行英弟,胡国廉
(1.有色金属矿产地质调查中心,北京 100012;2.北京中色金泰地质勘查科技有限公司,北京 100012)
镍铁在我国是不锈钢生产的镍原料主要来源。我国红土型镍矿资源贫乏(刘明宝等,2011;付伟等,2011,2013),因此生产镍铁的原料主要从印尼和菲律宾进口(何灿等,2008;王瑞江等,2008;李雷等,2011;王庆文,2014;周京英等,2015;陈喜峰等,2017;江胜国等,2018)。印尼政府禁止原矿出口令发布以后,很多红土矿山已经停产,导致镍矿价格大幅上升,进而影响了我国镍铁行业和不锈钢行业的生产(魏小兰,2014;彭万坤等,2016)。一些镍铁厂因为矿源不足导致镍价格很高,而镍铁矿山又因不景气而停产或减产。我国大部分镍铁厂需要的是高镍的矿石,而在红土矿资源中高品位矿石所占比例很小(徐小锋,2007;王瑞江等,2008)。红土型镍矿储量的主体是低品位的红土矿,目前镍铁生产技术处理这种低品位矿的成本很高(聂树人,2001)。然而高品位矿的不断开采利用必将使高品位红土矿消耗殆尽。预测镍的原料将会稀缺进而导致镍价上升。
红土型镍铁矿目前露天开采,废弃矿坑和废矿堆对环境影响较大。在镍铁厂,大量堆积的冶炼渣影响了镍铁厂的生产。这种状况由于生产的扩大而不断加深(许智迅和陈华超,2009)。因此,综合利用低品位红土矿资源成为发展方向。采用低能耗、低成本、低投资且环保的新工艺,最大限度地充分利用不同品位的矿,尽量恢复采空区的景观,减少镍铁厂废渣的排放(刘明宝等,2011)是当前迫切需要开展的工作。尤其是在国外原矿出口禁令情况下,解决上述问题刻不容缓。红土镍矿富集工艺的研究正是源于此,尤其是对低品位矿的富集显得更有意义。印尼和菲律宾红土矿区电力缺乏,矿业开发必须建设相应的电厂。因此,研发低能耗、低成本及低投资高品位镍和铁产品的工艺并尽快用于生产已经是刻不容缓。
近年来,我们研发的催化还原烧结加磁选技术富集生产高品位镍铁精矿在试验阶段已经取得很好的结果,前期工作成果为现场半工业试验打下了良好基础。本文详细阐述了催化还原烧结加磁选技术在富集生产高品位镍铁精矿中具有的独特优点,该技术方法对开发利用红土镍矿资源切实可行,具有重要的理论指导意义。
当前世界传统的烧结工艺是把红土矿与煤和石灰混合,用不同的烧结方法(土烧,竖炉,环烧,带烧,箱烧,隧道窑,回转窑,转底炉,车底炉等)焙烧,将烧结矿再送到熔炼炉(高炉,矿热炉)熔炼生产不同品位的镍铁(刘明宝等,2011)。烧结方法根据温度不同,可将吸附水和结晶水除掉。而部分镍和铁被不同程度还原。烧结矿中的镍经过磁选得到的磁性精矿,镍和铁有一定程度的富集。本文利用不同矿石以及现有镍铁厂生产的烧结矿进行了实验,结果如表1所示。
表1 普通还原烧结磁选结果
可以看出,虽然普通还原烧结可以提高镍的含量,磁选精矿中镍品位可以得到一定富集,但只能提高1~2.3倍。
新的烧结方法为催化还原烧结,其基本流程见图1。该方法技术成熟,而且由于不含投资较大的冶炼厂,省去了冶炼部分的同等规模镍铁厂的投资,投资少、投产时间短,对于在国外投资很有利。磁选和破碎部分需要增加的投资很小。所需要的烧结温度为1300 ℃,国内很多设备可满足要求。
图1 低品位红土矿镍铁富集基本流程
与普通还原烧结不同,催化还原烧结是通过加入一些催化剂,将不同存在形式的镍在高温下改变其成分和结构后变成具一定磁性的新物质,使其可以用一定强度的磁场进行磁选与大量的脉石矿物分开。从而从磁性精矿中得到镍和铁品位的富集。富集度高的精矿产率低,而富集度低的产率高(表2)。可以看出催化还原烧结加磁选得到的精矿中镍的品位在不熔炼情况下就可以达到或接近不同镍铁(低镍铁,中镍铁和高镍铁)中镍的含量。富集率一般达到3 以上,也远比普通烧结磁选精矿的镍的富集度高。特别需要说明的是该工艺可以将占红土镍矿储量70%~80%以上的低品位红土矿提高到富矿的水平,基本上都可以达到印尼政府出口产品镍含量大于4%的要求,这有助于解决我国镍铁行业对高品位红土矿的原料需求。
表2 催化还原烧结磁选镍和铁富集情况统计表
对一些镍铁厂生产的精矿进行了1500 ℃的熔炼实验,根据精矿中镍和铁的含量进行了镍铁含量的理论计算(表3)。
表3 精矿实际熔炼与理论计算金属中镍和铁含量对比
采用精矿含量可以大致计算熔炼后镍铁中镍和铁的含量。由此推断,如果对采用催化烧结还原-磁选工艺从低品位红土矿生产的精矿进行熔炼,将可以得到含量更高的镍铁(表4)。
表4 矿石及其精矿实际熔炼与理论计算金属中镍铁含量对比
2.4.1 降低成本
采用催化烧结-磁选得到的精矿可以排除烧结矿中50%以上脉石矿物,因此精矿重量比烧结矿大大减少,而且其成分大部分已经是金属相。即便是需要把精矿再熔炼成全金属的镍铁以进一步降低杂质成分,加入到熔炼炉的物料数量比用烧结矿直接入炉要大幅减少(30%~60%)。因此,熔炼时间,还原用煤耗和熔炼的能耗也要大幅减少。这有利于在缺电或电费高的印尼和菲律宾地区使用。另外,精矿品位已经达到印尼政府出口标准,同时,由于精矿数量仅为原矿的10%~30%,如果把精矿运回国,海运费和内陆运费也可以大幅减少,仅这一项就可以使生产镍铁成本至少减少10%。
2.4.2 增加经济效益
根据试验结果,计算了几种不同品位矿富集的经济效益初步分析(表5):
表5 几种不同品位矿富集经济效益初步分析
(1)催化还原磁选对于烧结成本的增加不是很高(约占烧结总成本的19%~20%)。
(2)镍和铁的品位均得到了提高。
(3)在低于目前镍铁价格且再打20%折扣情况下,原来没有市场的大量低品位矿可以富集到被国内镍铁厂接受的高品位原料,利润可观,进而解决了高品位矿源缺乏的问题。
从年产100万t镍铁项目采用原矿和催化还原磁选精矿为原料的平衡计算结果如表6所示:用精矿为原料和用原矿为原料可以生产出基本相同金属量的产品,而且所需要矿石量可以减少,对资源需求也因此更为合理。
表6 年产100万t镍铁项目采用原矿和催化还原磁选精矿为原料的平衡计算
运用本文工艺的烧结厂可建设在矿山附近,大量的尾矿可以送到采空区作为回填复垦的材料,治理和改善因露天开采而破坏的自然景观。同时运回国内镍铁厂的材料含的脉石矿物大幅减少,冶炼废渣排放量也会大幅减少。
目前,中国在海外特别是东南亚国家投资红土型镍矿项目较多(王瑞江等,2008;许智迅和陈华超,2009;陈喜峰等,2017),已经开始以及正准备在印度尼西亚和菲律宾建立冶炼厂和工业园项目,上述项目大都需要建设冶炼厂(高炉或矿热炉)以及相当规模的电厂,投资较大、建设周期长。经验已经证明在国外建设全套镍铁厂的时间比国内要长很多,使一些项目不能很快投产见效。如果采用催化还原磁选工艺建设一套烧结厂、生产的精矿运回国,对于电的要求大为降低,投资小,建设期短,投产见效快,风险也可以降低。
尤其是在印尼政府宣布原矿出口禁令后,许多印尼镍矿山因为不能出口而停产。菲律宾方面目前虽然没有原矿出口禁令,但是多数红土矿区只能生产低品位的矿,高品位矿储量和产量都很低。如果这种催化还原烧结-磁选工艺能够应用于这两个国家,高品位矿的供应将会大大改善。
(1)催化还原烧结加磁选技术富集效益巨大,不但镍铁含量更高,而且熔炼用煤耗和熔炼的能耗大大减少,海运费以及以后的内陆运费也可以大幅减少。
(2)催化还原烧结加磁选技术可大幅提高镍铁的品位,大量低品位矿也可以富集到能够利用的高品位原料,利润可观,进而解决了高品位矿源缺乏的问题。
(3)催化还原加磁选技术生产的精矿厂投资小,建设周期短,投产见效快,也可以降低风险。
(4)新工艺的烧结厂建设在矿山附近,尾矿可以作为回填复垦的材料,以改善因露天开采而破坏的自然景观。并且含的脉石矿物大大减少,冶炼矿渣的排放量也会大幅减少。
(5)催化还原烧结加磁选技术在印尼和菲律宾红土矿区应用具有十分现实的意义,可使高品位矿的供应大为改善。