本发明属于冶金领域，尤其涉及一种氢气直接还原熔炼红土镍矿冶炼镍铁合金的方法。
背景技术：
近年来，我国不锈钢产量快速增长，对镍的需求量大幅增加。长期以来，全球
镍资源供应60％来源于硫化镍矿，但随着镍需求量持续增长及硫化镍资源的逐渐枯竭，占镍资源储量70％的红土镍矿已成为重要的镍开发资源。以红土镍矿为原料冶炼镍铁合金，用于不锈钢制造，其成本明显低于使用电解镍，大幅度降低不锈钢生产成本，是保障不锈钢工业可持续发展的有效途径之一。
火法冶炼工艺是成熟的红土镍矿处理工艺，传统的火法工艺需要将红土镍矿在约1000℃温度下进行预还原焙烧，预还原产品通过电炉熔炼得到镍铁，但熔炼温度一般在1600℃以上。因此，传统的预还原—电炉熔炼工艺能耗较高，也要求红土镍矿具有较高的镍品位才能获得良好的经济效益。此外，传统的火法冶炼工艺主要以煤炭为还原剂，无法避免地产生大量二氧化碳排放，当前严格的环保管控形势进一步限制了传统火法冶炼工艺的发展。
中国专利cn201510718540.8公开了一种硅镁型红土镍矿的处理方法，先将红土镍矿、助溶剂和还原剂混合，进行预还原焙烧，然后将预还原产品进行高温熔分处理，熔分过程中加入fe2o3和造渣剂，得到镍含量较高的镍铁合金。但该处理工艺过程复杂，需分别经过传统的预还原焙烧及熔炼两段高温过程，能耗高，并且以煤炭为还原剂，存在大量二氧化碳排放的问题。高金涛在《北京科技大学学报》发表的论文“红土镍矿富集镍和铁的焙烧、氢气还原和磁选分离”(高金涛，张颜庭，陈培钰，等.红土镍矿富集镍和铁的焙烧、氢气还原和磁选分离.北京科技大学学报.2013，35(10)：1289-1296.)中，公开了一种红土镍矿富集镍铁的方法，将红土镍矿与碳酸钠混合，在1000℃下进行焙烧，焙烧产物在h2气氛、500-1100℃条件下进行还原焙烧，获得的产物为镍铁、磁性铁氧化物以及部分夹带的脉石矿物的混合物，需要经过磁选分离才能得到粉状镍铁，该方法采用了两段焙烧，且粉状镍铁产品为镍铁与磁性铁氧化物混合物，镍品位较低，仅为3％左右，且工艺流程复杂。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种氢气直接还原熔炼红土镍矿冶炼镍铁合金的方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种氢气直接还原熔炼红土镍矿冶炼镍铁合金的方法，包括以下步骤：
s1：将所述红土镍矿和助熔剂、水进行混合，得到原料混合物；
s2：将所述原料混合物进行制粒，得到粒径小于1cm的球团；
s3：对所述球团进行干燥；
s4：将干燥后的球团加入电弧炉中，通入氢气进行还原熔炼处理，得到镍铁合金熔体，冷却后即为镍铁合金。
上述的方法，优选的，s4中，还原熔炼处理的温度为1400-1650℃，还原熔炼处理时间为40-60min。
上述的方法，优选的，s4中，氢气的通入量为标准大气压下每吨红土镍矿通入200-400m3氢气。
上述的方法，优选的，s3中，干燥的温度为80-120℃，干燥时间为30-60min。
上述的方法，优选的，s4中，还原熔炼排出的尾气返回s3中用于对球团的干燥。
上述的方法，优选的，s1中，助熔剂包括石灰石、生石灰、熟石灰中的一种或多种，红土镍矿、助熔剂和水的质量比为(75-90)：(5-15)：(5-10)。
上述的方法，优选的，将s4获得的镍铁合金熔体由流槽排至粒化室内，并向由流槽流下的镍铁熔体喷射高压氮气，使其在下降过程中分散成细小的液滴并冷却凝结，形成镍铁合金颗粒并沉降于粒化室底部，得到粒化镍铁合金。
上述的方法，优选的，所述高压氮气的压力为0.2-2mpa。
本发明采用氢气还原熔炼红土镍矿过程，镍氧化物还原机理：
nio+h2(g)＝ni+h2o(g)；
铁氧化物分步还原机理：
3fe2o3+h2(g)＝2fe3o4+h2o(g)；
fe3o4+h2(g)＝3feo+h2o(g)；
feo+h2(g)＝fe+h2o(g)；
还原熔炼过程中，镍、铁形成合金熔体，而其它氧化物，如sio2、mgo、未还原的feo等形成熔渣，通过熔渣与金属熔体的分离直接获得镍铁合金。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的方法无需红土镍矿预还原焙烧步骤，直接进行液相还原熔炼即可得到高镍含量的镍铁合金，简化了处理工艺，降低处理过程能耗；
(2)本发明采用氢气进行还原熔炼，生成物水蒸气直接挥发，获得的镍铁合金镍品位较高，镍品位达到18.86％以上，且获得的镍铁合金不含碳杂质，纯度高；
(3)本发明利用还原熔炼产生的尾气(主要是水蒸汽)对球团进行干燥，余热充分利用，进一步降低能耗；
(4)本发明使用氢气作为还原熔炼的还原剂，处理过程中不产生二氧化碳排放，无任何废水排放，更加清洁环保；
(5)本发明采用高压氮气对镍铁熔体进行冷却粒化获得粒化镍铁合金，为其他工艺创造条件，如可以更好地为从镍铁合金中萃取提取金属镍创造条件，代替熔体萃取前的破碎工序，简化了工艺，降低了能耗。
附图说明
图1是本发明实施例1中氢气直接还原熔炼红土镍矿冶炼镍铁合金的工艺流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种本发明的氢气直接还原熔炼红土镍矿冶炼镍铁合金的方法，工艺流程如图1所示，包括以下步骤：
s1：取含镍1.72％、含铁18.38％的红土镍矿，添加助熔剂(质量比为1:1的石灰石和生石灰)在转速为17r/min的
混合机中混合3min，然后加入水，继续混合5min得到混合物，其中，红土镍矿、助熔剂和水的质量比为75:15:10。
s2：将混合物放入对辊压团机料盒中，在60mpa的压力下压制成球团，该球团的落下强度95％、抗压强度143n/个、热爆裂指数0.60％。
s3：在球团干燥系统中，利用还原熔炼热尾气对球团进行干燥处理，干燥温度105℃、干燥时间30min。
s4：将干燥的球团输送至熔炼炉，通入氢气进行还原熔炼，熔炼炉温度范围为1550℃，通入氢气量为标准大气压下200m3/(吨红土镍矿)，总熔炼时间为45min，获得镍铁合金，其中，镍品位为19.32％、镍回收率96.12％，铁品位为76.25％、铁回收率55.10％；还原熔炼过程中产生的尾气返回s3中用于对球团的干燥。
实施例2：
一种本发明的氢气直接还原熔炼红土镍矿冶炼镍铁合金的方法，包括以下步骤：
s1：取含镍1.81％、含铁17.69％的红土镍矿，添加助熔剂(质量比为40：60的石灰石和生石灰)在转速为17r/min的混合机中混合3min，然后加入水，继续混合5min，得到混合物，其中，红土镍矿、助溶剂和水的质量比为80:10:10。
s2：将混合物放入对辊压团机料盒中，在60mpa的压力下压制成球团，该球团的落下强度92％、抗压强度135n/个、热爆裂指数0.40％。
s3：在球团干燥系统中，利用还原熔炼热尾气对球团进行干燥处理，干燥温度108℃、干燥时间36min。
s4：将干燥的球团输送至熔炼炉，通入氢气进行还原熔炼，熔炼炉温度范围为1570℃，通入氢气量为标准大气压下250m3/(吨红土镍矿)，总熔炼时间为50min，获得镍铁合金，其中，镍品位为19.32％、镍回收率96.12％，铁品位为76.25％、铁回收率55.10％；还原熔炼过程中产生的尾气返回s3中用于对球团的干燥。
实施例3：
一种本发明的氢气直接还原熔炼红土镍矿冶炼镍铁合金的方法，包括以下步骤：
s1：取含镍1.79％、含铁18.18％的红土镍矿，添加助熔剂(35wt％的石灰石和65wt％的生石灰)在转速为17r/min的混合机中混合5min，然后加入水，继续混合5min得到混合物；其中，红土镍矿、助熔剂和水的质量比为80:12:8。
s2：将混合物放入对辊压团机料盒中，在60mpa的压力下压制成团块。该球团的落下强度94％、抗压强度140n/个、热爆裂指数0.50％。
s3：在球团干燥系统中，利用还原熔炼热尾气对球团进行干燥处理，干燥温度100℃、干燥时间40min。
s4：将干燥的球团输送至熔炼炉，通入氢气进行还原熔炼，熔炼炉温度范围为1550℃，通入氢气量为标准大气压下300m3/(吨红土镍矿)，总熔炼时间为55min，获得镍铁合金熔体，还原熔炼过程中产生的尾气返回s3中用于对球团的干燥。
s5：将镍铁合金熔体由流槽排至粒化室内，并向由流槽流下的镍铁熔体喷射高压氮气(高压氮气的压力为0.5mpa)，使其在下降过程中分散成细小的液滴并冷却凝结，形成镍铁合金颗粒并沉降于粒化室底部，得到粒化镍铁合金，其中，镍品位为19.68％、镍回收率96.38％，铁品位为76.03％、铁回收率54.37％。
实施例4：
一种本发明的氢气直接还原熔炼红土镍矿冶炼镍铁合金的方法，包括以下步骤：
s1：取含镍1.86％、含铁17.97％的红土镍矿，添加助熔剂(60wt％的石灰石和40wt％的生石灰)在转速为17r/min的混合机中混合5min，然后加入水，继续混合5min得到混合物；其中，红土镍矿、助溶剂和水的质量比为82:8:10。
s2：将混合物放入对辊压团机料盒中，在60mpa的压力下压制成团块，该球团的落下强度93％、抗压强度136n/个、热爆裂指数0.40％。
s3：在球团干燥系统中，利用还原熔炼热尾气对球团进行干燥处理，干燥温度100℃、干燥时间50min。
s4：将干燥的球团输送至熔炼炉，通入氢气进行还原熔炼，熔炼炉温度范围为1500-1600℃，通入氢气量为标准大气压下300m3/(吨红土镍矿)，总熔炼时间为60min，获得镍铁合金熔体；还原熔炼过程中产生的尾气返回s3中用于对球团的干燥。
s5：将镍铁合金熔体由流槽排至粒化室内，并向由流槽流下的镍铁熔体喷射高压氮气(高压氮气的压力为0.5mpa)，使其在下降过程中分散成细小的液滴并冷却凝结，形成镍铁合金颗粒并沉降于粒化室底部，得到粒化镍铁合金，其中，镍品位为19.14％、镍回收率97.02％，铁品位为76.58％、铁回收率53.44％。
技术特征：
1.一种氢气直接还原熔炼红土镍矿冶炼镍铁合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1：将所述红土镍矿和助熔剂、水进行混合，得到原料混合物；
s2：将所述原料混合物进行制粒，得到粒径小于1cm的球团；
s3：对所述球团进行干燥；
s4：将干燥后的球团加入电弧炉中，通入氢气进行还原熔炼处理，得到镍铁合金熔体，冷却后即为镍铁合金。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，s4中，还原熔炼处理的温度为1400-1650℃，还原熔炼处理时间为40-60min。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，s4中，氢气的通入量为标准大气压下每吨红土镍矿通入200-400m3氢气。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，s3中，干燥的温度为80-120℃，干燥时间为30-60min。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，s4中，还原熔炼排出的尾气返回s3中用于对球团的干燥。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，s1中，助熔剂包括石灰石、生石灰、熟石灰中的一种或多种，红土镍矿、助熔剂和水的质量比为(75-90)：(5-15)：(5-10)。
7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，将s4获得的镍铁合金熔体由流槽排至粒化室内，并向由流槽流下的镍铁熔体喷射高压氮气，使其在下降过程中分散成细小的液滴并冷却凝结，形成镍铁合金颗粒并沉降于粒化室底部，得到粒化镍铁合金。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高压氮气的压力为0.2-2mpa。
技术总结
本发明公开了一种氢气直接还原熔炼红土镍矿冶炼镍铁合金的方法：S1：将所述红土镍矿和助熔剂、水进行混合，得到原料混合物；S2：将所述原料混合物进行制粒，得到粒径小于1cm的球团；S3：对所述球团进行干燥；S4：将干燥后的球团加入电弧炉中，通入氢气进行还原熔炼处理，得到镍铁合金熔体，冷却后即为镍铁合金。本发明的方法无需红土镍矿预还原焙烧步骤，直接进行液相还原熔炼即可得到高镍含量的镍铁合金，简化了处理工艺，降低处理过程能耗；采用氢气进行还原熔炼，生成物水蒸气直接挥发，获得的镍铁合金镍品位较高，镍品位达到18.86％以上。
技术研发人员：王亲猛;陈远林;
郭学益;王松松;田庆华
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2020.06.12
技术公布日：2020.09.08
声明：
“氢气直接还原熔炼红土镍矿冶炼镍铁合金的方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中南大学
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2024年05月24日 ~ 26日 
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