镍渣改质熔融氧化过程中镍、钴元素的迁移规律及其富集行为的研究

Nickel slag with a large amount of production and high iron content contains nickel and cobalt elements, but its reuse rate is low in China. In view of the present situation of comprehensive utilization of metal resources in nickel slag, we propose a new research idea that the structure of nickel slag should be reconstructed by modified molten oxidation treatment, and the main phase in nickel slag should be transformed from olivine phase to magnetite phase. By controlling the crystalline morphology of magnetite grains, the nickel and cobalt elements can be migrated to the nickel slag in a directional way, and the enrichment of nickel slag can be realized. In this project, we will plan to investigate the thermodynamic mechanism of phase evolution from olivine phase to magnetite by means of theoretical calculation and experimental measurement, to explore the kinetic mechanism of free (FeO) oxidation and magnetite grain growth by using of modeling deduction and experimental determination, to inquiry the distribution law and enrichment behavior of nickel and cobalt in multiple phases, to research the enrichment mechanism of nickel and cobalt in magnetite phase. This study will provide a theoretical basis for the enrichment and recovery of nickel and cobalt elements in nickel slag, and is of great significance to promote energy conservation and emission reduction in enterprises and the efficiently comprehensive utilization of metallurgical waste slag. The scientific problem in this project belongs to "demand pull, break through bottleneck".

我国镍渣产生量大、铁含量较高，同时含有镍、钴等有价金属元素，但其再利用率较低。针对镍渣中金属资源综合利用的研究现状，我们提出采用改质熔融氧化法使镍渣结构重构，将镍渣中主要物相由铁橄榄石相转化为磁铁矿相，通过调控磁铁矿晶粒的结晶形态，促使镍、钴元素向其定向迁移，进而实现富集的研究思路。本项目拟采用理论计算和实验测定相结合的研究方法，分析铁橄榄石相向磁铁矿相演化的热力学条件，探究自由（FeO）氧化过程和磁铁矿晶粒长大过程的动力学特征，深入分析镍、钴元素在多相间的赋存状态和迁移规律，探究其在磁铁矿相中富集的调控机制。本研究将为镍渣中镍、钴元素富集与回收提供理论依据，对促进企业节能减排和冶金废渣高效综合利用具有重要意义。研究的科学问题属性属于“需求牵引，突破瓶颈”。

镍渣中含有Fe、Ni、Co、Cu等多种有价金属元素，其高效回收具有重要的学术研究价值和社会经济效益。本项目通过改质熔融氧化法促使镍渣物相重构，将橄榄石相转化为易磁选的磁铁矿相，研究Ni、Co在磁铁矿相中的富集原理；采用热力学理论计算与实验研究相结合的方法，分析Ni、Co在磁铁矿中富集的热力学条件；研究Ni、Co对磁铁矿晶体结构参数、磁性能的影响；探究氧化温度、氧化时间对Fe、Ni、Co富集的影响规律，建立渣中氧化反应动力学模型。研究结果如下：.(1) 镍渣中主要结晶相为橄榄石相，未结晶的硅酸盐矿物相分布于结晶相之间。Fe、Ni、Cu的硫化相随机分布于炉渣。渣中的Fe、Co主要以硅酸盐相形态存在。渣中Ni除以硅酸盐相形态存在外，另有18%的Ni以硫化相存在。在实验温度范围(1350~1550℃)内，Fe以Fe3O4形态稳定存在，Ni、Co均以一氧化物状态稳定存在，并与Fe3+在氧气气氛下反应生成含镍钴磁铁矿。向渣中加入CaO并通入氧气，可以促进渣中硅酸盐相的分解以及金属硫化物的氧化，在降温过程中渣系的初晶相为磁铁矿相。.(2) 镍渣经改质熔融氧化处理后渣中的主要结晶相由橄榄石相转变为磁铁矿相与辉石相，Fe、Ni、Co在磁铁矿相中富集；Ni、Co在磁铁矿相中富集时可促进渣中Fe的回收，当NiO、CoO掺杂比例为16%时，Fe回收率由77.89%分别升高至86.26%与87.16%。Ni与Co在磁铁矿相中的类质同象替代机制不同，Ni类质同象替代Fe3O4中B位Fe2+；Co的类质同象替代机制存在两种情况，体系中Co含量低于6.83%时替代Fe3O4中B位Fe2+，含量高于6.83%时替代B位Fe3+。.(3) 渣中Fe、Ni、Co硫化相与硅酸盐相向磁铁矿相的转化率随氧化温度的升高与氧化时间的延长不断增加，在1550℃，氧化90min时Fe、Ni、Co转化率高达97.67%、98.29%、98.20%。渣中FeO、NiO、CoO氧化生成MeFe2O4(Me=Fe、Ni、Co)的反应遵循一级反应动力学，其表观速率方程为：.lnk=-17030.4/T+6.35311。.Fe、Ni、Co的回收率随氧化温度的升高与氧化时间的延长不断增加。渣系碱度为0.60、1500℃氧化90min条件下达到最佳回达到最佳回收效果，Fe、Ni、Co回收率达89.58%、80.67%、78.90%。