镍铁生产工艺

镍铁生产工艺1、镍铁的来历、成分和消费市场我国不锈钢和电池行业的快速发展，国内镍产品供应将面临长期短缺的局面。2005年以来国际市场镍价非理性的不断上涨对国内钢铁业发展构成了新的挑战。我国民营企业使用火法冶炼从菲律宾和印度尼西亚进口的红土镍矿矿石，大量生产镍铁合金作为冶炼不锈钢的配料，成功狙击了国际市场的疯狂炒作，镍价大幅下降，市场将逐步恢复理性。我国镍金属生产技术已有重大突破，拥有自主知识产权，红土镍矿经高炉冶炼镍铬生铁，生产出大批镍生铁的实际成效。技术变革及其快速进入生产应用领域，成功狙击了国际市场的疯狂炒作，2007年6月国际市场镍价大幅下降。在市场高镍价的情况下，2005年开始，国内民营企业开始利用炼钢高炉转产冶炼红土镍矿矿石生产镍生铁。我国民营企业开始大规模利用从菲律宾和印度尼西亚进口的红土镍矿矿石冶炼镍生铁，此后进口矿石量逐月增加，到2007年底利用进口矿石约300多万吨，产出镍生铁的含镍量约3万吨。2007年全国生产镍生铁的中小企业达到100多家，l～9月进口矿石1200万吨左右。目前我国中小企业生产的镍生铁的含镍量多在4％～8％，只能用作冶炼不锈钢的配料，在冶炼不锈钢时，尚需加入一定量的精炼纯镍。只有提高技术使镍生铁中的含镍量达到l2％～15％，才能在冶炼不锈钢时完全替代纯镍。这就是产生矿石积压在港口的原因，也是今后民营企业需要攻克的技术难关。据最新资料，个别技术先进的企业已经可以生产出镍含量10％以上的镍生铁了。我国使用火法利用红土镍矿冶炼镍生铁，使不锈钢生产原料构成发生了重大变革，改变了全球不锈钢生产原料镍的供需格局，也改变了世界不锈钢产业发展的格局。低成本利用矿石质量较差的红土镍矿资源，符合资源节约型的历史发展趋势，翻开了我国不锈钢生产史的新篇章。目前，高炉法的低品位产品市场容量已经饱和，加快发展10％以上品位的回转窑工艺，可以进一步扩大红土矿火法镍的市场容量。2、红土镍矿用回转窑生产镍铁的工艺和技术大型焙烧还原回转窑是整个红土镍矿冶炼工艺流程中关键设备之一，矿石经干燥后进入回转窑，在回转窑内加热到800℃后去除矿石表面水分及结晶水，并部分还原矿石中的铁、镍和钴氧化物，进入电炉熔炼。回转窑工艺与高炉法或电炉法等工艺相比有如下优点：（1）、熔炼的主要能源为煤,而不是昂贵的焦炭或电能。（2）、原料的自由选择,可用东南亚的各种红土镍矿。（3）、所产高镍镍铁质量高（含Ni20%左右），可直接用作不锈钢的生产原料。（4）、同时可作为钢水熔炼时的冷却剂。熔炼方法和工艺如下：预处理步骤是将原料红土镍矿磨细后,与含碳物料和熔剂石灰石混合,然后连续给入回转窑。在回转窑中,物料与煤燃烧所产生的热气流逆流运动,经受所有熔炼步骤——干燥,脱水,还原和金属成长。金属是在窑中半熔融条件下生成的。烧成的物料熔块从回转窑出来就将它水碎,磨细后,用重选和磁选机将还原成的镍铁合金从排出的熔块中分离出来。分离出来的镍铁呈直径2～3毫米的沙状颗粒,并夹带1～2%炉渣,其化学组成为C0.1%,Ni18～22%,S0.45%,P0.015%。此产品不管含硫多高均适用于炼钢过程,因炼钢时有很好的脱硫能力。沙状颗粒在炼钢过程中相当有利于连续加料和作为冷却剂物料快速溶解。回转窑生产工艺镍和铁的回收率都很高，均在90%以上。3、财务分析目前镍市场处于低谷，电解镍大约10万元/吨，相当于镍铁为1000元/吨度（1%Ni或称一个Ni，相当于10Kg镍）。当前进口红土镍矿国内港口价为400元左右/湿吨（低铁高镍矿，约2%左右Ni，10%左右Fe），相当于200元/吨Ni。以上述红土镍矿为例，加工一吨红土镍矿可得20%左右高镍镍铁100Kg左右，生产总费用约250元/吨矿，矿石成本500元（加运费），吨成品约需10吨原矿，总成本约7500元，售价约2万元左右（20%Ni），利润1万元以上，利润率100%。有适合镍铁生产的回转窑生产线，无须固定资产投资，投资1000万元流动资金即可租赁生产线生产（租金极其低廉）。该生产线年加工能力为原矿10万吨，可生产高镍镍铁1万吨，产值2亿元，利润1亿元。一、镍、镍铁与镍矿镍是略带黄色的银白色金属，是一种具有磁性的过渡金属。镍的应用在于镍的抗腐蚀性，合金中添加镍可增强合金的抗腐蚀性能。不锈钢与合金生产领域是镍最广泛应用领域。全球约2／3的镍用于不锈钢生产，因此不锈钢行业对镍消费的影响居第l位。镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加镍的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构，从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性，所以镍被称为奥氏体形成元素。目前全球有色金属中，镍的消费量仅次于铜、铝、铅、锌，居有色金属第5位。因此，镍被视为重要战略物资，一直为各国所重视。镍铁主要成分为镍与铁，同时还含有Cr、Si、S、P、C等杂质元素。根据国际标准（ISO）镍铁按含镍量分为FeNi20（Ni15％～25％）、FeNi30（Ni25％～35％）、FeNi40（Ni35％～45％）和FeNi50（Ni45％～60％）。又再分为高碳（C1.0％～2.5％）、中碳（C0.030％～1.0％）和低碳（C0.03％）；低磷（P0.02％）与高磷（P0.030％）镍铁。目前国内厂家生产的镍铁品位主要集中在1.6～2.0％、4～8％以及10～15％，同时也有小部分厂家能生产含镍量在20％以上的镍铁。世界上可开采的镍资源有二类，一类是硫化矿床，另一类是氧化矿床。由于硫化镍矿资源品质好，工艺技术成熟，现约60％～70％的镍产量来源于硫化镍矿。而世界上镍储量的65％左右贮存在氧化镍矿床中，由于其因含有氧化铁的缘故而呈红色，因此也俗称红土镍矿。目前发现的红土镍矿多分布在南、北回归线一带，如澳大利亚、巴布亚新几内亚、新喀里多尼亚、印度尼西亚、菲律宾和古巴等地。二、工艺原理虽然红土镍矿处理工艺主要分为湿法冶炼工艺和火法冶炼工艺，但目前世界范围内比较成熟的利用红土镍矿冶炼镍铁合金的工艺方法仍旧以火法冶炼为主。火法冶炼镍铁是在高温条件下，以C（或Si）作还原剂，对氧化镍矿中的NiO及其他氧化物（如FeO）进行还原而得。同时采用选择性还原工艺，合理使用还原剂，按还原顺序NiO、FeO、Cr2O3、SiO2进行还原反应。因不同产地的镍矿成分不同，NiO及各种氧化物之间组成的化合物也有所不同，因而，在镍铁冶炼过程中，其实际反应较复杂。反应生成的Ni和Fe能在不同比例下互溶，生成镍铁。NiO+C→Ni+CO↑(1)T=420℃FeO+C→Fe+CO↑(2)T=650℃从上述（1）、（2）式可以看出：NiO、FeO还原反应开始温度较低，而且，NiO的开始反应温度比FeO约低200℃；因而，火法冶炼镍铁过程中，尽管所采用的镍矿NiO含量较低，但NiO90％以上被还原，而且，在Ni／Fe很低的情况下，可通过不同的工艺操作，使产品含Ni量提高到较高水平，与铁合金其他产品（如高碳铬铁、锰硅合金等）相比，电炉粗镍冶炼难度相对较低。三、红土镍矿预处理红土镍矿属非结晶型矿种。不同镍矿类型，成分波动范围为：Ni0.87％～3.85％，Fe6％～50％，MgO1.5％～32％，Si025％～58％，Al2O31％～15％，P0.0004％～0.0002％，S0.00l％～0.08％。利用X射线衍射分析矿物组成，如图3-1所示。红土镍矿的矿物组成主要是铁顽辉石(CaO0.02Fe0.35Mg1.63Si2O6)，鳞石英(SiO2)和透辉石(CaMgSi2O6)。红土镍矿另一个特点是水分较高，尤其是目前我国红土镍矿主要进口国菲律宾和印尼两国气候多雨潮湿，镍矿中水分基本在30～35％范围波动。为确保镍铁冶炼炉况稳定，镍矿在入炉前必须进行脱水，造块处理。不同的镍铁生产厂家对入炉前镍矿的脱水烧结处理普遍使用如下几种预处理方式：①回转窑烘干→造块→回转窑高温脱水、预热。②回转窑烘干→造块→竖炉烧结、预还原。③回转窑烘干→脱水、烧结（包括预还原）。不同的镍矿处理工艺的投资费用及工艺操作难度不同，对整个镍铁冶炼工艺综合能耗及产品质量的影响也有所不同，因而，随着我国镍铁生产的规模化，选择何种镍矿预处理方式，值得分析。四、数种工艺流程1、回转窑直接还原法镍矿→烘干→破碎→配入焦炭、熔剂混合制团→预热→回转窑脱水、还原→固融态渣铁混合物→水淬→磨碎→跳汰、强磁选等多级渣铁分离→细粒镍铁→电炉重熔→精炼脱硫→镍铁。该工艺利用回转窖全程对镍团矿进行脱水、焙烧，NiO、FeO等氧化物还原，金属物聚集，最后生成融态海绵状夹渣镍铁。熔炼过程热能来自煤粉（或重油）燃烧放出的热量，其是火法冶炼镍铁生产中，设备最简单、生成金属流程最短、综合能耗最低的生产工艺。该工艺应注意的是：由于镍团矿处在回转窑300℃至1400℃温度条件下，使残余吸附水蒸发，结晶水及加入熔剂中的CaCO3分解，NiO、FeO等氧化物还原及残余氧化物成渣，该过程中团矿崩溃、软化，使产生的矿团碳化物分布不均匀，易导致窑壁结环，对正常操作将产生不良影响。2、高炉法镍矿→脱水、烧结、造块→配入焦炭、熔剂→高炉冶炼→粗镍铁→精炼降Si、C、P、S→镍铁。在国内，近年采用的火法冶炼镍铁较为普遍，主要是借用于现有炼铁小高炉直接转产，具体操作与小高炉生产生铁操作相似，特别适合于使用低Ni、高Fe镍矿生产低Ni镍铁（含镍生铁）。该工艺仍以焦炭燃烧放热作为冶炼热能，入炉镍矿中FeO可被焦炭中的C充分还原，故粗镍铁中的Ni含量高低基本受限于入炉镍矿Ni／Fe的比值大小。由于国家限制400m3以下小高炉的使用，而使用矿热电炉，利用低镍高铁镍矿，直接生产低Ni镍铁，其工艺的合理性和易操作性，似乎不及高炉法，因而采用大容量高炉冶炼低Ni镍铁值得关注和研究。3、电碳热法镍矿→脱水、造块→配入焦炭、熔剂→电炉冶炼→粗镍铁→降C、Si、P、S精炼→镍铁。电碳热法是以C作还原剂，在电能高温条件下，对镍矿中的NiO、FeO等氧化物进行还原，冶炼出镍铁，因而，在电炉冶炼过程中，调整合适的配炭量，限制FeO还原，可生产出Ni含量较高的电炉镍铁。国外火法冶炼镍铁主要采用此工艺，国内厂家生产含Ni大于10％的产品时亦普遍采用。主要冶炼设备为矿热电炉，国内个别厂家也有使用与电弧炉结构相似的电炉生产（其设备最大容量为9MVA），其镍矿预处理方式，冶炼工艺的具体操作，精炼工艺设备配套情况及精炼效果均不尽相同，各项指标对比也存在一定差异。焦炭中所含的固定碳以及燃烧产生的CO是氧化镍的还原剂。熔炼对焦炭的质量要求如下:(l)含碳量高，灰分低。固定碳和灰分是焦炭的主要组成部分，两者互为消长关系。灰分含量高，单位焦炭提供的热量和还原剂就少。(2)硫、磷等有害杂质含量少。焦炭中的硫、磷等有害杂质含量高时，势必造成产品中有害杂质含量升高，从而冶炼时对有害杂质的脱除有更加严格的要求。(3)成分稳定，挥发分含量适中，水分含量低且稳定。焦粉/焦丁用量少时，被还原的金属少，而各氧化物在还原性气氛中由易到难被还原的顺序为:NiOCoOFeO，Ni比铁优先还原，所以合金中镍的品位高。随焦粉用量增加，更多地镍、钴、铁的氧化物被还原，金属回收率增加。镍的回收率在焦粉用量超过一定值后增长平缓，说明焦粉用量达到一定值后再增加，对提高镍的回收率作用不大，要想继续增加镍的回收率，应该从减少渣中镍的损失方面考虑。金属回收率增加的同时，由于被还原的铁的量比镍多，因此合金中镍的品位降低，下降的趋势先快后慢，焦粉用量超过一定值以后，镍的品位降低，且焦粉用量多导致合金中的C含量明显增加，合金质量变差。焦粉用量还影响渣中FeO的量，焦粉用量越多，被还原的铁越多，渣中FeO的量就越少。FeO对熔渣的反应能力及物理性能有重要的影响，它能大大降低炉渣熔化温度和粘度，起着稀释炉渣的作用，对冶炼有一定好处。FeO的含量还决定炉渣的氧势，从而决定镍铁中碳、硅、铬、磷等杂质的含量，熔渣FeO过低，造渣困难，炉渣的反应能力低，FeO过多又会增加金属损失及炉衬侵蚀。因此，焦粉用量应适当。焦粉用量直接影响还原熔炼的气氛，决定镍的品位和