Zhongchen Li, Qinghua Tian, Qinmeng Wang*, Zulfiadi Zulhan, Songsong Wang*, Taufiq Hidayat, Xueyi Guo, Preparation of Nickel Matte from Laterite Nickel Ore Using Pyrite as the Sulfurization Agent[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2025, 56(5): 4964-4976.

Zhongchen Li^a,b, Qinghua Tian^a,b, Qinmeng Wang^a,b, Zulfiadi Zulhan^c, Songsong Wang^a,b, Taufiq Hidayat^c, Xueyi Guo^a,b

a School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China

b National & Regional Joint Engineering Research Center of Nonferrous Metal Resources Recycling, Changsha 410083, China.

c The Metallurgical Engineering Department, Faculty of Mining and Petroleum Engineering, Bandung Institute of Technology, Bandung 40132, Indonesia

通讯作者：

王亲猛，中南大学教授；王松松，中南大学副研究员

李中臣，中南大学21级博士研究生，现为湖南工业大学讲师

songswang@csu.edu.cn

研究院高温冶金与新材料团队在国际知名期刊《Metallurgical and Materials Transactions B》发表研究论文《Preparation of Nickel Matte from Laterite Nickel Ore Using Pyrite as the Sulfurization Agent》，文章研究了红土镍矿搭配黄铁矿硫化熔炼制备镍锍过程，通过高温实验与热力学模拟相结合，探讨了硫化剂、还原剂、助熔剂配比对镍、钴回收率及炉渣液相温度影响，为红土镍矿硫化熔炼过程硫化剂选择提供指导。

随着高品位硫化镍矿资源日益枯竭，红土镍矿逐渐成为镍生产的主要原料。红土镍矿是一种氧化矿，主要由镍铁镁硅酸盐组成，有价金属Ni和Co品位较低，含有大量脉石成分如Fe₂O₃、SiO₂和MgO。常规红土镍矿火法冶炼工艺RKEF熔炼温度高、碳排放量大，产品为镍铁合金，主要用于生产不锈钢，无法满足新能源行业对镍的快速增长需求。红土镍矿硫化熔炼生产镍锍，熔炼温度低、炉渣性质稳定，镍锍产品经成熟湿法冶金制备新能源所需高品质镍钴硫酸盐，可为新能源产业高质量发展提供资源保障。目前红土镍矿硫化熔炼工业生产常用硫化剂为硫磺，价格高、易堵塞输送管道，廉价黄铁矿能否作为替代硫化剂值得探究。

本研究以印尼苏拉威西岛产红土镍矿为原料，通过矿物自动分析仪表征可知主要矿物成分为蛇纹石、针铁矿化蛇纹石、针铁矿、磁铁矿、铬铁矿、石英等，其中蛇纹石相、针铁矿化蛇纹石相和针铁矿相之和占比90.02%。研究采用实验装置如图1所示，通过CO-CO2-SO2-Ar配比控制熔炼所需氧势及硫势，熔炼保温结束后对样品进行快速水淬，以保持高温多相平衡状态下的物相赋存形式。

图1 实验装置示意图

首先通过热力学模拟，探究了不同硫化剂与还原剂添加量对硫化熔炼平衡组成影响，如图2所示。图2(a)表明：随FeS₂添加量增加，部分NiO先被还原为金属Ni，再进一步硫化生成Ni₃S₂；当FeS₂添加量超过0.6 mol时，NiO可直接硫化生成Ni₃S₂，该过程会产生大量二氧化硫，降低硫直接利用率。当黄铁矿添加量为氧化镍质量的80%时，体系中所有NiO均可转化为Ni₃S₂。图 2(c)显示，向体系中额外加入碳粉（碳与氧化镍质量比 = 5.33%）后，SO₂生成量显著减少，证明还原剂碳可降低熔炼体系的SO₂排放，从而提高硫的直接利用率。高温下FeS₂会分解为FeS和单质S，研究了逐步添加FeS相变化规律（图 2(b)、(d)、(f)），结果表明，NiO相转变行为与添加FeS₂时相似，表明FeS亦可作硫化剂。

图2 NiO还原硫化平衡组成 (a:3kmol NiO-3kmol FeS₂;b: 3kmol NiO-3kmol FeS; c:3kmol NiO-3kmol FeS₂-1kmol C;d:3kmol NiO-3kmol FeS-1kmol C;e: 3kmol NiO-3kmol FeS₂-3kmol C; f: 3kmol NiO-3kmol FeS-3kmol C)

图 3为高镁型红土镍矿熔炼，控制氧分压 10^-9 atm时，1400~1600 ℃下SiO₂-MgO-FeO-CaO熔渣体系的液相区分布。结果表明，在保持原料组成m_(SiO2)/m_(MgO)=1.2条件下，仅改变CaO含量无法使熔渣成分进入液相区；而CaO含量不变时，调整m_(SiO2)/m_(MgO)可实现熔渣成分落入液相区；在适宜m_(SiO2)/m_(MgO)范围内，随氧化钙含量增加，熔渣液相区范围不断扩大。当调整m_(SiO2)/m_(MgO)=2.5时，可有效提高熔渣流动性，促进镍锍与熔渣的高效分离。获得了红土镍矿硫化熔炼较优实验条件：1500 ℃、m_(SiO2)/m_(MgO)= 2.5、CaO添加量 10%。

图3 SiO₂-MgO-FeO-CaO四元相图（P_O2=10^-9 atm）

在m_(SiO2)/m_(MgO)= 2.5、CaO添加量10%、黄铁矿（硫化剂）添加量6.5%、碳粉（还原剂）添加量4%、二氧化硫分压0.01 atm的条件下，控制氧势在10^-8 ~10^-10 atm范围内，保温4 h开展高温熔炼实验，结果如图 4所示。镍钴提取率随氧势降低而显著升高，但镍钴品位随氧势降低呈明显下降趋势。随着氧势降低，铁氧化物被大量还原为金属铁并进入镍锍相，从而导致镍钴品位下降。在相同氧势条件下，由于氧化镍比氧化钴更易被还原，且金属镍对硫的亲和力大于金属钴，因此镍提取率始终高于钴提取率。通过改变SO₂通入量，探究硫势对熔炼效果影响。镍钴提取率随SO₂通入量升高而升高，而镍钴品位随SO₂通入量升高而下降，该变化源于硫势升高导致镍锍中硫含量增加。

图4 熔炼气氛对镍钴提取率及品位影响（(a)、(c) 镍提取率和品位；(b)、(d) 钴提取率和品位）

熔炼氧势变化对镍锍物相及元素组成影响如图 5所示。镍锍中镍、铁含量变化趋势与前述分析一致：当氧分压为10^-8.5 atm、10^-9 atm、10^-9.5 atm时，镍锍主要由镍铁相（Ni–Fe）、镍铁硫相（Ni–Fe–S）和铁硫相（Fe–S）三相组成；当氧分压为10^-10 atm时，镍锍物相发生变化，主要由镍铁相和铁硫相组成。综上，当氧分压为 10^-9 atm时，渣锍比为13.20，镍锍品位为19.41%，综合效果最优。

在最优实验条件下：m_(SiO2)/m_(MgO)=2.5、CaO添加量10%、黄铁矿添加量6.5%、碳粉添加量4%、pO2= 10^-9 atm、pSO₂= 10^-2 atm、保温时间4 h，熔炼实验结果如图6所示。所得镍锍的主要成分为：镍19.41%、钴0.84%、硫28.39%。98.72%的镍和81.92%的钴进入镍锍相，79.80%的铁进入熔渣相。

图5不同氧势条件下水淬样品的SEM-Mapping (a: P_O2=10^-8.5 atm; b: P_O2=10^-9.0 atm;

P_O2=10^-9.5 atm; P_O2=10^-10.0 atm)

图6优化条件a：镍锍成分含量；b：镍钴铁分配

1.黄铁矿可作为红土镍矿硫化熔炼硫化剂，但需控制还原剂、熔剂配比，以调整熔炼气氛及炉渣组成。

2.在保持原料组成m_(SiO2)/m_(MgO)=1.2条件下，改变CaO含量无法使熔渣成分进入液相区；而CaO含量不变时，调整m_(SiO2)/m_(MgO)可实现熔渣成分落入液相区；随氧化钙含量增加，熔渣液相区范围不断扩大。

3.优化实验条件为：m_(SiO2)/m_(MgO)= 2.5、CaO添加量10%、FeS₂添加量6.5%、C添加量4%、pO₂= 10^-9 atm、pSO₂= 10^-2 atm、保温时间4 h，此时镍、钴回收率分别达98.72%和81.92%；所得镍锍含镍19.41%、钴0.84%、硫28.39%，主要由镍铁相、镍锍相和铁锍相组成。