鎳冶金工藝及原理說明

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(shí)間不長，但使用鎳的時(shí)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(shí)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(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(shí)，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錳結(jié)核。有關(guān)統(tǒng)計(jì)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(jì)，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(gè)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(jià)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)特性與鈷，鐵近似;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(shí)為8.908，可靠數(shù)值為8.9～8.908，熔點(diǎn)時(shí)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(shí)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，較鉑為負(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(shí)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(yàn)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(shí)更是如此.在500℃以下時(shí)鎳對于氯氣無顯著作用。

C.20℃時(shí)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(shí)，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：鎳的砷化物.

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(shí)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(jià)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.氧化亞鎳具有觸煤作用，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(jià)鎳鹽.當(dāng)與石灰乳發(fā)生反應(yīng)時(shí)，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(shí)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，鈀相似，具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性，加熱到700～800℃時(shí)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(shí)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鋁基體上的鎳復(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(gè)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(gè)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(jì)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(jì)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(shí)原鎳消耗預(yù)計(jì)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(gè)極為重要的區(qū)域，而且該區(qū)域?qū)︹?，鉑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(shí)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(jì)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(jì)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。