1 引言
镍火法冶炼过程会产生大量冶炼炉渣，仅金川公司镍冶炼系统的炉渣产出量约为，160万吨/a，除少量用于回填外，主要以堆存方式处理，不仅占用场地，污染环境，而且沉淀了大量的有价金属(主要是铁)无法有效利用[1-3]。
由于镍铜冶炼炉渣中的铁主要以硅酸铁的形式存在，难以通过直接还原或熔融还原直接提铁[2，3，4]。从提铁的角度出发，希望炉渣成分中的铁越高越好，SiO2越低越好，即铁硅比越高越好。即使不能提高渣的铁含量，采用碱性炉渣组元替代酸性的SiO2也将有利于炉渣中铁氧化物的还原。本文将沿着这一思路，对新渣型进行应用的可行性进行分析。
2 炉渣成分范围的可选择性分析
利用FactSage6.1计算了对应的FeO-SiO2-CaO-MgO四元系相图。其中MgO含量为9%的四元相图如图1所示。
由以图1可以看出，在要求炉渣熔点不高于1200℃，对氧化镁含量9%的炉渣而言，在保持炉渣中铁含量不降低或铁硅比(1.3)不变的情况下，在炉渣中氧化钙含量可提高到15%左右。如果保持渣中的氧化铁含量不变，氧化钙含量可提高到约9%的水平。在不添加氧化钙的条件下，铁硅比的极限值应为1.8左右。如能进一步提高冶炼温度，则可以将铁硅比提高到更高的水平。
图1 CaO -SiO2-FeO-MgO系相图(MgO(wt%)=9)
(注：以上各相图中绿色区域代表熔点在1100℃以下的炉渣组成，橙色区域代表熔点在1100-1200℃之间的炉渣组成。)
金川公司闪速炉入炉精矿的成分见表1，在考虑炉渣中的铁、镁、硅全部以低价氧化物存在，且不添加熔剂的情况下，原始的铁硅比应为4.52，位于图1中A点的位置，实际冶炼中不断添加熔剂SiO2，生成炉渣位于图1中B点的位置，成渣曲线如曲线AB所示，在保证铁含量不变的情况下，如果将炉渣中CaO质量分数提高到15%，其成分点应该位于图中C点的位置，则成渣曲线如曲线AC所示。可以看出，C点炉渣熔点仍然处于1200℃附近。
表1 精矿和炉渣组成
注：不添加熔剂的炉渣成分计算考虑镍铜100%还原，且未考虑添加硫化铁的影响。
相图分析表明，在镍冶炼过程适当提高炉渣中的CaO含量，同时降低炉渣中的SiO2是可能的。
2 新型炉渣熔点的测定与分析
采用RDS-05全自动炉渣熔点熔速测定仪，采用分析纯化学试剂配制了渣样进行了熔点等的测定。
图2 CaO含量对炉渣熔点的影响 图3 Fe/SiO2对炉渣熔点的影响图
由图2可以看出，MgO质量分数为9%，对于不同的Fe/SiO2，随着CaO含量的增加，炉渣熔点先降低，达到一个最低值，此时CaO含量在10%~15%。由图3可以看出，MgO、CaO含量保持不变，炉渣熔点随着Fe/SiO2的增加而逐渐降低。在Fe/SiO2为1.2-1.8时， CaO含量在5-15%，炉渣的熔点可以保持在1200℃以下，和相图计算的结果一致。
3 新型炉渣物相变化
为了搞清炉渣成分变化对物相变化的影响，在镍闪速炉熔炼渣的基础上配制了添加CaO的炉渣，对其进行了物相分析。.
结合镍闪速熔炼工艺，在保持TFe不变的情况下，通过降低SiO2含量，提高渣中CaO含量，确定炉渣配方，主要考察TFe(wt%)=40，MgO(wt%)=9，CaO(wt%)=7、11、15等水平下炉渣的物相。炉渣配方如表3所示。
表3 物相分析用炉渣配方/wt%
按照配方，合成炉渣并熔化，随炉缓慢冷却后，取出熔渣磨碎，用X衍射仪对其物相进行分析，得到的各矿物具体含量见表4。
表4 物相分析结果/wt%
从表4可以看出，原渣中Fe有71.6%以 (Fe,Mg)2SiO4的形式存在，其他多数以Ca(Fe,Mg)Si2O6，以上两种矿物，还原性较差。在加入CaO以取代其中的SiO2之后，W1~W3中Fe均有50%以上以MgFe2O4的形式存在，不仅其磁性强，容易选分，而且其还原性要比(Fe,Mg)2SiO4好，因此更加易于后期还原提铁。
4 炉渣中CaO含量的变化对分配比的
为了进一步考察CaO含量的增加对冶炼的影响，进行了单因素实验，设定Fe/SiO2=1.5，MgO=9%，探讨CaO含量的增加(CaO=5~25%)这个单因素条件的变化对于锍渣当中Ni和Co分配比的影响情况。试验结果见图5、图6。
可以看出：在实验条件下，镍渣当中Ni、Co的分配比随着CaO含量的增加变化不大，Ni的分配比在41.5~42.6之间。说明在镍冶炼过程采用高钙低硅渣是可能的，可为后期镍冶炼渣的综合利用创造条件。
另外，如果镍冶炼渣后期还原提铁过程的强还原条件可进一步回收其中的镍，从综合利用的角度出发，镍钴的回收与利用可以得到保障。
5结论
(1)对现行工艺，适当提高CaO含量到10%~15%，同时降低炉渣中SiO2含量，炉渣熔点可以满足镍冶炼工艺对熔点的要求。
(2)新渣型进行的闪速炉低镍锍静态平衡试验结果表明Ni和Co分配比不低于原渣对照组。
(3)现行的镍闪速熔炼炉渣中Fe主要以(Fe,Mg)2SiO4的形式存在，随着炉渣中增加CaO，取代SiO2后，新渣中Fe转化为以MgFe2O4的形式存在，其还原性都比(Fe,Mg)2SiO4要好，因此，更加利于有价金属Fe的提取利用。
(4)在镍冶炼过程采用适当添加CaO，降低SiO2新渣型是有利于镍冶炼渣后续提铁与综合利用的一个方向。
参考文献
[1]彭容秋主编.镍冶金[M].长沙：中南大学出版社，2005.
[2]倪文,贾岩,郑斐.金川镍弃渣铁资源回收综合利用[J].北京科技大学学报,2010,32(8):975-980.
[3]刘伟波.金川镍渣提铁的试验研究[D].西安建筑科技大学,2003.
[4]刘岩,翟玉春,张纪谦等.从镍精矿中提取镍铁合金的还原工艺[J].过程工程学报[J]. 2005,5(6):626-630.
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编辑：北方有色网
来源：西安建筑科技大学冶金工程学院、金川集团公司镍钴研究院
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