红土镍矿资源现状

红土镍矿资源现状及加工工艺综述2011-03-1318:47:20|分类：镍矿知识|标签：|字号大中小订阅摘要综合论述了世界红土镍矿的资源概况和利用现状，分析了我国对镍的需求情况，对红土镍矿的处理方法和目前有前景的加工工艺进行了较为详细的阐述和分析。关键词红土镍矿镍铁镍锍浸出在自然界中，镍主要以硫化镍矿和氧化镍矿状态存在。由于元素亲氧及亲硫性的差异，在熔融岩浆中，当有硫元素存在时，镍能优先形成硫化矿物，并富集形成硫化物矿床。硫化镍矿如镍黄铁矿、紫硫镍铁矿中的镍以游离硫化镍形态存在，有相当一部分以类质同象赋存于磁黄铁矿中。部分氧化镍矿是由硫化镍矿岩体风化浸淋蚀变富集而成，镍主要以镍褐铁矿（很少结晶或不结晶的氧化铁）形式存在。红土镍矿是含镁铁硅酸盐矿物的超基性岩经长期风化产生的矿石，在风化过程中镍自上层浸出而后在下层沉淀，ＮｉＯ取代了相应硅酸盐和氧化铁矿晶格中的ＭｇＯ和ＦｅＯ。由于镍具有抗腐蚀、抗氧化、耐高温、强度高、延展性好等特点，因而其用途很广泛，尤其是在不锈钢和耐热钢中的应用比例最大。当前在镍的消费中，钢铁和有色金属冶炼业约占总消费量的６５％～７０％；其次是轻工行业，包括自行车、医疗器皿、生活用品的电镀，约占总消费量的１２％～１５％；再次是机械制造、化工、石油和电力行业，这些行业需用镍制造各种机器和容器，用量约占总消费量的１０％～１２％。高新技术领域应用的充电电池、泡沫镍、镀镍钢带、活性氢氧化镍等产品，对镍的需求也很旺盛。自２０世纪８０年代中期以来，镍的使用范围广泛，不锈钢一直是镍消耗的主要推动力［１］。镍的需求继续被不锈钢产量的增长所带动，特别是在西欧、日本和东南亚国家更是如此。近年来，镍在钢铁工业、磁性材料工业、军事、有色金属、贵金属、特殊合金、贮氢材料、特种镍粉、新型涂镍复合材料、电池、医疗卫生和硫酸镍等方面的应用与开发非常引人注目［２３］。镍作为一种重要的战略金属，具有良好的机械强度、延展性和化学稳定性，是工业和发展人类现代文明不可或缺的金属，在国民经济发展中具有极其重要的地位［４］。１世界镍资源概况及利用现状镍是一种较为丰富的金属元素，在地球中的含量仅次于硅、氧、铁、镁，居第５位，地核含镍最高，是天然的镍铁合金。由于镍的地球化学特征，镍首先存在于铁镁硅铝酸岩浆所形成的铁镁橄榄石中，不同的岩石中含镍的一般规律是氧化镁及氧化铁等碱性脉石中含镍高，二氧化硅及三氧化二铝等酸性脉石中含镍低。镍在各种岩石中的平均含量见表１。表１镍在各种岩石中的平均含量％岩石名称ＮｉＭｇＯ＋Ｆｅ２Ｏ３ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３橄榄石０．２４３．３４５．９辉长石０．００１６１６．６６６．６闪长岩０．００４１１．７７３．４花岗岩０．０００２４．４７８．７目前可供人类开发利用的镍资源只限于陆地的硫化镍矿和氧化镍矿２种，其中约３０％为硫化矿，７０％为红土镍矿。据美国地质调查局报导，截至２００４年，已探明的世界镍总储量为６２００万ｔ，储量基础为１４０００万ｔ。世界陆地查明含镍品位在１％左右的资源量为１．３亿ｔ，其中６０％属于红土型镍矿床，共、伴生矿产主要是铁和钴，主要分布在赤道附近的古巴、新喀里多尼亚、印度尼西亚、菲律宾、巴西、哥伦比亚和多米尼加等国；４０％属于岩浆型铜镍硫化物矿床，共伴生矿产主要有铜、钴、金、银及铂族元素，主要分布在加拿大、俄罗斯、澳大利亚、中国、南非、津巴布韦和博茨瓦纳等国。另外大洋深海底的锰结核和锰结壳中还含有大量的镍资源，共伴生矿产为铜、钴和锰，数量巨大。硫化镍矿一般含镍１％左右，选矿后的精矿品位可达６％～１２％，加上伴生的有价金属（铜、钴）可达６％～１５％；此外，还常含有一定量的金属。精矿中还有以硫化铁形态存在的燃料成分，热值在２０９１～４１８２ＭＪ／ｔ，熔炼能耗低。因此，硫化镍矿的经济价值比较高。红土矿含镍１％～３％，不能通过选矿富集，仅能用筛选抛弃风化较浅、品位低的块矿。红土矿中仅伴生有少量钴，无硫，无热值，但矿石储量大，而且赋存于地表，易采，可露天作业。具有开发的优越条件和工业价值的镍矿物及其化学式见表２，世界镍储量及储量基础见表３。表２具有工业价值的镍矿物及其化学式矿物组成化学式镍黄铁矿（Ｆ，Ｎｉ）９Ｓ８含镍磁黄铁矿（Ｎｉ，Ｆｅ）７Ｓ８针硫镍矿ＮｉＳ紫硫镍铁矿（Ｆｅ，Ｎｉ）２Ｓ４辉铁镍矿３ＮｉＳ·ＦｅＳ２钴镍黄铁矿（Ｆｅ，Ｃｏ）３Ｓ４暗镍蛇纹石４（Ｎｉ，Ｍｇ）４·３ＳｉＯ２·６Ｈ２Ｏ硅镁镍矿Ｈ２（Ｎｉ，Ｍｇ）ＳｉＯ４·ｘＨ２Ｏ含镍红土矿（Ｆｅ，Ｎｉ）Ｏ（ＯＨ）ｎＨ２Ｏ表３世界镍储量及储量基础国别储量／万ｔ储量基础／万ｔ２００２年２００３年２００４年２００２年２００３年２００４年澳大利亚２２００２２００２２００２７００２７００２７００古巴５６０５６０５６０２３００２３００２３００加拿大５２０５２０４８０１５００１５００１５００印度尼西亚３２０３２０３２０１３００１３００１３００南非３７０３７０３７０１２００１２００１２００新喀里多尼亚４４０４４０４４０１２００１２００１２００俄罗斯６６０６６０６６０９２０９２０９２０中国３６０１１０１１０７６０７６０７６０巴西６７４５０４５０６００８３０８３０菲律宾９４９４９４６００８３０８３０世界总量６１００６２００６２００１４０００１４０００１４０００由于硫化镍矿资源品质好，工艺技术成熟，现在约６０％的镍产量来源于硫化镍矿［５］，但硫化镍矿因长期开采，且近２０年来在新资源勘探上没有重大突破，保有储量急剧下降。如以年产镍量１２０万ｔ计算，则相当于２年采完一个加拿大伏伊希湾镍矿床（近２０年唯一发现的大型矿床，世界第５大硫化镍矿），５年采完金川镍矿（世界第３大硫化镍矿）。因此，全球硫化镍矿已出现资源危机，且传统的几个硫化镍矿矿山（加拿大的萨德伯里、俄罗斯的诺列尔斯克、澳大利亚的坎博尔达、中国金川、南非里腾斯堡等）的开采深度日益加深，矿山开采难度加大，选、冶难度也增加［６］。为此，全球镍行业将资源开发的重心瞄准储量丰富的红土镍矿。红土镍矿资源的采冶利用比例已占世界镍产量的４０％以上［７８］，且呈不断上升的趋势。可以预期，世界未来镍产量的增加将主要来源于红土型镍矿资源的开发［９１１］。由于我国硫化镍资源急剧减少，氧化镍矿储量少且品位较低、难提取，与国外氧化镍矿储量大、品位高的一些国家相比，缺乏竞争力，中国各有色金属企业积极在全球范围内开发红土镍矿资源［１２］。宝钢集团同金川集团联手，投资１０亿美元用于菲律宾诺诺克岛镍矿资源的开发；中国五矿集团与古巴合作在Ｍｏａ建设年产２２５００ｔ镍的生产工厂；中国冶金建设集团同吉林镍业公司合作在开发位于巴布亚新几内亚的瑞木镍矿（该矿的镍平均品位约ｌ％，预计总投资为６．７亿美元）；中国金宝矿业公司则与缅甸矿业部所属公司签署了缅甸莫苇塘镍矿的合作勘探及可行性研究协议；中国有色集团缅甸达贡山红土镍矿年处理干矿１３２万ｔ，冶炼厂年产含镍２６％的镍铁８．５万ｔ，矿山地质储量４３００万ｔ，其中经济储量２２３９．６万ｔ，平均含镍１．９６％。对于含镍低，铁多、硅镁少的褐铁矿型红土镍矿，从节能减耗的角度出发，宜采用湿法浸出工艺；而对于含镍较高，铁低、硅镁高的硅镁型红土镍矿，最有效的处理方法还是采用还原熔炼工艺生产镍铁工艺［１３１５］。以镍铁作为冶炼不锈钢、合金钢与合金铸铁的镍合金原料，可以减少金属镍的消耗，增加镍元素的来源，且成本低于电解镍，使生产单位和用户双方均获得良好的经济效益，具有较强的价格竞争优势。如果采用湿法工艺将红土矿中的镍与铁等元素分离，然后再在炼钢的过程中融合，明显造成能源和资源的浪费，从长远来看是不足取的。如何更直接、合理地利用红土镍矿显得尤为重要。２红土镍矿资源开发利用的优势和前景目前，世界镍工业生产的镍，主要来自硫化镍矿资源，约占总产量的６０％。其余来自红土镍矿。但是随着优质（含镍品位高）易开采的硫化镍矿资源的减少、对环境要求的提高、红土镍矿提取技术的进步以及镍价格因素等的影响，从红土镍矿生产的镍量会不断增加［１０］。过去５０年资源开发的特点印证了这一发展趋势，产量变化如表４所示。表４不同年份镍的产量统计万ｔ年份１９５０１９６０１９７０１９８０１９９０２００２２０１０以硫化矿为原料／万ｔ８５８０７２６５６２５８＜５０以氧化矿为原料／万ｔ１５２０２８３５３８４２＞５０红土型镍开发利用的主要优势在于：（１）红土型镍矿资源丰富，全球约有４１００万ｔ镍金属量，勘查成本低。（２）可露天开采，采矿成本极低。（３）选冶工艺已逐渐成熟。（４）不锈钢生产的发展，对烧结氧化镍、镍铁或通用镍的需求增加，而这些镍产品主要是由氧化镍矿生产的。（５）世界红土型镍资源主要分布于近赤道地区，大部分靠近海岸，便于外运。从红土镍矿的资源特点来看，世界镍工业的发展资源开发重心将逐渐从硫化镍矿转移到红土镍矿的利用。由于红土镍矿一般都伴生有钴，铁、铬等多种有价金属，其综合利用的必要性显而易见。对于我国而言，虽然我国的红土镍矿资源比例偏小，但随着硫化镍资源的逐渐枯竭，镍市场需要的不断增长，参与海外红土镍矿的开发势在必行。近年来，我国从缅甸、古巴、印尼进口的大量红土镍矿以及与菲律宾、巴布亚新几内亚的镍钴生产联合项目的实施，进一步表明红土镍矿的开发已经成为我国镍资源利用的重要内容。世界范围内红土镍矿的开发利用前景十分广阔。３国内外红土镍矿处理技术及进展氧化镍矿床是含镍橄榄岩在热带或亚热带地区经过大规模的长期的风化淋滤变质而成的，是由铁、铝、硅等含水氧化物组成的疏松的粘土状矿石。由于铁的氧化，矿石呈红色，所以被称为红土矿（ｌａｔｅｒｉｔｅ）。红土镍矿的可采部分一般由３层组成：褐铁矿层、过渡层和腐殖土层，其处理工艺如表７所示［９］。表７红土镍矿的分布、组成与提取技术矿层化学成分ＮｉＣｏＦｅＣｒ２Ｏ３ＭｇＯ特点提取工艺褐铁矿层０．８～１．５０．１～０．２４０～５０２～５０．５～５高铁低镁湿法过渡层１．５～１．８０．０２～０．１２５～４０１～２５～１５湿法／火法腐殖土层１．８～３０．０２～０．１１０～２５１～２１５～３５低铁高镁火法３．１火法工艺火法处理红土镍矿的工艺按其产出产品的不同分为还原熔炼生产镍铁工艺和还原硫化熔炼生产镍锍工艺。３．１．１还原熔炼生产镍铁世界上用得最多的红土镍矿火法处理工艺是还原熔炼生产镍铁，用于生产不锈钢。氧化镍易被Ｃ，ＣＯ，Ｓｉ还原，在较高温度下控制一定的还原条件，就可以使氧化镍完全还原成金属，铁部分还原，与镍熔合成镍铁合金，而未被还原的硅、镁氧化物与另一部分氧化铁一起造渣。还原熔炼生产镍铁的方法有以下几种：（１）回转窑—电炉还原熔炼工艺。回转窑—电炉还原熔炼工艺（ＲＫＥＦ）是目前红土镍矿冶炼厂普遍采用的一种火法冶炼工艺流程，技术可靠、成熟［９１６］。该工艺主要工序包括干燥、焙烧—预还原、电炉熔炼和精炼。由于原矿含有大量附着水和结晶水，所以熔炼前的炉料准备主要是脱水和干燥，一般是在干燥窑内脱除附着水，在较长的回转窑内于较高的温度下焙烧预还原，进一步脱除结晶水，部分镍、铁氧化物预还原，同时炉料得到预热，为下一步电炉熔炼节省能源，出窑炉料温度为６５０～９００℃，直接送入电炉上面的料仓中，加入交（直）流电弧炉还原熔炼制取镍铁，精炼后用做冶炼不锈钢的原料。该工艺适合于低铁高镍型红土镍矿，得到的镍铁产品镍品位一般为１０％～１５％，铁品位为６０％～８０％，镍的回收率大于９０％。回转窑—电炉熔炼工艺适合处理各种类型的氧化镍矿，熔池可达到较高的温度且温度易于控制，适合于处理难熔的硅镁镍矿，对入炉炉料也没有严格要求；渣含有价金属较少；生产容易控制，便于操作，易于实现机械化和自动化。所以近几年来回转窑—电炉熔炼镍铁工艺发展较快，目前至少有１４家工厂使用这一方法处理氧化镍矿，镍铁年产量（含镍计）在２５万ｔ左右。（２）竖炉—电炉工艺。鹰桥公司在新喀里多尼亚的Ｋｏｎｉａｍｂｏ冶炼厂采用的是多米尼加鹰桥竖炉—电炉工艺。该工艺流程借鉴水泥窑外分解的技术，将物料磨细后进行闪速干燥、闪速煅烧、在流态化炉中进行预还原，然后在直流电弧炉内熔炼煅烧料，ＬＦ炉内精炼，具有固定投资少，操作成本省，物料停留时间短，产品