红土镍矿冶炼炉渣提镍及再利用的研究和实践

　　摘要：本文分析和总结了红土镍矿冶炼炉渣回收利用的半工业试验、工业试验及工业生产的探索研究及应用。阐述了一种适宜红土镍矿冶炼炉渣回收利用的有效方法,为有色及黑色金属冶炼炉渣回收利用的研究提供一些参考。
　　关键词：镍 红土镍矿 水萃 水萃炉渣 冶炼炉渣 磁选 浮选 硅酸盐水泥
　　 　　YANG Yongliang,GAO Suoshan,GAO Zhankui
　　 　　Abstract:Summary:This paper analyzes and summarizes the laterite nickel ore smelting slag recycling semi-industrial testing, industrial testing and industrial production, exploration and research and application. Describes a suitable laterite smelting slag recycling and effective method for non-ferrous and ferrous metal smelting slag recycling research to provide some reference.
　　Keywords:nickel ; laterite �nickel ore; water extract; water extraction slag; slag; magnetic separation; flotation; Portland cement
　　 　　概述
　　在自然界中，镍主要以硫化镍矿（30%）和氧化镍矿（70%）存在。由于镍元素亲氧及亲硫性的差异，在熔融岩浆中，当有硫元素存在时，镍能优先形成硫化矿物，并富集形成硫化矿床；而氧化镍矿是含镁铁硅酸盐矿物的超基性盐经长期风化形成的矿石，在风化过程中镍自上层浸出而后在下层沉淀，NiO取代了相应硅酸盐氧化铁矿晶格中的MgO和FeO。如何利用红土镍矿资源是当下各研究机构及镍行业企业需要考虑和面对的，而目前国内外红土镍矿利用主要以火法工艺、湿法工艺及火湿结合工艺。随着火法冶炼技术的不断提高及除尘技术及工艺的不断完善，近年来红土镍矿采用火法工艺利用的企业不断增加，但由于火法工艺在生产过程中，冰镍项及渣项层难以准确把握，难免导致炉渣中流入部分冰镍熔融体，再者炉渣长期堆放形成的淋溶现象将严重污染周边环境。针对红土镍矿资源的现实利用情况，本文阐述了采用磁―浮联合工艺处理红土镍矿冶炼炉渣的方法及过程（已投入工业化生产，并获得良好的经济效益和环境效益），展望了红土镍矿冶炼炉渣综合循环利用的研究方法及思路，
　　1、冶炼炉渣的现状说明
　　北鑫、东鑫、利鑫及鑫源四个冶炼厂是昊天集团下属企业，加工处理从菲律宾和印度尼西亚购买的红土矿。经过近4年的生产建设及完善，炉型规格由原有的1m2改为2m2、2.8m2、9m2、18.4m2等，炉性结构及除尘收咽系统也都做了相应改进，并获得了良好的冶炼技术经济指标。按2.8m2炉床规格统计共有鼓风炉约120台，满负荷生产日产冶炼炉渣约4957吨（根据技术水平、镍市场及供求关系综合考虑，现鑫源和利鑫技改为镍铁冶炼，但无论加工任何产品，冶炼炉渣的日产量大约是相当的），如此规模的红土矿冶炼在当今国内外同行业中都是令人惊叹的。但其所产出的炉渣仅堆存问题就牵制的企业的进一步发展。为此，如何将红土矿冶炼炉渣变废为宝、综合利用将是公司长期而艰巨的一个系统工程，也正是我馔写本论文的意义所在。
　　2、建设选矿系统的意义
　　根据公司长远发展战略，红土矿冶炼板块和选矿板块是相辅相承、互为补充密的。选矿如何依托冶炼，对红土矿冶炼废弃炉渣资源进行利用和优化配置，对冶炼工艺进行有效补充，形成具有特色优势的冶炼、选矿循环网络，将对公司快速发展起到积极的作用。
　　使炉渣中有价单质、矿物及化合物分离和再次富集，充分回收利用废弃资源，增加公司新的经济增长点，增强公司市场竞争能力；浮选精矿产品可作为冶炼返炉渣原料，既可提高入炉原料镍品位，稳定入炉原料成分，还能降低冶炼原料成本； 缓解炉渣堆放难题，进一步改善冶炼厂周边环境；为硅酸盐水泥工业生产准备合格组分和粒级的原料。
　　3、建设选矿系统的依据
　　3.1 红土矿冶炼炉渣成分分析
　　冶炼造渣是根据“热力学原理”、“动力学原理”及“物质结构学原理”反应的过程。经对红土矿和冶炼炉渣物相分析，公司采购红土矿成分为αNi=1.35～1.90%、αFe=12～15%、αSiO2=30～42%、αMgO=20～25%、水分18～25%；炉渣成分为αNi=0.15～0.30%、αFeO=10～15%、αMgO=18～20%，αSiO2=35～45%，αCaO=10～18% ,αAl2O3=1～3%及其它，图1表示炉渣成分与炉渣含镍关系曲线，图2表示炉渣含镍与冰镍含镍关系曲线。
　　图1 炉渣成分与冰镍含镍关系曲线
　　图2 渣含镍与冰镍含镍关系曲线
　　3.2 选矿工艺流程方案试验探索
　　红土矿冶炼炉渣分析表明，该炉渣含SiO2、MgO、CaO较高，FeO次之，Al2O3较少，含镍0.15～0.30%。考虑到炉渣成分组成复杂，影响因素较多，为充分探索或摸索炉渣回收利用可能性，分析炉渣能否回收利用的内在因素。因此，试验方案确定与常规选矿试验有所不同，即不仅考虑选择合理的试验工艺流程（浮选及磁―浮联合工艺）；还将从炉渣试样上就加以控制分析（同一批次试样分两批进行试验，即炉渣水萃样和炉渣未水萃样）。试验样从利鑫冶炼厂炉渣料场选取，采用汽运方式运至北鑫公司小选厂（即规模为50吨/日金矿选矿厂），共采取炉渣试样2645吨。
　　3.2.1 试样磨矿细度试验
　　磨矿是选矿流程中的一个重要环节，磨矿细度是否适宜直接影响到选矿指标的好坏。由于红土矿冶炼炉渣是在约1450℃熔炼过程中造渣形成的，其组成成分复杂，含镍矿物的嵌布粒度较细，而且含镍矿物之间以及它们与脉石矿物或渣相共熔体之间的关系紧密，因此，磨矿粒度对炉渣中含镍矿物或单质的回收及品位的提高有很大影响。
　　3.2.1.1 试样筛分分析（如表1）。
　　3.2.1.2 磨矿细度试验
　　采用CMC作为抑制剂，BX作为捕收剂，BK206作为起泡剂进行了磨矿细度试验研究，试验结果见图3和图4。
　　图3 水萃样磨矿细度选矿实验结果关系曲线
　　图4 原渣样磨矿细度选矿试验结果关系曲线
　　3.2.1.3 试样磨矿细度分析
　　经过对冶炼炉渣水萃试样和原渣试样的粒级筛分分析，水萃试样和原渣试样中含镍矿物主要集中在-0.104～+0.04粒级之间，该粒级区间的镍品位均高于试样渣镍品位，且两种试样含镍矿物分布差别不大，该粒级范围所含镍矿物采用常规选矿方法提取条件是具备的、可行的。图3和图4磨矿试验结果表明，随着磨矿细度的增加镍品位逐渐增加，但过细均对镍回收率有影响，因此，水萃样磨矿细度以-74um占78%为宜，原渣样磨矿细度以-74um占75%为宜。
　　3.2.2 试样渣选矿试验
　　红土矿冶炼炉渣是在高温下经过复杂的物理化学过程而形成的，其结构复杂、含镍矿物或含镍共熔体构造变化较大，渣型及成分受外界的影响因素较多；另外，造渣过程其实就是冰镍共熔体和炉渣共熔体形成的过程，两共熔体在炉缸中融合并分离是一个动态连续的过程，其液相分离层在两液相分离过程中或分离放渣、放冰镍瞬间性质及稳定性均会发生变化，导致放渣时难以避免会有一定量的冰镍包裹在炉渣中，炉渣在冷却过程中其成分及性质也会发生相应的变化，尤其是包裹在其间的块状或粒状冰镍较为明显，不仅紧密地包裹在炉渣固相中，还与炉渣固相形成一层较薄的冰镍包裹层。结合上述试样性质及特点制定出以下四套工艺流程方案展开试验研究。

　　3.2.2.1 试样渣浮选试验
　　本试验以水萃样和原渣样两组平行对比试验进行研究，共选取水萃样215吨，原渣样396吨，水萃样镍品位αNi=0.277%，原渣样镍品位αNi=0.281%。药剂制度选取采用CMC作为抑制剂，BX作为捕收剂，BK206作为起泡剂，加药点及加要方式等均严格按常规试验进行。
　　3.2.2.1.1 浮选工艺流程
　　图5 试样渣浮选工艺流程图
　　3.2.2.1.2 浮选实验结果(如表2）。
　　表2
　　3.2.2.1.3 浮选试验结果分析
　　通过两种试样的平行对比试验分析，水萃样及原渣样采用浮选方法均能得到一定程度的分析和富集。水萃样当CMC用量为860g/t、BX用量为120g/t、C125用量为160g/t时浮选指标达到最佳状态，获得精矿镍品位βNi=2.897%、镍回收率εNi=40.30%；原渣样当CMC用量为800g/t、BX用量为125g/t、C125用量为158g/t时浮选指标达到最佳状态,获得精矿镍品位βNi=3.594%、镍回收率εNi=52.92%(如图6-11）。
　　3.2.2.2 试样渣磁―浮联合试验
　　经过对试样渣浮选试验得知，水萃渣和原样渣采用浮选方法均能得到一定程度的回收和利用，从药剂制度及选别指标上看原样渣获得的技术指标远远好于水萃样，根据冶炼过程及炉渣特性推断，该差距可能是由于炉渣在水萃过程中炉渣组分发生了较大的变化，尤其是炉渣中所含的Ni3S2-FeS-Ni-Fe亲铁冰镍在炉渣温度急剧变化过程中发生了反应和重新分布。因此，本试验主要以原渣样展开研究，共处理原渣样1568吨，原渣样综合镍品位αNi=0.268%。
　　3.2.2.2.1 磁―浮联合工艺流程
　　图12 试样渣磁―浮联合工艺流程图
　　3.2.2.2.2 磁―浮联合试验结果(如表3，如图13-14）
　　表3
　　图13 原渣样浮选关系曲线试验结果
　　图14 原渣样磁选关系曲线试验结果
　　3.2.2.2.3 磁―浮试验结果分析
　　经磁―浮联合工艺选别可获得综合产品平均βNi=3.389%，镍回收率εNi=57.14%的较理想指标。即磁选镍产品βNi=6.500%，镍回收率εNi=15.08%；磁选尾矿进入浮选加工处理可获得浮选精矿βNi=2.890%，镍回收率εNi=49.22%。
　　3.2.3 选矿试验结果总结分析
　　本次选矿试验共处理红土矿冶炼炉渣2179吨，炉渣原矿平均镍品位αNi=0.271%。经对试样渣浮选试验、磁―浮联合试验及结合炉渣中所含的Ni3S2-FeS-Ni-Fe亲铁冰镍在炉渣温度急剧变化过程中发生了反应和重新分布情况综合剖析，确定了红土矿冶炼炉渣回收利用需注意的问题和方法。即在红土矿冶炼炉渣回收利用中切记水萃处理，避免炉渣固相中的Ni3S2-FeS-Ni-Fe亲铁冰镍和炉渣固相组成成分再次发生化学物理变化，不利于磁选作业的选别；采用磁―浮联合选别可获得综合产品平均βNi=3.389%，镍回收率εNi=64.3%的较理想指标。即两种品级差别较大的镍产品，其中获得磁选亲铁产品镍品位βNi=6.500%，镍回收率εNi=15.08%，磁尾入浮选后可获得镍精矿βNi=2.890%，镍回收率εNi=49.22%。
　　3.3 镍资源储量及市场分析
　　目前，全球已探明的镍资源储量约为1.6亿吨，其中硫化镍矿约占30%，红土矿约占70%，而近20年来硫化镍矿新资源勘探上没有重大突破，保有储量急剧下降。如以年产镍量120吨计算，则相当于2年采完一个加拿大伊湾镍矿床、5年采完金川。因此，全球硫化镍矿资源已出现资源危机，且传统的几个硫化镍矿矿山的开采深度加深，矿山开采难度加大。为此，全球镍行业将资源开发的重点瞄准储量丰富的红土镍矿资源――红土镍矿资源为硫化镍岩体风化―淋滤―沉积形成的地表风化壳性矿床，世界上红土镍矿分布在赤道线南北30度以内的热带国家，集中分布在环太平洋的热带――压热带地区，主要有：美洲的古巴、巴西；东南亚的印度尼西亚、菲律宾；大洋洲的澳大利亚、新咯里多尼亚、巴布亚新几内亚等。我国镍矿资源储量中70%集中在甘肃，其次分布在新疆、云南、吉林、四川、陕西和青海和湖北7个省，合计保有储量占全国镍资源总储量的27%。我国镍矿类型主要为硫化铜镍矿和红土矿。我国的红土矿主要从菲律宾进口。由于自1970年起日本与菲律宾开始进行合作，成立合资矿业公司开采含镍2%以上的高品位镍矿，运送回新日铁和住友商社进行冶炼，导致菲律宾的高品位镍矿砂被日本企业垄断，而我国只能进口镍含量在0.9――1.1%的低品位镍矿砂。
　　针对国内外镍资源储量状况和现有对其开发利用的技术水平及结合社会高度快速发展而对镍资源的需求综合分析，镍金属价格出现不符合市场规律的疯狂暴涨，导致菲律宾与印度尼西亚漫山遍野不值钱的黄泥――红土镍矿从200元/吨猛涨至1800元/吨，在此，我想表达的是这种现象是由国际资金操纵及镍矿进口商的进口经营权垄断而引起的。因此，我认为比较理性的镍市场行情是24万元/吨。针对这个理性客观的市场价格，对我要提出的建设冶炼炉渣处理系统还是有很大的利润空间的。
　　4、工业生产说明
　　在前期半工业试验的基础上，北鑫公司用规模为300吨/日的北鑫选矿厂组织了工业生产，期间共处理红土矿冶炼炉渣38062吨，炉渣原矿αNi=0.271%，选别获得综合磁选作业产出镍产品βNi=6.650%的块状亲铁冰镍251.3吨，镍回收率εNi=16.2%；磁选尾矿αNi=0.229% 经浮选作业产出βNi=3.120%的镍精矿1338.1吨，镍回收率εNi=48.2%。
　　5、经济概算
　　为使此经济概算具有较强的战略指导意义，在概算中重点体现了当前镍市场行情及今后较理性、稳定、客观的镍市场。计划依据为磁选碎矿作业3.19元/吨，浮选系统为70元/吨，为此，磁―浮联合选别经济平衡点为11.911万元。当前市场价17.5万元，磁选利润为46.29元/吨炉渣，浮选为负利润-2.39元/吨炉渣；当市场价为22.0万元时，磁选利润为59.01元/吨炉渣，浮选利润为14.99元/吨炉渣；当市场价为26.0万元时，磁选利润为70.32元/吨炉渣，浮选利润为30.44元/吨炉渣。详细结果见表4：
　　6、基础设施及其它分析
　　经过长期的建设，集团下属各冶炼厂已形成一定规模，具备建设选矿系统的基础条件（主要指建设场地），另外， 各冶炼厂在地方已具有一定影响，加之，选矿系统的建设主要是针对废弃资源回收再利用，形成有利的资源循环加工网。这对公司自身发展、环境保护都是有利，为此，可以得到地方政府的大力支持。
　　6.1 建设选矿系统规模
　　探索废物资源开发产业链，挖潜其利润空间，追加新的经济增长点，真正实现资源最优培配置，达到企业发展和环境保护相协调，特色形成具有特色优势和竞争优势的自由开发利用网络，将是公司的一个工作重点和方向。为此，以上三个步骤进行规划为宜，即破碎系统――浮选系统（包括降镁作业）――硅酸盐水泥系统。
　　6.1.1 破碎系统建设
　　一期工程（破碎系统）以产出镍品位为7-8%的块状低冰镍为主，零风险（经济平衡点2.05万元/吨），利润空间很大，应进行快速建设。
　　6.1.2 浮选系统（包括降镁作业）建设
　　二期工程（浮选系统）建设主要有两个目的，即获取浮选利润和为硅酸盐水泥生产准备合格原料，存在一定风险（经济平衡点21.8万元/吨）,利润空间不大，可缓建。
　　6.2 硅酸盐水泥系统建设
　　三期工程（硅酸盐水泥系统）建设主要取决于水泥生产技术和镍市场（因为镍市场决定二期工程）。
　　6.2.1 冶炼炉渣主要成分说明
　　红土矿（镁质硅酸镍矿）矿床的上部，由于风化淋滤作用的结果，导致铁多、硅少、镁少、镍较低、钴稍高的特点；而随着开采的深入，风化再次富集，导致硅多、镁多、铁低、镍较高、钴较低的特点。结合公司红土矿原料的来源情况及其矿床特点等信息推断：该红土矿原料主要来源于含镍褐铁矿及变质橄榄岩矿床中。经化验分析，综合氧化镁品位mgo=17%,氧化钙品位cao=4-7%，二氧化硅品位sio大于30%。
　　6.2.2 硅酸盐水泥原料
　　从冶炼炉渣主要成分可以看出，该炉渣在很大程度上适宜做硅酸盐水泥原料。
　　石灰质原料：主要提供cao，采用石灰岩、凝灰岩和贝壳等；粘土质原料：主要sio2、al2o3及fe2o3。采用粘土、黄土、页岩、泥岩、粉砂岩及河泥等；辅助原料：铁矿粉等；生料中个组分百分含量：CaO:62～67%,SiO2:20～24%,Al2O3:4～7%,Fe2O3:2.5～6.0%.
　　6.2.3 硅酸盐水泥生产过程
　　把硅酸盐水泥的生产技术简称为两磨一烧，其生产工艺可简略表示为图15：
　　图15 硅酸盐水泥生产工艺流程图
　　7、结语
　　通过上述半工业试验及工业生产数据研究，可以得出以下结论：
　　红土矿冶炼炉渣采用浮选方法选别时不能将炉渣水萃；红土矿冶炼炉渣采用磁―浮联合选别方法能获得较理想的技术指标，具有较好的经济效益和环境效益；红土矿冶炼炉渣通过磁―浮联合流程选别的尾矿在硅酸盐水泥生产中同样具有不可忽视的价值，应该引起同行的重视，深入探索和研究。
　　参考文献
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