红土镍矿处理方法综述

沈

和Mg之后。然而，在地壳中镍的含量很低，不到0.01%，其丰度排在第24位。

地球上有四种含镍矿物：

⑴硫化镍矿——镍黄铁矿、镍磁黄铁矿和针硫镍矿等

⑵氧化镍矿——主要指红土镍矿

⑶含砷镍矿——红镍矿、砷镍矿和辉镍矿等

⑷深海含镍锰结核

深海含镍锰结核的数量现在还无法估计，由于开采成本太高，暂无法利用这种含镍资源。目前，世界各国正在研制海底机器人，为开采海底锰结核做前期准备工作。

含砷镍矿在地球上的储量很少，是一种次要的含镍资源。主要的炼镍原料是硫化镍矿和红土镍矿。

根据目前的炼镍技术水准，硫化镍矿含镍高于3%的被称为富矿，可不经选矿而直接冶炼；含镍较低的硫化镍矿需经过选矿进行富集，产出品位较高的硫化镍精矿再进行冶炼。红土矿很难用选矿方法来富集，通常是用冶炼的方法直接处理。

1.3 开发和利用红土镍矿资源的重要意义

⑴陆地上镍资源总量中硫化镍矿和红土镍矿的比例约为3：7，未来镍冶金工业的发展主要以红土矿为原料；

⑵硫化镍矿日趋枯竭，中国的硫化镍矿的年产量以10%的速度递减；

⑶红土镍矿埋藏在地表附近，开采成本低，不需要选矿，随着冶炼技术水

准的提高，处理红土镍矿的成本不断降低；

⑷选择合适的生产方法，处理红土镍矿可不产生二氧化硫烟气污染；

⑸中国是镍的消费大国，同时又是贫镍国。

由以上事实可知，我国开发红土镍矿资源有着非常重要的意义。目前，世界各国，特别是发达国家，都在积极开发或准备开发红土镍矿资源。

2 红土镍矿的特点

2.1 红土镍矿的地质结构

红土镍矿是由多雨的热带和亚热带的橄榄岩（Peridotite）和蛇纹石（Ser pentine）这样一些超级岩石的风化而形成的。红土镍矿床通常是分层存在于地表以下0~40米范围，矿床的地质结构为：覆盖层；褐铁矿层；过渡层；腐泥层；橄榄岩层。有价元素镍和钴主要分布在褐铁矿层，过渡层和腐泥土矿层。因此，人们通常将红土镍矿床分为三个矿层：

⑴褐铁矿层（Lateritic ore layer）

褐铁矿层离地表最近，主要矿物包括褐铁矿（Laterite）、针铁矿（Goet hite）、水铝矿（Gibbsite）和铬铁矿（Chromite）。矿石的化学成分和矿物组成很均匀，镍的含量较低，通常含有一定数量的钴，结晶性差，粒度较细。

⑵腐泥矿层（Saprolitic ore layer）

腐泥矿层埋藏较深，正好在基岩之上，主要含有石英（Quartz），滑石（T alc），蛇纹石（Serpentine），橄榄石（Olivine）和硅镁镍矿（Garnierite）等矿物。矿石含镍量最高，但其化学成分和矿物组成极不均匀。

⑶过渡矿层（Transition ore layer）

过渡矿层位于褐铁矿层和腐泥矿层两层之间，镍、铁、镁和二氧化硅的含量也介于两层之间。

红土镍矿典型的浓度分布见图1，化学成分列于表1。由图1和表1可以看出：红土矿中铁的含量随深度的增加稳定降低；而镁和二氧化硅含量随深度增加；钴含量分布与铁相似，在褐铁矿层最高；镍的分布与镁和二氧化硅一致，在腐泥矿层含量最高。红土矿含水量都很高，一般为30%~50%。被氧化的红土镍矿一般都含有铬、镁、锰、铁和铝等杂质。

图1 红土镍矿典型的浓度分布

硅酸盐和Fe-Mn氧化物中。

⑶印度尼西亚Sorowako红土矿

主要矿物组成是腐泥土（Saponite），粒度范围为10~100mm，主要矿物是镁和镁铁硅酸盐及针铁矿。镍的含量不均匀，镍主要存在于蛇纹石，橄榄石，绿泥石和闪石（Amphibole）中，钴存在于氧化锰矿中。

⑷印度的Sukinda红土矿

主要矿物组成为石英和针铁矿，次要矿物是磁铁矿（Magnetite），铬铁矿（Chromite），滑石，赤铁矿（Hematite）和高岭石（Kaolinite），镍主要存在于针铁矿中。

⑸希腊Eaboea岛红土矿

主要矿物是赤铁矿和石英，次要矿物包括针铁矿（γ-FeooH），绿泥石[(N i,Mg,AI)12(Si,Al)8O20(OH)6]，铬铁矿[(Mg,Fe)(Cr,Al)2O4]和含镍滑石[Ni3Si 4O10(OH)2]等。

3 工业上处理红土镍矿的主要方法

3.1 红土镍矿的火法冶金

红土镍矿中的主要元素是铁和镁，从红土矿提取镍，需要考虑如何处理镍、铁和镁之间的关系。根据冶金热力学原理，镍和铁与硫的亲合力远远大于镁，而镁与氧的亲合力远远大于镍和铁。因此，实现镍和铁与镁的分离是很容易的。另一方面，金属氧化物比硫化物稳定得多，铁的氧化物比镍的氧化物稳定得多。红土镍矿的火法冶金工艺就是基于这种亲合力的差异而设计的。

3.1.1 红土镍矿的还原硫化熔炼（镍锍或冰镍熔炼）

红土镍矿还原硫化熔炼工艺，也称冰镍熔炼工艺（Nickel matte smelti

ng process）是炼镍工业应用最早的火法冶金方法，始于1889年。我国的还原硫化熔炼通常用鼓风炉（小高炉）代替电炉。该工艺过程主要包括三部分：炉料准备、低冰镍熔炼和低冰镍的吹炼。熔炼过程需加入硫化剂（硫，黄铁矿或硫酸钙）使红土矿中的镍和部分铁转变成硫化物（低冰镍），而其他成分进入渣相。在吹炼阶段再将硫化亚铁变成FeO造渣而留下Ni3S2（高冰镍）。低冰镍的主要化学成分为10%~30%Ni，50%~60%Fe和9%~12%S；高冰镍成分：75%~78%Ni，0.5%~0,6%Fe和21%~22%S。该工艺由于无法解决二氧化硫污染而逐渐被淘汰。

3.1.2 镍铁熔炼工艺

红土矿的镍铁熔炼工艺（RKEF Process）的原理是先将物料进行干燥和焙烧，然后在高温下，使红土矿中镍和铁的氧化物还原成镍铁合金。由于铁与氧的亲合力比较大，在熔炼过程中几乎所有的镍被还原，而铁只有60%~70%被还原，其余部分以FeO形式造渣。典型的红土矿镍铁熔炼工艺由干燥、回转窑焙烧和电炉熔炼三部分组成，适合处理含镍较高的腐泥矿层红土矿。

3.2 火法—湿法联合流程

用火法—湿法联合流程处理红土矿是指20世纪20年代开发的还原焙烧—氨浸流程，按发明人的名字叫做Caron工艺（Caron Process）。20世纪7 0年代，我国曾采用Caron Process为阿尔巴尼亚建一个镍厂，建厂前的中间试验在上海冶炼厂进行。在该工艺过程中，红土矿先经过选择性还原焙烧，将物料中的镍、钴和部分铁还原成金属，接着通过氨浸过程使镍钴转入溶液，然后经过脱氨、氢还原和烧结过程得到最后产品镍粉或氧化镍。应该指出的是，C aron工艺的镍、钴回收率比较低，镍回收率为75%~80%，钴为40%~45%。

3.3 湿法冶金流程

工业上采用的处理红土矿的湿法冶金工艺是指高压硫酸浸出工艺（HPAL Process）。该工艺于1959年用于处理古巴毛湾红土镍矿（Mao Bay Proc

ess）。高压酸浸过程在高压釜中进行。由于浸出温度和压力都很高，镍和钴的浸出率均较高，且浸出选择性好，红土矿中的铁进入溶液的量很少，大部分留在浸出渣中。该法适合处理含镍含钴较高的褐铁矿层红土矿。高压酸浸过程的主体设备高压釜比较昂贵，建厂投资很大。

4 红土镍矿处理方法的研究进展

4.1 成熟工艺的改进

成熟工艺是指前面已经讨论过的工业上已经应用的四种红土矿处理技术。在这四种处理技术中，还原硫化熔炼过程技术落后，环境污染严重，近年来没有什么新发展；还原氨浸法，即Caron Process，虽然具有选择性强的优点，但由于工艺流程长，镍钴回收率过低，目前世界上只有3~4家企业采用。在工业上得到广泛应用的技术是高压酸浸和电炉炼镍铁两种方法。近年来，这两种方法得到了不断改进和发展。

4.1.1 电炉炼镍铁工艺的改进

（1）遮弧熔炼和电炉侧墙铜水套的应用

为了提高生产能力和降低镍铁生产的电能消耗，近年来，电炉炼镍铁的电炉功率水平在不断提升。如图2所示，电炉功率水平由上世纪70年代的2万千伏安可能将来会被提高到12万千伏安。电炉功率水平的提升主要靠两项新技术的应用来实现：一是用遮弧熔炼操作方式替代传统的插入电极操作方式，二是在电炉侧墙安装铜冷却水套。引入遮弧熔炼能使提供给电炉的大部分功率通过电极弧对覆盖熔体的料坡进行辐射的方式释放，而不只是对炉渣熔体直接进行电阻加热。将遮弧熔炼操作和安装铜冷却水套两者结合起来，能使炉床总功率密度从150Kw/m2提高到400 Kw/m2，而熔池功率密度不提高，依然维持在100 –150 Kw/m2。

由上述分析可知，提高功率是通过提高弧功率，即通过提高电压和电极端

部与熔渣之间的电弧长度实现的。然而，长弧会带来一些问题：电弧越长，越不稳定，电流和功率波动越大，越容易造成局部高温和过热。

这些问题需要通过安装先进的控制技术和功率稳定技术加以解决。

图2 电炉功率随时间变化趋势

（2）电炉炼镍铁炉渣利用技术的研究

在电炉炼镍铁过程中，生产1吨金属镍量的镍铁大约会产生50吨的炉渣。如果年产2万吨金属镍量的镍铁，则每年将会产出100万吨的炉渣。这么大量的炉渣如何处理一直是困扰镍铁冶炼厂的一大难题。将熔融状态下的炉渣制备成矿物纤维，然后进一步加工成保温材料或用于造纸的技术为电炉炼镍铁炉渣的利用找到了一个可行的途径。目前，这项技术已经取得了突破性进展。

（3）提高冶炼过程回收率和镍铁产量

1）通过提高烟气排风机的能力，使气流速度提高，进而使焙烧处理能力由80t/h提高到100t/h；

2）在焙烧配置铲式加料机，将物料送到窑内中间的几个位置，提高供热效率，进而使加料量由100t/h提高到120t/h。

日本一企业通过以上两项技术改进，镍铁的总产量可由18000tNi/年提高到22000tNi/年。

（4）电炉炼镍铁工艺的节能减排

1）采用直流和低频电源电炉

国外有许多采用直流矿热电炉炼镍铁的报导，节能效果明显。我国开展了

低频电源（0.5~13Hz）炼镍铁的试验，结果表明：功率因素提高5%，节电5%，增加产量10%，电极消耗降低20%。

2）用电炉高温烟气直接干燥红土矿

红土矿含水在30%以上，通常是用煤，重油或煤气加热，将其干燥，能源消耗高。将电炉高温烟气直接干燥红土矿可达到以下两个目的：

①消除电炉烟气和烟尘的排放；

②每吨镍铁节约0.9吨标煤。

4.1.2 高压浸出工艺的改进

（1）Henkel加压浸出工艺

德国汉高公司将氨浸和萃取技术引入红土镍矿高压酸浸工艺，终端产品为电镍。

（2）Amax高压浸出工艺

Amax公司利用经过焙烧的硅镁矿中和加压酸浸的母液，实现同时处理低镁和高镁两种类型红土矿。

（3）菲律宾Sumitomo金属有限公司的改进

Sumitomo公司将红土矿的高压浸出与硫化物沉淀两个过程结合起来，将硫化物沉淀后的贫液返回到高压浸出预中和，从而达到提高镍钴回收率的目的。

4.2 处理红土镍矿的新方法

4.2.1 火法冶金技术

⑴红土镍矿热富集技术

红土镍矿含镍品位低，但由于矿物组成复杂，无法采用传统选矿方法加以富集。因此，从红土镍矿中提取镍工艺过程复杂，投资大，能耗高。针对这一问题，人们广泛开展了红土镍矿热富集技术的试验研究。

1)高温热富集

在较高温度（1250~1350℃）下，借助合适的还原剂和添加剂对红土

矿进行固相还原，然后通过磁选得到镍铁产物。

2）低温热富集

在较低温度（700~1000℃）下，借助合适的还原剂和添加剂对红土矿

进行选择性固相还原，使红土矿中的氧化镍和少量氧化铁还原，可以得到含镍较高的富集产物。通过浮选或湿法浸出的方法可从富集产物中回收镍。

（2）小高炉炼镍铁技术

近年来，我国一些企业采用炼钢小高炉处理红土镍矿，产出低品位镍铁或含镍生铁。在镍价较高（＞6美元/磅）的情况下，小高炉炼镍铁会产生一定的经济效益。然而，这种方法的采用受到以下几方面的限制：

1）小高炉炼镍铁技术的原料适应性差，只有腐泥矿层上端含铁较高的红土矿适合采用这种方法；

2）与铁精矿相比，红土矿含铁含镍都很低，冶炼成本较高；

3）小高炉炼铁工艺产生环境污染问题在炼镍铁时依然存在。从长远观点看，这种方法必然被禁止采用。

4.2.2 湿法冶金技术

⑴红土矿和硫化矿同时高压酸浸技术

加拿大C.J. Ferron和C.A. Fleming研究了红土矿和硫化镍矿同时高压浸出技术。试验结果表明，利用这种方法在技术上是可行的，除镍外，同时得到了硫和贵金属等副产品。

⑵用海水为介质对红土矿进行高压浸出

加拿大的Debbie Marshall等人研究了红土矿的海水高压浸出过程。试验结果表明，海水浸出过程可减少酸的消耗，加快浸出速度，钴的浸出率略有提高。不足的是海水对设备的腐蚀加重。

⑶常压浸出技术进展

常压浸出工艺技术和设备都比较简单，建厂投资费用少，一直受到人们的青睐。在镍价较高，硫酸价格较低（低于800元/吨）的情况下，采用常压浸出技术处理过渡层红土镍矿是有利可图的。应该指出的是，处理红土镍矿的常压浸出技术所产生的浸出渣和沉铁渣必须是无害渣，可以堆放，最好是作为副产品得到利用。

近年来开发的红土镍矿常压浸出技术一般涉及以下几种单元操作：红土矿—（预处理）—浸出—从浸出液中除铁—从除铁后液中沉镍。得到的镍沉淀物可作为中间产品出售或进一步深加工。根据需要，镍沉淀物可以是碳酸镍，氢氧化镍，也可以是硫化镍等化合物沉淀。工艺流程中的除铁方法是整个工艺的关键技术。除铁效果的好坏涉及到镍和钴浸出率的高低，液固分离操作的难易以及浸出-沉铁渣是否是无害渣，是否可以排放。目前，红土镍矿常压浸出的除铁可通过以下几种途径实现：

1）通过硫酸化焙烧预处理，将铁转化成三氧化二铁，浸出期间

铁不被浸出而留在浸出渣中；

镍铁工程项目都遵循的作法。通过中间试验可确定合适的红土矿脱水率；考察还原温度和红土矿成份与还原窑结圈的关系；考察还原剂配入量与镍和铁还原率及镍铁品位之间的关系；考察红土矿成份对粗镍铁含杂指针及炉渣性能的影响；考察镍铁冶炼的能耗和镍回收率等技术经济指标。中试结果能为镍铁工程设计和生产操作提供重要依据。

我院用来自缅甸、菲律宾和印度尼西亚的红土矿试样开展了5次不同试验目的的镍铁中间试验。试验累计处理红土镍矿共2400吨，生产镍铁230吨。通过4年多的试验工作，我们积累了丰富的经验，也发现了不同类型红土矿的特点和规律，为镍铁工程设计和生产操作提供了关键性数据。

（2）红土镍矿常压浸出技术

从2005年开始，我院一直在研究红土镍矿常压浸出技术。含镍较低，含钴较高，含铁很高的褐铁矿型红土矿适合采用高压浸出技术处理，含镍高，含镁高的腐泥型红土矿适合用于炼镍铁，而镍、铁、镁含量介于两者之间的过渡型红土矿目前还没有成熟技术可用。我院开发的红土镍矿常压浸出工艺就是用来处理过渡型红土矿的技术。有数据表明，过渡型红土矿的数量巨大，开发常压浸出技术有十分重要意义。

我院开发的常压浸出工艺通过预处理和浸出同时沉铁两项关键技术达到以下目的：

1）浸出和沉铁渣沉降和过滤性能好；

2）浸出和沉铁渣含镍低，镍浸出率高；

3）浸出和沉铁过程的渣率低；

4）浸出和沉铁渣必须是无害渣，可排放，最好是浸出渣能再利用。我们开发的红土矿常压浸出工艺达到的技术经济指标：

浸出沉铁渣率＜85%，渣含镍＜0.3%，镍浸出率＞85%，浸出-沉铁渣经洗涤后的物相组成如图3所示。从物相分析结果可以确定该沉铁渣为无害渣。

图3 浸出-沉铁渣X-光衍射图谱

（3）镍铁冶炼炉渣综合利用技术

适合冶炼镍铁的红土矿由于含镍、铁元素之和一般不超过20%，因此，镍铁冶炼会产生大量的高温高硅炉渣。为了有效利用炉渣热能，减少炉渣排放，沈阳有色金属研究院借鉴相关行业的成熟技术，由中国有色集团投资500万元，建设了利用镍铁冶炼电炉高温熔融炉渣直接生产超细纤维中试线。该中试线的主体设备：保温渣包、专用成纤机，干法集纤室、纤维水浮精选系统、小型造纸线、保温材料压制成型设备。目前，我院利用该套中试线开展了某红土矿、山西煤矸石生产无机纤维、无机纤维纸、保温材料试验研究。试制无机纤维纸达到了国家C级标准，保温材料达到国家标准。研究结果表明，镍铁冶炼高温炉渣经过适当的成份调整可用于造纸或生产保温材料的无机纤维，为镍铁冶炼渣的利用找到了可行的途径。

（4）红土镍矿直接（深度）还原、选矿富集技术

由于红土镍矿镍的赋状态复杂，多以氧化物、硅酸盐等形式存在，而且嵌布粒度极细，因

此选矿方法不能对镍矿物进行富集。随着技术的发展和人们对红土镍矿的认识越来越深，

红土镍矿直接还原—选矿富集，提高电炉入料镍品位成为近年来研究的热点。中国有色矿

业集团组织沈阳有色金属研究院与国内高校联合开展了此项研究，投资100余万元建设了

中试线。中试线的主体设备有对辊压球机、∮1.2×2.6m回转短窑、MQY—0.8×1.2m球

磨机、立式转环感应式LGS—500湿式强磁选机，CTS—0503永磁选机等。原矿加入还

原剂、粘合剂压球、高温直接还原、磨矿、磁选，在回收率水平较高的情况下，可使精矿镍品位富集三倍以上，为电炉冶炼节能开辟了一条新的途径。