北京科技大学学报Vol．33No．10
Oct．2011
JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing
煤种对红土镍矿中镍选择性还原的影响机理
孙体昌
及亚娜
蒋
曼
北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083
mail：suntc@ces．ustb．edu．cn通信作者，E-
摘要以某含镍1.86%（质量分数）、铁13.24%（质量分数）的红土镍矿为对象，分别采用石煤和无烟煤作为还原剂，考察
了煤种对红土镍矿中镍的选择性还原的影响．结果表明，用石煤作为还原剂能够达到镍选择性还原的目的．X射线衍射及扫还原过程中镍、铁先以镍纹石形式存在，随着煤用量增加，逐渐变为以铁纹石形式存在．同时随着煤用描电镜分析研究表明，
量的增加，焙烧后生成的含镍铁矿物中镍的比例逐渐递减，而铁的比例逐渐递增．石煤为还原剂时焙烧产物中主要以镍纹石同时金属铁的生成量比无烟煤作还原剂时低，因此采用石煤作还原剂比无烟煤作还原剂对镍还原具有更强的选的形式存在，
择性，可以得到更高镍品位的镍铁精矿．关键词分类号
红土镍矿；石煤；无烟煤；镍；选择性还原TD925
Influencemechanismofdifferenttypesofcoalonselectivenicklereductionin
nickellateritereductionroasting
SUNTi-chang
，JIYa-na，JIANGMan
StateKeyLaboratoryoftheMinistryofEducationofChinaforHigh-EfficientMingandSafetyofMetalMines，UniversityofScienceandTechnologyBei-jing，Beijing100083，China
Correspondingauthor，E-mail：suntc@ces．ustb．edu．cn
ABSTRACTWithanickellateriteof1.86%Niand13.24%Feasasample，theinfluenceofdifferenttypesofcoalonselective
nickelreductioninnickellateritereductionroastingwasstudiedwithstonecoaloranthraciteasareductant．Itisindicatedthatnickelcanbeselectivelyreducedwithstonecoalasareductant．TheresultsobtainedbyX-raydiffraction（XRD）andscanningelectronmi-croscopy（SEM）showthattaeniteisthemainformofnickelandironintheroastedproductswhenthedosageofcoalissmall，butthemainmineralformchangesintokamacitewiththedosageofcoalincreasing．Atthesametime，withthedosageofcoalincreasing，theproportionofnickeldecreasesandtheproportionofironincreasesinNi-Fecontainingmineralsproducedafterroasting．Theroastedproductsareformedastaenitewithstonecoalasareductant，theamountofgainedFeislowerbuttheselectivityfornickelisstrongerthanthatwithanthraciteasareductant，soNi-Feconcentrateoreswithhighgradeofnickelareobtained．KEYWORDS
nickellaterite；stonecoal；anthracite；nickel；selectivereduction
镍具有抗腐蚀、抗氧化、耐高温、强度高和延展
60%以上的镍用于不锈性好等特点，因此用途广泛，
［1］
钢的生产．据国际镍研究组织（INSG）的最新数
2009年全球镍产量128万t，2010年继续回据显示，
升至135万t．从2005年开始中国已取代日本成为
而大量存在的品位1%～2%左右的红土不断减少，
镍矿越来越引起人们的关注
-6［2-］
．根据红土镍矿床
-8［7-］
有火法和湿法两种处理工艺不同，
．火法工艺
（即还原焙烧方法）处理红土镍矿的最大缺点是能源消耗高．湿法工艺包括氨浸工艺和加压浸出工艺．其中高压酸浸法应用最为广泛，国内外学者对加压酸浸工艺做了大量的研究，并在传统工艺上进行创新
-11［9-］
2009年，世界上镍消费量最大的国家，我国镍的实
际消费量估计为44.7万t，同比增加37.6%．随着镍资源的开采，硫化镍矿和高品位红土镍矿资源的
-09--09收稿日期：2010-
；但总体而言，该工艺存在复杂、流程相
·1198·
北
-14［12-］
京科技大学学报第33卷
对较长以及对设备要求高的缺点．而其固定碳含量则低．分比无烟煤高，
表1Table1煤种无烟煤石煤
实验用煤工业分析（质量分数）
%
Industrialanalysisofcoalsusedinthetest水分1.361.68
灰分8.0128.30
挥发分7.115.02
目前我国中小企业生产的镍生铁中镍的质量分
不能达到冶炼不锈钢的标准．从数多为4%～8%，
经济效益方面而言，镍生铁的价格以镍品位作为计
生产出来的镍生铁镍品位越高，镍生铁的价的标准，
经济价值就越高，因此提高镍铁精矿中镍的品位具
有重要的研究价值．近年来，北京科技大学针对难选红土镍矿开展了直接还原焙烧磁选研究．结果表明，直接还原焙烧μ磁选工艺中，添加助熔剂能够显著提高镍、铁品位及回收率．同时发现，采用不同的煤对镍、铁能起到选择性还原的作用，即可以使红土镍矿中的镍尽可能多还原，而使铁少还原，提高镍铁
-16［15-］
．当采用无烟煤、精矿中镍的品位褐煤和石煤三种煤作为还原剂时，对红土镍矿还原的强弱顺序
为无烟煤＞褐煤＞石煤．并且发现，石煤在红土镍矿还原焙烧过程中可以在保证镍被还原的同时抑制铁的还原，从而实现镍的选择性还原，但其机理尚不清楚．本文选择对镍选择性还原差距较大的石煤和无烟煤，研究了在红土镍矿还原焙烧过程中对镍、铁选择性还原的机理．
固定碳84.8866.68
2实验方法
原矿破碎至－4mm．焙烧和磁选过程详见文
-10--13型马弗炉进行焙烧实验，15］．采用SX2-献［
焙烧温度和时间固定为1200℃和40min．磁选实验-50型磁选管．磨矿磁选采用一段使用RK/CXG-磨矿一段磁选．实验证明，随着磨矿细度的增加，镍铁精矿中镍品位逐渐升高，回收率则逐渐降低，铁品
位逐渐增加，而铁回收率有明显降低趋势．最终确定磨矿细度为－74μm占98.72%；随着磁场强度的
镍铁精矿中镍品位逐渐降低，镍的回收率呈现提高，
逐渐升高趋势，铁品位和回收率逐渐升高，实验中确
·m－1．定的磁选的磁场强度是198.73kA
还原焙烧后的焙烧产物分成两部分：一部分制
进行扫描电镜（SEM）分析，观察焙烧成电镜光片，
后产物的结构和焙烧过程中不同矿物的变化过程；
另一部分磨细后进行X射线衍射（XRD）分析，分析不同焙烧条件所得焙烧产物中矿物成分的变化情况．
1
1.1
试样性质及实验方法
矿石性质
所用试样为某地红土镍矿（以下称为原矿），其铁的品位较低，分别为1.86%和13.24%．原中镍、
矿中铁和镍以氧化物和硅酸盐的形式存在，且在硅酸盐中的分布率都很高，镍达到68.93%，铁达到51.83%．矿石性质详见文献［16］．1.2还原剂性质
由于煤的还原性主要取决于煤质分析中的固定碳、挥发分和灰分的比例．因此选用了两种性质相差大的煤种即无烟煤和石煤作为还原剂，其工业分析结果见表1．
由表1可以看出，两种煤的水分和挥发分相差不是很大，但灰分和固定碳有很大差别．石煤的灰
3
3.1
结果与讨论
不同煤对镍、铁品位及回收率影响
分别用石煤和无烟煤作为还原剂，用量范围相
同，添加助熔剂IN，质量分数为20%，研究了煤用量对镍铁精矿中镍、铁品位及回收率的影响，结果见图1．
从图1（a）可以看出：随着煤用量的增加，两种煤作还原剂时镍铁精矿中镍的品位均呈下降的趋
图1
Fig．1
煤用量对镍铁精矿中镍、铁品位及回收率的影响.（a）对镍还原的影响；（b）对铁还原的影响
EffectsofcoaldosageonthegradesandrecoveriesofnickelandironinNi-Feconcentrates：（a）nickelreduction；（b）ironreduction
第10期孙体昌等：煤种对红土镍矿中镍选择性还原的影响机理
·1199·
势，镍的回收率则呈上升趋势；但以石煤为还原剂时镍铁精矿中镍的品位明显高于以无烟煤为还原剂时的情况．图1（b）可以看出，铁的品位以及回收率均是逐渐升高的．由图中对比可见，两种煤相同用量
使用石煤时镍、铁的品位均比使用无烟煤时情况下，
但回收率比使用无烟煤时低．高，
3.2不同煤用量时焙烧产物的X射线衍分析为分析不同还原性质的煤对红土镍矿体镍的影响，首先对不同条件下的焙烧产物进行了X射线衍结果见图2．射分析，
A—叶蛇纹石（3MgO·2SiO2·2H2O）；B—石英（SiO2）；C—镍蛇纹石（Ni3（Si2O5）x（OH）y·nH2O），D—针铁矿（FeO（OH））；E—赤铁矿（Fe2O3）；F—铁橄榄石（Fe2SiO4）；H—镁橄榄石［（Mg，Fe）2SiO4］；I—镍纹石（Ni，Fe）；J—铁纹石（Fe，Ni）；K—金属铁（Fe）；L—霞石［Na（AlSiO4）］
图2
Fig．2
石煤（a）、无烟煤（b）不同用量焙烧产物的XRD图谱
XRDpatternsofroastedproductsobtainedbyusingdifferentdosagesofstonecoal（a）andanthracite（b）
由图2中原矿的XRD分析可以看出，原矿中含
镍矿物有镍蛇纹石，含铁矿物有针铁矿、赤铁矿及铁橄榄石．结合原矿的物相分析可知，镍、铁主要以硅酸盐形式存在，因此原矿中镍应主要存在于镍蛇纹石中，铁主要存在于铁橄榄石中．图2还可以看出，直接还原焙烧产物中生成的镍铁合金有两种形式存在：一种是镍纹石（I），它是由铁和镍构成的合金矿物，其中镍含量相对较高；另一种是铁纹石（J），其中镍含量相对较低．
如图2（a）所示：石煤的质量分数为1%时，没有金属铁峰出现，此时铁还原量较少；部分镍、铁从原矿中还原出来，生成含镍较高的镍纹石．随着石煤用量的增加，铁大量从原矿中还原出来，当石煤的质量分数为5%时，出现金属铁峰．石煤的质量分数大于15%后，镍铁合金以铁纹石的形式存在．如图2（b）所示：无烟煤的质量分数为1%时，少部分镍、铁从原矿中还原出来，生成含镍高的镍纹石，但
此时已经出现微弱的金属铁峰．随着无烟煤用量的
增加，在无烟煤的质量分数为5%，金属铁峰迅速升高，当无烟煤的质量分数为10%时镍铁合金就以铁纹石的形式存在．
分别使用石煤、无烟煤作为还原剂，不同剂量时所得镍铁精矿对比如表2所示．
从表2中可以看出，与无烟煤相比，石煤用量较少时，镍铁精矿中镍铁合金主要以镍纹石的形式存在，此时镍铁精矿中铁和镍的回收率相对差值大．实验结果与XRD检测结果一致．因此用石煤作为还原剂能够达到选择性还原镍、铁的目的．
造成石煤和无烟煤对镍、铁选择性还原的主要因素是两种煤的煤质差别．无烟煤固定碳质量分数约为石煤固定碳质量分数的1.3倍（84.88/66.68）．因此，单从固定碳含量方面比较，无烟煤的还原性要比石煤还原性强，这与表2中无烟煤作还原剂时镍铁回收率高的结果相一致．参考以上实验
·1200·
北京科技大学学报第33卷
结果，当无烟煤的质量分数为7.5%、石煤的质量分数为10%时，两种煤所含固定碳质量分数相同，灰
表2
Table2
煤质量分数/%2.55.010.015.0
考察灰分对镍分质量分数分别为0.60%和2.83%，
铁还原的影响，实验结果如表3所示．
石煤、无烟煤不同用量时所得镍铁精矿对比
Comparisonoftheroastedproductsafterusingdifferentdosagesofstonecoalandanthracite
石煤
无烟煤
Fe回收率/%31.4541.5362.2173.57
镍铁合金存在形式镍纹石镍纹石镍纹石铁纹石
Ni品位/%5.785.664.484.35
Ni回收率/%65.5170.6779.5184.74
Fe品位/%46.9348.6851.7758.47
Fe回收率/%51.6564.2088.8390.45
镍铁合金形式镍纹石镍纹石铁纹石铁纹石
Ni品位/%9.708.657.145.97
表3
Ni回收率/%59.4066.4575.0181.00
Fe品位/%52.9555.6760.9864.84
固定碳质量分数相同时，分别采用无烟煤和石煤时镍铁精矿镍、铁品位及回收率比较
Table3Comparisonofnickel，irongradesandrecoveryinNi-Feconcentrateobtainedusingstonecoalandanthracitecoalcontainingsamecontentof
fixedcarbon
煤中灰分质量分数/%
0.602.83
煤种和用量
添加质量分数为7.5%无烟煤添加质量分数为10%的石煤
Ni品位/%4.927.14
Ni回收率/%
77.7475.01
Fe品位/%50.4460.98
Fe回收率/%
77.3962.21
由表3可见，添加两种不同的还原剂使固定碳所得到的镍铁精矿中镍、铁品位却都相含量相同时，
差很大．因此，两种还原剂所含成分中除了固定碳影响焙烧过程以外，灰分也是一个重要的影响因素．
由以上分析可见，由于石煤中所含固定碳以及采用石煤作还原剂时可以有效控制铁灰分的作用，
的还原程度，并通过控制石煤用量，使还原产物中主要以镍纹石形式存在，从而实现镍、铁的选择性还原．原矿中的铁橄榄石转变成为镁橄榄石，加入到原矿中的助熔剂与原矿中的铝、硅元素生成霞石．3.3
不同煤用量时焙烧产物的扫描电镜分析为了进一步分析煤种对红土镍焙烧过程中的影5%和20%的焙响，对石煤的质量分数分别为1%、烧产物进行了电镜分析，结果如图3所示．
从图3可以看出，随着石煤用量的增加，焙烧后产物中亮白色的镍铁合金逐渐增多，这是因为随着石煤用量的增加，大量镍、铁从原矿中被还原出来．从能谱图中可以看出，随着石煤用量的增加，镍铁合金中镍的比例逐渐降低，而铁的比例逐渐升高．图3（a）中1处镍质量分数为70.21%，铁的质量分数为29.79%；图3（b）中2处镍的质量分数为52.98%，铁的质量分数为47.02%；图3（c）中3处镍的质量分数为6.13%，铁的质量分数为93.87%．
5%和20%三个无分别取无烟煤质量分数1%、
烟煤用量相差大的焙烧产物进行电镜观察，电镜图
如图4所示．从图4中可以看出，随着无烟煤用量焙烧后产物图中亮白色的镍铁合金增多，这的增加，
一规律与采用石煤作还原剂时相同．从图4中可以看出，镍铁合金中铁峰逐渐增强．图4（a）中1处镍的质量分数为21.09%，铁的质量分数为78.91%；图4（b）中2处镍的质量分数12.68%，铁质量分数87.32%；图4（c）中3处镍的质量分数为3.13%，铁的质量分数为93.87%．
对比图3、图4得出，煤用量相同时，无烟煤作还原剂的焙烧产物中镍铁合金的总量相对多．但是，对比能谱分析图可以看出，在石煤作还原剂的焙烧产物中，生成的镍铁合金中镍含量高，铁含量低，而无烟煤则相反．该分析结果进一步证实了还原性对还原镍、铁更具有选较差的石煤相对于无烟煤，择性．
4结论
（1）采用石煤和无烟煤进行的对比实验表明，
用石煤作还原剂所得镍铁精矿中镍、铁品位均高于相同用量的无烟煤所得到的镍、铁品位，但镍、铁的回收率比相同用量的无烟煤要低．
（2）XRD分析及SEM观察表明：以石煤为还原剂，焙烧产物中的镍主要以镍纹石的形式存在；而以无烟煤为还原剂时，焙烧产物中的镍主要以铁纹石的形式存在．同时以石煤为还原剂时金属铁的生成
第10期孙体昌等：煤种对红土镍矿中镍选择性还原的影响机理
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图3Fig．3
“1”“2”不同石煤用量焙烧产物分析．（a）石煤质量分数1%焙烧产物中点能谱图；（b）石煤质量分数5%焙烧产物中点能谱图；（c）Roastedproductsobtainedbyaddingdifferentdosagesofstonecoal：（a）EDSspectrumofPoint1afteradding1%stonecoal；（b）EDS
“3”石煤质量分数20%焙烧产物中点能谱图
spectrumofPoint2afteradding5%stonecoal；（c）EDSspectrumofPoint3afteradding20%stonecoal
量低，而用无烟煤时金属铁生成量高，所以采用石煤作还原剂比无烟煤作还原剂对镍还原具有更强的选
择性．
（3）分别添加石煤和无烟煤作还原剂使添加的
固定碳含量相同时，所得到的镍铁精矿中镍、铁品位相差的很大，说明对于石煤和无烟煤而言，煤的选择性还原除了固定碳影响外，灰分也是一个重要的影响因素．
·1202·
北京科技大学学报第33卷
图4Fig．4
“1”“2”不同无烟煤用量焙烧后产物分析.（a）无烟煤质量分数1%焙烧产物中点能谱图；（b）无烟煤质量分数5%焙烧产物中点能Roastedproductsobtainedbyaddingdifferentdosagesofanthracite：（a）EDSspectrumofPoint1afteradding1%anthracite；（b）EDS
“3”谱图；（c）无烟煤质量分数20%焙烧产物中点能谱图
spectrumofPoint2afteradding5%anthracite；（c）EDSspectrumofPoint3afteradding20%anthracite
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