)中点B处的EDS谱 Fig.9 SEM image and EDS spectra of a ferro-nickel granule:(a)SEM image of a ferro-nickel granule:(b)EDS spectrum of Point A in Fig.(a): (c)EDS spectrum of Point B in Fig.(a) 4结论 对较均匀，渣与金属分离效果好，到1400℃后镍铁 聚集为一整块.熔剂加入量对渣与金属分离的影响 (1)温度为1350℃时，镍的品位和回收率最 较大，石灰石加入量较低时，渣和金属互相包裹，很 高.随着配碳量的提高，镍和铁的回收率逐渐提高， 难将其分离：石灰石加入量达到20%时，含碳团块 但当C/0超过1.4后，镍的回收率开始下降.当石 的熔化性能较好，渣和金属能基本分离. 灰石加入量为矿量的20%时，镍的回收率最高 (3)当配碳量为C/0=1.4,焙烧温度为 (2)焙烧温度和熔剂加入量是渣与金属相分离 1350℃，焙烧时间为60min,石灰石加入量为矿量 的主要影响因素.随焙烧温度升高，镍铁粒尺寸逐 的20%时，获得的产品质量较好，镍品位为9.4%， 渐增大，温度为1350℃、1375℃时，镍铁粒尺寸相 回收率为96.6%，全铁品位为87.5%，回收率为

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 8 镍铁粒的 SEM 像( a) 及 EDS 谱( b) Fig． 8 SEM image ( a) and EDS spectrum ( b) of a ferro-nickel granule 图 9 镍铁粒的 SEM 像及 EDS 谱． ( a) 镍铁粒的 SEM 像; ( b) 图( a) 中点 A 处的 EDS 谱; ( c) 图( a) 中点 B 处的 EDS 谱 Fig． 9 SEM image and EDS spectra of a ferro-nickel granule: ( a) SEM image of a ferro-nickel granule; ( b) EDS spectrum of Point A in Fig． ( a) ; ( c) EDS spectrum of Point B in Fig． ( a) 4 结论 ( 1) 温度为 1 350 ℃ 时，镍的品位和回收率最 高． 随着配碳量的提高，镍和铁的回收率逐渐提高， 但当 C /O 超过 1. 4 后，镍的回收率开始下降． 当石 灰石加入量为矿量的 20% 时，镍的回收率最高． ( 2) 焙烧温度和熔剂加入量是渣与金属相分离 的主要影响因素． 随焙烧温度升高，镍铁粒尺寸逐 渐增大，温度为 1 350 ℃、1 375 ℃ 时，镍铁粒尺寸相 对较均匀，渣与金属分离效果好，到 1 400 ℃ 后镍铁 聚集为一整块． 熔剂加入量对渣与金属分离的影响 较大，石灰石加入量较低时，渣和金属互相包裹，很 难将其分离; 石灰石加入量达到 20% 时，含碳团块 的熔化性能较好，渣和金属能基本分离． ( 3 ) 当 配 碳 量 为 C /O = 1. 4，焙 烧 温 度 为 1 350 ℃，焙烧时间为 60 min，石灰石加入量为矿量 的 20% 时，获得的产品质量较好，镍品位为 9. 4% ， 回收 率 为 96. 6% ，全 铁 品 位 为 87. 5% ，回 收 率 为 ·1446·

第12期 黄冬华等：红土镍矿含碳团块直接还原生产镍铁粒工艺 ·1447· 97.9%. 展.中国有色金属学报，2008,18（专辑1）：s1) (4)镍铁粒中镍、铁基本以合金态存在，碳基本 9] Watanabe T,Ono S,Arai H,et al.Direct reduction of garnierite 固溶在合金中，同时还有FeC相及石墨相存在. ore for production of ferro-nickel with a rotary kiln at Nippon Yakin Kogyo Co.,Ltd.,Oheyama Works.Int J Miner Process,1987, 19(14):173 参考文献 [10]Matsumori T,Ishizuka T,Matsuda T.An economical smelting Zhao WZ.Substantial increase of nickel demands caused by rapid method of ferro-ickel as raw material of stainless steel.Metall growth of stainless steel production deserves close attention.World Rer MMI,1996,13(1):144 Nonferrous Met,2007(3):5 [11]Pickles C A.Drying kinetics of nickeliferous limonitic laterite (赵武壮.我国不锈钢生产快速增长对镍的需求大幅度增加 ares.Miner Eng,2003,16(12):1327 值得关注.世界有色金属，2007(3)：5) [12]Purwanto H,Shimada T,Takahashi R,et al.Lowering of grind- 2]Dalvi A D,Bacon W G,Osborne R C.The past and the future of ing energy and enhancement of agglomerate strength by dehydra- nickel laterites /PDAC 2004 International Convention.Toronto, tion of Indonesian laterite ore.IS/J Int,2002,42(3):243 2004:1 [13]Lv X W,Bai C G,He S P,et al.Mineral change of Philippine B]Torries T F.Comparative costs of nickel sulphides and laterites. and Indonesia nickel lateritic ore during sintering and mineralogy Resour Policy,1995,21(3)179 of their sinter.ISI/Int,2010,50(3):380 4]Ishii K.Development of ferro-nickel smelting from laterite in Ja- pan.Int J Process,1987,19(1-4):15 [14]Valix M,Cheung W H.Effect of sulfur on the mineral phases of 5]Zhu J H.Technical analysis on development and utilization of laterite ores at high temperature reduction.Miner Eng,2002,15 (7):523 nickel laterite ore in the world.China Met Bull,2007(35):22 (朱景和.世界镍红土矿开发与利用的技术分析.中国金属通 [15]Cao ZC,Sun TC,Yang H F,et al.Recovery of iron and nickel from nickel laterite ore by direct reduction roasting and magnetic 报，2007(35)：22) [6 Warner A E M,Diaz C M,Dalvi A D,et al.JOM world nonfer- separation.J Univ Sci Technol Beijing,2010,32(6):708 rous smelter survey:Part IlI.Nickel:laterite.JOM,2006,58 (曹志成，孙体昌，杨慧芬，等.红土镍矿直接还原焙烧磁选 (4):11 回收铁镍.北京科技大学学报，2010,32(6)：708) Bergman R A.Nickel production from low-iron laterite ores: [16]Lin CC,Zhang J L,Huang D H,et al.Enrichment of nickel process descriptions.CIM Bull,2003,96:127 and iron from nickel laterite ore/coal composite pellets by deep [8]Wang C Y,Yin F,Chen Y Q,et al.Worldwide processing tech- reduction and magnetic separation.J Univ Sci Technol Beijing, nologies and progress of nickel laterites.Chin J Nonferrous Met, 2011,33(3):270 2008,18(Spee1):sl (林重春，张建良，黄冬华，等.红土镍矿含碳球团深还原一磁 (王成彦，尹飞，陈永强，等.国内外红土镍矿处理技术及进 选富集镍铁工艺.北京科技大学学报，2011,33(3)：270)

第 12 期 黄冬华等: 红土镍矿含碳团块直接还原生产镍铁粒工艺 97. 9% ． ( 4) 镍铁粒中镍、铁基本以合金态存在，碳基本 固溶在合金中，同时还有 FeC 相及石墨相存在． 参 考 文 献 ［1］ Zhao W Z． Substantial increase of nickel demands caused by rapid growth of stainless steel production deserves close attention． World Nonferrous Met，2007( 3) : 5 ( 赵武壮． 我国不锈钢生产快速增长对镍的需求大幅度增加 值得关注． 世界有色金属，2007( 3) : 5) ［2］ Dalvi A D，Bacon W G，Osborne R C． The past and the future of nickel laterites / / PDAC 2004 International Convention． Toronto， 2004: 1 ［3］ Torries T F． Comparative costs of nickel sulphides and laterites． Resour Policy，1995，21( 3) : 179 ［4］ Ishii K． Development of ferro-nickel smelting from laterite in Ja￾pan． Int J Process，1987，19( 1-4) : 15 ［5］ Zhu J H． Technical analysis on development and utilization of nickel laterite ore in the world． China Met Bull，2007( 35) : 22 ( 朱景和． 世界镍红土矿开发与利用的技术分析． 中国金属通 报，2007( 35) : 22) ［6］ Warner A E M，Díaz C M，Dalvi A D，et al． JOM world nonfer￾rous smelter survey: Part Ⅲ． Nickel: laterite． JOM，2006，58 ( 4) : 11 ［7］ Bergman R A． Nickel production from low-iron laterite ores: process descriptions． CIM Bull，2003，96: 127 ［8］ Wang C Y，Yin F，Chen Y Q，et al． Worldwide processing tech￾nologies and progress of nickel laterites． Chin J Nonferrous Met， 2008，18( Spec 1) : s1 ( 王成彦，尹飞，陈永强，等． 国内外红土镍矿处理技术及进 展． 中国有色金属学报，2008，18( 专辑 1) : s1) ［9］ Watanabe T，Ono S，Arai H，et al． Direct reduction of garnierite ore for production of ferro-nickel with a rotary kiln at Nippon Yakin Kogyo Co． ，Ltd． ，Oheyama Works． Int J Miner Process，1987， 19( 1-4) : 173 ［10］ Matsumori T，Ishizuka T，Matsuda T． An economical smelting method of ferro-nickel as raw material of stainless steel． Metall Rev MMIJ，1996，13( 1) : 144 ［11］ Pickles C A． Drying kinetics of nickeliferous limonitic laterite ores． Miner Eng，2003，16( 12) : 1327 ［12］ Purwanto H，Shimada T，Takahashi R，et al． Lowering of grind￾ing energy and enhancement of agglomerate strength by dehydra￾tion of Indonesian laterite ore． ISIJ Int，2002，42( 3) : 243 ［13］ Lv X W，Bai C G，He S P，et al． Mineral change of Philippine and Indonesia nickel lateritic ore during sintering and mineralogy of their sinter． ISIJ Int，2010，50( 3) : 380 ［14］ Valix M，Cheung W H． Effect of sulfur on the mineral phases of laterite ores at high temperature reduction． Miner Eng，2002，15 ( 7) : 523 ［15］ Cao Z C，Sun T C，Yang H F，et al． Recovery of iron and nickel from nickel laterite ore by direct reduction roasting and magnetic separation． J Univ Sci Technol Beijing，2010，32( 6) : 708 ( 曹志成，孙体昌，杨慧芬，等． 红土镍矿直接还原焙烧磁选 回收铁镍． 北京科技大学学报，2010，32( 6) : 708) ［16］ Lin C C，Zhang J L，Huang D H，et al． Enrichment of nickel and iron from nickel laterite ore /coal composite pellets by deep reduction and magnetic separation． J Univ Sci Technol Beijing， 2011，33( 3) : 270 ( 林重春，张建良，黄冬华，等． 红土镍矿含碳球团深还原--磁 选富集镍铁工艺． 北京科技大学学报，2011，33( 3) : 270) ·1447·