中低品位红土矿非铁元素提取与分离工艺基础研究

China is short of nickel resource, and depend on the importation for a long period. The use of low and middle grade nickel laterite is regarded as a main solution of the demand of ferronickel with the increase of the production of stainless steel. The kiln-EAF process is a common method for producing the ferronickel world widely, however, the long flow sheet and high energy consumption are the main disadvantages for this process. Therefore, a new non-electric process with simple steps and low energy consumption is necessary for the production of nickel laterite. The present proposal suggest a process with the rotary hearth furnace which directly produces the nugget bearing nickel. The study content and the purpose were arranged as follows: the mechanism and the kinetic of reduction will be know after the reduction behavior of nickel laterite was studied; the model of separation and database of properties of melts at high temperature will be developed and can guide the controlling of chemical composition for the alloy; the study of wetting behavior between the slag and refractory at high temperature will give the suggestion of suitable refractory materials. All of the studies above will be integrated as the fundamental of separation and extractive of nickel from the laterite.

我国是镍资源匮乏的国家，长期依赖红土矿的进口。随着不锈钢产量的增长，中低品位红土矿的利用是解决未来我国巨大镍铁需求主要途径。回转窑-电炉工艺是目前世界范围内普遍采用的镍铁冶炼方法，但流程较长、能耗较大。因此，红土矿冶炼镍铁工艺亟需一种流程简单、效率较高的"非电"工艺。针对该问题，本课题提出了一种转底炉煤基还原红土矿生产含镍铁珠的新工艺。课题将通过对红土矿还原行为研究，认识各元素在不同加热阶段的还原机理及动力学；通过金属与渣相高温物理化学特性与相分离研究，完善合金和炉渣熔体的高温物理化学基础数据，建立渣金界面分离模型，为含镍珠铁长大与分离控制提供指导；通过渣金两相中元素的非平衡态分配规律研究，为合金成分控制提供理论依据；通过半熔融渣相与反应器内衬材料的高温界面润湿特性研究，为炉渣成分的控制和内衬材料的选择提供理论依据；最终形成一套完整的中低品位红土矿制备含镍珠铁工艺的基础理论。

本课题以我国不锈钢产量逐年快速增长、镍资源贫乏为背景，结合镍铁合金重大应用需求，提出采用中低品位红土矿为原料，基于转底炉工艺制备镍铁合金的技术思路。课题围绕半熔态下镍铁氧化物的还原特性、金属相形核及长大机理、合金和渣相熔体的高温界面特性、渣金间元素的非平衡态分布规律以及渣相在基体表面的界面润湿行为等科学问题，开展了相关基础理论与关键技术研究，取得了重要研究成果。在基础理论研究方面，查明了镍铁氧化物碳热还原的热力学，认清了Fe、Ni、S、P等在不同加热阶段的还原机理，掌握了铁、镍等元素的还原动力学规律；较系统健全和完善了本研究体系下合金和炉渣熔体的高温物理化学基础数据，建立了渣金界面分离模型，为镍铁氧化物的还原、含镍珠铁长大与分离提供理论指导。在关键技术方面，系统掌握了镍铁氧化物在不同加热阶段的还原行为，查明了渣碱度、氧势、体系温度、反应时间等因素对Fe、Ni、S、P的渣金分配规律，为合金成分控制提供技术依据；掌握了本研究体系下渣相与内衬材料的高温界面润湿特性，为炉渣成分的控制和内衬材料的选择提供理论依据。在此基础上，建立了中低品位红土矿转底炉还原-磁选分离的合理工艺制度，为镍铁合金的制备提供技术支撑。与传统工艺相比，转底炉工艺具有流程简单、效率高、能耗低等特点，应用前景广阔，是保障不锈钢工业可持续发展的有效途径之一。课题执行期间已发表论文35篇，其中SCI已收录18篇（另外9篇在投），EI 收录9篇，其中在有重要影响的国际会议上发表论文6篇；申请了国家发明专利12项，其中授权7项，申请5项。培养了博士研究生4名，硕士研究生5名。