紅土鎳礦干燥與預(yù)還原技術(shù)

內(nèi)容概要

《紅土鎳礦干燥與預(yù)還原技術(shù)》從火法冶金的角度，重點(diǎn)闡述了紅土鎳礦干燥和預(yù)還原技術(shù)的理論基礎(chǔ)。研究?jī)?nèi)容涉及紅土鎳礦處理方法概述、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、紅土鎳礦物理化學(xué)性質(zhì)、干燥特性及力學(xué)性能、紅土鎳礦中鎳和鐵的還原效果、預(yù)還原熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)以及還原產(chǎn)物中金屬鎳的分析方法、紅土鎳礦干燥、預(yù)還原的技術(shù)參數(shù)、干燥機(jī)理及預(yù)還原的反應(yīng)機(jī)制等。
《紅土鎳礦干燥與預(yù)還原技術(shù)》可供有色金屬冶金領(lǐng)域的高等院校師生及科研人員、工程技術(shù)人員、管理人員等參考。

作者簡(jiǎn)介

無(wú)

書(shū)籍目錄

前言第1章 緒論1.1 引言1.2 鎳的性質(zhì)及用途1.2.1 鎳的性質(zhì)1.2.2 鎳的用途1.3 紅土鎳礦資源及利用1.3.1 紅土鎳礦的資源概況1.3.2 紅土鎳礦的利用現(xiàn)狀1.4 紅土鎳礦處理工藝1.4.1 火法工藝1.4.2 濕法工藝1.4.3 火濕法結(jié)合工藝1.4.4 其他處理工藝1.5 小結(jié)第2章 實(shí)驗(yàn)綜述2.1 引言2.2 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料2.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備2.3 實(shí)驗(yàn)研究方法2.3.1 紅土鎳礦干燥特性及力學(xué)性能研究2.3.2 紅土鎳礦預(yù)還原研究2.3.3 紅土鎳礦預(yù)還原動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)機(jī)理研究2.3.4 紅土鎳礦還原產(chǎn)物中金屬鎳的分析方法研究2.4 小結(jié)第3章 紅土鎳礦干燥特性及力學(xué)性能3.1 引言3.2 紅土鎳礦干燥特性3.2.1 紅土鎳礦中水分存在形式3.2.2 紅土鎳礦的干燥過(guò)程3.3 紅土鎳礦力學(xué)性能3.3.1 紅土鎳礦的真密度、表觀密度和堆積密度3.3.2 紅土鎳礦的休止角3.3.3 紅土鎳礦的摩擦角3.4 小結(jié)3.4.1 干燥特性的研究3.4.2 力學(xué)性能的研究第4章 紅土鎳礦預(yù)還原技術(shù)4.1 引言4.2 預(yù)還原熱力學(xué)分析4.2.1 氧化鎳還原熱力學(xué)4.2.2 氧化鐵還原熱力學(xué)4.2.3 紅土鎳礦還原熱力學(xué)4.3 紅土鎳礦中鎳預(yù)還原分析4.3.1 還原理論分析4.3.2 氣體還原劑預(yù)還原實(shí)驗(yàn)4.3.3 固體還原劑預(yù)還原實(shí)驗(yàn)4.4 紅土鎳礦中鐵預(yù)還原分析4.4.1 還原理論分析4.4.2 氣體還原劑預(yù)還原實(shí)驗(yàn)4.4.3 固體還原劑預(yù)還原實(shí)驗(yàn)4.5 還原后紅土鎳礦的物相分析4.6 小結(jié)4.6.1 鎳預(yù)還原的研究4.6.2 鐵預(yù)還原的研究第5章 紅土鎳礦預(yù)還原動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)機(jī)理5.1 引言5.2 固體還原劑還原紅土鎳礦動(dòng)力學(xué)5.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.2.2 還原動(dòng)力學(xué)方程5.2.3 動(dòng)力學(xué)模型5.2.4 反應(yīng)機(jī)理分析5.3 氣體還原劑還原紅土鎳礦動(dòng)力學(xué)5.3.1 動(dòng)力學(xué)分析5.3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析5.3.3 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證5.3.4 動(dòng)力學(xué)模型5.3.5 反應(yīng)機(jī)理分析5.4 小結(jié)5.4.1 固定碳還原紅土鎳礦動(dòng)力學(xué)研究5.4.2 CO還原紅土鎳礦動(dòng)力學(xué)研究第6章 紅土鎳礦還原產(chǎn)物中金屬鎳的分析6.1 引言6.2 實(shí)驗(yàn)原理6.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論6.3.1 光譜線的校正與選擇6.3.2 萃取劑的選擇6.3.3 樣品粒度的影響6.3.4 萃取時(shí)間的影響6.3.5 萃取劑中溴濃度的影響6.3.6 溴-甲醇用量的影響6.3.7 共存元素的影響6.3.8 校準(zhǔn)曲線與方法檢出限6.4 樣品分析6.4.1 樣品分析6.4.2 回收率分析6.5 小結(jié)第7章 總結(jié)與展望7.1 總結(jié)7.2 展望參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1 章  緒　  論1.1　 引　  言鎳在人類物質(zhì)文明中起著重要作用。鎳作為合金雖早已為人們所利用，但是鎳的發(fā)現(xiàn)距今僅200 多年。1751 年，瑞典礦物學(xué)家克朗斯塔特首先制得了不純的金屬鎳，1804 年才從礦石中真正生產(chǎn)出金屬鎳。1865 年新喀里多尼亞發(fā)現(xiàn)含鎳7 % ～ 8 % 的氧化鎳礦，并發(fā)現(xiàn)鎳能改善鋼的性能以后，鎳冶金工業(yè)才迅速發(fā)展起來(lái)。2011 年世界鎳產(chǎn)量達(dá)154.3 萬(wàn)t ，比2010 年增長(zhǎng)7.7 % 。我國(guó)古代已大量生產(chǎn)并使用銅-鎳合金、鋅-鎳合金。新中國(guó)成立以后，為了滿足國(guó)內(nèi)對(duì)鎳產(chǎn)品的需求，我國(guó)一方面積極開(kāi)展鎳資源的勘察，另一方面進(jìn)口鎳原料生產(chǎn)鎳產(chǎn)品。我國(guó)鎳工業(yè)的蓬勃發(fā)展是從20 世紀(jì)50 年代末開(kāi)發(fā)四川會(huì)理鎳礦后開(kāi)始的，此后，金川鎳礦、磐石鎳礦相繼投產(chǎn)，產(chǎn)量大幅度增加。2011 年我國(guó)鎳產(chǎn)量為44.6 萬(wàn)t 。1.2　 鎳的性質(zhì)及用途1.2.1　 鎳的性質(zhì)　  鎳是一種銀白色金屬，原子序數(shù)為28 ，相對(duì)原子質(zhì)量為58.71 ，熔點(diǎn)為1455 ℃ ，沸點(diǎn)為2730 ℃ 。質(zhì)堅(jiān)硬，具有磁性和良好的可塑性。有好的耐腐蝕性，在空氣中不被氧化，又耐強(qiáng)堿。在稀酸中可緩慢溶解，釋放出氫氣并產(chǎn)生綠色的正二價(jià)鎳離子Ni2 + ；在氧化性溶液中，包括硝酸，均不發(fā)生反應(yīng)。鎳是一種中等強(qiáng)度的還原劑，不溶于水，二價(jià)鎳可能是主要的生物類型，在生物體內(nèi)能與很多物質(zhì)絡(luò)合、螯合或結(jié)合。鎳的化合物在自然界里有三種基本形態(tài)，即鎳的氧化物、硫化物和砷化物。其中氧化物有氧化鎳（NiO） 、四氧化三鎳（Ni3 O4 ）及三氧化二鎳（ Ni2 O3 ） 。三氧化二鎳僅在低溫時(shí)穩(wěn)定，加熱至400 ～ 450 ℃ ，則轉(zhuǎn)化為四氧化三鎳，溫度繼續(xù)升高則變?yōu)檠趸?。氧化鎳的熔點(diǎn)為1650 ～ 1660 ℃ ，顏色為綠色，很容易被C 或CO 還原。氧化鎳與CoO 和FeO 一樣，可形成NiO ? SiO2 和2NiO ? SiO2 兩類硅酸鹽化合物，但NiO ? SiO2 不穩(wěn)定。氧化鎳能溶于硫酸、亞硫酸、鹽酸和硝酸等溶液中，生成綠色的二價(jià)鎳鹽［1］ 。1.2.2　 鎳的用途鎳在工業(yè)上的具體用途可以分為以下六類［2］ 。（1） 制作金屬材料。包括制作不銹鋼、耐熱合金鋼和多種鎳合金等3000多種金屬材料，占消耗總量的70 % 以上，其中典型的鎳金屬材料有：鎳-鉻基合金、鎳-鉻-鈷合金、鎳-鉻-鉬合金、銅-鎳合金、鈦鎳形狀記憶合金、儲(chǔ)氫合金等。（2） 用于電鍍。其用量約占鎳總消耗量的15 % ，主要是在鋼材及其他金屬材料的基體上覆蓋一層耐用、耐腐蝕的表面層，其防腐性要比鍍鋅層高20 % ～ 25 % 。（3） 在石油化工的氫化過(guò)程中作催化劑。在煤的氣化過(guò)程中，當(dāng)用CO和H2 合成甲烷時(shí)發(fā)生下列反應(yīng)：CO + 3 H2 CH4 + H2 O ，常用的催化劑為高度分散在氧化鋁基體上的鎳復(fù)合材料（Ni 含量為25 % ～ 27 % ），這種催化劑不易被H2 S 、SO2 等毒化。（4） 制作化學(xué)電源。它是制作電源的材料，例如，在工業(yè)上已生產(chǎn)的Cd-Ni 、Fe-Ni 、Zn-Ni 電池和H2 -Ni 密封電池。（5） 制作顏料和染料。最主要的是制作一種由鈦酸鎳為主要成分的黃橙色顏料，該顏料是由TiO2 、NiO 和Sb2 O3 的混合物在800 ℃ 以下煅燒而成，覆蓋能力強(qiáng)，具有金紅石或尖晶石結(jié)構(gòu)，故化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。鎳鈷鋁酸鹽固熔體可以形成藍(lán)色顏料，磷酸鎳可以形成黃色顏料。（6） 制作陶瓷和鐵素體。陶瓷工業(yè)上常用NiO 作著色劑，同時(shí)NiO 還能增加料坯與鐵素體間的黏結(jié)性，并使料坯表面光潔致密。鐵素體是一種較好的陶瓷材料，主要用于高頻電器設(shè)備。鎳鐵素體屬于軟型鐵素體類，由于其在磁場(chǎng)中具有致磁作用而被廣泛重視；鎳鋅鐵素體則常用于制作變壓器的鐵芯及無(wú)線電的天線等。1.3　 紅土鎳礦資源及利用1.3.1　 紅土鎳礦的資源概況　  紅土鎳礦資源為硫化鎳礦巖體風(fēng)化― 淋濾― 沉積形成的地表風(fēng)化殼性礦床，世界上紅土鎳礦分布在赤道線南北30°以內(nèi)的熱帶國(guó)家和地區(qū)，集中分布在環(huán)太平洋的熱帶-亞熱帶地區(qū)［ 3］ ，主要有：南美洲的古巴、巴西；東南亞的印度尼西亞、菲律賓；大洋洲的澳大利亞、新喀里多尼亞、巴布亞新幾內(nèi)亞等。表1.1 為世界紅土鎳礦分布情況。從全球鎳礦資源的開(kāi)發(fā)利用情況我們可以得知，目前鎳產(chǎn)量主要來(lái)自于硫化物鎳礦山，未來(lái)兩三年內(nèi)仍將保持這種格局。但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，未來(lái)可供開(kāi)發(fā)建設(shè)的礦山則以紅土鎳礦為主，鎳主要產(chǎn)于硫化鎳礦山的這種局面將逐步改變。2010 年全球鎳礦山產(chǎn)量153.34 萬(wàn)t ，十年間的年均增長(zhǎng)率為3.47 % 。表1.2 為2000 ～ 2010 年全球礦山鎳產(chǎn)量［4］ ，其中硫化鎳礦產(chǎn)量約占60 % ，紅土鎳礦產(chǎn)量約占40 % 。近幾年，隨著紅土鎳礦資源的合理利用，人們對(duì)紅土鎳礦的性能和類型又有了新的認(rèn)識(shí)，紅土鎳礦資源可分為兩類：一類稱為“濕型” ，主要分布于近赤道地區(qū)，如新喀里多尼亞、印度尼西亞、菲律賓、巴布亞新幾內(nèi)亞和加勒比海地區(qū)；另一類稱為“干型” ，主要分布于距赤道較遠(yuǎn)的南半球大陸，以西澳大利亞為代表。除西澳大利亞外，紅土鎳礦資源在東澳大利亞也有分布，在東澳大利亞昆士蘭州北部及新南威爾士州中西部已探出約有300 萬(wàn)t 鎳金屬的儲(chǔ)量，整個(gè)澳大利亞合計(jì)達(dá)1500 萬(wàn)t 鎳金屬量［5］ 。這兩種類型紅土鎳礦資源的性狀及采選條件區(qū)別如表1.3 所示。由于“濕型”紅土鎳礦資源具有品位較高、黏土少，易于處理的優(yōu)點(diǎn)，與“干型”紅土鎳礦資源相比，“濕型”資源的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目更具有優(yōu)勢(shì)。我國(guó)紅土鎳礦資源較少，分布在紅土鎳礦中的鎳占全國(guó)鎳儲(chǔ)量的9.6 % ，因此主要從菲律賓進(jìn)口。我國(guó)紅土鎳礦主要分布在云南元江，礦床為面型硅酸鎳風(fēng)化殼礦床，礦體形狀簡(jiǎn)單，呈層狀大面積存在且近乎水平，與地形起伏大致吻合。覆蓋層及礦石屬黏土質(zhì)物質(zhì)及破碎風(fēng)化巖塊［6-10］ 。1.3.2　 紅土鎳礦的利用現(xiàn)狀世界范圍內(nèi)紅土鎳礦的儲(chǔ)量豐富，已探明的鎳礦儲(chǔ)量約為2.2 億t ，其中紅土鎳礦約占70 % 。圖1.1 為不同年份硫化鎳礦和紅土鎳礦生產(chǎn)鎳的比例變化情況，在1950 年紅土鎳礦生產(chǎn)鎳的比例只有15 % ，到2010 年利用紅土鎳礦生產(chǎn)的鎳已達(dá)到世界鎳產(chǎn)量的48 % ，預(yù)計(jì)2012 年該比例將增加到51 % ［11-13］ 。隨著硫化鎳礦資源的不斷減少和紅土鎳礦冶煉技術(shù)的不斷進(jìn)步，從紅土鎳礦生產(chǎn)鎳的比重將會(huì)不斷增加。紅土鎳礦開(kāi)發(fā)利用的主要優(yōu)勢(shì)在于［14］ ：① 紅土鎳礦資源豐富，易于開(kāi)采；② 選冶工藝已逐漸成熟，生產(chǎn)成本降低；③ 不銹鋼生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)燒結(jié)氧化鎳、鎳鐵或通用鎳的需求增加，而這些鎳產(chǎn)品主要是由紅土鎳礦生產(chǎn)；④ 紅土鎳礦生產(chǎn)污染小，環(huán)保效果好；⑤ 世界紅土鎳礦資源主要分布于近赤道地區(qū)，大部分靠近海岸，便于外運(yùn)。紅土鎳礦是含鎳橄欖巖在熱帶或亞熱帶地區(qū)經(jīng)過(guò)大規(guī)模的長(zhǎng)期風(fēng)化淋濾變質(zhì)而成，是由鐵、鎂、硅等含水氧化物組成的疏松的黏土狀礦石，由于鐵的氧化，礦石呈紅色，所以被稱為紅土鎳礦［15］ 。紅土鎳礦的可采部分一般可分為3層：褐鐵礦層、過(guò)渡層和腐殖層，不同類型紅土鎳礦的組成及處理工藝如表1.4所示。根據(jù)紅土鎳礦的不同處理方法，紅土鎳礦的利用主要包括兩個(gè)方面：采用濕法處理紅土鎳礦，可以將紅土鎳礦中的Ni 、Co 提取出來(lái)，得到電解鎳；采用火法處理，主要產(chǎn)出鎳鐵合金，用于不銹鋼的生產(chǎn)。鎳的主要用途就是用于不銹鋼的生產(chǎn)，而且作為主要鎳產(chǎn)品之一的鎳鐵，全部用于不銹鋼及其他合金的生產(chǎn)。隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，不銹鋼工業(yè)得到迅猛發(fā)展，成為鎳需求的強(qiáng)勁推動(dòng)力［ 16-18］ 。鎳在不銹鋼企業(yè)生產(chǎn)成本中所占比例達(dá)47 % ，而且由于鎳價(jià)持續(xù)大幅上漲，一些不銹鋼工廠正在更多使用鎳鐵生產(chǎn)不銹鋼而不是精煉鎳，因此紅土鎳礦的利用主要集中在鎳鐵的生產(chǎn)［19］ 。鈷的生產(chǎn)與鎳的生產(chǎn)密切相關(guān)，現(xiàn)在世界上大約40 % 的鈷（約1.4 萬(wàn)t）是作為鎳的副產(chǎn)品產(chǎn)出的，其中從紅土鎳礦中生產(chǎn)的鈷為6000t／a 左右。在未來(lái)的幾年中，隨著紅土鎳礦處理量的不斷提高，鈷的產(chǎn)量將增加到1 萬(wàn)t／a ，這將給鈷工業(yè)帶來(lái)很大的影響。現(xiàn)在越來(lái)越多的鎳廠很重視鈷的回收，不斷地提升鈷產(chǎn)品的質(zhì)量，通過(guò)鈷產(chǎn)品的升值來(lái)降低鎳的生產(chǎn)成本［ 20］ 。1.4　 紅土鎳礦處理工藝針對(duì)不同類型的紅土鎳礦可以有不同的處理工藝，紅土鎳礦的處理工藝大致可以分為四種，即火法工藝、濕法工藝、火濕法結(jié)合工藝以及其他工藝?；鸱üに囘€可以按其產(chǎn)出的產(chǎn)品不同分為還原熔煉生產(chǎn)鎳鐵工藝和還原硫化熔煉生產(chǎn)鎳锍工藝。濕法工藝可以按其浸出溶液的不同分為氨浸工藝和酸浸工藝。火濕法結(jié)合工藝是指紅土鎳礦經(jīng)還原（離析）焙燒后采用選礦方法選出有用產(chǎn)品的工藝。其他工藝包括一些新的研究方向，如微生物浸出工藝、氯化冶金工藝、流態(tài)化干燥及預(yù)還原工藝。圖1.2 是對(duì)紅土鎳礦提取技術(shù)的分類。紅土鎳礦火法鎳鐵工藝鎳锍工藝濕法還原焙燒-氨浸工藝加壓酸浸工藝常壓酸浸工藝火濕法結(jié)合還原焙燒-磁選工藝還原焙燒-浮選工藝其他方法微生物浸出工藝氯化冶金工藝流態(tài)化干燥預(yù)還原工藝圖1.2　 紅土鎳礦提取技術(shù)1.4.1　 火法工藝硅鎂鎳礦位于礦床的下部，硅和鎂的含量比較高，鐵的含量比較低，這種礦石宜采用火法冶金處理?；鸱ㄌ幚砉に囍饕ㄦ囪F工藝和鎳锍工藝，圖1.3為紅土鎳礦火法處理工藝流程。1.鎳鐵工藝還原熔煉生產(chǎn)鎳鐵是世界上最常見(jiàn)的火法處理工藝。首先將礦石干燥、預(yù)熱和煅燒，得到焙砂，然后將焙砂加入電爐或鼓風(fēng)爐，經(jīng)高溫還原熔煉，產(chǎn)出粗鎳鐵合金。在還原熔煉的過(guò)程中幾乎所有鎳和鈷的氧化物都被還原成金屬，而鐵的還原則通過(guò)焦炭的加入量加以調(diào)整，最后將粗鎳鐵合金經(jīng)過(guò)吹煉產(chǎn)……

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