红土镍矿闪速一步法生产高冰镍工艺的设计研究|吹炼|硫化矿|红土|镍矿|镍铁|高冰镍|高温合金

以CO为还原剂还原红土镍矿为例，根据冶金热力学分析（见图1），只需在合适的温度维持较低的CO浓度（如1200℃下20-60%的浓度），即可实现NiO和CoO的还原，而抑制FeO的还原。天闪炉还原空间的温度及还原气体的浓度可控可调，可实现对熔炼空间中的有价金属氧化物进行选择性还原。

摘要：目前用红土镍矿火法冶炼高冰镍的工艺流程长、污染大、能耗高。为解决上述问题，提出了一种红土镍矿闪速一步法生产高冰镍工艺，对该工艺的核心装备、冶炼原理及工艺流程的设计进行了系统性的介绍。

关键词：红土镍矿；高冰镍；闪速熔炼；一步法

1 背景

随着新能源产业不断发展，以及三元电池高镍化趋势的形成，硫酸镍作为电池正极材料所需三元前驱体的原料，硫酸镍需求将保持快速增长的态势[1]。

高冰镍（Nickle Matte）也称镍锍，镍含量约在70%-75%之间。高冰镍是目前制备硫酸镍最低成本的原材料，后期高冰镍或将成为硫酸镍原材料的主要来源。硫酸镍需求增长也带动产业链上游的高冰镍生产和需求的扩大。

全球镍矿分为硫化镍矿和红土镍矿，目前已探明陆地上品位大于1% 的镍矿资源中，硫化镍矿占全球镍矿资源约30%[2]，主要分布于南非、加拿大、俄罗斯等高纬度地区，红土镍矿占全球镍矿资源约70%，主要分布于印尼和菲律宾、美洲的古巴等低纬度地区。红土镍矿、硫化镍矿均可冶炼高冰镍，近年来硫化矿因过度开采而品质下降，储量和产量不断下滑，全球镍矿开发的重点逐渐从硫化矿转向红土镍矿。

硫化镍矿火法冶炼高冰镍的工艺主要有闪速熔炼及电炉熔炼：（1）硫化镍矿-闪速熔炼-低冰镍-转炉吹炼-高冰镍；（2）硫化镍矿-电炉熔炼-低冰镍-转炉吹炼-高冰镍。闪速熔炼能充分利用精矿本身的反应热，能耗低，烟气含SO2浓度高，是目前主流的硫化镍矿熔炼工艺。电炉熔炼耗电较大，适用于电价低廉的地区。

红土镍矿火法冶炼高冰镍的工艺主要以电炉熔炼、RKEF工艺和富氧侧吹工艺为代表：（1）红土镍矿-回转窑还原-电炉熔炼（硫化）-低冰镍-转炉吹炼-高冰镍；（2）红土镍矿-RKEF工艺-镍铁-转炉吹炼二次（硫化）-高冰镍；（3）红土镍矿-富氧侧吹（硫化）-低冰镍-转炉吹炼-高冰镍[3]。

上述三种冶炼高冰镍的工艺都需要进行转炉吹炼，造成工艺流程长、生成连续性差、污染大、能耗高，且钴的回收率极低。因而，亟待一种短流程的、节能降耗的红土镍矿冶炼高冰镍的工艺出现。

2 工艺核心冶炼原理简介

2.1 镍钴空间选择性还原原理

红土镍矿中主要含有NiO、CoO、Cr2O3、Fe2O3、Al2O3等金属氧化物，在红土镍矿的熔点范围内（1600～1700K)，氧化物稳定性排序为Al2O3 > Cr2O3 > CaO > MgO > Fe2O3> FeO > CoO > NiO，这其中，NiO和CoO较易被还原。

若还原气体中除CO外，还含有H2，或只用H2，选择性还原的原理类似。

3 工艺流程简介

闪速一步法生产高冰镍工艺的核心装备是天闪炉，天闪炉由上部空间、下部空间、熔池及上升烟道四部分组成，如图2所示：

熔池下部的熔体存放区沿长度方向分为熔炼区、沉淀区、硫化区及排放区，熔池结构示意图如图3所示：

3.1 上部空间

上部空间的主要作用类似于煤气化室，用于制造高温、一定浓度的还原气体(CO和H2)。

3.2 下部空间

高温还原气体在下部空间内选择性还原红土镍矿矿粉，在下部空间的顶部设有燃料烧嘴，用于控制下部空间的温度。

3.3熔池

类似长方体的熔池的一端连接下部空间，另一端连接上升烟道，上升烟道一侧的熔池的侧壁上设有排渣口和高冰镍排放口。在熔池内的熔体上方与上部炉壁间有一条水平烟道，熔炼空间的烟气通过该通道进入上升烟道。

熔池下部的熔体存放区沿长度方向分为熔炼区、沉淀区、硫化区及排放区，熔池结构示意图如图3所示：

沉淀区的侧壁上设置有氧煤喷枪，熔炼区的主要作用是使空间还原产物彻底熔化，并还原其中剩余镍氧化物。沉淀区的主要作用是使熔体沉降分离，分为界线清晰的熔渣层和高镍合金熔体层（从上至下）。硫化区的侧壁设置有硫化喷枪，枪口插入高镍合金熔体层，喷入硫化剂使合金熔体硫化为高冰镍。排放区用于使硫化后的高冰镍与熔渣沉降分离，再分别通过排放口排出炉外。

3.4上升烟道

天闪炉是微负压环境，通过设置在烟气处理端的抽风机的作用，将炉内的烟气汇聚至上升烟道，排出炉外。

4 工艺流程简述

将粉煤、气化剂（氧气及水蒸气）喷入高温的上部空间（煤气化室），通过气化反应过程将煤粉中的可燃部分转化为气体。上部空间生成的合成气中CO+H2的体积浓度大于50%，气体的温度可达1400-1700℃。

上部空间生产的高温、高浓度的还原气体以及熔融状的煤灰渣，通过连接通道排入天闪炉下部空间。高温还原气体与喷入下部空间的红土镍矿矿粉充分的混合，红土镍矿粉以极大的比表面积状态弥撒于炽热、呈还原气分的空间，形成“爆炸式”的动力学条件，使传热、传质和气-固、气-液反应的速度极快，迅速完成镍矿粉的还原和熔化。

通过调节喷入的煤气中还原气浓度建立NiO还原的最佳空间环境，可实现Ni的选择性还原，即使NiO基本完成还原而同时抑制FeO的还原。

在对应熔池熔炼区两边侧壁上布置了两排喷枪，分别喷入氧气及粉煤。控制好喷入的煤氧量及相互间的比例，一方面为补充熔池热量，使熔池维持1400℃-1550℃的高温环境；另一方面使熔池形成可控的弱还原环境，使少量未还原的NiO彻底还原为Ni，同时通过缺碳操作控制FeO的还原程度，使合金产品中镍品位达到70%以上。另外，侧吹及反应生产的气体搅动熔体，使熔体翻滚，加快熔体上下层热量及物质的交换，利于氧化物造渣及渣与镍铁熔体间的分离。

熔体经熔炼区熔炼后，在向排放口流动的过程中，在沉淀区内逐渐沉淀分层，从下至上形成镍铁熔体层及熔渣层。

在对应硫化区镍铁熔体层的熔池侧壁上布置有硫化喷枪，通过喷枪向镍铁熔体层内喷入液态硫磺等硫化剂，镍铁与S在该区迅速反应并放出热量，为附近的熔体补充热量。控制喷入硫化剂的量，使出炉时镍琉中S含量低于25%，从而使得到的最终产品为高冰镍。

熔体经排放区进一步澄清后，熔渣从排渣口排出，高冰镍从高冰镍排放口排出。由于红土镍矿中镍含量低，渣量大，熔渣可以连续排出，而高冰镍需要累积到一定高度后断续排放。

下部空间及熔池熔炼产生的烟气从上升烟道排出炉外。

5 工艺特点

1）不用焦炭，不需烧结，红土镍矿粉入炉后一步生产高冰镍，省去了吹炼过程，流程短、能耗低。

2）集空间选择性还原冶炼及熔池硫化熔炼为一体，冶炼效率高。

3）在硫化区的金属熔体层精准硫化（闪速熔炼是镍硫化矿的主流冶炼工艺，硫化生产的装备及工艺成熟），硫化剂耗用量低，烟气含硫量低。

4）全工艺流程镍回收率达95%以上，钴回收率可达90%。

参考文献

[1]任鑫,张艳飞,邢佳韵等.我国硫酸镍产业发展趋势及对策研究[J].中国工程科学,2022,24(03):40-48.

[2]张亮,杨卉芃,冯安生等.全球镍矿资源开发利用现状及供需分析[J].矿产保护与利用,2016,No.201(01):64-69.