镍造锍熔炼熔渣微结构演化机制及过程中Ni、Co迁移行为研究

The project’s ultimate aim is to increase the recovery effeciency of iron and other valuable metals in iron silicate concentrated residue produced from nickel sulphide ore matte smelting. Specific aim is to increase the activity of FeO by optimising the composition and microstructure of the existing nickel matte smelting high-iron silicate slag to define the properties. This project will innovatively study the isotherm phase diagram and the molecular dynamics model of “NiO”-FexO-CaO-SiO2-MgO system to uncover the multi-scale relationships among composition, microstructure evolution and properties. This project will develop a further understanding of the effect of slag composition variation on Fe3O4/FeO ratio, FeO actrivity and Fe recovery accordingly. This proposed research will focus on mechanism of slag structure transformation on the interfacial ion diffusion state, interfacial reactive behaviors and the separation characteristics between nickel matte and molten slag. The effect of slag composition change on the melting characteristics, migration route and melting loss of Ni, Co, Cu and noble metals between nickel matte and molten slag will also be studied intensively. The project’s expected outcomes will establish the fundamental mechanism for the comprehensive utilization of nickel and other heavy non-ferrous metal smelting residue, especially in recycling iron and valuable metals.

为解决硫化镍造锍熔炼所产高硅酸铁废渣还原提铁及有价金属回收时存在的难题，本课题拟对现有高硅熔渣成分及结构进行调控。通过成分及结构变化来界定性能，以达到提高终渣FeO活度，利于后续还原提铁并减少有价金属损失之目的。课题拟建立 “NiO”- FexO-CaO-SiO2- MgO渣系液固相等温线图；构建“NiO”-FexO-CaO-SiO2-MgO熔融渣结构和性质的分子动力学模型，揭示含“NiO”熔渣组成变化—结构演化—性质之间的多尺度关系；探讨炉渣组分变化对渣中Fe3O4/FeO的分配比以及对FeO活度和后续提铁的效应；着力研究渣结构演变对镍锍—熔渣界面离子扩散状态、界面反应行为及分离特性的过程机理，探明渣组分及结构变化对Ni、Co、Cu及贵金属在镍锍—熔渣中熔解特性、迁移路径及其损失的影响机制。为打通镍及其它重有色金属熔炼高硅酸铁废渣提铁及综合利用工艺，提高有价金属回收率提供理论基础。

为解决高镁硫化镍精矿造锍熔炼面临的炉渣熔点高，流动性差，渣—锍分离特性差，以及所产高硅酸铁弃渣还原提铁时面临的可选性差、还原性低等难题，本项目采用分子动力学模拟、热力学分析与实验相结合，从源头上对镍造锍熔炼高硅渣组分结构进行了调控研究。探讨了CaO、Fe/SiO2及MgO含量对FexO-SiO2-CaO-MgO-“NiO” 熔渣性能、含铁物相及微结构演变影响机制，以达到适应高MgO精矿熔炼条件，并改变终渣FeO活度，利于后续还原提铁并减少有价金属损失之目的。.建立了FexO-CaO-SiO2-MgO-“NiO”渣系液相区图及等温线图；在对改型后熔渣物理化学性能测定、渣—锍平衡实验、渣结构表征基础上，构建了熔融模拟的势参数并对熔融渣结构和性质进行了分子动力学模拟，揭示了该熔渣组成—结构演化—性质之间的多尺度关系；探明了渣组分及结构变化对Fe2+/Fe3+分配比、渣—锍界面分离特性、有价金属迁移、金属损失及后续提铁的影响规律。研究表明，在Fe/SiO2=1.2~1.4条件下，调控CaO含量在7~15%时，硅氧离子主要以Si2O64- 和SiO44-形式存在，适量的Ca2+阳离子促使桥氧转变为非桥氧，有助于体系中的硅氧聚合离子解聚。调控CaO含量13~15%的镍渣熔化温度低于1250°C，聚合程度较低，在1400°C时黏度远低于0.1 Pa·s，渣锍间界面张力较大，分离特性良好，并对精矿MgO含量有良好的容纳特性。合成渣和工业渣对比实验显示，降低氧分压至10-8 atm，含13~15 wt.% CaO的合成渣中Cu、Ni和Co在锍—渣中的分配比较工业渣高，有价金属损失更小。CaO调控后渣铁橄榄石相减少，Mg1-xFexO和Fe3O4等尖晶石相增加，有利于后续弃渣提铁。.研究成果为丰富高镁镍精矿造锍熔炼渣系调控及重金属火法熔炼高硅酸铁渣资源化利用提供了新的思路及理论支撑。项目资助下，已发表学术论文18篇，2篇学术论文及1本专著待出版，培养硕士生3名。