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镍铁与金属镍的生产工艺

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镍的主要物理化学性质为:

  相对原子质量58.71

  密度/(g/cm3)8.91

  熔点/℃1455

  沸点/℃2910

  摩尔热容(25℃时)/(J/(mol.C25.51

  电阻率(0℃时)/(Ω?cm6.14×10-6

 

纯镍呈银白色,镍能与一些元素形成化合物。

  镍与碳可以形成Ni3C,在380℃以上时分解成镍和碳。但是看来液体中的Ni3C,直到2000℃以上是稳定的。

  镍与硅可形成一系列硅化物,如Ni3Si、Ni5Si2、Ni2Si、Ni3Si2、NiSi和NiSi2。

  镍和氧能形成NiO,NiO系菱面体晶,加热至200℃以上时则变成立方晶。氧在固态镍中的熔解度,随温度的升高而下降。

  镍与硫可以形成Ni3S2、Ni6S5、Ni7S6、NiS、Ni3S4和NiS2等硫化镍。在工业镍铳中,找不到存在于自然界中的硫化镍NiS和NiS2,因为这两种硫化镍在熔点以下就早已分解了。

  镍和铁在γ区内形成连续固溶体。液相线在1436℃下,含镍65%-72%时,出现一个不很明显的最低点。镍可以扩大γ区,在固态时,分成数个相,回火时从这数个相中,都可形成FeNi3。在图29-1中可以看出镍铁合金中的居里点的变化,α-镍在360℃以下为面心立方晶,β-镍在1130℃以下为六方晶,γ-镍在熔点之前为立方晶。

 

冶炼方法:

  现代生产镍的方法主要有火法和湿法两种。根据世界上主要两类含镍矿物(含镍的硫化矿和氧化矿)的不同,冶炼处理方法各异。

  含镍硫化矿目前主要采用火法处理,通过精矿焙烧反射炉(电炉或鼓风炉)冶炼铜镍硫吹炼镍精矿电解得金属镍。氧化矿主要是含镍红土矿,其品位低,适于湿法处理;主要方法有氨浸法和硫酸法两种。氧化矿的火法处理是镍铁法。

 

工艺操作:

  硫化镍精矿的火法冶炼

  硫化镍精矿的火法冶炼流程如图29-2所示。其主要工艺特点如下:

  (1)熔炼。镍精矿经干燥脱硫后即送电炉(或鼓风炉)熔炼,目的是使铜镍的氧化物转变为硫化物,产出低冰镍(铜镍锍),同时脉石造渣。所得到的低冰镍中,镍和铜的总含量为8%-25%(一般为13%-17%),含硫量为25%。

  (2)低冰镍的吹炼。吹炼的目的是为了除去铁和一部分硫,得到含铜和镍70%-75%的高冰镍(镍高硫),而不是金属镍。转炉熔炼温度高于1230℃,由于低冰镍品位低,一般吹炼时间较长。

  (3)磨浮。高冰镍细磨、破碎后,用浮选和磁选分离,得到含镍67%-68%的镍精矿,同时选出铜精矿和铜镍合金分别回收铜和铂族金属。镍精矿经反射炉熔化得到硫化镍,再送电解精炼或经电炉(或反射炉)还原熔炼得粗镍再电解精炼。

  (4)电解精炼。粗镍中除含铜、钻外,还含有金、银和铂族元素,需电解精炼回收。与铜电解不同的是这里采用隔膜电解槽。用粗镍做阳极,阴极为镍始极片,电解液用硫酸盐溶液硫酸盐和氯化盐混合溶液。通电后,阴极析出镍,铂族元素进入阳极泥中,另行回收。产品电镍纯度为99.85%-99.99%。

 

用火冶法处理氧化镍制取镍铁和金属镍

  硅酸氧化矿可以用火冶法熔炼,经还原、熔化和精炼得到镍。还原时要争取使氧化镍完全变为金属镍。熔化时流言蜚语镍铁将同较轻的渣分开。镍铁的含镍量取决于部分还原过程的选择能力。采用焦炭作还原剂,也可采用硅铁作还原剂。为了除去粗镍铁中的杂质碳、硫、磷和铬,必须进行精炼。

 

在电炉中用碳直接部分还原炼制镍铁

  在矿热炉中采用碳热法将矿石还原成镍铁,随后进行精炼。

  所用矿石的成分为:Ni2.8%,CoO0.06%,Fe13%,Cr2O32%,MgO24%,SiO239%,化合水12%。这种矿石经干燥后,放在回转窑内预热到750℃左右。重油的消耗量为每吨干矿石65-85L。在经预热的热矿石中,加入约4%的焦粉,然后即将这种混合料,放在还原电炉中冶炼。在矿热炉的容量为12500kV.A,电极直径1250mm,炉膛内径11m。冶炼时每吨矿石的耗电量为600kW.h。每天可冶炼450t矿石,镍铁出炉温度为1500℃,出渣温度为1600℃。炉料中90%以上的镍回收到成分为Ni+Co24%,Si3%,C2%,Cr1.6%,P0.03%的粗镍铁中。

  在铸桶中用苏打处理两次而将硫除掉,在酸性转炉中把铬、硅、碳和磷吹掉。精炼好的镍铁大约1650℃时出炉,铸成约20kg重的锭块。最终产品含Ni+Co29%,C0.02%,Cr0.02%,余量为铁。

 

用冶炼镍锍的方法制取镍丸

  采用的方法是,先将矿石作成球团,经烧结后同焦炭和石膏一起加到低炉身电炉中进行还原冶炼。硫酸钙被还原后,与镍和铁反应生成硫化物。约含Ni27%,Fe60%,S10%的铁镍锍,同附加料一起装在转炉中用空气吹炼,使铁渣化,成为约含有Ni78%,S22%的贫铁镍锍。然后采用流化床法在回转窑中将硫焙烧到0.005%以下。这种氧化镍经磨细加糊加粘合剂混合后压成3cm×2cm的圆柱形料块。

  为种料块经干燥后混加大量木炭,放在加热的立式碳化硅马弗炉中,于约1300下用一氧化碳还原,这种炉子与锌竖罐法用的炉子相似。生产出镍粒约含Ni99%,Cu0.07%,Co0.5%,Fe0.1%,C0.04%,S0.004%。

 

用硅铁部分还原的方法冶炼镍铁

  矿石经在回转窑中干燥后,进行分级,并除掉低品位的粗块,这时的成分大致为:Ni1.65%,Co0.02%,Fe12%,SiO250%,MgO25%,Cr2O31.5%,Al2O31.3%,化合水7%。

  干燥的矿石经破碎后,筛出小于0.08mm的筛下料,并放在多层焙烧炉中进行预焙烧。筛上料则放在用煤气加热的回转窑中,加热到700℃左右,以除去水分和预热矿石。加热好的热料即送到炉前料仓内,接着再从料仓将料装入14000kV.A开口式电炉中,电炉自焙电极直径约1000mm,并配有水冷炉壁。冶炼每吨矿石的耗电量约为760kW.h,电极消耗量为5kg。

  往熔化的氧化矿和金属的混合液中添加一种强还原剂,并将矿石、还原剂和液态金属充分混合。还原剂采用含硅50%的硅铁。熔池的搅动是通过在两个铸桶间的快速倒来倒去的方法实现的。其还原顺序如下:

  (2Fe2O3)+[FeSi]=4(FeO+(SiO2+[Fe]

  (2NiO)+[FeSi]=2[Ni]+[Fe]+(SiO2

  (2FeO+[FeSi]=3[Fe]+(SiO2

 

硅铁中的铁直接进入金属相。来自前步工序的1650℃的液态矿石、硅铁(1.5L/kg液态矿石中的镍)和镍铁,采用在两个铸桶(叫做“跳转混合器”)间倒来倒去的方法进行混合。同硅铁的反应是放热的,所以可防止温度在混合时下降得过多。每操作一次可生产出400kg镍铁,因而在2500kV.A的电炉中要定期装入4000kg精矿用的炉料。

 

粗镍铁含磷达0.4%,这些磷可在电弧炉中,采用氧化钙含量很高的渣,用铁矿石氧化成P2O5后除掉。液态镍铁用硅铁脱氧后铸成13kg重的锭,其大致成分如下,Ni48%,S0.005%,P0.01%,C0.02%,Cr0.02%,Si0.9%,Co0.5%,Cu0.1%,其余为铁。

 

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