本發明涉及冶金領域，具體涉及一種利用直接還原-磁選處理紅土鎳礦的方法。
背景技術：
鎳具有抗腐蝕、抗氧化、耐高溫、強度高、延展性好等特點，廣泛用于不銹鋼、高溫合金鋼、燃料電池等關鍵材料和高新技術領域。近年來，隨著不銹鋼行業的快速發展，鎳的需求量快速增加。
世界鎳資源主要有硫化鎳礦和紅土鎳礦兩種，其中硫化鎳礦約占27.8%，氧化鎳礦（紅土鎳礦）約占72.2%。由于不能通過選礦富集、處理工藝復雜等原因，紅土鎳礦僅產出世界原生鎳總產量的42%。隨著可經濟利用的硫化鎳礦資源的日益減少，全球鎳資源開發利用重心逐步向資源相對充裕的紅土鎳礦轉移。
目前，紅土鎳礦濕法冶煉工藝中比較成熟的冶煉方法包括還原焙燒-氨浸法（Caron）和高壓酸浸法（HPAL）。Caron法適合處理褐鐵礦或褐鐵礦與腐殖土的混合礦，但其流程長、能耗高、金屬回收率低、且需要化學試劑；HPAL法只適合處理褐鐵礦，存在設備結垢和腐蝕的問題，設備維護成本高。火法冶煉工藝中比較成熟的工藝有回轉窯-電爐熔煉法（RK-EF）、回轉窯直接還原法（大江山法）、燒結-鼓風爐熔煉法以及燒結-高爐還原熔煉法；RK-EF法適合處理硅鎂鎳礦，但能耗高，對入爐礦石的品位要求高；回轉窯直接還原法適合處理硅鎂鎳礦，被認為是最經濟的處理紅土鎳礦的方法，但存在回轉窯結圈的難點；燒結-鼓風爐熔煉法和燒結-高爐還原熔煉法環境污染嚴重。因此，必須尋求更經濟的紅土鎳礦冶煉工藝。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明提供了一種新的利用直接還原-磁選處理紅土鎳礦的方法，利用該方法可在較低溫度下通過對鎳鐵氧化物的直接碳熱還原來有效富集低品位的紅土鎳礦中的鎳和鐵，得到鎳鐵產品；并且剩余的尾礦還可以用于生產建材及水泥等附加產品。
為了實現上述目的，本發明采用的技術方案，具體操作如下。
步驟（1）干燥及破碎：將紅土鎳礦進行干燥處理，然后進行破碎至小于1mm的粉料。
步驟（2）混料：將由步驟（1）得到的紅土鎳礦粉與還原劑、造渣劑及粘結劑進行混勻配料；所述的還原劑添加量根據不同鎳礦成分變化，按碳氧原子比1.3:1-1.5:1進行添加；造渣劑按礦粉重量的15%添加；粘結劑添加量則由不同礦物的粘結特性進行選擇性配加，添加量按礦粉重量的3-5%添加。
步驟（3）壓塊（球）：將步驟（2）得到的混合料經壓樣機進行機械壓塊或者制成球型。
步驟（4）碳熱直接還原：將步驟（3）中壓制成型的礦料送入轉底爐（或隧道窯等）進行碳熱還原鎳鐵反應；還原溫度為1200℃-1250℃，恒溫時間為45min；所述的還原溫度可以根據紅土鎳礦中鎂鋁等成分含量來進行相應調整，若鎂鋁含量不大于20%時，還原溫度為1200℃，若鎂鋁含量大于20%時，還原溫度為1250℃。
步驟（5）磁選分離：將步驟（4）中還原后的產物進行急速水冷，之后將反應后產物進行破碎至不大于0.074mm的顆粒后、經過磁選機進行磁選，以分離還原出來的鎳鐵合金。
步驟（6）廢渣利用：將步驟（5）磁選后剩余的廢渣經過簡單的本領域常規處理方式再處理后，可以用來生產工業水泥或其他建筑用材。
所述的還原劑為煤粉、活性炭或木炭等含有較高固定碳的物質，優選煤粉；所述的造渣劑為生石灰或螢石等鈣基造渣劑，優選生石灰；所述的粘結劑為鈣基膨潤土或鈣基膨潤土與碳酸鈉的混合物，鈣基膨潤土與碳酸鈉的重量比為5：1。
本發明的還原機理。
以煤粉中的碳作為還原劑還原紅土鎳礦時，發生的主要反應可由如下反應組合得到。
由以上反應可以得到碳還原氧化鎳和鐵氧化物的還原反應。
（1）氧化鎳的還原反應。
（2）鐵氧化物的還原反應。
經計算可得，以煤粉中碳作為還原劑時，NiO的開始還原溫度為697 K，Fe2O3、Fe3O4和FeO的開始還原溫度分別為555、987和995 K。
固體碳還原紅土鎳礦的反應可視為間接還原反應與碳的氣化反應的組合結果。
當體系中CO2分壓超過碳氣化反應平衡時的分壓，CO2將與固體碳發生氣化反應，生成CO，生成的CO將繼續還原鎳、鐵氧化物，如此循環進行，直到固體還原劑消耗殆盡，或者是鐵、鎳氧化物已全部被還原。
鐵氧化物的還原是逐級進行的，當T ＜843 K時，還原順序為Fe2O3-Fe3O4-Fe；當T≥843 K時，還原順序為Fe2O3-Fe3O4-FeO-Fe；其中FeO被還原到Fe的階段，是還原過程的關鍵步驟，脫除的氧含量占Fe2O3 總氧量的2/3。氧化鎳非常容易還原，理論上講NiO在任何溫度下都可以被CO還原成Ni。但是，紅土鎳礦中鐵及鎳的氧化物通常以復雜化合物的形式存在，其還原由復雜化合物的離解反應和簡單氧化物的還原反應組成。由于比簡單氧化物的還原多了一個復雜化合物的離解反應，因而要困難，只能在較高的溫度下被還原，以硅酸鐵的還原為例，其還原反應可由式(16)和(17)兩個反應的組合得出。
式(17)和(18)發生的最低溫度分別為995和1042 K。可見，復雜化合物中的鐵氧化合物更難還原。
若通過向其中加入添加劑，可促使復雜化合物分解，提高主要金屬氧化物的活度，以降低其開始還原溫度。例如向Fe2SiO4中加入CaO，由于CaO能取代Fe2SiO4中的FeO，使其成為自由狀的FeO，從而使還原更易于進行。
在加入CaO的情況下，Fe2SiO4的開始還原溫度降為745 K。
因此，本發明方法在利用直接還原-磁選處理紅土鎳礦過程中，通過配加還原劑（含碳物質）和造渣劑后可在比傳統方法相對較低的溫度下很好的發生還原反應，使得鎳鐵可以與渣系得到分離，從而得到良好的鎳鐵富集產品。
本發明的有益效果。
本發明利用直接還原-磁選處理紅土鎳礦的方法，能夠有效富集低品位的紅土鎳礦中的鎳和鐵。該方法與常用的直接還原-磁選處理方法相比，此方法可在相對較低的溫度下還原出鎳鐵合金，利用磁選的方式將富集的鎳鐵選出，而最后剩余的殘渣還作為新的原料制備水泥或建筑用磚等原材料，達到紅土鎳礦綜合利用的目的。
本發明對于本領域其他相關方法主要的優勢及創新在于以下幾點：（1）本發明方法操作簡單，實用性強，額外配加的相關輔助原料較少，并可處理多種復雜條件的紅土鎳礦；（2）由于本發明中主要采用鈣質造渣劑與粘結劑，可有效降低還原多次中的還原溫度，使其還原溫度可控制在1200℃-1250℃，其還原溫度可比常規方法低50-100℃，從而有效降低能耗，節約生產成本；（3）本發明方法工藝流程短，且可一次還原出較高純度的鎳鐵產物，反應后的產物經磁選可是其渣金得到良好的分離；（4）利用此方法進行還原紅土鎳礦，經磁選后，其鎳的回收率可達到85%-90%，鐵回收率在70%-75%左右，均高于同類水平；（5）由于在混料過程中添加的粘結劑與造渣劑內含有CaO及相關含鈣成分，使得還原過程中所極易生成硅酸鈣、復合硅酸鈣、硅鋁酸鈣以及原礦中的硅酸鎂等礦物成分，使得反應后的廢渣成分與生產建筑材料和水泥等產品的化學成分相近，故可將其用于制作建材或者水泥等附加產品，使得尾礦得到回收利用，達到合理解決和處理廢棄物的目的。
附圖說明
圖1本發明的處理紅土鎳礦的關鍵環節技術流程示意圖。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發明作進一步的說明；為更簡明的表述本發明的技術實施方法，圖1提供了本發明的處理紅土鎳礦的關鍵環節技術流程示意圖。通過附圖及具體實施例可使本領域的普通技術人員理解并掌握本發明的關鍵環節及實施方法，并可以通過本實施路線圖獲得其他相關技術實施路線圖。本發明的具體實施方式將結合附圖1詳細說明。
實施例1。
本實驗選用一高鎂紅土鎳礦，其成分如表1所示，造渣劑和還原劑成分如表2和表3所示。
表1 紅土鎳礦的化學成分（wt/%）。
表2 還原劑化學成分（wt/%）。
表3 造渣劑化學成分（wt/%）。
首先，將紅土鎳礦通過干燥箱或烘干機進行干燥處理后通過破碎機將試樣破碎至1mm以下；然后將其與還原劑（煤粉）和造渣劑（生石灰）、粘結劑（鈣基膨潤土）進行混合配料，其中還原劑按碳氧比1.4：1、造渣劑按礦粉重量的15%、粘結劑按礦粉重量的3%進行混料配礦；最后將配完的混料進行壓塊后進行碳熱還原反應。由于此紅土鎳礦為高鎂礦，故還原溫度需相對較高，因此在本實施例中的還原溫度設定為1250℃，還原時間為45min。反應完成后，將反應產物通過水冷的方式進行快速冷卻后進行破碎、磁選、渣金分離，從而得到鎳鐵產品，廢渣用于回收再利用。
將實驗結果進行檢測分析得出，其還原產物中鎳的金屬化率為87.59%，鐵的金屬化率為72.13%；而在得到的鎳鐵產品中，鎳的回收率為86.49%，鐵的回收率為70.84%。
實施例2。
本實驗選用一低鎂紅土鎳礦，其成分如表4所示，造渣劑和還原劑成分如表2和3所示。
表4 紅土鎳礦的化學成分（wt/%）。
首先，將紅土鎳礦進行干燥和破碎處理；之后將其與還原劑和造渣劑進行混合配料，其中還原劑按碳氧比1.4：1、造渣劑按15%、粘結劑3%進行混料配礦；最后將配完的混料進行壓塊后進行碳熱還原反應。由于此紅土鎳礦為低鎂礦，故還原溫度需相對較低，因此在本實施例中的還原溫度為1200℃，還原時間為45min。反應完成后，將反應產物通過水冷的方式進行快速冷卻后進行破碎、磁選、渣金分離，從而得到鎳鐵產品，廢渣用于回收再利用。
將實驗結果進行檢測分析得出，其還原產物中鎳的金屬化率為89.24%，鐵的金屬化率為73.75%。而在得到的鎳鐵產品中，鎳的回收率為87.36%，鐵的回收率為72.42%。
實施例3。
本實施例為對比實施例，實驗選用一高鎂紅土鎳礦，其成分如表1所示。其過程中只進行添加還原劑而不再添加造渣劑和粘結劑進行實驗，其還原劑成分如表2所示。
首先，將紅土鎳礦進行干燥和破碎處理；之后將其與還原劑按碳氧比1.4：1進行混合配料；將配完的混料進行壓塊后進行碳熱還原反應。最后將待反應的料塊分別以1200℃、1250℃及1350℃進行還原反應，還原時間為45min。反應完成后，將反應產物通過水冷的方式進行快速冷卻后進行破碎、磁選、渣金分離，從而得到鎳鐵產品。
將實驗結果進行檢測分析得出，其1200℃還原產物中鎳的金屬化率為60.08%，鐵的金屬化率為46.52%。而在得到的鎳鐵產品中，鎳的回收率為45.42%，鐵的回收率為36.89%。
將實驗結果進行檢測分析得出，其1250℃還原產物中鎳的金屬化率為77.16%，鐵的金屬化率為50.44%。而在得到的鎳鐵產品中，鎳的回收率為61.21%，鐵的回收率為41.85%。
將實驗結果進行檢測分析得出，其1350℃還原產物中鎳的金屬化率為82.66%，鐵的金屬化率為63.23%。而在得到的鎳鐵產品中，鎳的回收率為78.56%，鐵的回收率為60.5%。
本發明描述了本發明的具體實施例，本領域的普通技術人員可以理解，在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變形，本發明的的范圍有權利要求及其等同物限定。