Mineralogian, rikin ja pelkistyskaasujen vaikutus saproliittisten nikkelimalmien pelkistymiseen

The economically important nickel ores can be divided into two types: sulphide and laterite ores. Because of the recent decline in sulphide nickel reserves, laterites are becoming an increasingly important source of nickel. The challenge facing the production of nickel from laterites is the energy consumption, as the process requires significantly more energy than the one involving sulphides. The high energy consumption and greenhouse gas footprints for laterite ores will be critical sustainability issues affecting the future of the nickel laterite industry. One commonly used processing method for nickel extraction via the pyrometallurgical treatment of laterite ores involves smelting to ferronickel in a rotary kiln-electric furnace process. The reduction roasting of laterite ore in a rotary kiln has a significant impact on the final ferronickel production; the higher the degree of the necessary pre-reduction of the calcine, the greater the energy saving during the smelting in the electric furnace. Better knowledge of nickel-bearing minerals in saprolite ores and their behaviour at high temperatures is important for developing the pre-reduction process in the rotary kiln. The aim of the thesis reported here was to examine: (i) the thermal behaviour of different saprolite ores in order to determine the microstructures and phases that formed as a result of dehydroxylation and to detect the phases where nickel is predominantly abundant after dehydroxylation; (ii) the reducibility of the ores, in order to explore the relationship between the mineralogy of the ore, the phases formed, and the reducibility, as well as to define the optimal reducing conditions for the ores; (iii) the effect of sulphur on the formation of high-temperature phases during heat treatment and further on the reducibility of saprolite ores. The results reveal that during heat treatment, three endothermic peaks at 100, 250, and 600°C, caused by the removal of free water, thermal dissociation of goethite, and dehydroxylation reactions were observed. Followed by an exothermic process at ~820°C, which is evidently associated with the crystallisation of new phases. The formation of new phases (talc-like, amorphous, olivine, and pyroxene) appears to depend on the type of minerals in the initial ore and the phases formed during heating were observed to affect the reducibility of the ores. The type of reducing gas also appears to have an impact on the reduction behaviour and metallisation of the components in saprolitic ores. Considering the results from reduction experiments, ~750°C appears to be the optimal reduction temperature for the ores, CO reducing gas is recommended in order to achieve high nickel metallisation, and finally, the addition of sulphur has a great effect on the reducibility of the ore and thus the formation of metallic particles.Nikkeliä voidaan valmistaa joko lateriittisesta tai sulfidisesta malmista. Sulfidisten nikkelimalmiesiintymien köyhtyessä on kiinnostus kasvanut yhä enemmän lateriittisia nikkelimalmeja kohtaan. Nikkelin valmistus lateriittisista malmeista vaatii huomattavasti enemmän energiaa kuin valmistus sulfideista. Lateriittien hyödyntäminen onkin toistaiseksi ollut vähäistä, koska ei ole vielä kehitetty menetelmiä, joilla voitaisiin valmistaa taloudellisesti, energiatehokkaasti ja ympäristöystävällisesti riittävän korkealaatuista tuotetta. Nykyiset, lateriittia käyttävät pyroprosessit perustuvat raaka-aineen kuivatukseen, esikuumennukseen ja esipelkistykseen rumpu-uunissa sekä sähköuuni-pelkistykseen. Rumpu-uunissa suoritettavalla esipelkistyksellä on tärkeä merkitys sähköuunin energiankulutuksen kannalta; mitä parempi pelkistysaste rumpu-uunissa saavutetaan, sitä vähemmän energiaa tarvitaan sähköuunissa. Tutkimalla saproliittisten nikkelimalmien käyttäytymistä korkeissa lämpötiloissa, saadaan tärkeää tietoa niiden pelkistymiseen vaikuttavista tekijöistä. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tutkia: (i) lateriittisten nikkelimalmien käyttäytymistä korkeassa lämpötilassa; (ii) lateriittien pelkistymistä määrittämällä malmien mineralogian, kuumennuksen aikana muodostuvien faasien ja pelkistymisen välisiä suhteita ja selvittää lateriittisten nikkelimalmien optimaaliset pelkistysolosuhteet; sekä (iii) rikin vaikutusta lateriittisten nikkelimalmien kuumennuksessa muodostuviin faaseihin sekä pelkistymiseen. Tulokset osoittivat, että lateriittiset nikkelimalmit ovat heterogeenisiä ja kuumennuksen seurauksena niiden vapaa vesi poistuu noin 100°C:ssa, götiitin OH-ryhmä vapautuu 250°C:ssa ja kidevesi haihtuu noin 600°C:ssa. Uusien faasien muodostuminen eksotermisena reaktiona tapahtuu noin 820°C:ssa. Lisäksi havaittiin, että uusien faasien (talkki, kiteytymätön, oliviini ja pyroksiini) muodostuminen riippuu lateriittisen nikkelimalmin mineralogiasta ja että nämä muodostuneet faasit vaikuttavat edullisesti/epäedullisesti lateriittien pelkistymiseen. Myös pelkistimen valinnalla näytti olevan vaikutusta komponenttien metallisoitumiseen. Optimaalisen pelkistyslämpötilan todettiin olevan ~750oC. Lisäksi CO:n käyttö pelkistimenä johti nikkelin parempaan pelkistymiseen, myös rikillä näytti olevan parantava vaikutus nikkelin pelkistymiseen