專利名稱：從復合礦物中提取金屬的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及優(yōu)選使用玻璃化工藝，從金屬的天然礦物和精礦中提取這些金屬的方法和設備。
背景技術(shù)：
從金屬的天然礦物中提取金屬、然后處理這些金屬的工藝是公知的。這些工藝包括高溫還原熔煉、化學還原、酸浸出、重力分離、濕法冶金、火法冶金、火法/濕法冶金、浮選法、水解法以及電積法。例如，目前使用高溫高壓濃硫酸浸出工藝從紅土鎳礦中提取鎳和鈷。腐蝕性化學品的高成本、它們的物流以及安全性有時可能導致邊際效益以及環(huán)境可接受方面的問題。 這些工藝還需要設計和使用對于采礦業(yè)所要求的規(guī)模和實用性而言相對較新的設備。高壓釜配套設備需要非常高的資金成本，另外現(xiàn)有的商用提取系統(tǒng)所需的準備時間較長，也導致效率低下并需要大量的維護成本，這使得它們在商業(yè)上并不是優(yōu)選的。作為背景信息，如在美國專利6，沈1，527 (Arroyo等人，2001年7月17日)中所闡述的那樣，已知鎳和鈷在包含褐鐵礦和腐泥土礦的紅土中的儲備要遠遠大于迅速消耗的硫化物礦中的儲備。然而，用傳統(tǒng)技術(shù)處理紅土礦很困難。目前正在開發(fā)多種新的濕法冶金工藝，以從含鎳紅土礦中提取鎳和鈷。這些工藝中有許多都需要在高溫-270°C )和高壓(525-785psig)下用硫酸溶解礦物基質(zhì)，然后進行固液分離，并在環(huán)境溫度下中和殘余的游離酸。這被稱為“Moa Bay工藝”。在上述工藝中，在進行高溫高壓下的浸出步驟之前，首先將含鎳礦物制成固體含量為約40%的漿料。在加壓浸出過程中，大部分金屬溶解，并且通過水解為赤鐵礦和明礬而分別將鐵和鋁除去。在浸出后，將漿料冷卻，并用逆流傾析法洗滌，對固體進行尾礦處理。 中和過量的酸，并且加入珊瑚泥使剩余的鐵和鋁沉淀為氫氧化物。然后用硫化物沉淀法回收鎳和鈷。上述高壓酸浸(HPAL)工藝的變型在美國專利No. 4，044, 096中示例出。美國專利No. 3，804，613教導了這樣的方法，該方法通過用從高壓步驟中回收的浸出液對腐泥土進行預處理，從而在相對較低的酸/礦物比率下對腐泥土礦進行高壓酸浸。這種HPAL工藝適于處理包含40重量％或更高的鐵的高鐵礦物。鐵含量小于40重量％ 的紅土礦包含較高比例的鎂，這會消耗更高量的酸，因此經(jīng)濟上不適于直接高壓浸出。美國專利No. 3，991，159教導了使用腐泥土礦以中和從高壓酸浸褐鐵礦中產(chǎn)生的酸。為了有效除去鐵和鋁，在高溫(150°C -250°C )和高壓下對腐泥土成分進行浸出，但是腐泥土礦中鎳的提取率相對較低。在另一個工藝中，美國專利No. 4，097，575教導了在氧化條件下，在500°C _750°C 下焙燒腐泥土礦，以在接觸HPAL液之前提高腐泥土礦的酸中和能力。雖然現(xiàn)有技術(shù)的HPAL方法達到了較高的鎳和鈷的提取率，但它們需要使用昂貴的設備和精良的建筑材料，以承受在所需的高溫-300°C )、特別是高壓下濃酸的使用。此外，除去的鐵和鋁的一部分為氫氧化物的形式，它們難以處理。例如，美國專利No. 4，062，924記載了在溫度高達110°C、并存在硫化氫氣體的條件下在酸性介質(zhì)中對褐鐵礦進行浸出，以沉淀出溶解的鎳和鈷的方法。另外在該工藝中大部分溶解的鐵被還原為二價氧化態(tài)，這除了消耗較多的酸之外，還消耗了非常大量的還原氣體。美國專利 No. 4，065，542教導了相似的方法。在該工藝中，使用通過上述方法生成的亞鐵，以從含錳海結(jié)核(manganiferous sea nodule)中浸出有價值的金屬。美國專利No. 4，511，540示出了這樣的方法，該方法在低于液態(tài)溶液的沸點的溫度下，在二氧化硫氣體存在下通過用硫酸浸出，從而從具有含錳基質(zhì)的礦物中回收鎳和鈷。美國專利No. 3，793，432記載了在加入堿性鐵沉淀劑的同時，用pH值小于1. 5的硫酸對褐鐵礦進行浸出。該工藝在大氣壓下進行，但是為了有效地提取鎳、并使鐵沉淀，需要超過40小時的浸出時間(通常為60至100小時)。美國專利No. 4，410，498教導了在加入還原劑以保持氧化還原電勢介于400和 600mV之間的同時，在大氣壓下用硫酸對腐泥土礦進行浸出的方法。在另一個工藝中，如美國專利No. 5，571，308中所述，通過使腐泥土礦在室溫或 600C -80°C的溫度范圍內(nèi)與無機酸接觸而從腐泥土礦中浸出鎳和鈷。對于本領域的任何技術(shù)人員而言，從上述工藝描述中可以顯而易見的是，使用現(xiàn)有的紅土鎳礦酸浸技術(shù)，金屬回收效率仍然低于商業(yè)和理論預期。使用酸浸技術(shù)從礦物基質(zhì)中分離金屬或它們的離子時復雜的化學過程和機制是回收困難的核心所在。應當清楚地理解，如果本文引用了現(xiàn)有技術(shù)的公開文獻，則這種引用并不是承認該公開文獻在澳大利亞或任何其他國家構(gòu)成本領域的公知常識的一部分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及從復合礦物中提取金屬的方法，該方法可以至少部分地克服上述缺點中的至少一個缺點，或為消費者提供可用的或商業(yè)上的選擇。鑒于上述情況，本發(fā)明的一個形式從廣義上說涉及從礦物中提取金屬的方法，該方法包括下列步驟1.在存在合適的助熔劑材料以降低包含目標金屬的混合物的熔融溫度的條件下， 在加熱的處理容器中在用于形成均勻熔體的最低溫度下使所述包含目標金屬的混合物熔融，以制備熔融的離子基質(zhì)(ionic matrix)；以及2.冷卻該基質(zhì)。通常將該基質(zhì)快速冷卻以保留基質(zhì)在吸濕性以及無定形這兩方面的目標性質(zhì)。可以通過空氣冷卻，或使用水、鹽溶液或超鹽度地下水進行流體淬火來實施該快速冷卻工藝。根據(jù)可供選用的其它實施方案，本發(fā)明涉及從包含目標金屬的混合物中提取目標金屬的方法，包括下列步驟1.在存在合適的助熔劑材料的條件下，在加熱的處理容器中在用于形成均勻的熔融的離子基質(zhì)的最低溫度下使包含目標金屬的混合物熔融，以制備熔融的離子基質(zhì)，其中所述均勻的熔融的離子基質(zhì)至少包含目標金屬；以及2.冷卻該基質(zhì)。優(yōu)選的是，二氧化硅存在于熔融的離子基質(zhì)中(通常以硅酸鹽形式存在)，并且該二氧化硅的含量為總量的約30質(zhì)量％。如果由于包含目標金屬的混合物或合適的助熔劑材料的組成導致不存在二氧化硅，則(例如)可以通過添加硅砂而加入二氧化硅。本說明書以及以上內(nèi)容所具體描述的本發(fā)明總體上具有以下鮮明的優(yōu)點其能夠處理所有礦物系列的紅土鎳，這是傳統(tǒng)工藝(例如Caron和HPAL工藝)所不能實現(xiàn)的。根據(jù)可供選用的其它實施方案，本發(fā)明涉及通過形成熔融的離子基質(zhì)，而從包含目標金屬的混合物中提取目標金屬的裝置，該裝置包括加熱但不加壓的處理容器、以及相聯(lián)的冷卻組件，該容器用于在存在合適的助熔劑材料(包含玻璃形成性二氧化硅)以降低包含目標金屬的混合物的熔融溫度的條件下，在最低溫度下使該包含目標金屬的混合物熔融，以形成至少包含目標金屬的均勻的熔融的離子基質(zhì)；所述相聯(lián)的冷卻組件適合于冷卻該熔融的離子基質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的特別優(yōu)選的實施方案，將處理原材料(包括含有至少一種目標金屬或金屬化合物的所述天然礦體)與助熔劑混合，以促進熔融，從而形成流體狀“玻璃”體。對所述熔融的“玻璃”進一步加熱和/或給予充足的停留時間，以基本上同化所述的目標金屬化合物，并破壞所存在的礦物鍵或使之斷裂。于是，目標金屬的離子和/或膠體形式有效地溶于所述熔融玻璃體中。在新的“玻璃”制劑中的其他組分將控制從天然礦體引入的金屬或其他離子中的任何一種或多種的作用。所述的其他組分促使有特定的金屬離子可供用作網(wǎng)絡擴展劑(network extender)或網(wǎng)絡改性劑。通常，冷卻工藝“鎖定”離子基質(zhì)的形式，在該形式中，目標金屬已從不太期望的材料中釋放出來。通過作為助熔/熔化/停留工藝的一部分而控制該基質(zhì)的配置，隨后可以通過下游工藝(包括溶劑和/或電解處理)從“玻璃”體或固化體中回收特定的目標金屬離子。其他下游工藝可以包括離子交換工藝步驟。本發(fā)明的目的是制備均勻的熔體，其中礦物中的二氧化硅和加入的助熔劑(通常為NaOH或Na2CO3)相結(jié)合，從而根據(jù)下列方程式產(chǎn)生可溶的水玻璃2Na0H+Si02 — N￡i2Si03+H20 (或在一些文獻中表示為 Nei2O · SiO2.)該水玻璃是將熔爐中的包含目標金屬的材料完全溶解的最強的試劑，從而使得目標金屬在熔融時轉(zhuǎn)化成無定形的可溶性混合物或玻璃。淬火后的產(chǎn)品保持為無定形， 但重要的是其為吸濕性的。這種材料優(yōu)選在水淬時快速瓦解，變成沒有一定形狀的淤漿 (formless sludge)0通常將助熔劑加入到處理容器中，然后將其加熱以形成熔融的助熔劑池(flux pool)，并將包含目標金屬的混合物逐步地加入到熔融的助熔劑池中。二氧化硅、硼、砷和磷示例出玻璃網(wǎng)絡形成劑的主要特點。例如，在基于二氧化硅的網(wǎng)絡中，每個氧原子由兩個硅原子共有，并且每個硅原子位于四個氧原子之間，從而形成復合三維網(wǎng)絡。在這種形式下，所得的玻璃(100%熔融石英)是無定形的，并且結(jié)構(gòu)上非常堅固。可以向基于二氧化硅的網(wǎng)絡中引入氧化物形式的網(wǎng)絡改性劑(例如金屬離子)。 這些金屬離子通常占據(jù)由硅-氧三維網(wǎng)絡限定的開放空間，由此金屬離子傾向于去除/替換該網(wǎng)絡中的至少一個硅-氧鍵。此外，在金屬離子和網(wǎng)絡氧原子之間的鍵是不定向的，從而產(chǎn)生較弱且粘性較小的結(jié)構(gòu)?？梢詫⒔饘匐x子以鹽的形式加入到玻璃坯料中，所述鹽例如為碳酸鈉、碳酸鈣、磷酸鈣、碳酸鎂、碳酸鋅、氧化鎳、碳酸鉀、氧化鋁等。這些組分可以來源于天然化合物，例如鎂和鈣以白云石的形式加入，鉀和鋁以長石的形式加入，氟以及鈉和鋁以冰晶石的形式加入， 鈉以天然堿以及霞石巖正長巖的形式加入。應當闡明的是，根據(jù)本發(fā)明，上述來自天然材料、礦物和/或精礦的金屬化合物被熔融，并以離子形式基本上被同化到一系列的暫時至少部分玻璃化的結(jié)構(gòu)中。礦物的組成通常取決于目標金屬和/或包含目標金屬的混合物原料，并且助熔劑材料的組成也類似地取決于目標金屬和/或包含目標金屬的混合物原料。特別優(yōu)選的助熔劑為碳酸鈉和/或苛性鈉。助熔劑材料的組成可以為或包括(但不限于)天然化合物，以用于紅土鎳為例，所述天然化合物的組成范圍如下所示
鎳0.4-3.0%鈷0.04-1.6%鋁0.5-6.00%鎂0.4-48.0%二氧化硅8.0-60.0%鈣0.01-1.5%鉻0.2-3.0%鐵8.0-55.0%錳0.05-10.0%鋅0.05-0.1%銅0.05-0.1%用于紅土鎳的助熔劑材料的其他優(yōu)選組成可以是
鎳0.6-4.0%
鋁0.5-18%
鎂0.4-38%
二氧化硅1.3-55%
鈣0.01-50%
鉻0.2%-3.0%
鐵8.0-85%
錳0.12-1.5%通常，金屬以氧化物或硅酸鹽的形式存在，例如鋁以氧化鋁/硅酸鋁的形式存在， 鎂以氧化鎂/硅酸鎂的形式存在，鈣以氧化鈣/硅酸鈣的形式存在，鉻以氧化鉻/硅酸鉻的形式存在，鐵以氧化鐵或氧化亞鐵/硅酸鐵或硅酸亞鐵的形式存在，錳以氧化錳/硅酸錳的形式存在。當?shù)V物是紅土時，尤其是這種情況。
表 權(quán)利要求
1.一種從礦物或精礦中提取金屬的方法，包括下列步驟在存在合適的助熔劑材料以降低包含目標金屬的混合物的熔融溫度的條件下，在加熱的處理容器中在用于形成均勻熔體的最低溫度下使所述包含目標金屬的混合物熔融，以制備熔融的離子基質(zhì)，其中該熔融的離子基質(zhì)主要為無定形的并且為吸濕性的；以及冷卻所述基質(zhì)。
2.一種從包含目標金屬的混合物中提取目標金屬的方法，包括下列步驟在存在合適的助熔劑材料以降低包含目標金屬的混合物的熔融溫度的條件下，在加熱的處理容器中在用于形成均勻熔體的最低溫度下使所述包含目標金屬的混合物熔融，以制備熔融的離子基質(zhì)，其中所述均勻熔體至少包含所述目標金屬和二氧化硅；以及冷卻所述基質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中所述熔融的離子基質(zhì)中存在有二氧化硅，并且該二氧化硅的含量為總量的約30質(zhì)量％。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中如果由于所述包含目標金屬的混合物或合適的助熔劑材料的組成而導致不存在二氧化硅，則將二氧化硅添加到所述熔融的離子基質(zhì)中。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述熔融的離子基質(zhì)為無定形的可溶性混合物。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中將所述助熔劑加入到處理容器中，然后加熱以形成熔融的助熔劑池，并將所述包含目標金屬的混合物逐步地加入到所述熔融的助熔劑池中。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中助熔劑與包含目標金屬的材料的比值介于約1 0.5的下限和1 3的上限之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中助熔劑與包含目標金屬的材料的最佳比值為約 1 I0
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，還包括對所述熔融的離子基質(zhì)進行電積的步驟。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，還包括在淬火流體中對所述熔融的離子基質(zhì)進行淬火的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述流體為氣體。
12.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，還包括對所述淬火流體進行電積的步驟。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，還包括采用強制沉淀機制回收所述目標金屬的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括使用(X)2將所述助熔劑材料再生的步驟，其中所述(X)2是由用于加熱所述加熱的處理容器的燃燒過程產(chǎn)生的。
15.一種用于從包含目標金屬的混合物中提取目標金屬的裝置，所述裝置包括加熱的處理容器，該處理容器用于在存在合適的助熔劑材料以降低包含目標金屬的混合物的熔融溫度的條件下，在用以形成均勻的熔融的離子基質(zhì)的最低溫度下，使所述包含目標金屬的混合物熔融，其中所述均勻的熔融的離子基質(zhì)至少包含所述目標金屬；以及相聯(lián)的冷卻組件，其適合于冷卻所述均勻的熔融的離子基質(zhì)。
16.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述加熱的處理容器還設置有一個或多個電極。
17.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述一個或多個電極通有AC電流，以增加所述熔融的離子基質(zhì)的熱量。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述一個或多個電極通有DC電流。
19.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項所述的裝置，其中所述的一個或多個電極能夠在所述加熱的處理容器中移動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種從礦物或精礦中提取金屬的方法，包括下列步驟在存在合適的助熔劑材料以降低包含目標金屬的混合物的熔融溫度的條件下，在加熱的處理容器中在用于形成均勻熔體的最低溫度下使所述包含目標金屬的混合物熔融，以制備熔融的離子基質(zhì)，其中該熔融的離子基質(zhì)主要為無定形的并且為吸濕性的；以及冷卻所述基質(zhì)。
文檔編號C22B9/10GK102165078SQ200980137607
公開日2011年8月24日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月24日
發(fā)明者亞歷山大·弗呂格爾, 布魯斯·弗農(nóng)·麥克杜格爾, 雷蒙德·彼得·甘農(nóng) 申請人:美特奎斯特研究印度私人有限公司