项目简介 不锈钢是国民经济和国防建设的重要高端材料,我国产量世界第一且需求量持续增加。镍基不锈钢占70%以上,通常以高品位硫化镍矿原料制备的电解镍为镍源。随着全球硫化镍矿资源日趋枯竭,以占陆基镍资源72%的红土镍矿为原料生产镍铁替代电解镍是不锈钢工业持续发展的必然趋势。
近年来我国镍铁工业发展迅速,但暴露出的问题也十分突出。现有镍铁生产工艺原料适应性差、流程长、能耗大、金属回收率低;我国红土镍矿短缺,几乎全部依赖进口,由于原矿镍品位低、水份高、运输量大,极大增加了我国镍铁及不锈钢的生产成本;镍铁渣排放量大、利用率低,大量堆存带来严重的环境污染隐患。这些问题严重制约着我国不锈钢工业的持续健康发展。
针对上述问题,本项目历时十余年研究和攻关,发明了全新的红土镍矿制备镍铁工艺,实现了镍铁的高效低耗低成本生产,扩大了可利用的资源范围;开发出还原熔炼渣系优化调控新技术,显著降低了现有工艺的冶炼温度和生产能耗;开发出镍铁渣制备耐火材料新方法,实现了镍铁渣的无害化和高效增值利用,消除了渣堆存带来的环境污染隐患。主要技术创新如下:
(1)查明了镍、铁氧化物的还原行为与调控机制,开发出红土镍矿选择性还原技术和镍铁晶粒快速生长技术,发明了红土镍矿选择性固态还原-磁选直接制备镍铁新工艺,构建了镍铁生产新流程,在印尼建成首条生产线。工业生产获得了满足不锈钢冶炼要求的镍铁产品,镍铁比由原料的0.05提高至0.12,镍回收率大于95%,操作温度较现有熔炼工艺降低500℃,成本降低30%以上。
(2)针对现有的镍铁生产工艺存在能耗大、金属回收率低等问题,构建了以透辉石和镁铁橄榄石为主要物相的低熔点新渣型,开发出以控制FeO为中心、以调节四元碱度为主要手段的渣系优化调控新技术。新技术在广青科技和宝钢德盛公司应用,电炉操作温度降了60~100℃,电耗平均降低400kWh/t以上,镍、铁回收率分别提高1~2%、5~10%,铬回收率提高20%以上。
(3)设计出以镁橄榄石为主相、镁铝铬尖晶石为强化相的复相耐火材料组分,揭示了氧化镁提高耐火度和降低烧成温度的机制,开发出镁砂调控材料性能、级配调控坯体膨胀技术,发明了镍铁渣制备镁橄榄石型复相耐火材料新方法,实现了渣的无毒化和增值利用,工业生产获得了综合性能优于天然矿物生产的MS-65牌号产品,且烧成温度降低了150~200℃,成本降低40%以上。
本项目从新工艺开发、现有工艺革新、冶炼渣增值利用等方面,对镍铁生产进行了全面技术创新,显著提升了我国和“一带一路”沿线国家镍铁工业整体科技水平,为不锈钢工业可持续发展提供了技术支撑。经专家评价,本项目“整体达到国际先进水平,其中红土镍矿选择性固态还原-磁选制备镍铁技术达到国际领先水平”。获授权专利20项,软件著作权1项,出版专著1部,发表论文31篇,应邀国际学术报告12个,培养博士、硕士13名,培训技术人员300余人。获2018年度高等学校科学研究优秀成果奖科技进步一等奖。
客观评价 (1)成果评价
中国金属学会于2018年2月3日在广东阳江组织召开“红土镍矿冶炼镍铁关键技术及其应用”科技成果评价会,以王一德院士为主任、毛新平院士和白晨光教授为副主任的评价委员会专家一致认为:本成果“总体上达到国际先进水平,其中红土镍矿选择性固态还原-磁选制备镍铁技术达到国际领先水平。”
(2)项目验收证明
印尼SILO公司邀请国内外相关单位和专家,于2013年5月13日在北京对中南大学完成的“红土镍矿制备镍铁工业试验研究”项目进行验收,验收意见如下:本项目开发的镍铁生产新工艺,技术先进,工艺可行,经济合理,国内外尚无先例,具有良好的应用前景,特别适合电力及炼焦煤短缺的印尼等国家和地区发展镍铁和不锈钢生产,同意通过验收。建议加快工程设计进度,尽快实现大规模工业生产。
(3)产品检验报告
由镍铁渣制备的镁橄榄石型复相耐火材料,经湖北省耐火材料产品质量监督检验站检测,耐火度>1790℃(CNAS NO.L2532)。
(4)发表论文引用及评价情况
学术论文被SCI收录19篇,SCI总他引次数116次,其中《Beneficiation of nickeliferous laterite by reduction roasting in the presence of sodium sulfate, 10.1016/j.mineng.2012.03.012》他引40次,是迄今红土镍矿火法冶金领域SCI引用次数最多的论文。
加拿大皇后大学 (Queen’s University) C.A. Pickles 教授撰文大篇幅引用并对此给予高度评价,认为本项目“全面阐明了硫在还原过程对镍铁颗粒生长的影响机制…The mechanism by which the addition of sulphur affects the formation of ferronickel particles during the reduction roasting of a laterite ore has been thoroughly described by Rao et al.”
(5)国际报告交流情况
应邀在美国矿物、金属、材料学会(TMS)学术年会(2010、2016、2018)、第七届国际炼铁会议(AISTech 2015)、第十四届中日双边钢铁技术研讨会(2016)等国际会议上报告12次。应邀到美国犹他大学、密歇根理工大学、韩国延世大学等国外知名大学进行学术交流,得到了国际著名的冶金专家美国犹他大学H.Y. Sohn教授、密歇根理工大学J.Y. Hwang教授等知名专家学者的高度评价。加拿大镍冶金专家P. Mackey专程前来中南大学与项目组开展学术交流,并签订合作协议开展红土镍矿冶炼镍铁研究。
(6)企业获奖、环保认证
广东广青金属科技有限公司获2016年度广东省生产清洁企业荣誉称号,2016年度广东省优秀企业和广东省文明单位,2017年入选工信部首批绿色工厂。
(7)论文获奖
学位论文《红土镍矿选择性还原/硫化制备粗镍铁的基础与新工艺研究》被评为2017年度湖南省优秀博士学位论文,《红土镍矿制取镍铁合金原料的新工艺及机理研究》被评为2012年度湖南省优秀硕士学位论文。
学术论文“红土镍矿还原焙烧-磁选制取镍铁合金原料的新工艺”和“红土镍矿钠盐还原焙烧-磁选的机理”均获2014年度中国有色金属学报优秀论文奖。
(8)项目获奖
“红土镍矿冶炼镍铁关键技术及应用”获2018年度高等学校科学研究优秀成果奖科技进步一等奖。
完成人合作关系说明 本项目完成人姜涛(第1完成人)、李光辉(第2完成人)、饶明军(第5完成人)、罗骏(第6完成人)、彭志伟(第7完成人)与张元波(第9完成人)为中南大学资源加工与生物工程学院同一课题组团队成员,合作关系稳定。自2006年起,依托校企海外合作项目(“印尼含镍钴褐铁矿的综合利用研究”、“红土镍矿制备镍铁工业试验研究”,印尼SILO公司)、国家杰出青年科学基金(矿物加工与物质分离工程,2007年,项目编号:50725416)等开展红土镍矿冶炼镍铁基础理论、新工艺、新技术的研发工作。完成人姜涛、李光辉、饶明军、彭志伟、罗骏、张元波共同获得《一种红土镍矿制备镍铁的工艺》、《一种红土镍矿的烧结配矿方法》、《一种提高红土镍矿碳热还原选择性的方法》等多项国家授权发明专利。
中南大学主要完成人与广东广青金属科技有限公司田伟光(第4完成人)、何丛珍(第8完成人)、梁国燊(第10完成人)合作,2014年起依托项目“提高回转窑内焙砂还原度的研究”和“镍铁冶炼水淬渣综合利用的可行性研究”,开展红土镍矿电炉熔炼工艺优化、镍铁渣处理利用等方面的技术研发,共同开发以控制FeO含量为中心、以调控四元碱度为主要手段的渣系优化调控技术和镍铁渣增值利用新方法,并共同组织新技术、新方法在广东广青金属科技有限公司的工业应用。
中南大学主要完成人与宝钢德盛不锈钢有限公司胡志清(第3完成人),依据技术贸易协议“渣系调控矿热炉节能项目”,共同组织实施渣系优化调控技术在宝钢德盛的工业应用,并通过项目“不锈钢污泥在矿热炉中的资源化利用研究”合作,共同开发了不锈钢酸洗污泥资源化利用技术并组织工业实施。
完成人姜涛、李光辉、饶明军、何丛珍、彭志伟、田伟光、罗骏、梁国燊、张元波等完成的“红土镍矿冶炼镍铁关键技术及其应用”项目通过了中国金属学会组织的成果评价(中国金属学会评字[2018]第011号)。完成人何丛珍、梁国燊共同获得授权专利《可用于测量渣线高度的自动升降装置》等。完成人姜涛、李光辉、饶明军、田伟光、彭志伟、张元波、梁国燊合著论文《Facial route for preparing refractory materials from ferronickel slag with addition of magnesia》。