硫酸鈉對紅土鎳礦在氫氣和甲烷氣氛下的還原性研究.pdf

1、隨著世界鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展，直接刺激了全球鎳產(chǎn)量的急速上升。利用紅土鎳礦生產(chǎn)鎳鐵合金作為不銹鋼的生產(chǎn)原料，是保障不銹鋼產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。關(guān)于紅土鎳礦的火法處理工藝國內(nèi)外均采用煤或焦炭為還原劑，但是，隨著煤炭價格的不斷上漲以及作為重要的一次能源在其他領(lǐng)域的用途，使得碳熱還原面臨著成本高而能源效率卻相對低下的局面。針對這一問題，若能從資源再利用角度出發(fā)，考慮充分利用煤焦化過程釋放出的大量過剩焦?fàn)t煤氣中的還原氣體和余熱作為紅土鎳礦

2、還原工藝過程中的還原劑和供熱源，則可極大降低冶煉成本、減少能源浪費(fèi)，使得紅土鎳礦冶煉工藝更具經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。
　　 由于焦?fàn)t煤氣中的還原氣氛以氫氣和甲烷為主，本文首先針對H2和CH4通過程序升溫還原(TPR)考察了不同還原氣氛在紅土鎳礦升溫還原過程中的反應(yīng)活性的差異性以及活化劑Na2SO4在促進(jìn)礦物晶相轉(zhuǎn)變中所起到的活化作用。其中著重對氫氣氣氛下配加鈉鹽的紅土鎳礦選擇性還原焙燒試驗進(jìn)行了深入的研究。根據(jù)硫酸鈉在紅土鎳礦還原過程中

3、所表現(xiàn)出的催化硫化特性，嘗試性地以紅土鎳礦焙燒礦為載體，通過硫酸鈉溶液浸漬法制備了反應(yīng)樣品并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析討論。實驗過程中，原礦、焙燒礦和磁選精礦的礦物學(xué)特性通過相關(guān)熱力學(xué)計算并結(jié)合ICP、TG-DSC、XRD、光學(xué)顯微鏡等分析儀器進(jìn)行表征。所得試驗結(jié)論包括:
　　 (1)紅土鎳礦的H2-TPR和CH4-TPR表征結(jié)果表明:對比未配加硫酸鈉和配加20％硫酸鈉的紅土鎳礦的還原曲線，在相同的還原條件下，H2的反應(yīng)活性都要明顯高于

4、CH4的反應(yīng)活性。與未配加鈉鹽的紅土鎳礦還原曲線相比，在H2氣氛下，只有當(dāng)溫度至少達(dá)到750℃時，添加硫酸鈉才能夠顯著改善紅土鎳礦的還原動力學(xué)條件，促進(jìn)礦物結(jié)晶相的轉(zhuǎn)變和硫化反應(yīng)的發(fā)生。而CH4的活性主要是通過在礦物中的鎳、鈷等過渡金屬的催化作用下發(fā)生的游離基反應(yīng)生成氫負(fù)離子來提供，并非與自身發(fā)生還原反應(yīng)。在硫酸鈉作用下，CH4在900℃左右才出現(xiàn)較弱的還原耗氫峰。
　　 (2)硫酸鈉作用下紅土鎳礦熱力學(xué)分析表明:對于Na2SO

5、4-MgO-SiO2體系，Na2SO4在任何溫度和氫氣分壓下都可以與H2發(fā)生反應(yīng)生成Na2S，與礦物中的SiO2則分別在651℃和697℃才發(fā)生氫還原反應(yīng)生成不同的硅酸鈉鹽，在750℃左右即可與MgSiO3進(jìn)行反應(yīng)，而與Mg2SiO4的反應(yīng)則至少要達(dá)到1100℃才能進(jìn)行，反應(yīng)過程中生成的SO2可以在溫度低于1000K時與FeO-NiO體系在極微量的氫氣濃度下發(fā)生硫化反應(yīng)生成FeS和NiS。當(dāng)溫度高于1000K后，生成FeS則需要消耗大量

6、的氫氣。
　　 (3)紅土鎳礦還原焙燒-磁選工藝主要影響因素實驗結(jié)果表明:影響硫酸鈉催化活性和礦物晶相轉(zhuǎn)變的最主要因素為還原溫度的選擇和硫酸鈉用量。還原時間和氫氣分壓則影響鐵氧化物的還原程度，磁場強(qiáng)度和磨礦細(xì)度則影響鎳鐵的富集分選程度。在總氣速為200L/h(H2:70％，N2:30％)，還原溫度為800℃，還原時間為220min，硫酸鈉添加量為20％，磨礦時間為10min，磁場強(qiáng)度為0.156T的優(yōu)化條件下可獲得鎳品位5.63

7、％，鎳回收率83.59％的選別指標(biāo)。
　　 (4)以紅土鎳礦為載體，通過不同濃度的硫酸鈉溶液浸漬的方式制備了反應(yīng)物料（命名為IM礦）的還原焙燒-磁選精礦中鎳品位和回收率均比物理混勻法制備的(PM礦)要高一些。溶液浸漬法可獲得鎳品位6.38％、鎳回收率91.07％的選別指標(biāo)。
　　 (5)還原焙燒礦的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)分析表明:硫化作用下生成的硫化鐵晶相(FeS)有助于Fe-FeS低熔點(diǎn)固溶體的形成，從而促進(jìn)礦物中的鎳鐵顆粒發(fā)生