2019提名国家科学技术进步奖项目-红土镍矿冶炼镍铁及冶炼渣增值利用关键技术与应用

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2019年度国家科学技术进步奖提名公示材料
项目名称        红土镍矿冶炼镍铁及冶炼渣增值利用关键技术与应用
提名单位        教育部


提名意见
（不超过600字）        针对我国镍铁生产存在的原料适应性差、成本高、能耗大以及镍铁渣利用率低、堆存带来的环境污染等突出问题，该项目历时十余年研究和攻关，发明了具有原创性的红土镍矿选择性固态还原-磁选制备镍铁新工艺，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；开发出红土镍矿还原熔炼渣系优化调控新技术，显著降低冶炼温度和生产能耗，提高了金属回收率；开发出镍铁渣制备镁橄榄石型复相耐火材料新方法，实现镍铁渣的高效增值利用，消除了镍铁渣堆存带来的环境隐患。新工艺新技术已在国内外建厂实施和推广应用，近三年创直接经济效益14.87亿元。
该项目获授权专利20项，软件著作权1项，出版专著1部，发表论文31篇，应邀国际报告12个，培养博士、硕士13名，培训企业人才300余人。该项目从新工艺开发、现有工艺革新、冶炼渣的无害化增值利用等方面，对镍铁生产工艺进行了全方位的技术创新，为我国不锈钢工业的绿色、可持续发展提供了坚实的技术支撑，显著提升了我国镍铁生产的整体科技水平和国际影响，专家评价该项目“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2018年度高等学校科学研究优秀成果奖科技进步一等奖。
对照国家科学技术进步奖授奖条件，我部决定提名“红土镍矿冶炼镍铁及冶炼渣增值利用关键技术与应用”为国家科技进步奖二等奖。


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。


应用情况        本项目发明的红土镍矿选择性固态还原-磁选直接制备镍铁新工艺，于2010年完成回转窑“火力模型”扩大化试验，2012年6月与印尼PT. SEBUKU IRON LATERITIC ORE （SILO）合作在辽宁朝阳完成煤基回转窑（窑体规格Φ1.6*16m）工业试验。2013年5月经专家组验收后，由印尼SILO公司组织工程化设计及建厂实施，于2015年8月在印尼SEBUKU岛建成回转窑（Φ3.5*72m）直接还原-磁选生产线。经调试正常后，采用含镍1.78%红土镍矿为原料，生产出镍含量大于10.4%、镍回收率95.3%的镍铁产品。与粒铁法和电炉法相比，该工艺流程简单，冶炼温度分别降低300℃和500℃，成本降低30%以上，实现了低品位红土镍矿制备镍铁技术工艺的重大突破。
本项目开发的还原熔炼渣系调控新技术和镍铁渣的资源化利用技术，已在广东广青金属科技有限公司应用。渣系调控新技术于2014年6月起率先在广青科技镍铁厂4座33000kVA电炉工业应用。应用4年以来，电炉冶炼温度平均降低60℃以上，炉渣流动性改善，镍、铁、铬回收率分别提高1~2%、5~10%和20%以上，镍铁电耗降低270 kWh/t以上。镍铁渣资源化利用新技术，用于制备镁橄榄石型复相耐火材料，将烧成温度由传统方法的1500~1550℃降低至1350℃，大幅度降低了生产成本，工业生产获得性能优于MS-65等商业制品的产品；将镍铁渣制成微粉生产绿色高性能混凝土，实现冶炼渣的大宗化利用。上述新技术的成功应用，全面提升了广青科技镍铁生产的技术水平，取得了巨大的经济、社会和环境效益。
本项目开发的还原熔炼渣系调控新技术于2018年1月起在宝武集团宝钢德盛不锈钢有限公司2座25500kVA电炉开始全面工业应用，经调试正常后，吨镍铁生产电耗平均降低400 kWh以上，并实现了不锈钢酸洗污泥在电炉法工艺中的资源化利用，2018年4月~12月已处理不锈钢酸洗污泥4058.37吨，经济和环境效益十分显著。


主要知识产权和标准规范等目录
知识产权（标准）类别        知识产权（标准）具体名称        国家（地区）        授权号（标准编号）        授权（标准发布）日期        证书编号（标准批准发布部门）        权利人（标准起草单位）        发明人（标准起草人）        发明专利（标准）有效状态
发明专利        一种由红土镍矿直接制取镍铁合金粉的工艺        中国        ZL200810143862.4        2011-04-27        767212        中南大学        李光辉，姜涛，范晓慧，李骞，饶明军，郭宇峰，张元波，等        专利权有效
发明专利        一种用于强化红土镍矿还原分选的添加剂        中国        ZL200810143854.X        2010-06-09        637909        中南大学        李光辉，姜涛，范晓慧，李骞，饶明军，张元波，郭宇峰，白国华，刘牡丹，陈许玲，许斌，杨永斌，袁礼顺，等        专利权有效
发明专利        一种提高红土镍矿碳热还原选择性的方法        中国        ZL201410700077.X        2016-08-31        2223613        中南大学        李光辉，姜涛，罗骏，饶明军，张元波，等        专利权有效
发明专利        一种红土镍矿制备镍铁的工艺        中国        ZL201410444219.0        2016-04-17        2050383        中南大学        李光辉，罗骏，饶明军，张元波，李骞，姜涛，等        专利权有效
发明专利        一种红土镍矿的烧结配矿方法        中国        ZL201410359075.9        2016-04-06        2012282        中南大学        李光辉，姜涛，饶明军，罗骏，张元波，范晓慧，等        专利权有效
发明专利        一种从红土矿中富集铬的方法        中国        ZL201410359156.9        2016-09-07        2232376        中南大学        李光辉，姜涛，饶明军，罗骏，张元波，等        专利权有效
发明专利        采用回转窑直接还原‑RKEF联合法生产镍铁的方法        中国        ZL201710009624.3        2018-03-23        2853945        宝钢德盛不锈钢有限公司        李想，胡志清，蒋兴元，胡元生，董大庆        专利权有效
实用新型专利        可用于测量渣线高度的自动升降装置        中国        ZL201621339004.3        2017-07-28        6335494        广东广青金属科技有限公司        陈彦虎，梁国燊，何丛珍，刘光勇，程学伟        专利权有效
论文        Facile Route for Preparing Refractory Materials from Ferronickel Slag with Addition of Magnesia
        中国        ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6(4), 4880-4889        2018-02-02        10.1021/acssuschemeng.7b04336        中南大学，广东广青金属科技有限公司        古佛全，彭志伟，张元波，唐慧敏，叶雷，田伟光，梁国燊，饶明军，李光辉，姜涛        其他有效的知识产权
论文        Chromium: A Double-Edged Sword in Preparation of Refractory Materials from Ferronickel Slag        中国        ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6(8), 10536-10544        2018-06-25        10.1021/acssuschemeng.8b01882        中南大学，广东广青金属科技有限公司        彭志伟，古佛全，张元波，唐慧敏，叶雷，田伟光，梁国燊，饶明军，李光辉，姜涛        其他有效的知识产权
                                                               
主要完成人情况        1、姜涛、所长、教授、中南大学、中南大学、项目总负责人，负责研究方案的制定、组织实施。对创新点1、2、3做出贡献：提出了红土镍矿选择性固态还原-磁选直接制备镍铁的技术思想和熔炼渣系优化调控技术方案，指导制定镍铁渣制备镁橄榄石型耐火材料的研究方案。
2、李光辉、系主任、教授、中南大学、中南大学、项目主要负责人，负责组织实施和推广应用。对创新点1、2、3做出贡献：构建了红土镍矿选择性固态还原-磁选直接制备镍铁新工艺流程和红土镍矿还原熔炼新渣型，设计出镍铁渣制备镁橄榄石型复相耐火材料组分。
3、胡志清、厂长、高级工程师、宝钢德盛不锈钢有限公司、宝钢德盛不锈钢有限公司、对创新点2做出贡献：负责渣系优化调控技术在宝钢德盛公司的实施，合作研发不锈钢污泥的资源化利用技术。
4、田伟光、副总工程师、工程师、广东广青金属科技有限公司、广东广青金属科技有限公司、对创新点2、3做出贡献：负责红土镍矿还原熔炼渣系优化调控技术和镍铁渣增值利用技术在广东广青金属科技有限公司的工业实施。
5、饶明军、无、副教授、中南大学、中南大学、对创新点1做出贡献：开发出温度和添加剂协同调控的镍铁晶粒快速生长技术。
6、罗骏、无、无、中南大学、中南大学、对创新点2做出贡献：查明了各种组分对冶炼温度、金属回收率的影响，开发了以控制FeO为中心、以调节四元碱度为主要手段的渣系优化调控技术。
7、彭志伟、无、副教授、中南大学、中南大学、对创新点3做出贡献：揭示了氧化镁提高镁橄榄石型复相耐火材料耐火度和降低烧结温度的机制。
8、何丛珍、总经理、/、广东广青金属科技有限公司、广东广青金属科技有限公司、负责红土镍矿还原熔炼渣系优化调控技术在广东广青金属科技有限公司的应用。1项实用新型专利的主要发明人。
9、张元波、系副主任、教授、中南大学、中南大学、开发出保证镁橄榄石耐火材料强度及耐火度的镁砂添加剂调控技术。
10、梁国燊、厂长、讲师、广东广青金属科技有限公司、广东广青金属科技有限公司、开发调控烧成坯体膨胀的原料级配技术，协助组织渣系优化调控技术在广东广青金属科技有限公司的实施。
主要完成单位及创新推广贡献        1、中南大学：3项关键技术的第1完成单位。建立了镍、铁氧化物选择性还原热力学和动力学基础，开发出红土镍矿选择性还原和镍铁晶粒快速生长新技术，首创了具有自主知识产权的低品位红土镍矿低温固态还原-磁选制备镍铁新工艺，与印尼SILO合作建厂实施；揭示了钙、镁、硅、铝和亚铁等主要造渣组分对红土镍矿高温熔炼性能的影响规律，构建了以透辉石取代顽火辉石、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含量为中心、以四元碱度取代镁硅质量比为主要手段的渣系优化调控新技术，与广青科技和宝钢德盛公司合作完成工业应用；查明了镍铁渣主要物相及结构特性，设计出以镁橄榄石为主相、镁铝铬尖晶石为强化相的耐火材料组分，开发出以原料级配、添加剂调控物相组分与液相生成等为主要技术特点的镁橄榄石型复相耐火材料制备新方法，与广青科技公司合作完成工业生产。
2、广东广青金属科技有限公司：与中南大学合作，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炉渣优化调控技术和镍铁渣增值利用新方法，组织开展新技术在广青科技公司电炉冶炼工业试验，取得成功后组织推广，实现了新技术在广青科技公司4座33000kVA电炉的全面应用。
3、宝钢德盛不锈钢有限公司：与中南大学签订技术贸易协议后应用渣系调控优化技术，实现炉渣优化调控技术在2座电炉的应用，并实现了不锈钢污泥在RKEF工艺中的资源化利用。


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》。