我國鎳礦資源現(xiàn)狀及利用技術(shù)研究

劉明寶，段理祎，高 瑩，印萬忠

(1.東北大學(xué),遼寧 沈陽 110004；2.蘭州金川新材料股份有限公司 甘肅 蘭州 737100)

鎳是一種近似銀白色的金屬，有鐵磁性和延展性，能導(dǎo)電和導(dǎo)熱。主要用來制造不銹鋼和其他抗腐蝕合金，也作加氫催化劑和用于陶瓷制品、特種化學(xué)器皿等，是一個(gè)國家國防工業(yè)和航空工業(yè)不可或缺的戰(zhàn)略物資。

世界上已知的鎳礦床有三種類型:即銅鎳硫化礦、紅土礦、風(fēng)化殼硅酸鎳礦床。其中，紅土礦和硅酸鎳礦床占目前世界鎳總儲量的四分之三。但從硫化礦石中提取的鎳，約占目前鎳總產(chǎn)量的三分之二。盡管從氧化礦中提取鎳顯得愈來愈重要，但由于鎳在這些礦石中以不定成分的含水硅酸鹽(3MgO·2SiO2·2H2O)的復(fù)合物，主要是含水鎳鎂硅酸鹽狀態(tài)存在，也有以浸染或覆蓋于硅酸鹽上的氧化物和氫氧化物存在。由于氧化鎳礦物不是以單獨(dú)的顆粒存在，因此到目前為止，有關(guān)氧化鎳的直接選礦問題尚未解決。而從硫化礦中提取鎳，可以采用簡單經(jīng)濟(jì)的機(jī)械選礦方法來解決，所以，在今后若干年內(nèi)，硫化鎳礦石仍將是鎳的重要來源。

我國鎳礦資源主要分布于19個(gè)省(區(qū))，70%的鎳礦資源集中在甘肅，其次分布在新疆、云南、吉林、四川、陜西和青海和湖北7個(gè)省(區(qū))。這7個(gè)省(區(qū))的鎳資源合計(jì)保有儲量，占全國鎳資源總儲量的27%。其余鎳資源分布在江西、福建、廣西、湖南、內(nèi)蒙古、黑龍江、浙江、河北、海南、貴州、山東11個(gè)省(區(qū))，這些地區(qū)的鎳資源合計(jì)保有儲量，占總儲量的3%左右。我國鎳資源分布以及品位如表1所示[1]。

表1 我國鎳資源分布以及品位

經(jīng)過多年的開采，目前我國鎳礦儲量呈明顯下降的趨勢。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)尤其是鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展，鎳資源的自給率逐漸下降，供需缺口持續(xù)擴(kuò)大。因此，對我國鎳礦資源開展更深入的礦石特性以及綜合利用技術(shù)研究勢在必行。

1 復(fù)雜硫化鎳礦礦石特性及幾種主要選別工藝

1.1 階段磨礦-階段選別-中礦再磨再選流程

甘肅金川鎳礦二礦區(qū)礦石礦物種類較多，礦物組成較復(fù)雜。常見的金屬礦物主要有鎳黃鐵礦、磁黃鐵礦、黃銅礦、紫硫鎳礦、方黃銅礦、墨銅礦、四方硫鐵礦、磁鐵礦、鉻尖晶石等；另外，還有少量的鈦鐵礦、赤鐵礦、白鐵礦、碲鉍礦、碲鉍鎳礦、碲鉛礦、碲鉍鈀礦、自然金、銀金礦、碲銀礦、砷鉑礦等。脈石礦物主要有蛇紋石、橄欖石、輝石、透閃石、碳酸鹽、滑石、綠泥石、云母等。礦石含鎳品位平均為1.29%，礦石的礦物組成和相對含量見表2。礦石中鎳礦物物相分析結(jié)果如表3所示。該礦石處理工藝流程如圖1所示。經(jīng)該工藝處理以后，可以獲得精礦平均品位在8.8%以上，鎳金屬回收率在84.5%以上的良好指標(biāo)。

1.2 階段磨礦-階段選別-中礦返回再選

對金川鎳礦三礦區(qū)礦石進(jìn)行鏡下分析、X射線衍射以及掃描電鏡分析，研究表明，礦石的組成礦物種類較為復(fù)雜，常見金屬礦物包括紫硫鎳礦、鎳黃鐵礦、黃銅礦、墨銅礦、黃鐵礦、磁鐵礦和鉻鐵礦，偶見假象赤鐵礦、閃鋅礦和磁黃鐵礦零星分布;脈石礦物以蛇紋石和綠泥石居多，其次是透閃石、滑石、鐵白云石、黑云母和石英，其他微量礦物包括欽鐵礦和檐石等。礦石平均含鎳品位為0.51%，礦石中主要礦物含量見表4。礦石中鎳的化學(xué)物相分析結(jié)果見表5。工藝流程圖見圖2。經(jīng)過該工藝處理以后，可獲得精礦品位大于6%，鎳金屬回收率在83%左右的良好指標(biāo)。

表2 礦石的礦物組成和相對含量

表3 礦石中鎳主要物相分析結(jié)果

表4 礦石中主要礦物含量

表5 礦石中鎳的化學(xué)物相分析結(jié)果

圖1 階段磨礦-階段選別-中礦再磨再選工藝流程圖

圖2 階段磨礦-階段選別-中礦返回再選工藝流程圖

1.3 階段選別-掃選精礦再磨再選流程

陜西某鎳礦礦石由三十多種礦物組成，主要金屬礦物為鎳黃鐵礦、磁黃鐵礦、磁鐵礦、黃銅礦等十二種，占礦物總量的25.8%。主要脈石礦物為綠泥石、云母、伊利石、蛇紋石、滑石、石英、方解石、白云石、螢石等十八種，占礦物總量的74.2%。礦石多元素分析以及鎳物相分析分別見表6和表7，工藝流程如圖3所示。經(jīng)此工藝處理以后，鎳精礦品位可達(dá)5.5%，鎳金屬回收率在81%左右。

表6 礦石多元素分析

表7 礦石鎳物相分析

圖3 階段選別-掃選精礦再磨再選工藝流程圖

2 紅土鎳礦處理工藝

氧化鎳礦床是含鎳橄欖巖在熱帶或亞熱帶地區(qū)經(jīng)過大規(guī)模的長期的風(fēng)化淋濾變質(zhì)而成的，是由鐵、鋁、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，所以被稱為紅土礦。紅土鎳礦的可采部分一般由3層組成:褐鐵礦層、過渡層和腐植土層。各礦層紅土礦化學(xué)成分及處理工藝，如表8所示。

2.1 火法冶金技術(shù)

火法冶煉工藝更適合處理腐植土型鎳礦，因?yàn)楦餐列玩嚨V含有較低的鈷和鐵，Ni/Co比一般為40，最終產(chǎn)品多為鎳鐵或冰鎳，同時(shí)在冶煉過程中不回收金屬鈷?；鸱ㄒ睙捁に囆枰拇罅康哪茉?，因?yàn)樵谝睙掃^程中，鎳礦石需要被干燥，除去所含潮氣和結(jié)晶水，同時(shí)，干燥后的鎳礦石還需要進(jìn)一步加溫到1400℃形成鎳锍。

硅鎂鎳礦通常采用火法冶金工藝。處理鎳紅土礦的火法冶金有兩種熔煉方法：一種是用鼓風(fēng)爐或電爐還原熔煉得到鎳鐵。采用電爐熔煉可以達(dá)到較高的溫度，爐內(nèi)的氣氛也比較容易控制，爐料需預(yù)先經(jīng)過干燥脫水，干燥和預(yù)熱一般采用回轉(zhuǎn)窯。在電爐還原熔煉的過程中，幾乎所有的鎳和鈷的氧化物都被還原成金屬，而鐵則不必全部還原成金屬鐵，鐵的還原程度通過還原劑焦碳的加入量加以調(diào)整。得到的鎳鐵成分為(%)：Ni+Co(25～45)；C(0.02～0.06)；S(0.02～ 0.05)；Si(0.02～ 1.5)；P(0.01～0.03)；Fe(55～75)。此外，硅鎂鎳礦也可以采用外加硫化劑的方法進(jìn)行硫化熔煉得到鎳锍，石膏是最常用的硫化劑。造锍熔煉一般在鼓風(fēng)爐中進(jìn)行，也可以用電爐，鎳锍的成分可以通過還原劑(焦粉)和硫化劑(石膏)的加入量加以調(diào)整。得到的低鎳锍(通常含Ni+Co=20%～30%)，再送到轉(zhuǎn)爐中吹煉成高鎳锍。鎳紅土礦兩種火法冶金的原則流程見圖4。

表8 各礦層紅土礦化學(xué)成分及處理工藝

圖4 鎳紅土礦兩種火法冶金原則流程

2.2 濕法冶金技術(shù)

褐鐵礦類型的鎳紅土礦和含MgO比較低的硅鎂鎳礦，通常采用濕法冶金工藝處理。濕法冶金主要形成了兩種工藝，一種是還原焙燒-氨浸工藝(簡稱為RRAL)，另一種是硫酸加壓酸浸工藝(簡稱為HPAL)。近年來，鎳紅土礦的濕法冶金技術(shù)有了很大的發(fā)展，特別是加壓浸出技術(shù)和各種組合的溶劑萃取工藝。

2.2.1 還原焙燒-氨浸工藝

還原焙燒的目的是使硅酸鎳和氧化鎳最大度地被還原成金屬，同時(shí)控制還原的條件， 使大部分Fe還原成Fe3O4，只有少部分Fe被還原成金屬。焙燒礦再用NH3及CO2將金屬鎳和鈷轉(zhuǎn)為鎳氨及鈷氨絡(luò)合物進(jìn)入溶液，金屬鐵先生成鐵氨絡(luò)合物進(jìn)入溶液，然后再氧化成Fe3+，水解生成氫氧化鐵沉淀，氫氧化鐵沉淀時(shí)會造成較大的鈷損失，大部分鈷以沉淀物形式除去。原則流程見圖5。

圖5 還原焙燒-氨浸工藝流程圖

2.2.2 加壓酸浸

用稀硫酸將鎳、鈷等有價(jià)金屬與鐵、鋁礦物一起溶解，在隨后的反應(yīng)中，控制一定的pH值等條件，使鐵、鋁和硅等雜質(zhì)元素水解進(jìn)入渣中，鎳、鈷選擇性進(jìn)入溶液。浸出液用硫化氫還原中和、沉淀，產(chǎn)出高質(zhì)量的鎳鈷硫化物。鎳鈷硫化物通過傳統(tǒng)的精煉工藝配套產(chǎn)出最終產(chǎn)品，其原則工藝流程如圖6所示。

圖6 加壓酸浸工藝流程圖

3 結(jié)語

1)隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，我國鎳礦需求缺口持續(xù)擴(kuò)大，鎳資源短缺已經(jīng)成為不爭的事實(shí)。因此，對硫化鎳和紅土鎳礦資源進(jìn)行更加深入的利用技術(shù)研究，對保證我國鎳工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

2)硫化銅鎳礦床的形成，均與基性和超基性巖有關(guān)。在成礦過程中，易發(fā)生蝕變，脈石礦物發(fā)生蛇紋石化、滑石化；原生硫化礦與次生礦物交錯(cuò)共存，使礦物組成復(fù)雜化。因此，硫化銅鎳礦的選別流程，一般以階段磨礦-階段選別-中礦再處理方式為主。

3)到目前為止，物理選礦法尚沒有處理紅土鎳礦的合適工藝，紅土鎳礦當(dāng)前的處理工藝以火法和濕法為主。隨著世界鎳需求量的增長以及硫化鎳資源的短缺，紅土型鎳礦資源的開發(fā)將成為未來幾年世界鎳工業(yè)發(fā)展的主要趨勢。

[1] 李志茂,朱形,吳家正.鎳資源的利用及鎳鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[J]. 中國有色冶金，2009(1)：29-32.

[2] 李建華,程威,肖志海. 紅土鎳礦處理工藝綜述[J]. 濕法冶金, 2004(12):191-194.