1.1　镍的发现、性质及主要用途

1.1.1　镍的发现和镍业发展

镍作为金属发现之前，含镍合金就被应用了，使用镍的时间可追溯到公元前300年左右。古代埃及和古代中国都曾用含镍很高的陨铁作器物，我国公元前206年以前就已掌握了冶炼白铜（即铜镍锌合金，含Cu52％～80％，Ni5％～35％，Zn10％～35％）的技术。公元前200年在西南亚古国巴克特利亚，就已经通用了一种铜镍合金制成的硬币（含约77％铜、约20％镍、1％钴、1.5％铁）。德国于1825年、美国于1857年、比利时于1860年也制成了铜镍硬币。

镍作为合金虽然早已为人们所利用，但是镍的发现距今仅200多年。1751年，瑞典矿物学家A.F.克朗斯塔特（A.F.Cronstedt）首先制得了不纯的金属镍，他把这种新发现的元素叫做镍，但25年后这个发现才被证实，直到1804年里希特发展出了一种可提取出纯金属镍的方法。镍的工业发展很慢。1840～1845年间，全世界每年仅生产镍约100t。1863年法国加尼埃首次在新喀里多尼亚发现含镍7％～8％的氧化镍矿（硅镁镍矿），用加尼埃的名字命名。1875年开始开采，由于当地燃料、熔剂缺乏，劳力不足，矿石送往法国、德国冶炼，是世界上最早用鼓风炉炼镍的矿石。加尼埃将矿石加石膏和煤进行还原冶炼，还原后得到镍锍，从而使原矿中的少量镍得到了富集。在烧掉了硫之后，将得到的氧化镍在固态用碳还原。1856年A.P.萨尔得在加拿大定子午线时发现在萨德伯里地区罗盘读数偏斜，随后，据此在附近检查，从铁帽上（即克里斯顿矿体顶盘）采样分析发现含Ni1％、Cu2％的矿石，但因交通不便，未引起注意，至1883年才开展工作，于1886年发现克里斯顿矿床，从而发现了世界闻名的萨德伯里超大型铜镍硫化物矿床，1901年露采出矿。从此世界镍的冶炼原料由氧化镍转向硫化镍。

在19世纪70～80年代，由于帕克斯、马博和赖利伊在用镍作为钢的添加剂的研究方面获得了成果，弗莱特曼在锻造镍方面取得了进步，镀镍工艺在亚当工作的基础上得到了发展，使得镍的需求量急剧增长。1885年法国和英国制造了第一批含镍装甲板，1889年美国海军规定用镍钢制作装甲板，直到1920年之前镍几乎仅仅用于军事目的。

1890年左右，英国发展了郎格尔-蒙德的羰基法制镍工艺。19世纪末20世纪初，电解含镍溶液的方法出现了，发展出了许宾尼特隔膜电解槽法。

20世纪50年代出现用硅铁部分还原氧化矿生产镍铁的方法。

20世纪50年代初期，镍铁冶炼得到了广泛的普及。新喀里多尼亚矿优质的化学和矿物成分、工艺的简易促进了镍铁冶炼在法国多尼安博工厂和日本的远东工厂、希腊、巴西以及其他国家工厂的快速开发和运用。富含镍的原矿石促进了国外镍铁生产的快速发展。依次经过脱硅、脱铬、脱碳、脱硫和脱磷，富含镍铁的这类矿石通过电炉冶炼，确保得到镍含量高于20％的成品。

苏联十月革命后，因寻找勘探乌拉尔山脉镍矿的需要，乌法列集团应运而生，在其基础上于1933年成立了第一家国有镍厂。在乌拉尔中南部及乌克兰进行的镍矿寻找与勘探工作为列什镍厂（1936年）、“南乌拉尔镍”（1938年）以及帕布什镍厂（1972年）的建设与运行创造了条件。这些企业的成功生产以及矿产的足够储备让人们有理由认为，红土镍矿在未来将以更大的强度进入材料生产的范畴。20世纪80年代红土镍矿冶炼成镍铁的工业加工，不仅在俄罗斯进行，而且在新喀里多尼亚、日本、希腊、巴西、多米尼加共和国、美国进行。

我国古代已大量生产并使用了“白铜”——锌镍铜合金，但新中国成立前没有镍冶炼工业。我国镍工业起步于1953年。在金川镍矿被发现之前，中国一直被外国认为是“贫镍国”，一些国家也趁机对我国实行镍封锁，以此制约我国现代工业的发展。1953年，上海冶炼厂成功地用直火蒸发法从铜电解废液中制得粗硫酸镍，接着又进行了从粗硫酸镍中提取金属镍的试验，1954年生产出电解镍75kg，试验取得了成功。我国镍工业始于1957年，四川省会理的力马河镍矿的开采（尽管生产规模较小），填补了我国镍工业的空白，在当时缓和了我国“镍荒”。1958年，甘肃省地质局发现金川（即白家嘴子）镍矿。金川镍矿、磐石镍矿于1963年、1964年相继投产，这在很大程度中解决了我国对镍的需要。到了20世纪90年代，由于新疆喀拉通克镍矿、云南金平镍矿及吉林赤柏松镍矿的开发和投产，更使我国镍工业的发展上了一个新台阶。

我国镍铁生产始于20世纪60年代，是从利用由阿尔巴尼亚进口积存、长期未用的红土镍矿（化学成分见表1-5）开始的。经上海大学、吴江市东大铸造有限公司、原上钢一厂等单位共同努力，在小型高炉实际冶炼出含镍铬生铁并在一些不锈钢厂应用，效果良好。上海大学和原上钢一厂在255m3高炉上用澳大利亚铬铁矿进行了冶炼含铬生铁工业性试验，在此基础上又和吴江市东大铸造有限公司合作，在其158m3高炉上进行工业化生产。采用原料除阿尔巴尼亚红土镍矿外，还有不锈钢轧钢铁皮和提镍尾渣等，块矿直接入炉，粉矿在2台32m2烧结机上制成烧结矿后入炉。

采用阿尔巴尼亚红上矿，并配加8％～10％不锈钢轧钢铁皮冶炼时，所得含镍、铬生铁成分如表1-6。回收率为镍98.24％、铬94.31％，焦比为706kg/t镍铁。

由于镍铁产品成本低，而镍价格又不断飞涨，因而利用红土镍矿冶炼镍铁的工艺迅速得到推广，使得从印度尼西亚和菲律宾等地进口红土镍矿量不断增加。但是，随着红土镍矿的推广使用，矿石价格也逐渐上升。

2005年以来我国利用红土镍矿冶炼镍铁产业发展迅猛。早期借用原有炼铁小高炉（≤300m3）直接转产和转型的铁合金矿热炉（6300～12500kW）生产镍铁。高炉产能较大：高炉系数为1～2.5t/（m3·d），但含镍品位较低：Ni2％～8％，焦比高：650～1800kg/t。电炉镍铁品位较高：Ni10％～15％，但电耗高：约5000kW·h/t镍铁。

目前我国镍铁生产厂家在70家以上。以山东、江苏、内蒙古、广西、福建居多。其中山西、江苏、河南、广西、福建、山东等地以高炉厂家为主，同时电炉厂家虽少，但规模较大。而内蒙古、宁夏地区基本上均是电炉镍铁。2010年前，我国镍铁生产是以转型的小矿热炉和小高炉为主要。优点是投资少、转产快、企业多、供量大，但总的来说生产工艺落后、企业规模小、产品质量低、污染重、能耗高、不适应镍铁市场的激烈竞争，正面临未来几年遭淘汰的险境。作为工艺先进、技术成熟、大型现代化的RKEF工艺镍铁厂目前已出现。

目前中国镍铁生产处于大型矿热炉起步和高炉生产技术趋于成熟阶段。

①大型矿热炉起步阶段。a.大型回转窑取代土烧、烧结机、小回转窑等旧有设备，与大型矿热炉匹配。b.25.5～36MW大容量专用电炉取代铁合金小型矿热炉进入成熟期。c.物料预处理、回转窑焙烧还原、热料输送、专用电炉和精炼等技术得到应用。d.RKEF工艺实现，如赫氏技术的鼎信、达贡山中色镍业，乌克兰技术的中宝镍业。e.产品质量提高、能耗降低、污染减少。

②高炉生产技术趋于成熟。a.利用系数提高，焦比下降，硫、磷得到有效控制。b.成本控制能力较强，获得不锈钢母液的成本较低。c.450m3高炉镍铁水与AOD炉联合不锈钢冶炼工艺得到极大发展。

同时，我国镍铁冶炼管理、科技、生产操作队伍不断壮大；产、学、研，特别是黑色冶金（钢铁）工业的高炉炼铁技术、矿热炉熔炼铁合金技术及有色工业的炼镍和镍铁技术不断地融和，使得镍铁熔炼理论、实践得到了进一步深入发展。

未来镍铁生产的主流工艺应该是RKEF工艺。自20世纪50年代，人们开始采用RKEF方法使用红土镍矿冶炼镍铁。使用这种方法冶炼的产量在持续增长。依靠大功率矿热炉，目前单位产量所需要的成本已经大为降低，而且用更少的炉子就达到了预定产量。RKEF工厂的趋势是：由一个大喂料量回转窑和一台大电炉组成一条线，再由若干这样的生产线组成多条生产线。目前，世界的基准是一条RKEF生产线由高能喂料回转窑和80MW电炉组成的系统，每年能处理大约130万吨红土镍矿。有人提出一条由每小时处理干矿240t的回转窑和120MW组成的RKEF生产线，每年能处理200万吨干矿，如果矿的品质是2％，按收得率90％计，那么一条线每年生产36000t镍的镍铁。如果工厂建设一条复线，产能将达到72000t。在运用“遮弧”（shielded-arc）冶炼代替传统的电极浸入式（Immersed Electrode）操作（见图5-11）以及在电炉侧墙上安装水冷铜装置等措施基础上，上述设想是可以达到的。

1.1.2　镍的性质

镍是一种化学元素。化学符号Ni，原子序数28，相对原子质量58.69，位于元素周期表第4周期第ⅧB族中，是铁系元素组的最后一个元素，同时又与铜毗邻。由于其在元素周期表中的位置决定了镍及其化合物的一系列物理化学性质。一方面镍的许多物理性质与钴、铁相似；另一方面在亲氧和亲硫方面又接近于铜。

镍是银白色金属，熔点（1453±1）℃，沸点2732℃，密度8.90g/cm3，液体密度7.9g/cm3。有铁磁性和延展性，能导电和导热。

常温下，镍在潮湿空气中表面形成致密的氧化膜，不但能阻止继续被氧化，而且能耐碱、盐溶液的腐蚀。块状镍不会燃烧，细镍丝可燃，特制的细小多孔镍粒在空气中会自燃。加热时，镍与氧、硫、氯、溴发生剧烈反应。细粉末状的金属镍在加热时可吸收相当量的氢气。镍能缓慢地溶于稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸，但在发烟硝酸中表面钝化。

镍的主要化合物有4类，即镍的氧化物、硫化物、砷化物和羰基镍。镍的氧化物有3种：NiO、Ni3O4和Ni2O3；镍的硫化物有4种：NiS2、Ni6S5、Ni3S2和NiS；镍的砷化物有2种：NiAs和Ni3As2；羰基镍：Ni与CO生成的Ni（CO）4。

1.1.3　镍的用途

由于镍具有良好的机械强度和延展性，难熔耐高温，并具有很高的化学稳定性，在空气中不氧化等特征，因此是一种十分重要的有色金属原料，被用来制造不锈钢、高镍合金和合金结构钢，广泛用于飞机、雷达、导弹、坦克、舰艇、宇宙飞船、原子反应堆等各种军工制造业。在民用工业中，镍常制成结构钢、耐酸钢、耐热钢等大量用于各种机械制造业。镍还可作陶瓷颜料和防腐镀层，镍钴合金是一种永磁材料，广泛用于电子遥控、原子能工业和超声工艺等领域，在化学工业中，镍常用作氢化催化剂。

近年来，在彩色电视机、磁带录音机和其他通信器材等方面镍的用量也正在迅速增加。总之，由于镍具有优良性能，已成为发展现代航空工业、国防工业和建立人类高水平物质文化生活的重要战略元素。