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鎳冶金工藝及原理說明

時間:2019-06-13    作者:無錫不銹鋼板    瀏覽:0
 的一般知識

1.1 概 述

鎳在世界物質(zhì)文明發(fā)展中十分重要的作用。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(dú)特功能,現(xiàn)代鎳工業(yè)由此誕生并得到了迅速發(fā)展。鎳是一種白色的金屬。在公元前我國就知道使用鎳,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(dá)到117.59萬噸,鎳的消費(fèi)量也將達(dá)到104.7萬噸或更多.隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的進(jìn)一步加快和國民經(jīng)濟(jì)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(jìn)一步增加。

1.1.1 世界鎳資源

鎳的礦物資源主要有硫化鎳礦和氧化鎳礦,再就是儲存于深海底部的含鎳結(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。

1.1.2 國內(nèi)鎳資源

我國已探明的鎳礦點(diǎn)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(diǎn),成為世界同類礦床中罕見的,高品級的硫化鎳礦床。

1.2 鎳及其主要化合物的物理化學(xué)性質(zhì)

鎳是元素周期表中第Ⅷ族的元素,其在元素周期表中的位置決定了鎳及其化合物的一系列物理化學(xué)特性,鎳的許多物理化學(xué)特性與,近似;由于與銅比鄰,因此在親氧和親硫性方面又較接近銅。

1.2.1 金屬鎳的性質(zhì)

1.2.1.1 物理性質(zhì)

1.2.1.2 化學(xué)性質(zhì)

1.2.1.1 物理性質(zhì)

鎳是一種銀白色的金屬,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.鎳的比重:在20℃時為8.908,可靠數(shù)值為8.9~8.908,熔點(diǎn)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420~620焦耳/公斤.K,在居里點(diǎn)或其附連有一顯著的高峰,此溫度下失去鐵磁性。

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(shí)際上無此用途。

D.鎳的熱電性與鐵,銅,銀,金等金屬不同,較為負(fù),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%。

1.2.1.2 化學(xué)性質(zhì)

金屬鎳是元素周期表第8副族鐵磁金屬之一,原子序數(shù)28,原子量58.71,熔點(diǎn)1453±1℃,沸點(diǎn)2800℃。天然生成的金屬鎳有五種穩(wěn)定的同位素:Ni5867.7%, Ni6026.2%, Ni611.25%,Ni623.66%,Ni641.66% 。其主要化學(xué)性質(zhì)有:

A.在大氣中不易生銹以及能抵抗苛性堿的腐蝕。大氣實(shí)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(qiáng),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(jī)化合物。

B.在空氣中或氧氣中,鎳表面上形成一層NiO薄膜,可防止進(jìn)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。

1.2.2 鎳的化合物及性質(zhì)

在自然界里鎳的化合物有三種基本形態(tài)

1:鎳的氧化物

2:鎳的硫化物

3:鎳的化物.

1.2.2.1 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(jìn)一步提高溫度最終變成氧化亞鎳.鎳可形成多種鹽類,但與鈷不同,只生成兩價鎳鹽,因此,不穩(wěn)定的三氧化二鎳常作為較負(fù)電金屬(如Co,F(xiàn)e)的氧化劑,用于鎳電解液凈化除Co之用。氧化亞鎳的熔點(diǎn)為1650∽1660℃, 很容易被C或CO所還原.氧化亞鎳與CoO,F(xiàn)eO一樣,可形成MeO SiO2和2MeO SiO2兩類硅酸鹽化合物,但NiO SiO2不穩(wěn)定.氧化亞鎳具有觸作用,可使SO2轉(zhuǎn)變?yōu)镾O3,而SO3與NiO又可以形成穩(wěn)定的硫酸鹽,并較銅,鐵的硫酸鹽穩(wěn)定,加熱到750~800℃才顯著離解.氧化亞鎳能溶于硫酸,亞硫酸,鹽酸和硝酸等溶液中形成綠色的兩價鎳鹽.當(dāng)與石灰乳發(fā)生反應(yīng)時,即形成綠色的氫氧化鎳(Ni(OH) 2)沉淀。

1.2.2.2 鎳的硫化物

鎳的硫化物有:NiS2,NiS5,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。

1.2.2.3 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)。因此,為了更完全地脫砷,在氧化焙燒后還必須再進(jìn)行還原焙燒,使砷酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)樯榛铮M(jìn)一步氧化焙燒中再使砷呈As2O3形態(tài)揮發(fā),即進(jìn)行交替的氧化還原焙燒以完成脫砷過程。

1.3 鎳的用途及其消費(fèi)量

1.3.1 鎳的用途

1.3.2 鎳的消費(fèi)量

1.3.1 鎳的用途

鎳與鉑,相似,具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性,加熱到700~800℃時仍不氧化.鎳在化學(xué)試劑(堿液和其它試劑)中穩(wěn)定.鎳系磁性金屬,具有良好的韌性,有足夠的機(jī)械強(qiáng)度,能經(jīng)受各種類型的機(jī)械加工(壓延,壓磨,焊接等).純鎳特別是鎳合金在國民經(jīng)濟(jì)中獲得廣泛的應(yīng)有.鎳具有良好的磨光性能,故純鎳用于鍍鎳技術(shù)中.特別值得指出的是純鎳還用在雷達(dá),電視,原子工業(yè),遠(yuǎn)距離控制等現(xiàn)代新技術(shù)中.在火箭技術(shù)中,超級的鎳或鎳合金用作高溫結(jié)構(gòu)材料.鎳粉是粉末冶金中制造各種含鎳零件的原料,在化學(xué)工業(yè)中廣泛用作催化劑.鎳的化合物也有重要用途.硫酸鎳主要用于制備鍍鎳的電解液,蟻酸鎳則用于油脂的氫化,氫氧化亞鎳用于制備堿性電池.硝酸鎳還可以在陶瓷工業(yè)中用作棕色顏料.但是,純鎳金屬和鎳鹽在現(xiàn)代工業(yè)用途中消耗不多,而主要是制成合金使用.全世界耗鎳最多的國家是美國和英國,占總產(chǎn)量的60~70%。其中用于合金的鎳量達(dá)到80%以上。隨著我國改革開放,工業(yè)技術(shù)飛速發(fā)展,電氣工業(yè),機(jī)械工業(yè),建筑業(yè),化學(xué)工業(yè)等對鎳的需求也愈來愈大。近十年我國的鎳的工業(yè)又有了很大的發(fā)展.概括起來鎳的用途可分為六類:

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(fèi)量的70%以上。

b. 用于電鍍,其用量約占鎳消費(fèi)量的15%。主要用在鋼材及其他金屬材料的基體上覆蓋一層耐用,耐腐蝕的表面層,其防腐性能要比鍍鋅層高20~15%。

c. 在石油化工的氫化過程中作催化劑.在煤的氣化過程中,當(dāng)用CO和H2合成甲烷時發(fā)生下列反應(yīng):CO + 3H2 →CH4 + H2O(溫度800℃,催化劑)常用的催化劑為高度分散在氧化基體上的鎳復(fù)合材料(Ni25~27%)。這種催化劑不易被H2S,SO2所毒化。

d.用于用作化學(xué)電源,是制作電池的材料.如工業(yè)上已生產(chǎn)的Cd-Ni,F(xiàn)e-Ni,Zn-Ni電池和H2-Ni密封電池。

e.制作顏料和染料。其最主要的是組成黃橙色顏料。

f.制作陶瓷和鐵素體。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。

1.3.2 鎳的消費(fèi)量

鎳的消費(fèi)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(fèi)的60—70%。2001年我國不銹鋼產(chǎn)量為75萬噸左右,耗鎳量約4.5萬噸.非鋼行業(yè)近年來發(fā)展迅猛,2001年耗鎳量約3萬噸 ,其中電鍍及鎳網(wǎng)行業(yè)耗鎳最大,約為2萬噸,電池行業(yè)5000噸,觸媒行業(yè)1500噸,軍工行業(yè)2000噸,其它行業(yè)1500噸,使全國鎳的消費(fèi)量達(dá)到7.5萬噸左右,消費(fèi)量迅猛增長。

我國鎳的消費(fèi)按市場細(xì)分原則和區(qū)域劃分呈五大市場區(qū)域:

A. 以上海為中心的華東市場:包括江,浙,滬,皖三省一市.在此區(qū)域內(nèi)有全國主要的金屬期貨交易所和長江,華通兩個現(xiàn)貨市場.目前該區(qū)域內(nèi)年消費(fèi)鎳3萬噸左右。未來幾年內(nèi)寶鋼集團(tuán)所屬上鋼一廠,三廠,五廠共計有150萬噸的不銹鋼產(chǎn)能將陸續(xù)形成,鎳的潛在消費(fèi)驚人。150萬噸產(chǎn)能估計含鎳不銹鋼為100-120萬噸,理論推算耗鎳量為8-10萬噸,考慮其使用廢鋼因素,不銹鋼增加的產(chǎn)能至少要消耗5萬噸原鎳,再加上電鍍,合金,鎳網(wǎng),鑄造等行業(yè)鎳的消費(fèi),使該區(qū)域?qū)︽嚨男枨笤谖磥韺⑦_(dá)到8萬噸以上。

B.以太鋼為重點(diǎn)的華北市場:包括太原,天津,北京三地.目前該區(qū)域鎳的消費(fèi)量約2.8萬噸,有80%集中在太原鋼鐵公司。太鋼在未來將形成100萬噸不銹鋼生產(chǎn)能力,屆時原鎳消耗預(yù)計達(dá)到5.2萬噸左右,從而使華北市場鎳的消費(fèi)量達(dá)到5.6萬噸水平,是一個極為重要的區(qū)域,而且該區(qū)域?qū)︹挘K族金屬的需求量也較大。

C.以電鍍?yōu)橹攸c(diǎn)的珠江三角洲及周邊市場:該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),鎳的年消費(fèi)量在6000—8000噸,但在今后相當(dāng)一段時期內(nèi)成長潛力不大。

D.以沈陽為中心的東北市場:主要是冶金,軍工,電池行業(yè),年消費(fèi)鎳約6000噸.隨著寶鋼,太鋼不銹鋼計劃的實(shí)施,東北地區(qū)的不銹鋼生產(chǎn)會逐步萎縮,優(yōu)勢將集中在高溫合金和軍工鋼方面,消費(fèi)量呈遞減趨勢。

E.以重慶為重點(diǎn)的西南市場:包括云,貴,川三省,主要是冶金,電鍍行業(yè),年消費(fèi)鎳量約4000噸。重慶市把汽車,摩托車做為支柱產(chǎn)業(yè)來規(guī)劃和發(fā)展,電鍍用鎳呈增長趨勢,預(yù)計未來西南市場對鎳的需求將達(dá)到5000噸/年水平。

1.4 鎳的生產(chǎn)量及其變化

我國鎳工業(yè)起步于1953年。在金川鎳礦被發(fā)現(xiàn)前,中國一直被外國視為“貧鎳國”,一些國家也趁機(jī)對我國實(shí)行鎳封鎖,以此制約我國現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展。五十年代初,上海冶煉廠,沈陽冶煉廠,重慶冶煉廠等主要在銅電解液中和處理雜銅的過程中提取鎳金屬,以滿足國家對鎳的需求。此外,也從吉巴進(jìn)口的氧化鎳中制取鎳金屬。我國使用國內(nèi)礦產(chǎn)原料提取鎳是從四川會理鎳礦開始的。1959年,四川會理鎳礦投入生產(chǎn)。1963年和1964年,金川鎳礦和吉林磐石鎳礦又相繼投入生產(chǎn).特別是金川鎳礦的發(fā)現(xiàn)和建成投產(chǎn),不但使我國的鎳資源儲量躍居世界前列,而且大大提高了我國國產(chǎn)鎳的產(chǎn)量,為我國現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ).特別是進(jìn)入新世紀(jì)以來,金川公司不斷加大對礦山的投入,利用新的探礦,找礦方法,在自有礦山的深部和外圍進(jìn)一步勘探,僅2001年就在龍首礦深部發(fā)現(xiàn)一出中型礦體,含鎳,銅金屬量分別達(dá)到6萬多噸和3萬多噸。

截止2003年,全國精鎳的年生產(chǎn)能力約6.8萬噸,其中:金川公司6萬噸,成都電冶廠5000噸,重慶冶煉廠1500噸,新疆阜康冶煉廠2000噸。但實(shí)際產(chǎn)量達(dá)不到,只有6.2萬噸(不包括鎳鹽含鎳量),原料不足是制約達(dá)產(chǎn)的最主要因素。值得一提的是我國最大的鎳生產(chǎn)企業(yè)金川公司近幾年經(jīng)過技術(shù)改造和資源控制戰(zhàn)略的實(shí)施,生產(chǎn)能力大為提高.根據(jù)該公司的發(fā)展目標(biāo),到2006年其產(chǎn)量將超過10萬噸。