·1810… 工程科学学报，第39卷，第12期 的较少.大量镍治炼渣长期堆存不仅占用土地，还会 镍渣中主要有用矿物为铜镍铁硫化物，脉石矿物主要 污染周边环境，危害人体健康5-).另一方面，我国属 为橄榄石和玻璃质，另外还含有少量的磁铁矿、辉铜 于镍钴资源贫乏国家，镍资源严重依赖进口，2015年 矿、硅酸钴等.该渣主要为固溶体分离结构，铁镁橄榄 我国镍矿总进口量达3527.5万t,中国镍的对外依存 石没有固定形态，铜镍铁硫化物粒度微细，多小于5 度已经超过80%.镍治炼渣中不仅含有铁，还含有大 μm,无规律地分布在硅酸盐基质中，如图1所示.有 量的铜、镍、钴等有价成分，对其中有价成分进行充分 价元素Ni主要赋存在铜镍铁硫化物中，镍的赋状态和 利用，不仅符合发展循环经济、保护生态的要求，对减 渣的嵌布特征决定了常规的分选方法难以有效回收渣 少我国矿产资源的对外依赖也有积极的意义. 中的有价成分，目前对这类渣中有价成分回收多采用 镍治炼渣中有价成分的回收利用，包括湿法浸出 深度还原或湿法浸出工艺. 工艺、微生物浸出和火法治金工艺等.湿法工艺可选 表2镍渣的主要化学成分（质量分数） 择性浸出，效率高，但一般需在强酸碱，或者高温高压 Table 2 Chemical compositions of nickel slag 0 条件下反应，处理工艺复杂，浸出后废液和废渣处理困 Ni Fe Fe0 Co Cu Ca0 Mgo Al2O3 难：微生物浸出，处于起步探索阶段，寻找合适菌 0.4731.1338.000.090.145.6413.102.41 种是关键@.火法深度还原工艺是一个重要的研究 Si0, P Ba Cr Mn Zn其他 方向，通过治金方法，将镍渣中有价成分直接还原成金 33.50 1.16 0.0190.0140.3040.1250.0614.97 属单质，流程短，工艺简单.倪文等以焦炭做还原 剂研究了镍治炼渣还原过程中还原温度和时间等因素 对产品分离效果的影响。马松勃与韩跃新☒以煤做 还原剂对镍渣中金属元素进行了高温还原，分析了温 度、时间、配碳比等因素对金属化率的影响，结果显示 主金属铁被还原为单质，其他有价金属元素Ni、Cu、Co 以合金的形式存在于单质铁中，并得出了最优反应条 件.王爽等分析了碱度在镍渣深度还原过程中的 作用，研究表明，适当提高碱度可以促进金属相的还原 酸盐基质 生长，同时改善金属相的形态结构利于后续分离回收， 但碱度过高会导致金属相中夹入杂质. 图1镍沉降渣中有用矿物的嵌布特征 上述文献主要进行了镍渣提铁工艺研究，并未对 Fig.I Embedded features of the valuable minerals in nickel slag 还原过程中物相的转变及机理进行系统分析.本文对 1.2 不同还原温度和时间条件下深度还原过程中镍沉降渣 研究方法 试验中主要应用的仪器和设备：北京福莱蒙高温 的物相转变及热力学进行了分析，为今后综合利用此 类治炼渣提供参考和依据 技术有限公司马弗炉，德国徕卡DM4500P研究级偏光 显微镜，日本理学Ultima-一W3KWX射线衍射仪 1试样性质及研究方法 (XRD),德国蔡司EVO®18扫描电子显微镜(SEM- 1.1试样的性质 EDS) 试验所用原料和试剂：试验样品来自金川集团 镍渣深度还原试验步骤如下：称取90g试样，加入 JAE技术革新后铜镍精矿经顶吹炉一沉降炉治炼后的 还原剂焦炭27g和熔剂氧化钙18g,将三者混匀后倒 水淬渣，是富氧顶吹镍熔炼技术代表性渣，熔剂为分析 入石墨坩埚中，密封置于马弗炉内进行恒温加热120 纯氧化钙，还原剂为焦粉，其指标如表1所示 min,依次设置4组焙烧温度对照试验，分别为1200、 1250、1300和1350℃.焙烧时间试验步骤同上，在 表1焦炭工业分析结果（质量分数） 1300℃条件下设置5组焙烧时间对照试验，依次为 Table 1 Technical analysis of coke 30、60,90、120和150min.焙烧后样品在X射线衍射 固定碳 挥发分 灰分 硫分 仪和扫描电镜下观察和分析. 83.13 3.31 13.12 0.44 2 结果与讨论 样品的主要化学成分如表2所示，从化学成分看， 金川镍沉降渣主要由铁氧化物、硅氧化物、镁和钙的氧2.1焙烧温度的影响 化物组成，其他成分含量较少，属于F0-SiO,系渣，镍 图2为沉降渣原渣及不同温度焙烧还原后产物X 渣中主要具有回收利用价值的成分为镍元素.经分析 射线衍射图谱.从图2可以看出，经过不同温度还原工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 的较少． 大量镍冶炼渣长期堆存不仅占用土地，还会 污染周边环境，危害人体健康［5--7］． 另一方面，我国属 于镍钴资源贫乏国家，镍资源严重依赖进口，2015 年 我国镍矿总进口量达 3527. 5 万 t，中国镍的对外依存 度已经超过 80% ． 镍冶炼渣中不仅含有铁，还含有大 量的铜、镍、钴等有价成分，对其中有价成分进行充分 利用，不仅符合发展循环经济、保护生态的要求，对减 少我国矿产资源的对外依赖也有积极的意义． 镍冶炼渣中有价成分的回收利用，包括湿法浸出 工艺、微生物浸出和火法冶金工艺等． 湿法工艺可选 择性浸出，效率高，但一般需在强酸碱，或者高温高压 条件下反应，处理工艺复杂，浸出后废液和废渣处理困 难［8--9］; 微生物浸出，处于起步探索阶段，寻找合适菌 种是关键［10］． 火法深度还原工艺是一个重要的研究 方向，通过冶金方法，将镍渣中有价成分直接还原成金 属单质，流程短，工艺简单． 倪文等［11］以焦炭做还原 剂研究了镍冶炼渣还原过程中还原温度和时间等因素 对产品分离效果的影响． 马松勃与韩跃新［12］以煤做 还原剂对镍渣中金属元素进行了高温还原，分析了温 度、时间、配碳比等因素对金属化率的影响，结果显示 主金属铁被还原为单质，其他有价金属元素 Ni、Cu、Co 以合金的形式存在于单质铁中，并得出了最优反应条 件． 王爽等［13］分析了碱度在镍渣深度还原过程中的 作用，研究表明，适当提高碱度可以促进金属相的还原 生长，同时改善金属相的形态结构利于后续分离回收， 但碱度过高会导致金属相中夹入杂质． 上述文献主要进行了镍渣提铁工艺研究，并未对 还原过程中物相的转变及机理进行系统分析． 本文对 不同还原温度和时间条件下深度还原过程中镍沉降渣 的物相转变及热力学进行了分析，为今后综合利用此 类冶炼渣提供参考和依据． 1 试样性质及研究方法 1. 1 试样的性质 试验所用原料和试 剂: 试验样品来自金川集团 JAE 技术革新后铜镍精矿经顶吹炉--沉降炉冶炼后的 水淬渣，是富氧顶吹镍熔炼技术代表性渣，熔剂为分析 纯氧化钙，还原剂为焦粉，其指标如表 1 所示． 表 1 焦炭工业分析结果( 质量分数) Table 1 Technical analysis of coke % 固定碳 挥发分 灰分 硫分 83. 13 3. 31 13. 12 0. 44 样品的主要化学成分如表 2 所示，从化学成分看， 金川镍沉降渣主要由铁氧化物、硅氧化物、镁和钙的氧 化物组成，其他成分含量较少，属于 FeO--SiO2系渣，镍 渣中主要具有回收利用价值的成分为镍元素． 经分析 镍渣中主要有用矿物为铜镍铁硫化物，脉石矿物主要 为橄榄石和玻璃质，另外还含有少量的磁铁矿、辉铜 矿、硅酸钴等． 该渣主要为固溶体分离结构，铁镁橄榄 石没有固定形态，铜镍铁硫化物粒度微细，多小于 5 μm，无规律地分布在硅酸盐基质中，如图 1 所示． 有 价元素 Ni 主要赋存在铜镍铁硫化物中，镍的赋状态和 渣的嵌布特征决定了常规的分选方法难以有效回收渣 中的有价成分，目前对这类渣中有价成分回收多采用 深度还原或湿法浸出工艺． 表 2 镍渣的主要化学成分( 质量分数) Table 2 Chemical compositions of nickel slag % Ni Fe FeO Co Cu CaO MgO Al2O3 0. 47 31. 13 38. 00 0. 09 0. 14 5. 64 13. 10 2. 41 SiO2 S P Ba Cr Mn Zn 其他 33. 50 1. 16 0. 019 0. 014 0. 304 0. 125 0. 061 4. 97 图 1 镍沉降渣中有用矿物的嵌布特征 Fig． 1 Embedded features of the valuable minerals in nickel slag 1. 2 研究方法 试验中主要应用的仪器和设备: 北京福莱蒙高温 技术有限公司马弗炉，德国徕卡 DM4500P 研究级偏光 显微 镜，日 本 理 学 Ultima--Ⅳ 3KW X 射 线 衍 射 仪 ( XＲD) ，德国蔡司 EVO  18 扫描电子显微镜( SEM-- EDS) ． 镍渣深度还原试验步骤如下: 称取 90 g 试样，加入 还原剂焦炭 27 g 和熔剂氧化钙 18 g，将三者混匀后倒 入石墨坩埚中，密封置于马弗炉内进行恒温加热 120 min，依次设置 4 组焙烧温度对照试验，分别为 1200、 1250、1300 和 1350 ℃ ． 焙 烧 时 间 试 验 步 骤 同 上，在 1300 ℃条件下设置 5 组焙烧时间对照试验，依次为 30、60、90、120 和 150 min． 焙烧后样品在 X 射线衍射 仪和扫描电镜下观察和分析． 2 结果与讨论 2. 1 焙烧温度的影响 图 2 为沉降渣原渣及不同温度焙烧还原后产物 X 射线衍射图谱． 从图 2 可以看出，经过不同温度还原 · 0181 ·