重金屬冶金技術(shù)-鎳冶金-1

重金屬冶金技術(shù)冶金與材料工程系取精用弘

卓爾不群學(xué)無止境

行至于善第四章鎳冶金鎳及其主要化合物的性質(zhì)與用途1.煉鎳的原料2.鎳的生產(chǎn)方法3.4.1鎳冶金一般知識前言

鎳在世界物質(zhì)文明發(fā)展中有著十分重要的作用。人類發(fā)現(xiàn)鎳的時間不長，但使用鎳的時間可一直追溯到公元前300年左右。我國至遲在春秋戰(zhàn)國時期就已經(jīng)出現(xiàn)了含鎳成分的兵器及合金器皿。古代云南出產(chǎn)的一種“白銅”中，也含有很高的鎳。1751年，瑞典科學(xué)家克朗斯塔特首次制取到了金屬鎳。直到十九世紀(jì)末，由于產(chǎn)量有限，鎳被人們視為貴金屬，用以制作首飾。二十世紀(jì)以來，人們發(fā)現(xiàn)了鎳的多種用途及其在改善鋼的性能方面所具有的獨特功能，現(xiàn)代鎳工業(yè)由此誕生并得到了迅速發(fā)展。鎳是一種銀白色的金屬。在公元前我國就知道使用鎳鋅、鎳銅合金。國外于1775年制得純鎳，在1825～1826年間瑞典開始了鎳的工業(yè)生產(chǎn)。當(dāng)時，由于技術(shù)條件等因素的限制，鎳的生產(chǎn)長期未得到顯著的發(fā)展。直到發(fā)現(xiàn)將鎳煉制成合金鋼以后，鎳工業(yè)才有了較快的發(fā)展，產(chǎn)量也迅速上升。

1910年世界鎳產(chǎn)量只有2.3萬噸、1960年為32.55萬噸、1980年為74.28萬噸，至2002年世界鎳的年產(chǎn)量已達到117.59萬噸，鎳的消費量也將達到104.7萬噸或更多。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展速度的進一步加快和國民經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的調(diào)整，不銹鋼行業(yè)、電池、電鍍、觸媒行業(yè)對鎳的需求量將進一步增加。

4.1.1

鎳及其主要化合物的性質(zhì)用途1.鎳的性質(zhì)（1）物理性質(zhì)：Ni,第Ⅷ族元素，磁性金屬之一，銀白色，熔點1453℃，沸點約2800℃。其物理性質(zhì)與金屬鈷、鐵有相當(dāng)一致的地方，重要表現(xiàn)在：A.鎳的密度：在20℃時為8.908,可靠數(shù)值為8.9～8.908，熔點時液體鎳的比重為7.9。B.鎳的比熱：在0～1000℃的溫度范圍內(nèi)變動于420～620J/kg.K，在居里點或其附連有一顯著的高峰，此溫度下失去鐵磁性。4.1.1

鎳及其主要化合物的性質(zhì)用途

C.鎳的電阻：在20℃時按其純度99.99～99.8%變動于6.8～9.9微歐厘米（10-8Ωm）。鎳基合金雖然廣泛用于熱電元件，但由于氧化關(guān)系純鎳實際上無此用途。D.鎳的熱電性與鐵、銅、銀、金等金屬不同，較鉑為負，所以在冷端的電流由鉑流向鎳，因此，以鎳作為熱電元件時可產(chǎn)生高的電動勢。E.鎳具有磁性，是許多磁性物料（由高導(dǎo)磁率的軟磁合金至高矯頑力的永磁合金）的主要組成部分，其含量常為10~20%。

4.1.1

鎳及其主要化合物的性質(zhì)用途

（2）化學(xué)性質(zhì)：A.在大氣中不易生銹以及能抵抗苛性堿的腐蝕。大氣實驗結(jié)果，99%純度的鎳在20年內(nèi)不生銹痕，無論在水溶液或熔鹽內(nèi)鎳抵抗苛性堿的能力都很強，在50%沸騰苛性鈉溶液中每年的腐蝕性速度不超過25微米，對鹽類溶液只容易受到氧化性鹽類（如氯化高鐵或次氯酸鐵鹽）的侵蝕。鎳能抵抗所有的有機化合物。4.1.1

鎳及其主要化合物的性質(zhì)用途B.在空氣中或氧氣中，鎳表面上形成一層NiO薄膜，可防止進一步氧化，含硫的氣體對鎳有嚴(yán)重腐蝕，尤其在鎳與硫化鎳Ni3S2共晶溫度在643℃以上時更是如此。在500℃以下時鎳對于氯氣無顯著作用。C.20℃時鎳的電極電位為-0.227伏，25℃鎳的電極電位為-0.231伏，若溶液中有少量雜質(zhì)，尤其是有硫存在時，鎳即顯著鈍化。4.1.1

鎳及其主要化合物的性質(zhì)用途2.鎳的化合物及性質(zhì)鎳的化合物在自然界里有三種基本形態(tài)，即鎳的氧化物、硫化物和砷化物。（1）鎳的氧化物鎳有三種氧化物：即氧化亞鎳（NiO），四氧化三鎳（Ni3O4）及三氧化二鎳（Ni2O3）。三氧化二鎳僅在低溫時穩(wěn)定，加熱至400~450℃，即離解為四氧化三鎳，進一步提高溫度最終變成氧化亞鎳。4.1.1

鎳及其主要化合物的性質(zhì)用途（2）鎳的硫化物

鎳的硫化物有：NiS2、Ni6S5、Ni3S2、NiS。硫化亞鎳（NiS）在高溫下不穩(wěn)定，在中性和還原氣氛下受熱時按下式離解：3NiS=Ni3S2+1/2S2在冶煉溫度下，低硫化鎳（Ni3S2）是穩(wěn)定的，其離解壓比FeS小，但比Cu2S大。4.1.1

鎳及其主要化合物的性質(zhì)用途（3）鎳的砷化物鎳的砷化物有砷化鎳（NiAs）和二砷化三鎳（Ni3As2）。前者在自然界中為紅砷鎳礦，在中性氣氛中可按下式離解：3NiAs=Ni3As2+As在氧化氣氛中紅砷鎳礦的砷一部分形成揮發(fā)性的As2O3，一部分則形成無揮發(fā)性的砷酸鹽（NiO.As2O3）。

4.1.1

鎳及其主要化合物的性質(zhì)（4）羰基鎳

鎳類似鐵和鈷，在50~100℃溫度下，可與一氧化碳形成羰基鎳[Ni（CO）4]，如下式所示：Ni+4CO=Ni(CO)4+163.6kJ

當(dāng)溫度提高至180~200℃時，羰基鎳又分解為金屬鎳。這個反應(yīng)是羰基法提取鎳的理論基礎(chǔ)。

鎳的主要用途a.作金屬材料，包括制作不銹鋼，耐熱合金鋼和各種合金等3000多種，占鎳消費量的70%以上；b.用于電鍍，其用量約占鎳消費量的15%。c.在石油化工的氫化過程中作催化劑。d.用于用作化學(xué)電源，是制作電池的材料。e.制作顏料和染料。如陶瓷上常用NiO作著色劑添加還能增加料坯與鐵素體間的粘結(jié)性，并使料坯表面光潔致密。鐵素體是一種較新的陶瓷材料，主要用于高頻電器設(shè)備。鎳的消費

鎳的消費相對比較單一，主要集中在不銹鋼、合金鋼、電鍍、電池、觸媒、軍工等領(lǐng)域，其中不銹鋼行業(yè)耗鎳量最大，約占整個鎳消費的60—70%。

現(xiàn)在，我國已成為世界第一大不銹鋼消費國、世界最大的電池生產(chǎn)和消費國，還是世界最大的硬質(zhì)合金生產(chǎn)國和人造金剛石的生產(chǎn)大國，而應(yīng)用于這些領(lǐng)域中的原材料也因此表現(xiàn)出了旺盛的需求，其中包括鎳和鈷，僅2003年鎳的消費量已達到近12萬噸以上，鈷的消費量也已達到6700多噸，均居世界前列，并且還將進一步增加，這使得中國在國際鎳鈷市場上的影響顯得舉足輕重。4.1.2

煉鎳的原料

鎳的礦物資源主要有硫化鎳礦、氧化鎳礦和砷化鎳礦，再就是儲存于深海底部的含鎳錳結(jié)核。有關(guān)統(tǒng)計資料表明，至1990年，全世界已發(fā)現(xiàn)的陸地鎳儲量為5800萬噸，儲量基礎(chǔ)為1.23億噸，海洋錳結(jié)核礦的鎳資源若以準(zhǔn)邊界品位估計，約有689萬噸。在全世界鎳儲量中，硫化鎳礦占了30—40%，氧化硫礦占了60—70%。主要分布在古巴、加拿大、俄羅斯、新喀里多尼亞、印度尼西亞、南非、澳大利亞和中國、巴西、哥倫比亞、多米尼加、希臘、菲律賓等國。世界各國所產(chǎn)鎳金屬中，百分之七十左右來源于硫化鎳礦。4.1.2

煉鎳的原料

我國已探明的鎳礦點有70余處，儲量為800萬噸，儲量基礎(chǔ)為1000萬噸，在世界上占第八位。其中硫化鎳礦占總儲量的87%，氧化鎳礦占13%。主要分布在甘肅、四川、云南、青海、新疆、陜西等15個省、自治區(qū)中，其中甘肅最多。金川鎳礦已探明的鎳儲量為548萬噸，占全國總儲量的68.5%。其中次為云南、新疆、吉林和四川，其鎳儲量分別占全國總儲量的9.1%、7.5%、5.2%和4.5%（見表1-2）。金川鎳礦則由于鎳金屬儲量集中、有價稀貴元素多等特點，成為世界同類礦床中罕見的、高品級的硫化鎳礦床。4.1.2

煉鎳的原料4.1.2煉鎳的原料1.鎳的硫化礦石

自然界廣泛存在的鎳硫化礦是鎳黃鐵礦((Fe,Ni)9S8)，和鎳磁黃鐵礦((NiFe)7S8)，其次是針硫鎳礦NiS。另外還有輝鐵鎳礦（3NiS.FeS）和鈷鎳黃鐵礦(Ni、CO)3S4

或閃銻鎳礦（Ni，SbS）等。硫化礦中含有銅、鈷和鉑族元素。硫化礦為主要煉鎳原料，礦石品位為0.3%~1.5%，冶煉前需經(jīng)選礦將品位提高到4%~8%。

4.1.2煉鎳的原料

鎳黃鐵礦鎳磁黃鐵礦4.1.2煉鎳的原料2.鎳的氧化礦石

占80%，分兩類，一類是高硅鎂質(zhì)的鎳礦，包括硅酸鎂鎳礦和暗蛇紋石（NiSO3.mMgSiO3.nH2O）；另一類為紅土礦是鎳（含量1%）鐵（含量40%~50%）氧化物組成的共生礦。氧化鎳礦難選，故它目前占鎳產(chǎn)量比重不大（只有40%），但氧化礦占鎳儲藏量大，特別是紅土礦（占氧化礦的80%），因此它是未來鎳的主要來源。4.1.2煉鎳的原料暗蛇紋石紅土鎳礦4.1.2煉鎳的原料3.砷化鎳礦

砷化鎳礦的含鎳礦物為紅鎳礦（NiAs）、砷鎳礦（NiAs2）輝砷鎳礦(NiAsS)，此類礦物只有北非摩洛哥有少量產(chǎn)出。

含鎳砷化礦發(fā)現(xiàn)很早（1865年），而且在煉鎳史上起過重要作用，但是后來沒有發(fā)現(xiàn)這一類型的大礦床，因而現(xiàn)在從含鎳砷化礦中提煉鎳僅限于個別國家。含鎳的砷礦物有紅砷鎳礦NiAs，自毒砂或砷鎳礦（NiAs2）和輝砷鎳礦（NiAsS）4.1.3鎳的生產(chǎn)方法

鎳的生產(chǎn)方法分為火法和濕法。1.硫化鎳精礦的火法冶煉占硫化礦提鎳的86%，其處理方法是先進行造锍熔煉制取低鎳锍，然后再送轉(zhuǎn)爐對低鎳锍進行吹煉產(chǎn)出高鎳锍；經(jīng)緩冷后進行破碎、磨細；通過浮選、磁選產(chǎn)出高品位硫化鎳精礦、硫化銅精礦和銅鎳合金。類似于火法煉銅工藝。4.1.3鎳的生產(chǎn)方法硫化鎳礦的火法冶煉工藝流程4.1.3鎳的生產(chǎn)方法

2.

硫化鎳礦濕法冶煉

a.常壓