镁质氧化镍矿煤基非熔融金属化还原工艺及基础理论研究

发布时间：2018-03-03 07:48

本文选题：氧化镍矿　切入点：非熔融金属化还原　出处：《昆明理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：镍是一种重要的战略储备金属,主要用于生产不锈钢。2015年我国镍表观消费量达96万吨,对外依存度超过80%。我国本土镍矿资源主要为高碱性脉石型低品位硫化镍矿和氧化镍矿;统计数据显示我国企业掌控的海外镍资源80%以上为氧化镍矿。开发适合处理我国特色贫镍氧化矿及海外镍矿资源新技术对缓解我国巨大的镍需求意义重大。鉴于此,本论文发明了煤基非熔融金属化还原—球磨—磁选镍铁新技术。通过系统实验研究和理论分析,为实现氧化镍矿资源低成本、高值、综合利用提供可靠理论、数据支撑。论文在国家自然科学基金资助下开展了如下工作:.(1)借助 XRD、OM、SEM/EDS、EMPA、TG-DSC、ICP-AES、人工重砂和必要的化学物相分析方法,系统研究了氧化镍矿工艺矿物学,确定了氧化镍矿主要组成矿物及目标元素赋存状态。云南元江镁质氧化镍矿主要组成矿物为蛇纹石,其次是铁氧化物;镍、铁为目标元素;概况中,约87%的镍以类质同相或吸附方式赋存于蛇纹石为主的硅酸盐矿物,且呈均匀分布,无法通过筛析分离富集;铁则主要分布在铁氧化物。菲律宾某代表性褐铁型氧化镍矿主要组成矿物为铁氧化物/氢氧化物,其次是粘土和脉石矿物;镍、钴和铁为目标元素;概况中,超过90%的镍和铁及50%的钴集中于铁氧化物,其余钴则分布于硬锰矿和脉石集合体。化学组分与组成矿物粒级密切相关,通过筛析可实现铁、镍和钴的分别富集,但富集程度不高。(2)从热力学基础和元江氧化镍矿的结构、热力学及还原特性入手分析了氧化镍矿煤基非熔融态金属化还原的可行性,并在此基础上系统研究了元江氧化镍矿金属化还原及磁选分离/富集镍、铁。分析表明控制温度750～1250 ℃,可实现氧化镍矿非熔融态金属化还原。确定的最优工艺参数为:1200 ℃,60 min,煤量8%,促进剂CaF_2量7%,磨矿时间8min(D97=34.32 μm)和磁场强度150mT,产出了镍、铁品位5.7%、70.8%的磁选精矿,镍、铁回收率分别为93.8%、84.8%。然而,不加促进剂金属化还原产出的精矿镍、铁品位仅为2.6%和62.6%,镍、铁回收率低至14.2%和32.5%,表明CaF_2对镍、铁组元金属化还原促进作用显著。XRD分析显示精矿主要物相为镍铁合金,其次为镁橄榄石;尾矿主要物相为镁橄榄石。SEM/EDS分析表明加入CaF_2后镍迁移较彻底,集中分布于新生镍铁合金相,少量镍铁合金零星嵌布于硅酸盐基底,造成镍、铁损失。(3)以氯化还原焙烧为切入点,通过热力学分析并结合光学显微镜观察探讨了镍铁合金生长基底,明确了金属化还原过程应是CO经矿物间微细孔道扩散到镍、铁化合物表面发生还原反应,并非类似氯化离析形成挥发性镍、铁化合物吸附到碳颗粒表面发生还原。对不同条件下还原产物形貌进行了系统研究后发现,无CaF_2作用,部分镍、铁组元发生原位还原,合金颗粒大都在2μm,升高温度有利于金属态镍、铁向外迁移,但迁移、聚合程度不高;加入CaF_2后,镍金属化程度提高,新生镍铁合金沿硅酸盐矿物边缘产出并首尾相连成带状,长度超过100 μm,且与硅酸盐矿相界面分明,有利于磁选分离。(4)研究了 CaF_2加入前后镍、铁负载矿物不同反应条件下矿相转化行为及CaF_2与矿物的相互作用,确定了煤基非熔融态金属化还原过程促进剂CaF_2的作用机理。结果显示,CaF_2诱发了含镍蛇纹石[(Mgx,Niy)3Si203(OH)4]化学键断裂,降低了镍氧化物解离温度;促使铁氧化物和处于不稳定态的镍氧化物[NiO]向硅酸盐矿物裂隙和边缘迁移;抑制会导致镍呈惰性的镍硅酸镁相(MgNiSi206)生成;促进充分接触的镍、铁氧化物反应生成更易还原的铁镍尖晶石(NiFe204),完成镍、铁组元金属化还原前的有效聚集;促使无定形态镁橄榄石(Mg2Si04)提前产生并和Si02结合成结构较疏散的顽辉石(MgSi03);促进接触不好的镍、铁氧化物自身还原为金属态并相互捕集/聚合成较大合金颗粒。通过氧化镍矿结晶水、铁镍比及Si02含量等矿物组分调控和优化实验证实了 CaF_2作用下镁质氧化镍矿非熔融金属化还原机理的推论。反应过程符合AE0.5模型,受扩散控制,表观活化能为309.16kJ.mol-1。(5)在内径Φ=0.45 m,长度L=7.5m的回转窑内完成了半工业实验,验证了工艺稳定性和工业可推广性。结果表明当窑尾压力控制在0.02～0.04MPa,镍、铁回收率达91.3%和73.8%,磁选精矿镍、铁品位为7.4%和69.6%。半工业连续实验持续进行40天,共处理氧化镍矿18.5吨,总返尘率约8%,未出现回转窑结圈现象。初步计算还原工序电耗仅为52.5 kW.h/t-矿。
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【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF815;TF55

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