1.武漢科技大學 耐火材料與冶金國家重點實驗室2. 武漢科技大學 鋼鐵冶金及資源利用教育部重點實驗室3.湖北省冶金二次資源工程技術研究中心
1 前言
鎳主要應用于不銹鋼、含鎳合金、電鍍以及電池等領域，全球66%的鎳用于不銹鋼制造[1,2]。21世紀以來，全球不銹鋼粗鋼產量以5.9%的年平均增長率快速增長，不銹鋼對鎳需求量的增加加速了原生鎳資源的消費。根據國際不銹鋼論壇（ISSF）發布的2018年世界不銹鋼粗鋼產量為5072萬噸，我國不銹鋼粗鋼產量為2670萬噸，占比53.6%。而我國的原生鎳資源儲量主要為硫化鎳礦，紅土鎳礦主要依靠印尼和菲律賓進口。2014年印尼關于紅土鎳礦原礦的出口禁令加快了我國鎳鐵冶煉企業在當地的鎳鐵生產投資建設，截至2017年，我國企業在印尼投資建設鎳鐵冶煉項目總產能達470萬噸/年。
紅土鎳礦火法冶煉的主要工藝為回轉窯-電爐還原熔煉(RKEF)以及高爐熔煉法，傳統火法冶煉工藝電耗大，能耗高。近年來，通過低溫固態還原-細磨-磁選工藝生產鎳鐵粉的相關研究逐漸發展起來[3-9]，并取得了較好的效果。
紅土鎳礦中鎳、鐵金屬含量低，SiO2和MgO含量高[10]，而且硅鎂酸鹽晶體結構復雜，金屬大多賦存在蛇紋石或綠泥石等礦物中。還原后金屬顆粒細小，平均粒徑小于1?m[3]。同時蛇紋石或綠泥石高溫脫羥基形成致密的鎂橄欖石[11]，不利于賦存于其中的金屬原子向外擴散遷移。文獻[12]研究了在紅土鎳礦中添加氯化劑強化還原焙燒過程，通過氯化離析焙燒使含鐵礦物被還原為浮氏體，并與硅酸鎂反應生成富鐵橄欖石，破壞了硅酸鎂晶格，從而提高了鑲嵌在硅酸鎂中鎳、鐵的活性。文獻[13]研究了紅土鎳礦在還原焙燒過程中添加CaO，使硅酸鹽礦物生成輝石，降低還原過程中NiO與紅土鎳礦中SiO2結合的概率，促進鎳的還原，提高鎳的回收率。CaO能夠降低渣相熔點，有利于鎳鐵顆粒的聚集長大[4]。紅土鎳礦還原過程中加入Na2SO4破壞了原礦中硅酸鹽的結構，釋放出其中的鎳與鐵，進一步生成FeS，抑制鐵深度還原并降低了體系熔點，有利于金屬原子的遷移，促進鎳鐵顆粒長大[10,11]。
紅土鎳礦直接還原過程中添加劑的作用主要是破壞鎂硅酸鹽晶格，同時降低渣相熔點，促進鎳鐵顆粒的聚集長大，進而提高紅土鎳礦還原產物的磁選效果。然而，目前很多的關于添加劑在紅土鎳礦還原過程的作用機理研究工作都是基于還原產物的磁選效果[5-9]，實際上，添加劑的強化作用體現在自還原過程中，通過對自還原產物的分析研究添加劑的強化作用機理更為精確。本文以CaF2作為添加劑通過對不同工藝條件下鎳鐵顆粒平均粒徑變化規律的數據分析，研究鎳鐵顆粒的聚集長大行為，并進行CaF2強化作用下的紅土鎳礦還原-磁選工藝的實驗研究。
2 實驗研究方法
2.1 原料物理化學性質
實驗所用紅土鎳礦來自印尼蘇拉威西島Pomalaa礦區，將原礦在110°C下烘干后用顎式破碎機初破，再用球磨機細磨至粒度小于0.125 mm的質量分數大于90%。紅土鎳礦化學成分見表1，其含Ni1.4%、Fe16.18%、Ni/(Fe+Ni)=7.96%，主要脈石成分為MgO和SiO2，是一種典型的腐泥土型中低品位紅土鎳礦。實驗所用還原劑為無煙煤粉，成分見表1，其固定碳含量為82.76%。實驗所用添加劑CaF2為分析純試劑。
2.2 還原實驗
紅土鎳礦粉、無煙煤粉和CaF2按比例稱量、混勻。內配碳比為配入無煙煤中碳的摩爾數與紅土鎳礦中鎳和鐵氧化物中氧摩爾數之比。為保證紅土鎳礦中氧化鎳和氧化鐵充分還原，實驗選擇的內配碳比為1.2。CaF2的加入量變化在0~12.5%之間。混合料添加適量的水潤濕，壓制成?20×30 mm的圓柱型試樣，在110°C烘干后備用。
還原實驗裝置為一臺功率為25kW高溫碳管爐，試樣置于氧化鋁坩堝中，在氮氣保護下以120~130°C·min-1隨爐升溫至指定溫度后保溫一定時間，然后迅速取出試樣在水中淬冷后于110°C下烘干，用于后續檢測。
2.3 鎳鐵顆粒的粒徑測定
經過還原焙燒的試樣依次進行鑲嵌、切割以及磨樣拋光，采用光學顯微鏡對磨樣拋光后的試樣進行顯微觀察(圖2(A))。在還原后的試樣中選擇30個連續不同的視場。采用ImageJ軟件對圖片進行尺寸標注及灰度處理，對帶標尺的灰度圖片利用軟件對具有同一灰度值的金屬顆粒進行涂色標出(如圖2(B)所示)，標出目標區域后，利用軟件統計出目標區域內每個金屬顆粒投影面積。由于金屬顆粒的形狀不規則，將顆粒形狀假定為球形，從而在二維平面上投影形成圓形，便于問題分析。根據單個金屬顆粒的投影面積，通過式(1)計算出單個金屬顆粒的等效直徑。
3 結果與討論
3.1 還原時間和還原溫度對紅土鎳礦自還原產物中鎳鐵顆粒粒徑的影響
……
