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爐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，使得紅土鎳礦冶煉工藝更具經(jīng)濟性和環(huán)保性。
　　 由于焦爐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活性的差異性以及活化劑Na2SO4在促進礦物晶相轉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樣品并對試驗結果進行分析討論。實驗過程中，原礦、焙燒礦和磁選精礦的礦物學特性通過相關熱力學計算并結合ICP、TG-DSC、XRD、光學顯微鏡等分析儀器進行表征。所得試驗結論包括:
　　 (1)紅土鎳礦的H2-TPR和CH4-TPR表征結果表明: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的反應活性都要明顯高于

4、CH4的反應活性。與未配加鈉鹽的紅土鎳礦還原曲線相比，在H2氣氛下，只有當溫度至少達到750℃時，添加硫酸鈉才能夠顯著改善紅土鎳礦的還原動力學條件，促進礦物結晶相的轉變和硫化反應的發(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)生的游離基反應生成氫負離子來提供，并非與自身發(fā)生還原反應。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)生氫還原反應生成不同的硅酸鈉鹽，在750℃左右即可與MgSiO3進行反應，而與Mg2SiO4的反應則至少要達到1100℃才能進行，反應過程中生成的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)生硫化反應生成FeS和NiS。當溫度高于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果表明:影響硫酸鈉催化活性和礦物晶相轉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，磁場強度和磨礦細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。
　　 (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。
　　 (5)還原焙燒礦的光學顯微結構分析表明:硫化作用下生成的硫化鐵晶相(FeS)有助于Fe-FeS低熔點固溶體的形成，從而促進礦物中的鎳鐵顆粒發(fā)生