鎳鐵合金制備工藝技術(shù)的應(yīng)用分析

董建華

（陽江市翌川金屬科技有限公司，廣東 陽江 529533）

0 引言

鎳鐵合金不僅具有良好的磁性和可塑性，而且具備較強(qiáng)的抗腐蝕能力和可延展性，是一種廣泛應(yīng)用在石油、化工、航空航天、機(jī)械制造中的關(guān)鍵金屬。隨著高品位紅土鎳礦資源的日益減少，鎳鐵合金的制備經(jīng)濟(jì)性日益降低，嚴(yán)重影響了鎳、鐵制造品質(zhì)和回收率。目前利用低品位紅土鎳礦冶煉鎳鐵的方法主要是回轉(zhuǎn)窯粒鐵法、隧道窯和轉(zhuǎn)底爐法，但這些制備方案均存在著提純率低、經(jīng)濟(jì)性差的不足。

文章提出了一種新的選擇性還原-磁選工藝制備鎳鐵合金方案[1]，對制備過程中還原溫度、磨礦方式、磁場強(qiáng)度等對鎳鐵合金制造過程的影響進(jìn)行了分析，確定了在最新反應(yīng)參數(shù)情況下，獲取的鎳鐵合金中鎳的品位（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，全文同）為7.24%，鐵的品位為85.17%，鎳的回收率為95.82%，鐵的回收率為91.4%，極大地提升了利用低品位紅土鎳礦制備鎳鐵合金的經(jīng)濟(jì)性。

1 原料及試驗(yàn)方案

1.1 低品質(zhì)紅土鎳礦選擇

取低品質(zhì)的紅土鎳礦，鎳礦的主要化學(xué)成分如表1 所示，該鎳礦中鎳品位僅1.90%，且其中含有大量的鎂、硅等雜質(zhì)，屬于典型的腐泥土型低品位紅土鎳礦。

表1 低品位紅土鎳礦主要成分表

1.2 試驗(yàn)方案制定

選擇性還原-磁選工藝制備鎳鐵合金的工藝流程如圖1 所示[2]。

圖1 選擇性還原-磁選工藝示意圖

紅土鎳礦先經(jīng)過破碎后再進(jìn)行研磨，使其形成顆粒度不大于150 μm 的細(xì)顆粒，然后將其和還原煤、熔劑按10∶1∶1 的質(zhì)量配比進(jìn)行充分混合，混合完成后將其加入到輥式壓球機(jī)中進(jìn)行冷壓造塊，當(dāng)物料進(jìn)入到存在一定傾斜角的回轉(zhuǎn)窯中后，慢慢地從窯尾部向頭部轉(zhuǎn)動。根據(jù)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度的不同，將物料分為預(yù)還原帶、還原帶、鐵鎳顆粒聚集長大帶三個部分[3]，其中預(yù)還原帶的溫度最低，顆粒聚集長大帶的溫度最高。

從回轉(zhuǎn)窯排出來的還原物經(jīng)過水淬、破碎、粉破處理，然后再把經(jīng)回轉(zhuǎn)窯直接還原以后得到的紅土鎳礦進(jìn)行研磨，利用2-MZ 型制樣設(shè)備[4]將其還原后破碎處理，再利用XCRS74-Φ400×240 弱磁型磁選機(jī)[5]進(jìn)行還原后的磁選分離。在分離的過程中可以通過改變勵磁電力的強(qiáng)度來調(diào)節(jié)磁場的強(qiáng)度，從而或者到以鎳鐵合金粉末為主的粉末狀顆粒物。

2 不同因素對反應(yīng)結(jié)果的影響研究

2.1 還原溫度對反應(yīng)時金屬化率的影響

在不同還原溫度下紅土鎳礦所還原成的產(chǎn)物的主要成分匯總?cè)绫? 所示。經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著還原溫度的升高，還原后生成的球團(tuán)中的鎳和鐵的含量都逐步增加，而且反應(yīng)過程中的金屬化率會增加。當(dāng)反應(yīng)溫度超過1 150 ℃以后，進(jìn)一步增加還原溫度還可以慢慢加快反應(yīng)過程中的金屬化率，加快鎳鐵顆粒的集聚和生長。

表2 不同還原溫度對金屬化率影響

2.2 磨礦條件對回收率的影響

在還原溫度為1 000～1 300 ℃的情況下，分別對紅土鎳礦進(jìn)行粗磨和細(xì)磨，設(shè)置篩選時產(chǎn)品的磁場強(qiáng)度為60 mT，經(jīng)過分選后的產(chǎn)品參數(shù)如表3 所示。

表3 磨礦條件對回收率影響

由實(shí)際分析可知，當(dāng)還原溫度在1 000～1 200 ℃的情況下，磨礦條件對鎳和鐵的品位及回收率影響較大，這是因?yàn)樵诘蜏叵拢嚭丸F的氧化物沒有經(jīng)過充分的還原，而且在大顆粒的磁性物中含有很多非磁性產(chǎn)物，造成了鎳和鐵的品位及回收率低。當(dāng)溫度超過1 200 ℃以后，粒度對鐵、鎳品位及回收率的影響逐步變小。因此盡量采用細(xì)磨、高溫處理措施，可提高鎳鐵的品位和回收率。

2.3 還原溫度及磁場強(qiáng)度對回收率的影響

在細(xì)磨情況下，不同還原溫度和不同磁場強(qiáng)度組合下鎳回收率和品位的變化情況如圖2 所示。

圖2 不同情況下的鎳回收率及品位變化情況

由圖2 分析可知，隨著磁場強(qiáng)度的增加，磁性物中鎳的回收率表現(xiàn)出了迅速增加的趨勢，而鎳的品位則呈現(xiàn)出了緩慢降低的趨勢。隨著還原溫度的升高，磁性物中的鎳品位及回收率均呈現(xiàn)出來了快速增加的趨勢，當(dāng)溫度超過1 200 ℃以后，磁性物質(zhì)中的鎳回收率和鎳品位逐步趨于平穩(wěn)。

在細(xì)磨情況下，不同還原溫度和不同磁場強(qiáng)度組合下鐵回收率和品位的變化情況如圖3 所示。

圖3 不同情況下的鐵回收率及品位變化情況

由圖3 分析可知，隨著施加的磁場強(qiáng)度的不斷加大，從磁性物中回收的鐵逐步增加，而與之對應(yīng)的所回收的鐵的品位會逐步下降。隨著還原溫度的增加，鐵的回收率和回收品位則同步出現(xiàn)了增加的趨勢，而且在溫度超過1 200 ℃以后，磁性物質(zhì)中的鐵回收率和鐵品位逐步趨于平穩(wěn)。

綜上所述，當(dāng)在反應(yīng)過程中的還原溫度從1 000 ℃逐步增加到1 200 ℃的情況下，紅土鎳礦的碳熱還原占據(jù)了主導(dǎo)的地位，此時受磁場強(qiáng)度的影響較大，鎳的最大回收率達(dá)到了98.39%。而當(dāng)還原溫度超過1 200 ℃以后，鎳鐵顆粒正處于不斷集聚和增加的階段[6]，因此此時溫度對鎳鐵還原性的影響開始弱化，此時鐵的回收率約為89.44%，其后逐步趨于平穩(wěn)。因此最終選擇還原溫度為1 100～1 200 ℃、磁場強(qiáng)度為150 mT 的情況下具有最佳的回收利用率。

3 鎳鐵合金內(nèi)部組織情況

設(shè)置還原溫度為1 200 ℃，細(xì)磨、磁場強(qiáng)度為150 mT 情況下對還原后紅土鎳礦的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 還原后的紅圖鎳礦微觀示意圖

經(jīng)過分析可知，經(jīng)過還原后的鎳鐵顆粒明顯比脈石相顆粒大，在經(jīng)過還原后的鎳鐵固溶體中的鎳鐵以合金的形式存在，鎳鐵顆粒形成球態(tài)，比較小的磁性鎳鐵顆粒能夠被夾帶并包裹在非磁性的物質(zhì)中，從而影響鎳鐵的回收率，對于這種狀況可以通過增加細(xì)磨時間、提升磁場強(qiáng)度的方式來解決。

在還原溫度為1 200 ℃、細(xì)磨180 s、磁場強(qiáng)度為150 mT 情況下所獲取的鎳鐵合金的化學(xué)成分分析結(jié)果如表4 所示。經(jīng)對比分析可知，在優(yōu)化后w（Ni）從最初的1.9%增加到了目前的7.24%，提升了3.81 倍；w（TFe）從最初的27.6%提升到了目前的85.17%，提升了3.08 倍；對鎳的回收率提升到了95.82%，對鐵的回收率提升到了91.4%，實(shí)現(xiàn)了低品位紅土鎳礦中鎳鐵合金的高效回收利用，提高了鎳鐵合金的制備經(jīng)濟(jì)性。

表4 鎳鐵合金化學(xué)成分表

4 結(jié)論

對低品位紅土鎳礦制備鎳鐵合金工藝進(jìn)行了優(yōu)化，通過選擇性還原-磁選制備的方式來滿足鎳鐵合金的制備要求，同時對不同工藝參數(shù)對制備效果的影響進(jìn)行了分析。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，當(dāng)在還原溫度為1 200 ℃、細(xì)磨180 s、磁場強(qiáng)度為150 mT 情況下能夠?qū)⒒厥盏逆嚨暮刻嵘?.81 倍，將回收的鐵的含量提升3.08 倍，同時鎳、鐵回收率顯著提升，極大地增加了鎳鐵合金的制備經(jīng)濟(jì)性。