一种硫化矿镍铜火法冶炼与提铁方法

摘要

本发明涉及一种硫化矿镍铜火法冶炼与提铁方法。该方法以生石灰、石英砂和镍矿的混合物或者以生石灰和镍矿的混合物为原料在冶炼炉中冶炼铜和镍；以炉渣为原料在还原炉中提取铁。本发明通过镍锍冶炼过程减少石英砂的添加量，增加生石灰的添加量，将炉渣成分控制在适当的范围，可在保证镍冶炼顺利进行的前提下，得到有利于提铁的炉渣成分，可以在后续的工序直接利用热态炉渣还原提铁。发明提出了适合的新型炉渣成分范围和控制方法。该方法可有效克服现行镍火法冶炼过程炉渣中铁还原难度大、渣量大、能耗高等问题，实现镍冶炼渣的多种金属元素综合回收与利用。

权利要求

1.一种硫化矿镍铜火法冶炼与提铁方法，其特征在于，该方法包括：以生石灰、石英砂和镍矿的混合物或者以生石灰和镍矿的混合物为原料在冶炼炉中冶炼铜和镍；以炉渣为原料在还原炉中提取铁；

在镍冶炼中，通过调整炉渣成分，减少石英砂的加入量，同时增大炉渣中生石灰的加入量，以保证炉渣的熔点、粘度在冶炼要求的范围之内，达到镍锍熔炼的工艺要求；

冶炼铜和镍后的炉渣中Fe与SiO2的质量比为1.5～1.8；CaO的质量百分比含量为：

10％～15％；MgO的质量百分比含量为：4％～9％，且炉渣的三元碱度为1.0～1.2。

说明书

一种硫化矿镍铜火法冶炼与提铁方法

技术领域

[0001] 本发明涉及有色冶炼、黑色冶金和环保技术领域，提出了一种硫化矿镍铜火法冶炼与提铁方法，可在保证镍冶炼顺利进行的前提下，有利于渣中铁的后续提取，实现镍冶炼渣的综合利用。

背景技术

[0002] 硫化镍矿火法冶炼一般采用“低镍锍造锍熔炼(闪速炉、电炉或氧气顶吹熔炼炉)——吹炼高镍锍(氧气转炉)——磨浮分离——高镍锍电解”的工艺，得到电解镍。

[0003] 在低镍锍和高镍锍的生产过程中，会产生大量的高铁炉渣，其中铁主要来自矿石，另外也有一部分来自造锍熔炼加入的部分铁。

[0004] 如某公司拥有的镍铜矿平均含有13％的铁，在选矿过程中约40％的铁进入精矿中，精矿含铁为35％～41％，这部分铁在冶炼过程中98％以上进入炉渣中。依此折算，镍精矿每生产1吨镍金属，要带入铁3吨～4吨；每生产1吨铜金属，要带入1.5吨～2吨铁。该公司2012年镍产量13.5万吨，火法冶炼炉渣产出量160万吨/a以上，这些渣中含有镍
3428吨、铜3883吨、钴1510吨、铁675783吨；目前主要是堆存处理(部分用于矿井回填)。

[0005] 2012年全球镍产量169万吨，测算高铁渣产出量可达2003万吨，产出量和资源浪费巨大。

[0006] 该公司镍铜冶炼产出的高铁渣成分及产出量如表1所示。

[0007] 表1 某厂镍火法冶炼渣炉渣组成

[0008]

[0009] 大量的高铁渣不仅占用场地，污染环境，而且沉淀了大量的有价金属(主要是铁)无法有效利用。

[0010] 为充分利用镍铜冶炼炉渣中的铁资源，主要工艺路线为熔融还原提铁和固态选铁两种，其中热态渣熔融还原提铁被认为是最有可能实现的工艺途径。已有对镍铜冶炼渣直接还原利用的相关专利“一种综合利用高温镍冶炼熔融渣的方法”(申请号：2006101563095)和“一种利用链篦机-回转窑处理镍冶炼渣的方法”(申请号：201410041661.9)。

[0011] 但相关研究表明，镍冶炼热态渣熔融还原提铁工艺目前的主要难点有如下几个方面：

[0012] 1)先行镍铜冶炼渣中铁还原难度大，还原温度高，反应效率低。主要原因是炉渣中的铁主要以硅酸铁的形式存在，而硅酸铁是一种难还原化合物，导致了熔融还原工艺难度大幅度增加。

[0013] 2)冶炼渣量大，容易发泡，工艺控制难度大。由于炉渣中的铁以硅酸铁的形式存在，冶炼过程需要额外加入石灰，以使碱度达到有利于铁氧化物还原的1.0左右，使得本来就铁含量偏低(40％左右)的镍铜冶炼渣在提铁过程中 渣量进一步增加。按照相关估算，品位降低1％，渣量将增加2％，尤其是在渣中脉石组元是氧化硅时，更是如此。

[0014] 3)还原过程能耗高，经济性差。渣中铁的品位低、难还原是经济性差的主要原因，也是目前镍铜冶炼渣熔融还原提铁工艺无法获得根本性突破的主要原因。

发明内容

[0015] 由于现行硫化矿镍铜冶炼工艺产出的镍铜冶炼炉渣中的铁主要以硅酸铁的形式存在，该化合物稳定、难还原的特性势必为后期的熔融还原提铁增加了难度，直接影响到后面的提铁可行性。本发明的目的在于提供一种硫化矿镍铜火法冶炼与提铁方法。

[0016] 为此，本发明提供的硫化矿镍铜火法冶炼与提铁方法包括：

[0017] 以生石灰、石英砂和镍矿的混合物或者以生石灰和镍矿的混合物为原料在冶炼炉中冶炼铜和镍；以炉渣为原料在还原炉中提取铁。

[0018] 优选的，冶炼铜和镍后的炉渣中Fe与SiO2的质量比为1.5～1.8；CaO的质量百分比含量为：10％～15％；MgO的质量百分比含量为：4％～9％，且炉渣的三元碱度为1.0～1.2。

[0019] 与现有技术相比，本发明所带来的技术效果是：

[0020] (1)本发明在镍冶炼中，通过调整炉渣成分，减少石英砂的加入量(SiO2加入量)，同时增大炉渣中石灰的加入量(即CaO加入量)，将炉渣成分控制在要求的范围内，以保证炉渣的熔点、粘度在冶炼要求的范围之内，达到镍锍熔炼的工艺要求。

[0021] (2)本发明将镍铜冶炼渣中难还原的硅酸铁转化为较容易还原的铁酸盐，后续提铁工艺难度大幅度降低。

[0022] (3)采用镍铜冶炼过程调渣后，后续提铁冶炼渣量和石灰消耗量大幅度减少，工艺控制难度明显降低，且不影响镍铜的收率。据测算，生产1吨铁需要约2.5吨炉渣，按照提铁过程CaO/SiO2为1.1计算，原渣提铁需加入CaO805kg，总渣量高达1.84吨。采用新渣型后，需加入CaO310kg，总渣量为0.85吨，减少SiO2加入量250kg，石灰和渣量大幅度下降，由于渣量大幅度下降，提铁过程能耗明显降低，经济可行性大幅度提高。

[0023] (3)本发明的方法可增加镍铜冶炼渣的提铁工艺技术和经济可行性，为全面打通镍铜冶炼渣的高效综合利用工艺提供技术选择。

[0024] (4)本发明方法中的炉渣可直接进入还原炉进行提铁冶炼，只需添加少量熔剂。提铁过程渣量大幅度减少，能耗明显降低。

[0025] (5)采用本发明的方法可实现镍铜冶炼渣中铁的高效、经济提取，提铁渣接近高炉渣，可直接和建材生产联接，真正实现镍铜冶炼渣的高效综合利用。

附图说明

[0026] 图1为镍闪速炉冶炼工艺流程图。

具体实施方式

[0027] 现行的镍铜冶炼工艺为：低镍锍造锍熔炼(闪速炉、电炉或氧气顶吹熔炼炉)——吹炼高镍锍(氧气转炉)——磨浮分离——高镍锍电解。其生产流程见图1：硫化铜精矿经过三段气流干燥后，与制备好的石英粉熔剂、粉煤和返回的烟灰按照计量配比混合，从反应塔顶经过喷嘴与已预热的富氧空气、燃料油(或粉煤)一同喷入反应塔内，经氧化、熔化、造锍和造渣等一系列反应。渣和锍在沉淀池内经沉淀分离，渣经贫化炉去贫化处理后从渣口放出，水淬后废弃。低镍锍送转炉吹炼成高镍锍，高镍锍在铸坑缓冷后送选矿分离铜、镍。转炉渣则返回贫化电炉生产富钴镍锍，贫化炉渣经水淬后废弃。闪速炉烟气经 上升烟道进入余热锅炉降温、净化后送往制酸系统生产硫酸。

[0028] 本发明提出了从镍铜冶炼过程入手，通过调整镍铜冶炼渣型，改变炉渣中铁的存在形态，进而为后续提铁创造条件的工艺思路。从提铁的角度出发，希望炉渣成分中的铁越高越好，SiO2越低越好，即铁硅比越高越好；同时，炉渣中保有适当含量的氧化钙，使炉渣中的碱度达到1.0～1.2，将可以较好地满足提铁的工艺条件。即使不能提高渣的铁含量，采用碱性炉渣组元替代酸性的SiO2也将有利于炉渣中铁氧化物的还原。因此，本发明的将是用偏碱性的石灰熔剂替代石英熔剂，即通过减少石英熔剂加入量、增加石灰熔剂加入量的方式，在满足镍锍吹炼条件的前提下，创造适合镍铜冶炼渣后续提铁的工艺条件。

[0029] 参考图1，本发明实施将主要在上述工艺的低镍锍造锍熔炼工序进行。在现行工艺的基础上，增设石灰磨粉和加料装置，在闪速炉上，采用“氧气+镍精矿+石英粉+石灰粉”混合喷吹的方式，其它操作和现行工艺相同，闪速炉渣可热态直接送熔融还原炉提铁，提铁后炉渣供建材生产用途；在电炉或氧气顶吹熔炼炉中，可采用粉料混捏或造团后加入。

[0030] 1、在现行镍冶炼的温度条件下，采用碱性熔剂石灰替代部分石英熔剂，即减少石英砂的加入量(SiO2加入量)，同时增大炉渣中石灰的加入量(即CaO加入量)，调整炉渣成分，并保证炉渣的熔点、粘度在冶炼要求的范围之内。调渣时保证炉渣中铁的含量基本不降低。由于镍铜冶炼渣作为后续炼铁的原料，所以渣的镍、铜、钴等可在后续的提铁过程得到进一步的回收。即在增加炉渣中CaO含量的同时降低炉渣中的SiO2，炉渣总量基本不增加，同时炉渣中的铁含量基本不变，但铁硅比、炉渣硅酸度会发生相应变化；

[0031] 由于冶炼条件所限，炉渣的熔点、粘度不高于调渣之前的炉渣熔点和粘度；

[0032] 2、根据相关试验结果，确定炉渣的控制范围为Fe/SiO21.5～1.8；CaO：10％～15％；MgO：4％～9％，并将炉渣的三元碱度((％CaO+％MgO)/SiO2)控制在1.1左右。炉渣的具体组成，可按照矿石中各组分含量计算确定；

[0033] 3、在闪速炉中，生石灰粉和镍精矿配料后喷入冶炼炉进行自热冶炼；在顶吹炉中，生石灰和镍精矿配料混匀后自炉顶加入。

[0034] 4、调整后的镍冶炼炉渣可热态直接进入还原炉进行提铁冶炼，其物理热可得到有效利用。调渣后炉渣的成渣热减少，热量不足部分可通过提高富氧比加以解决；

[0035] 5、由于提铁后的炉渣类同于高炉渣，可粒化后直接用于水泥等建筑材料的生产(有现成的工艺与技术)，与已有技术有效对接，方便地实现资源的高效综合利用。在操作上，必须保证炉料成分、加入量等的稳定。

[0036] 以下是发明人给出的实施例，这些实施例是一些较优的例子，本发明不限于这些实施例。

[0037] 实施例1：年处理能力42万吨镍精矿闪速熔炼炉系统的应用

[0038] (1)基本情况：

[0039] OUTOKUNP闪速熔炼炉，精矿处理能力50吨镍精矿/hr，年处理能力42万吨镍精矿。富氧浓度42％，风温200℃，镍锍温度1200℃，渣温1360℃。镍精矿和各种原料及产物成分如表2、表3所示。

[0040] 表2 镍精矿和各种原料及产物成分

[0041]物料类别 Ni Cu Fe CaO MgO SiO2 Fe/SiO2
镍精矿，％ 10.1 4.9 34.2 0.8 6.0 7.56 4.52
石灰，％ - - - 83.0 8.2 8.5 -
石英砂，％ - - - - - 93.5 -

[0042] 调整前后的镍锍冶炼炉渣成分如下：

[0043] 表3 闪速炉低镍锍和炉渣组成

[0044]

[0045] (2)应用方式

[0046] 根据精矿成分，确定调整后的炉渣目标成分为：Fe/SiO2：1.65；CaO：15％；MgO：7％。总渣量保持不变，以氧化钙等量替代氧化硅，冶炼温度、富氧比等未做调整。

[0047] 依此确定配料比，在制粉和喷吹系统增设石灰粉仓和管道，通过喷枪将富氧空气、石灰粉、石英粉和精矿一起喷入闪速炉反应塔进行闪速熔炼。熔炼过程未发现温度降低的现象。炉渣和熔锍分离良好。

[0048] (3)应用结果

[0049] 采用新渣型后，冶炼过程顺利、稳定。调渣后冶炼过程镍、钴的收得率分别达到了97.03％和52.36％，和采用原渣没有明显改变(原渣镍、钴的收得率分别为97.16％和55.1％)，镍的分配比不低于采用石英石作熔剂的酸性炉渣。

[0050] 调渣前后镍锍和炉渣成分变化如表4所示，可以看出，采用氧化钙替代氧化硅后，冶炼炉渣成分明显变化。

[0051] 表4 闪速炉低镍锍和炉渣组成

[0052]

[0053] 矿相研究结果表明，炉渣中的铁的存在形态发生了明显的变化，由硅酸铁转化为了铁酸盐为主。调整前后炉渣中的物相变化如表5所示。在还原试验 中，调整后的炉渣还原性提高了30％。

[0054] 表5 调渣前后炉渣中物相分析结果/wt％

[0055]

[0056] 本发明的改变是针对后期提铁而言的。虽然从镍冶炼工序看，添加氧化钙减少氧化硅会增加成本，但从资源综合利用的大局出发，即考虑到后期的提铁，氧化钙是必须加入的一种组分。在镍冶炼过程中加入氧化钙，将可在后期的提铁过程中减少两倍的氧化钙加入量，即镍冶炼炉渣中每减少1kg SiO2,增加1kgCaO，后续还原就少加2kg,渣量相应减少2kg(倍增效应)。按照镍铜冶炼渣的铁含量40％计算，生产1吨铁需要约2.5吨炉渣，按照提铁过程CaO/SiO2为1.0计算，原渣提铁需加入CaO805kg，总渣量高达1.84吨。采用新渣型后，需加入CaO310kg，总渣量为0.85吨，减少SiO2加入量250kg，石灰和渣量大幅度下降。考虑到镍锍冶炼过程增加了250kgCaO，石灰的总消耗量减少235kg。如果炉渣中的氧化钙含量进一步提高，氧化钙总消耗量和渣量会进一步下降，从镍冶炼到提铁的全流程中必然具有明显的节能降耗的效果，最关键的是使得原来难于实现的熔融还原过程更容易实现。

[0057] 另据测算，调渣前后每吨低镍锍需多消耗热量338.9kJ，折合标准煤11.5kg，与闪速炉低镍锍冶炼的综合能耗572kg标准煤/吨低镍锍相比，仅为其2％，也就是说采用CaO替代SiO2对冶炼过程的热平衡影响是可以接受的。

[0058] 按照石灰价格400元/吨，石英石价格150元/吨考虑，石灰中氧化钙含量在按照85％，石英按照95％计算，采用新渣型后镍冶炼工序成本增加，而在提铁过程成本降低，按照生产1吨铁计算，仅石灰和石英加入量减少成本降低145 元。如果考虑渣量减少等的影响，效益将更加明显。

[0059] 由于可有效打通镍铜冶炼渣后续提铁工艺，考虑到提铁过程镍、钴还可进一步还原回收，所以镍的综合收的率可望进一步提高。

[0060] 实施例2：年处理能力50万吨镍精矿富氧顶吹炼系统的应用

[0061] (1)基本情况

[0062] 富氧顶吹熔炼炉，精矿处理能力50万吨镍精矿/a。富氧浓度42～60％，镍锍温度1200℃，渣温1360℃。镍精矿和各种原料的成分如表6所示。

[0063] 表6 镍精矿和各种原料及产物成分

[0064]渣型 Ni Cu Fe CaO MgO SiO2
焙砂，％ 8.22 4.15 32.56 1.40 8.16 12.05
石灰，％ - - - 84.8 3.2 7.3
石英砂，％ - - - - - 93.1

[0065] 调整前后的镍锍冶炼炉渣成分如下：

[0066] 表7 富氧顶吹冶炼炉低镍锍和炉渣组成

[0067]

[0068] (2)应用方式

[0069] 根据精矿成分，确定调整后的炉渣目标成分为：Fe/SiO2：1.65；CaO：10％；MgO：8％。总渣量保持不变，以氧化钙等量替代氧化硅，以此作为配料依据。冶炼过程根据温度状况适当调整富氧比。

[0070] 其它与应用方式(1)同。

[0071] 熔炼过程平稳，炉渣和熔锍分离较好。

[0072] (2)应用结果

[0073] 采用新渣型后，冶炼过程顺利、稳定。调渣前后冶炼过程镍直收率分别为 96.1％和95.8％，铜直收率达到了93.6％和94.1％。调渣冶炼前后炉渣与镍锍的成分变化如表8所示：

[0074] 表8 富氧顶吹冶炼镍锍和炉渣组成变化

[0075]

[0076] 矿相研究结果表明，炉渣中的铁的存在形态发生了明显的变化，由硅酸铁转化为了铁酸盐为主。调整前后炉渣中的物相变化如表9所示。

[0077] 表9 物相分析结果/wt％

[0078]

[0079] 由于可有效打通镍铜冶炼渣后续提铁工艺，考虑到提铁过程镍、钴还可进一步还原回收，所以镍的综合收的率可望进一步提高。

[0080] 后续提铁的经济技术分析与实施例(1)同。

[0081] 实施例3：16500kVA电炉熔炼系统的应用

[0082] (1)基本情况

[0083] 镍精矿经过回转窑(Ф3.3×40m)焙烧，产出镍焙砂，然后入矿热电炉冶炼。三相6电极16500kVA电炉2台，产出低镍锍。主要原辅材料的成分如表10所示：

[0084] 表10 镍焙砂和各种原辅料成分

[0085]渣型 Ni Cu Fe CaO MgO SiO2
焙砂，％ 6.25 3.05 33.50 1.42 10.13 11.75
石灰，％ - - - 84.2 5.2 6.5
石英砂，％ - - - - - 94.2

[0086] 调整前后的镍锍冶炼炉渣成分如表11所示。

[0087] 表11 电炉冶炼的低镍锍和炉渣组成

[0088]

[0089] (2)应用方式

[0090] 根据精矿成分，确定调整后的炉渣目标成分为：Fe/SiO2：1.5；CaO：15％；MgO：10％。总渣量保持不变，以氧化钙等量替代氧化硅，冶炼温度、等未做调整。

[0091] 依此确定配料比，进行电炉熔炼。焙砂、生石灰和石英砂以块状(粒度分别为10～50mm、10～30mm和3～6mm)加入电炉。为降低渣中镍含量，视情况加入少量焦炭粒。熔炼过程平稳，炉渣和熔锍分离良好。

[0092] (3)应用结果

[0093] 采用新渣型后，冶炼过程顺利、稳定。调渣前后冶炼过程镍直收率分别为88.6％和87.9％，铜直收率达到了89.3％和88.7％，单位电耗由原来的625kWh/t升高到646kWh/t。
虽然电耗略有升高，如果考虑后续提铁的节能与效益，总体收益明显增大。调渣冶炼前后炉渣与镍锍的成分变化如下表12所示。

[0094] 表12 16500kVA电炉熔炼的镍锍和炉渣组成变化

[0095]

[0096] 矿相研究结果表明，炉渣中的铁的存在形态发生了明显的变化，由硅酸铁转化为了铁酸盐为主。在还原试验中，调整后的炉渣还原性提高了30％，且提铁采用熔融还原时，工序的炉渣量减少55％以上，工艺可行性大幅度提高。

[0097] 调整前后炉渣中的物相变化如表13所示。

[0098] 表13 物相分析结果/wt％

[0099]

[0100] 由于可有效打通镍铜冶炼渣后续提铁工艺，考虑到提铁过程镍、钴还可进一步还原回收，所以镍的综合收的率可望进一步提高。

[0101] 后续提铁的经济技术分析可参见实施例1。