權(quán)利要求

1.利用偏析結(jié)晶法從含鈷合金中分離鈷的裝置，包括分離包(2)，其特征在于，所述分離包(2)頂部設(shè)有保溫包蓋(1)，分離包(2)中部設(shè)有振動器(3)，分離包(2)下方設(shè)有電磁攪拌器(4)，分離包(2)底部設(shè)有包底加熱器(5)，分離包(2)底部放置在包底水冷裝置(6)上，包底水冷裝置(6)下方設(shè)置有電磁鐵(7)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用偏析結(jié)晶法從含鈷合金中分離鈷的裝置，其特征在于：所述分離包(2)為倒錐體結(jié)構(gòu)，錐體下表面積與上表面面積之比為1：5-100。 

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用偏析結(jié)晶法從含鈷合金中分離鈷的裝置，其特征在于：所述分離包(2)外設(shè)置有固定支架(8)。 

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用偏析結(jié)晶法從含鈷合金中分離鈷的裝置，其特征在于：所述分離包(2)包括包耳(201)和包耳內(nèi)設(shè)置的包體(202)，所述包體(202)內(nèi)安裝包身水冷系統(tǒng)(203)，包體(202)外部設(shè)有包身控溫加熱器(204)。 

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用偏析結(jié)晶法從含鈷合金中分離鈷的裝置，其特征在于：所述包體(202)上設(shè)有若干排液口(205)。 

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用偏析結(jié)晶法從含鈷合金中分離鈷的裝置，其特征在于：所述包體(202)由鋼制外殼和鋼制外殼內(nèi)部砌筑的耐火材料構(gòu)成。 

7.采用如權(quán)利要求1-6任一項所述裝置從含鈷合金中分離鈷的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟： 1)利用含鈷合金中各元素的居里點溫度不同和結(jié)晶偏析的原理，將含鈷合金在熔融熱態(tài)下放入所述分離鈷的裝置的分離包(2)內(nèi)通過所述振動器(3)進行振動均質(zhì)化、靜置凈化去渣； 2)打開包身水冷系統(tǒng)(203)，使得分離包(2)內(nèi)的合金溫度控制在1300-1320℃； 3)通過包身控溫加熱器(204)使得液態(tài)含鈷合金在其結(jié)晶點溫度+100℃范圍內(nèi)； 4)打開電磁攪拌器(4)，并均勻地向分離包(2)內(nèi)加入鈷晶誘晶劑并逐步降溫，使得液態(tài)合金內(nèi)逐漸產(chǎn)生鈷的偏析結(jié)晶晶核，晶核在電磁攪拌器(4)的作用下碰撞外部增加了磁場的分離包底部； 5)打開包底水冷裝置(6)，再通過包底加熱器(5)配合，在分離包(2)底部進一步控溫使得底部液態(tài)合金溫度在鈷的居里點1150℃±50℃范圍內(nèi)，進一步促使晶核長大； 6)打開電磁鐵(7)，大的晶核受到分離鈷的裝置底部電磁鐵(7)的磁力吸附，使得鈷晶核被磁力吸附在分離鈷的裝置底部富集并被冷卻凝固，而在步驟(4)的溫度下無磁的非鈷合金繼續(xù)被攪拌到分離包上部通過上方排出口排出，分離包底部富鈷合金在包底加熱器(5)的加熱下熔融，通過最下面的排出口排出，完成合金中鈷的分離。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及冶金技術(shù)領(lǐng)域，更具體的是涉及一種利用偏析結(jié)晶法從含鈷合金中分離鈷的裝置及方法，特別適用于從利用紅土鎳礦火法冶煉的含鈷合金產(chǎn)品和含鈷電池金屬廢料中富集分離鈷。

背景技術(shù)

鎳和鈷都是國家戰(zhàn)略資源，都是新能源電池的核心原料之一。目前我國的鎳產(chǎn)品大多采用紅土鎳礦冶煉生產(chǎn)鎳鐵合金，典型的工藝是采用回轉(zhuǎn)窯+電爐的RKEF(Rotarykiln electric furnace)技術(shù)來冶煉高品位紅土鎳礦(干基原礦中Ni>1.3wt％)，同時一些工廠采用小型高爐冶煉低品位紅土鎳礦(干基原礦中Ni<1.2wt％)。常見紅土鎳礦原礦成分中含有0.01-0.1wt％的鈷元素，導致其冶煉產(chǎn)品中含有0.05-1.0wt％的鈷元素。

無論是RKEF工藝還是高爐工藝，其產(chǎn)品90％以上用作不銹鋼原料：例如RKEF工藝生產(chǎn)的合金產(chǎn)品用來生產(chǎn)300系不銹鋼(常見產(chǎn)品含鎳約8-12％)，而高爐產(chǎn)品則用來生產(chǎn)200系不銹鋼(常見產(chǎn)品含鎳約1-2％)。

由于此類含鈷合金中鐵鈷鎳性質(zhì)相似，目前受技術(shù)和經(jīng)濟性限制，在此類含鈷合金中無法分離出鈷，下游工序直接將合金中的鈷帶入了不銹鋼中。

而在不銹鋼中，過量的鈷是有害的，其主要是兩個方面的影響：第一，鈷含量超過0.2wt％的不銹鋼在下游加工變形抗力較大，不易加工且焊接性能下降，例如某些核電中不銹鋼焊材要求鈷含量小于0.20wt％；第二，當不銹鋼中鈷的含量大于0.3wt％時，其點蝕速率增加明顯，說明鈷可以降低不銹鋼的耐點蝕性能。

同時，含鈷的電池回收中也遇到分離回收難的問題。例如鎳鈷錳三元鋰離子電池正極材料三元材料的分離回收往往采用濕法，造成大量的廢液和廢渣。

我國鈷資源貧乏，目前大多原生鈷資源主要從硫化鎳礦和剛果金的銅鎳伴生礦中采用濕法工藝提取鈷。

2020年鈷的平均價約為45萬人民幣/噸，是較為貴重的金屬資源，從紅土鎳礦冶煉的合金中提煉鈷有很重要的戰(zhàn)略和經(jīng)濟意義。除了昂貴而又產(chǎn)生很多廢渣廢水的濕法工藝技術(shù)外，需要一種簡單而又環(huán)保低碳的裝備和方法，將含鈷合金產(chǎn)品中的鈷富集分離出來，減少紅土鎳礦火法冶煉產(chǎn)品中的鈷的浪費，避免對下游不銹鋼造成鈷的危害。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種利用偏析結(jié)晶法從含鈷合金中分離鈷的裝置及方法，以解決背景技術(shù)中提出的問題。

本發(fā)明為了實現(xiàn)上述目的具體采用以下技術(shù)方案：

一種利用偏析結(jié)晶法從含鈷合金中分離鈷的裝置，包括分離包2，所述分離包2頂部設(shè)有保溫包蓋1，分離包2中部設(shè)有振動器3，分離包2下方設(shè)有電磁攪拌器4，分離包2底部設(shè)有包底加熱器5，分離包2底部放置在包底水冷裝置6上，包底水冷裝置6下方設(shè)置有電磁鐵7。

所述分離包2為倒錐體結(jié)構(gòu)，錐體下表面積與上表面面積之比為1：5-100。

所述分離包2外設(shè)置有固定支架8。

所述分離包2包括包耳201和包耳內(nèi)設(shè)置的包體202，所述包體202內(nèi)安裝包身水冷系統(tǒng)203，包體202外部設(shè)有包身控溫加熱器204。

所述包體202上設(shè)有若干排液口205。

所述包體202由鋼制外殼和鋼制外殼內(nèi)部砌筑的耐火材料構(gòu)成。

一種利用偏析結(jié)晶法從含鈷合金中分離鈷的方法，包括以下步驟：

1)利用含鈷合金中各元素的居里點溫度不同和結(jié)晶偏析的原理，將含鈷合金在熔融熱態(tài)下放入所述分離鈷的裝置的分離包2內(nèi)通過所述振動器3進行振動均質(zhì)化、靜置凈化去渣；

2)打開包身水冷系統(tǒng)203，使得分離包2內(nèi)的合金溫度控制在1300-1320℃；

3)通過包身控溫加熱器204使得液態(tài)含鈷合金在其結(jié)晶點溫度+100℃范圍內(nèi)；

4)打開電磁攪拌器4，并均勻地向分離包2內(nèi)加入鈷晶誘晶劑并逐步降溫，使得液態(tài)合金內(nèi)逐漸產(chǎn)生鈷的偏析結(jié)晶晶核，晶核在電磁攪拌器4的作用下碰撞外部增加了磁場的分離包底部；

5)打開包底水冷裝置6，再通過包底加熱器5配合，在分離包2底部進一步控溫使得底部液態(tài)合金溫度在鈷的居里點1150℃±50℃范圍內(nèi)，進一步促使晶核長大；

6)打開電磁鐵7，大的晶核受到分離鈷的裝置底部電磁鐵7的磁力吸附，使得鈷晶核被磁力吸附在分離鈷的裝置底部富集并被冷卻凝固，而在步驟4的溫度下無磁的非鈷合金繼續(xù)被攪拌到分離包上部通過上方排出口排出，分離包底部富鈷合金在包底加熱器5的加熱下熔融，通過最下面的排出口排出，完成合金中鈷的分離。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明裝置簡單、占地面積小、投資??；可以直接在鎳鐵冶煉車間內(nèi)設(shè)置此發(fā)明設(shè)計的裝置來生產(chǎn)，大大節(jié)約了投資成本；

2.本發(fā)明利用高爐或礦熱爐冶煉紅土鎳礦完成后，排出的熔融狀態(tài)的含鈷液態(tài)合金，節(jié)約了能源，無需再熔化加熱；

3.本發(fā)明同時運用多種無重大污染物產(chǎn)生的冶金原理，非平衡凝固、不平衡結(jié)晶、控溫偏析、磁吸富集，全過程無重大污染物質(zhì)產(chǎn)生，環(huán)保低碳，為鈷資源的獲取開辟了一種新的工藝方法；

4.本發(fā)明有效解決了利用紅土鎳礦冶煉產(chǎn)品來冶煉不銹鋼中鈷超標的問題，優(yōu)化了下游生產(chǎn)不銹鋼的性能，解決了不銹鋼中鈷超標帶來的點蝕問題，變害為寶；

5.本發(fā)明可配合三元電池正極材料廢料提鋰的工藝技術(shù)，承接其提鋰工序完成后的含鈷固廢金屬，將三元電池正極材料內(nèi)最貴的鋰(2021年11月鋰平均價約115萬/噸金屬鋰)和鈷(2021年11月鈷平均價約45萬/噸金屬鈷)按序提取出來，將剩下的錳和鎳作為特鋼材料添加劑直接外銷，其經(jīng)濟性和環(huán)保性大大加強。

附圖說明

圖1為本發(fā)明分離鈷的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明從紅土鎳礦生產(chǎn)含鈷合金中分離鈷的工藝流程圖；

圖3為本發(fā)明從含鈷電池金屬廢料中富集分離鈷的工藝流程圖；

圖4為本發(fā)明偏析結(jié)晶過程中電磁攪拌示意圖；

圖5為本發(fā)明鐵鈷鎳合金偏析結(jié)晶完成后分離包內(nèi)物相組份示意圖；

圖中所示：保溫包蓋1；分離包2；振動器3；電磁攪拌器4；包底加熱器5；包底水冷裝置6；電磁鐵7；固定支架8；包耳201；包體202；包身水冷系統(tǒng)203；包身控溫加熱器204；排液口205。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計。

因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明提供一種利用偏析結(jié)晶法從含鈷合金中分離鈷的裝置，如圖1-5，包括分離包2，所述分離包2頂部設(shè)有保溫包蓋1，分離包2中部設(shè)有振動器3，分離包2下方設(shè)有電磁攪拌器4，分離包2底部設(shè)有包底加熱器5，分離包2底部放置在包底水冷裝置6上，包底水冷裝置6下方設(shè)置有電磁鐵7。所述分離包2外設(shè)置有固定支架8。

所述分離包2包括包耳201和包耳內(nèi)設(shè)置的包體202，所述包體202內(nèi)安裝包身水冷系統(tǒng)203，包體202外部設(shè)有包身控溫加熱器204。包體202上設(shè)有若干排液口205。所述包體202由鋼制外殼和鋼制外殼內(nèi)部砌筑的耐火材料構(gòu)成。

所述分離包2為倒錐體結(jié)構(gòu)，錐體下表面積與上表面面積之比為1：5-100。若錐體為圓錐體時，其高度H與底部直徑A與比值為H:A＝3-20；上述比例是根據(jù)經(jīng)常處理合金中鈷的含量來設(shè)計的。

本發(fā)明利用鈷的居里點(磁性材料中自發(fā)磁化強度降到零時的溫度，也就是磁性材料失去磁性的溫度)是1150℃，而往往與鈷伴生的磁性材料鐵的居里點溫度是786℃，鎳的居里點溫度是376℃。常見的含鈷合金中各金屬與鈷是相互無限互溶的，是固溶體，要想分離鈷就得首先使得鈷在合金中偏析結(jié)晶出來，然后利用其高居里點，在結(jié)晶降溫的過程中來磁吸逐漸變大的鈷晶核使其富集在分離包底部分離出來。為了達到這個目的，本發(fā)明采用了非平衡凝固和不平衡結(jié)晶理論使得鈷晶在可控溫度內(nèi)產(chǎn)生晶內(nèi)偏析。具體的工藝方法上是通過控溫、加入誘晶劑、電磁攪拌、磁吸等方法。進一步的工藝方法如下：其特點是利用含鈷合金中主要元素的居里點溫度不同和結(jié)晶偏析的原理，將含鈷合金在熔融熱態(tài)下放入特制的分離裝置內(nèi)進行振動均質(zhì)化、靜置凈化去渣；然后包身控溫使得液態(tài)含鈷合金在其凝固點+100℃范圍內(nèi)；再加入鈷晶誘晶劑逐步降溫，使得液態(tài)合金內(nèi)逐漸產(chǎn)生鈷的偏析結(jié)晶晶核，晶核在電磁攪拌的作用下碰撞外部增加了磁場的分離包底部；分離包底部設(shè)置有急冷水循環(huán)系統(tǒng)和強磁電磁吸附裝置，進一步控溫使得底部液態(tài)合金溫度在鈷的居里點溫度1150℃±50℃范圍內(nèi)，進一步促使晶核長大，大的晶核受到分離裝置底部磁力吸附，使得鈷晶核偏析在分離裝置底部富集，達到將鈷富集分離的目的。

實施例1

如圖1、2、4、5，本實施例提供一種利用偏析結(jié)晶法從含鈷合金中分離鈷的方法，包括以下步驟：

1)某鎳鐵工廠采用的是回轉(zhuǎn)窯+礦熱電爐RKEF工藝技術(shù)冶煉高鎳低鐵的紅土鎳礦，其生產(chǎn)的鎳鐵產(chǎn)品經(jīng)過精煉主要組份為：含鈷wt0.13％，含鎳wt18％，含鐵wt76％，含鉻wt2.6％，含碳wt2.8％,其余為雜質(zhì)；其精煉完成后投入分離鈷的裝置的分離包2內(nèi)的溫度約為1390℃，一次投入合金約5噸.經(jīng)過計算和實測，此組份合金結(jié)晶溫度約為1260℃；

2)首先使用分離鈷的裝置上的振動器3，使得合金組份均質(zhì)化并排除氣體和上浮雜質(zhì)，然后打開包身水冷系統(tǒng)203，使得分離包2內(nèi)的合金溫度控制在1310-1360℃，若過程中溫度低于此范圍，可以使用包身控溫加熱器204配合控制；

3)打開電磁攪拌器4，并均勻地向分離包2內(nèi)加入約1kg200目的鎳鈷合金粉(Ni70％Co30％)做為誘晶劑，一直攪拌，并通過包身控溫加熱器204進一步將包身控溫到1250-1280℃之間，鈷晶逐漸偏析；

4)打開包底水冷裝置6，和包底加熱器5配合，將分離包2底部耐材溫度控制在1100-1200℃之間；

5)打開分離包底部電磁鐵7，并向分離包2內(nèi)加入500-1000g粒徑10-30mm的鈷粒，部分未熔鈷粒沉入包底，吸附在分離包2底部；根據(jù)相似相溶原理，在電磁攪拌的作用下碰撞到分離包底部的偏析鈷晶在電磁和鈷顆粒的吸附下，逐漸富集并凝固到分離包底部；

6)經(jīng)過多次富集操作，達到富集分離合金中鈷的目的，將分離包上層合金通過上方排出口排出，排空上層鎳鐵合金后，熱態(tài)送往不銹鋼工廠使用；分離包底部富鈷合金在包底加熱器5的加熱下熔融，通過最下面的排出口排出，完成合金中鈷的分離。

實施例2

如圖1、2、4、5，本實施例提供一種利用偏析結(jié)晶法從含鈷合金中分離鈷的方法，包括以下步驟：

1)某鎳鐵工廠采用的是高爐冶煉低鎳高鐵高鈷紅土鎳礦。其生產(chǎn)的鎳鐵產(chǎn)品經(jīng)過精煉主要組份為：含鈷wt0.2％，含鎳wt3.8％，含鐵wt90％，含鉻wt1.6％，含碳wt4.12％,其余為雜質(zhì)；其精煉完成后投入分離鈷的裝置的分離包2內(nèi)的溫度約為1380℃，一次投入合金約5噸.經(jīng)過計算和實測，此組份合金結(jié)晶溫度約為1250℃；

2)使用分離鈷的裝置上的振動器3，使得合金組份均質(zhì)化并排除氣體和上浮雜質(zhì)，然后打開包身水冷系統(tǒng)203，使得分離包2內(nèi)的合金溫度控制在1300-1320℃，若過程中溫度低于此范圍，可以使用包身控溫加熱器204配合控制；

3)打開電磁攪拌器4，并均勻地向分離包2內(nèi)加入約500g粒徑1-5mm的含碳化鈷的鎢鋼顆粒和500g的100目鎳粉做為誘晶劑，一直攪拌，并進一步將包身控溫到1230-1270℃之間，鈷晶逐漸偏析；

4)打開包底水冷裝置6，和包底加熱器5配合，將分離包2底部耐材溫度控制在1100-1180℃之間；

5)打開分離包底部電磁鐵7，并向分離包2內(nèi)加入300-500g粒徑10-30mm的鈷粒，部分未熔鈷粒沉入包底，吸附在分離包底部；根據(jù)相似相溶原理，在電磁攪拌的作用下碰撞到分離包底部的偏析鈷晶在電磁和鈷顆粒的吸附下，逐漸富集并凝固到分離包底部；

6)經(jīng)過多次富集操作，達到富集分離合金中鈷的目的，將分離包上層合金通過上方排出口排出，排空上層鎳鐵合金后，熱態(tài)送往不銹鋼工廠使用；分離包底部富鈷合金在包底加熱器5的加熱下熔融，通過最下面的排出口排出，完成合金中鈷的分離。

實施例3

如圖1、3、4、5，本實施例提供一種利用偏析結(jié)晶法從含鈷合金中分離鈷的方法，包括以下步驟：

含鈷電池正極材料可按本發(fā)明內(nèi)容，以電池正極材料內(nèi)的金屬價值高低逐漸提取分離所含金屬。

1)例如某電池拆解廠拆解含鈷三元正極廢料。經(jīng)過原料工序首先將價值最高的鋰提取出去(2021年11月鋰平均價約115萬/噸金屬鋰)，并將剩下的含鈷固廢氧化物還原和精煉成含鈷合金。

2)三元電池正極材料提鋰后提供的含鈷精合金成分舉例如下：含鈷wt18％，含鎳wt18％，含錳wt55％，含鐵wt5％(主要由殼體和包裝帶入)，含碳wt2.3％(還原工序帶入),其余為雜質(zhì)，其精煉完成后投入分離鈷的裝置的分離包2內(nèi)的溫度約為室溫冷態(tài)，一次投入合金約2噸.經(jīng)過計算和實測，此組份合金結(jié)晶溫度約為1220℃；

3)投料完成后，我們開啟分離鈷的裝置上的包身控溫加熱器204(中頻感應(yīng))給分離包2內(nèi)的合金加熱熔融，待全部金屬熔融并升溫到1300-1350℃；

4)接下來使用分離鈷的裝置上的振動器3，使得合金組份均質(zhì)化并排除氣體和上浮雜質(zhì)，然后打開包身水冷系統(tǒng)203，使得分離包2內(nèi)的合金溫度控制在1270-1300℃，若過程中溫度低于此范圍，可以使用包身控溫加熱器204配合控制；

5)打開電磁攪拌器4，并均勻地向分離包2內(nèi)加入約500g粒徑1-5mm的含碳化鈷的鎢鋼顆粒和200g的100目鎳粉做為誘晶劑，一直攪拌，并進一步將包身控溫到1200-1250℃之間，鈷晶逐漸偏析；

6)打開包底水冷裝置6，和包底加熱器5配合，將分離包2底部耐材溫度控制在1100-1150℃之間；

7)打開分離包底部電磁鐵7，并向分離包2內(nèi)加入約200g粒徑10-30mm的坡莫合金顆粒，部分未顆粒沉入包底，吸附在分離包2底部；根據(jù)相似相溶原理，在電磁攪拌的作用下碰撞到分離包2底部的偏析鈷晶在電磁和鈷顆粒的吸附下，逐漸富集并凝固到分離包底部；

8)將分離包上層合金通過上方排出口排出，排空上層去鈷合金后，作為含錳鎳的特鋼原料使用或外銷；分離包底部富鈷合金在包底加熱器5的加熱下熔融，通過最下面的排出口排出，完成合金中鈷的分離。

通過上述方法，配合三元電池廢料提鋰的工藝技術(shù)，可以將三元電池正極材料內(nèi)最貴的鋰(2021年11月鋰平均價約115萬/噸金屬鋰)和鈷(2021年11月鈷平均價約45萬/噸金屬鈷)提取出來，將剩下的錳和鎳做為特鋼材料添加劑直接外銷，其經(jīng)濟性和環(huán)保性大大加強，是值得推廣的工藝技術(shù)。

利用偏析結(jié)晶法從含鈷合金中分離鈷的裝置及方法.pdf