1.1　鎳的發現、性質及主要用途

1.1.1　鎳的發現和鎳業發展

鎳作為金屬發現之前，含鎳合金就被應用了，使用鎳的時間可追溯到公元前300年左右。古代埃及和古代中國都曾用含鎳很高的隕鐵作器物，我國公元前206年以前就已掌握了冶煉白銅（即銅鎳鋅合金，含Cu52％～80％，Ni5％～35％，Zn10％～35％）的技術。公元前200年在西南亞古國巴克特利亞，就已經通用了一種銅鎳合金制成的硬幣（含約77％銅、約20％鎳、1％鈷、1.5％鐵）。德國于1825年、美國于1857年、比利時于1860年也制成了銅鎳硬幣。

鎳作為合金雖然早已為人們所利用，但是鎳的發現距今僅200多年。1751年，瑞典礦物學家A.F.克朗斯塔特（A.F.Cronstedt）首先制得了不純的金屬鎳，他把這種新發現的元素叫做鎳，但25年后這個發現才被證實，直到1804年里希特發展出了一種可提取出純金屬鎳的方法。鎳的工業發展很慢。1840～1845年間，全世界每年僅生產鎳約100t。1863年法國加尼埃首次在新喀里多尼亞發現含鎳7％～8％的氧化鎳礦（硅鎂鎳礦），用加尼埃的名字命名。1875年開始開采，由于當地燃料、熔劑缺乏，勞力不足，礦石送往法國、德國冶煉，是世界上最早用鼓風爐煉鎳的礦石。加尼埃將礦石加石膏和煤進行還原冶煉，還原后得到鎳锍，從而使原礦中的少量鎳得到了富集。在燒掉了硫之后，將得到的氧化鎳在固態用碳還原。1856年A.P.薩爾得在加拿大定子午線時發現在薩德伯里地區羅盤讀數偏斜，隨后，據此在附近檢查，從鐵帽上（即克里斯頓礦體頂盤）采樣分析發現含Ni1％、Cu2％的礦石，但因交通不便，未引起注意，至1883年才開展工作，于1886年發現克里斯頓礦床，從而發現了世界聞名的薩德伯里超大型銅鎳硫化物礦床，1901年露采出礦。從此世界鎳的冶煉原料由氧化鎳轉向硫化鎳。

在19世紀70～80年代，由于帕克斯、馬博和賴利伊在用鎳作為鋼的添加劑的研究方面獲得了成果，弗萊特曼在鍛造鎳方面取得了進步，鍍鎳工藝在亞當工作的基礎上得到了發展，使得鎳的需求量急劇增長。1885年法國和英國制造了第一批含鎳裝甲板，1889年美國海軍規定用鎳鋼制作裝甲板，直到1920年之前鎳幾乎僅僅用于軍事目的。

1890年左右，英國發展了郎格爾-蒙德的羰基法制鎳工藝。19世紀末20世紀初，電解含鎳溶液的方法出現了，發展出了許賓尼特隔膜電解槽法。

20世紀50年代出現用硅鐵部分還原氧化礦生產鎳鐵的方法。

20世紀50年代初期，鎳鐵冶煉得到了廣泛的普及。新喀里多尼亞礦優質的化學和礦物成分、工藝的簡易促進了鎳鐵冶煉在法國多尼安博工廠和日本的遠東工廠、希臘、巴西以及其他國家工廠的快速開發和運用。富含鎳的原礦石促進了國外鎳鐵生產的快速發展。依次經過脫硅、脫鉻、脫碳、脫硫和脫磷，富含鎳鐵的這類礦石通過電爐冶煉，確保得到鎳含量高于20％的成品。

蘇聯十月革命后，因尋找勘探烏拉爾山脈鎳礦的需要，烏法列集團應運而生，在其基礎上于1933年成立了第一家國有鎳廠。在烏拉爾中南部及烏克蘭進行的鎳礦尋找與勘探工作為列什鎳廠（1936年）、“南烏拉爾鎳”（1938年）以及帕布什鎳廠（1972年）的建設與運行創造了條件。這些企業的成功生產以及礦產的足夠儲備讓人們有理由認為，紅土鎳礦在未來將以更大的強度進入材料生產的范疇。20世紀80年代紅土鎳礦冶煉成鎳鐵的工業加工，不僅在俄羅斯進行，而且在新喀里多尼亞、日本、希臘、巴西、多米尼加共和國、美國進行。

我國古代已大量生產并使用了“白銅”——鋅鎳銅合金，但新中國成立前沒有鎳冶煉工業。我國鎳工業起步于1953年。在金川鎳礦被發現之前，中國一直被外國認為是“貧鎳國”，一些國家也趁機對我國實行鎳封鎖，以此制約我國現代工業的發展。1953年，上海冶煉廠成功地用直火蒸發法從銅電解廢液中制得粗硫酸鎳，接著又進行了從粗硫酸鎳中提取金屬鎳的試驗，1954年生產出電解鎳75kg，試驗取得了成功。我國鎳工業始于1957年，四川省會理的力馬河鎳礦的開采（盡管生產規模較小），填補了我國鎳工業的空白，在當時緩和了我國“鎳荒”。1958年，甘肅省地質局發現金川（即白家嘴子）鎳礦。金川鎳礦、磐石鎳礦于1963年、1964年相繼投產，這在很大程度中解決了我國對鎳的需要。到了20世紀90年代，由于新疆喀拉通克鎳礦、云南金平鎳礦及吉林赤柏松鎳礦的開發和投產，更使我國鎳工業的發展上了一個新臺階。

我國鎳鐵生產始于20世紀60年代，是從利用由阿爾巴尼亞進口積存、長期未用的紅土鎳礦（化學成分見表1-5）開始的。經上海大學、吳江市東大鑄造有限公司、原上鋼一廠等單位共同努力，在小型高爐實際冶煉出含鎳鉻生鐵并在一些不銹鋼廠應用，效果良好。上海大學和原上鋼一廠在255m3高爐上用澳大利亞鉻鐵礦進行了冶煉含鉻生鐵工業性試驗，在此基礎上又和吳江市東大鑄造有限公司合作，在其158m3高爐上進行工業化生產。采用原料除阿爾巴尼亞紅土鎳礦外，還有不銹鋼軋鋼鐵皮和提鎳尾渣等，塊礦直接入爐，粉礦在2臺32m2燒結機上制成燒結礦后入爐。

采用阿爾巴尼亞紅上礦，并配加8％～10％不銹鋼軋鋼鐵皮冶煉時，所得含鎳、鉻生鐵成分如表1-6。回收率為鎳98.24％、鉻94.31％，焦比為706kg/t鎳鐵。

由于鎳鐵產品成本低，而鎳價格又不斷飛漲，因而利用紅土鎳礦冶煉鎳鐵的工藝迅速得到推廣，使得從印度尼西亞和菲律賓等地進口紅土鎳礦量不斷增加。但是，隨著紅土鎳礦的推廣使用，礦石價格也逐漸上升。

2005年以來我國利用紅土鎳礦冶煉鎳鐵產業發展迅猛。早期借用原有煉鐵小高爐（≤300m3）直接轉產和轉型的鐵合金礦熱爐（6300～12500kW）生產鎳鐵。高爐產能較大：高爐系數為1～2.5t/（m3·d），但含鎳品位較低：Ni2％～8％，焦比高：650～1800kg/t。電爐鎳鐵品位較高：Ni10％～15％，但電耗高：約5000kW·h/t鎳鐵。

目前我國鎳鐵生產廠家在70家以上。以山東、江蘇、內蒙古、廣西、福建居多。其中山西、江蘇、河南、廣西、福建、山東等地以高爐廠家為主，同時電爐廠家雖少，但規模較大。而內蒙古、寧夏地區基本上均是電爐鎳鐵。2010年前，我國鎳鐵生產是以轉型的小礦熱爐和小高爐為主要。優點是投資少、轉產快、企業多、供量大，但總的來說生產工藝落后、企業規模小、產品質量低、污染重、能耗高、不適應鎳鐵市場的激烈競爭，正面臨未來幾年遭淘汰的險境。作為工藝先進、技術成熟、大型現代化的RKEF工藝鎳鐵廠目前已出現。

目前中國鎳鐵生產處于大型礦熱爐起步和高爐生產技術趨于成熟階段。

①大型礦熱爐起步階段。a.大型回轉窯取代土燒、燒結機、小回轉窯等舊有設備，與大型礦熱爐匹配。b.25.5～36MW大容量專用電爐取代鐵合金小型礦熱爐進入成熟期。c.物料預處理、回轉窯焙燒還原、熱料輸送、專用電爐和精煉等技術得到應用。d.RKEF工藝實現，如赫氏技術的鼎信、達貢山中色鎳業，烏克蘭技術的中寶鎳業。e.產品質量提高、能耗降低、污染減少。

②高爐生產技術趨于成熟。a.利用系數提高，焦比下降，硫、磷得到有效控制。b.成本控制能力較強，獲得不銹鋼母液的成本較低。c.450m3高爐鎳鐵水與AOD爐聯合不銹鋼冶煉工藝得到極大發展。

同時，我國鎳鐵冶煉管理、科技、生產操作隊伍不斷壯大；產、學、研，特別是黑色冶金（鋼鐵）工業的高爐煉鐵技術、礦熱爐熔煉鐵合金技術及有色工業的煉鎳和鎳鐵技術不斷地融和，使得鎳鐵熔煉理論、實踐得到了進一步深入發展。

未來鎳鐵生產的主流工藝應該是RKEF工藝。自20世紀50年代，人們開始采用RKEF方法使用紅土鎳礦冶煉鎳鐵。使用這種方法冶煉的產量在持續增長。依靠大功率礦熱爐，目前單位產量所需要的成本已經大為降低，而且用更少的爐子就達到了預定產量。RKEF工廠的趨勢是：由一個大喂料量回轉窯和一臺大電爐組成一條線，再由若干這樣的生產線組成多條生產線。目前，世界的基準是一條RKEF生產線由高能喂料回轉窯和80MW電爐組成的系統，每年能處理大約130萬噸紅土鎳礦。有人提出一條由每小時處理干礦240t的回轉窯和120MW組成的RKEF生產線，每年能處理200萬噸干礦，如果礦的品質是2％，按收得率90％計，那么一條線每年生產36000t鎳的鎳鐵。如果工廠建設一條復線，產能將達到72000t。在運用“遮弧”（shielded-arc）冶煉代替傳統的電極浸入式（Immersed Electrode）操作（見圖5-11）以及在電爐側墻上安裝水冷銅裝置等措施基礎上，上述設想是可以達到的。

1.1.2　鎳的性質

鎳是一種化學元素。化學符號Ni，原子序數28，相對原子質量58.69，位于元素周期表第4周期第ⅧB族中，是鐵系元素組的最后一個元素，同時又與銅毗鄰。由于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性質。一方面鎳的許多物理性質與鈷、鐵相似；另一方面在親氧和親硫方面又接近于銅。

鎳是銀白色金屬，熔點（1453±1）℃，沸點2732℃，密度8.90g/cm3，液體密度7.9g/cm3。有鐵磁性和延展性，能導電和導熱。

常溫下，鎳在潮濕空氣中表面形成致密的氧化膜，不但能阻止繼續被氧化，而且能耐堿、鹽溶液的腐蝕。塊狀鎳不會燃燒，細鎳絲可燃，特制的細小多孔鎳粒在空氣中會自燃。加熱時，鎳與氧、硫、氯、溴發生劇烈反應。細粉末狀的金屬鎳在加熱時可吸收相當量的氫氣。鎳能緩慢地溶于稀鹽酸、稀硫酸、稀硝酸，但在發煙硝酸中表面鈍化。

鎳的主要化合物有4類，即鎳的氧化物、硫化物、砷化物和羰基鎳。鎳的氧化物有3種：NiO、Ni3O4和Ni2O3；鎳的硫化物有4種：NiS2、Ni6S5、Ni3S2和NiS；鎳的砷化物有2種：NiAs和Ni3As2；羰基鎳：Ni與CO生成的Ni（CO）4。

1.1.3　鎳的用途

由于鎳具有良好的機械強度和延展性，難熔耐高溫，并具有很高的化學穩定性，在空氣中不氧化等特征，因此是一種十分重要的有色金屬原料，被用來制造不銹鋼、高鎳合金和合金結構鋼，廣泛用于飛機、雷達、導彈、坦克、艦艇、宇宙飛船、原子反應堆等各種軍工制造業。在民用工業中，鎳常制成結構鋼、耐酸鋼、耐熱鋼等大量用于各種機械制造業。鎳還可作陶瓷顏料和防腐鍍層，鎳鈷合金是一種永磁材料，廣泛用于電子遙控、原子能工業和超聲工藝等領域，在化學工業中，鎳常用作氫化催化劑。

近年來，在彩色電視機、磁帶錄音機和其他通信器材等方面鎳的用量也正在迅速增加。總之，由于鎳具有優良性能，已成為發展現代航空工業、國防工業和建立人類高水平物質文化生活的重要戰略元素。