CaF2强化红土镍矿自还原过程中镍铁颗粒聚集长大行为

2020-01-15 10:24:51 作者:huangj 来源: 浏览次数:0 网友评论 0

红土镍矿直接还原-磁选制备镍铁工艺因其经济高效性受到了广泛关注,还原过程中镍铁颗粒的聚集长大则是该工艺的关键所在。
   杭桂华1, 2, 3,薛正良1, 2, 3

  1.武汉科技大学 耐火材料与冶金国家重点实验室2. 武汉科技大学 钢铁冶金及资源利用教育部重点实验室3.湖北省冶金二次资源工程技术研究中心

 

  1 前言

  镍主要应用于不锈钢、含镍合金、电镀以及电池等领域,全球66%的镍用于不锈钢制造[1,2]。21世纪以来,全球不锈钢粗钢产量以5.9%的年平均增长率快速增长,不锈钢对镍需求量的增加加速了原生镍资源的消费。根据国际不锈钢论坛(ISSF)发布的2018年世界不锈钢粗钢产量为5072万吨,我国不锈钢粗钢产量为2670万吨,占比53.6%。而我国的原生镍资源储量主要为硫化镍矿,红土镍矿主要依靠印尼和菲律宾进口。2014年印尼关于红土镍矿原矿的出口禁令加快了我国镍铁冶炼企业在当地的镍铁生产投资建设,截至2017年,我国企业在印尼投资建设镍铁冶炼项目总产能达470万吨/年。

  红土镍矿火法冶炼的主要工艺为回转窑-电炉还原熔炼(RKEF)以及高炉熔炼法,传统火法冶炼工艺电耗大,能耗高。近年来,通过低温固态还原-细磨-磁选工艺生产镍铁粉的相关研究逐渐发展起来[3-9],并取得了较好的效果。

  红土镍矿中镍、铁金属含量低,SiO2和MgO含量高[10],而且硅镁酸盐晶体结构复杂,金属大多赋存在蛇纹石或绿泥石等矿物中。还原后金属颗粒细小,平均粒径小于1?m[3]。同时蛇纹石或绿泥石高温脱羟基形成致密的镁橄榄石[11],不利于赋存于其中的金属原子向外扩散迁移。文献[12]研究了在红土镍矿中添加氯化剂强化还原焙烧过程,通过氯化离析焙烧使含铁矿物被还原为浮氏体,并与硅酸镁反应生成富铁橄榄石,破坏了硅酸镁晶格,从而提高了镶嵌在硅酸镁中镍、铁的活性。文献[13]研究了红土镍矿在还原焙烧过程中添加CaO,使硅酸盐矿物生成辉石,降低还原过程中NiO与红土镍矿中SiO2结合的概率,促进镍的还原,提高镍的回收率。CaO能够降低渣相熔点,有利于镍铁颗粒的聚集长大[4]。红土镍矿还原过程中加入Na2SO4破坏了原矿中硅酸盐的结构,释放出其中的镍与铁,进一步生成FeS,抑制铁深度还原并降低了体系熔点,有利于金属原子的迁移,促进镍铁颗粒长大[10,11]。

  红土镍矿直接还原过程中添加剂的作用主要是破坏镁硅酸盐晶格,同时降低渣相熔点,促进镍铁颗粒的聚集长大,进而提高红土镍矿还原产物的磁选效果。然而,目前很多的关于添加剂在红土镍矿还原过程的作用机理研究工作都是基于还原产物的磁选效果[5-9],实际上,添加剂的强化作用体现在自还原过程中,通过对自还原产物的分析研究添加剂的强化作用机理更为精确。本文以CaF2作为添加剂通过对不同工艺条件下镍铁颗粒平均粒径变化规律的数据分析,研究镍铁颗粒的聚集长大行为,并进行CaF2强化作用下的红土镍矿还原-磁选工艺的实验研究。

  2 实验研究方法

  2.1 原料物理化学性质

  实验所用红土镍矿来自印尼苏拉威西岛Pomalaa矿区,将原矿在110°C下烘干后用颚式破碎机初破,再用球磨机细磨至粒度小于0.125 mm的质量分数大于90%。红土镍矿化学成分见表1,其含Ni1.4%、Fe16.18%、Ni/(Fe+Ni)=7.96%,主要脉石成分为MgO和SiO2,是一种典型的腐泥土型中低品位红土镍矿。实验所用还原剂为无烟煤粉,成分见表1,其固定碳含量为82.76%。实验所用添加剂CaF2为分析纯试剂。

 
  图1所示的XRD分析表明,该红土镍矿主要矿相组成为含羟基的硅酸盐类和氧化物类矿物,主要有SiO2(石英)、Mg3Si2O5(OH)4(叶蛇纹石)、Ni3Si2O5(OH)4(绿泥石)、FeO(OH)(针铁矿)和(Mg, Al)3[(Si, Fe)2O5](OH)4(利蛇纹石),镍主要存在于绿泥石中。
 

  2.2 还原实验

  红土镍矿粉、无烟煤粉和CaF2按比例称量、混匀。内配碳比为配入无烟煤中碳的摩尔数与红土镍矿中镍和铁氧化物中氧摩尔数之比。为保证红土镍矿中氧化镍和氧化铁充分还原,实验选择的内配碳比为1.2。CaF2的加入量变化在0~12.5%之间。混合料添加适量的水润湿,压制成?20×30 mm的圆柱型试样,在110°C烘干后备用。

  还原实验装置为一台功率为25kW高温碳管炉,试样置于氧化铝坩埚中,在氮气保护下以120~130°C·min-1随炉升温至指定温度后保温一定时间,然后迅速取出试样在水中淬冷后于110°C下烘干,用于后续检测。

  2.3 镍铁颗粒的粒径测定

  经过还原焙烧的试样依次进行镶嵌、切割以及磨样抛光,采用光学显微镜对磨样抛光后的试样进行显微观察(图2(A))。在还原后的试样中选择30个连续不同的视场。采用ImageJ软件对图片进行尺寸标注及灰度处理,对带标尺的灰度图片利用软件对具有同一灰度值的金属颗粒进行涂色标出(如图2(B)所示),标出目标区域后,利用软件统计出目标区域内每个金属颗粒投影面积。由于金属颗粒的形状不规则,将颗粒形状假定为球形,从而在二维平面上投影形成圆形,便于问题分析。根据单个金属颗粒的投影面积,通过式(1)计算出单个金属颗粒的等效直径。

 

  3 结果与讨论

  3.1 还原时间和还原温度对红土镍矿自还原产物中镍铁颗粒粒径的影响
……

                                    

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