浅谈矿热炉冶炼镍铁工艺

1浅谈矿热炉冶炼镍铁工艺中冶华天南京工程技术有限公司王刚摘要：本文介绍了从红土镍矿提炼镍铁几种不同的冶炼工艺，并着重分析了矿热炉冶炼镍铁工艺RKEF法，此工艺成为当前我国红土镍矿处理的主要方法。研究开发高效、流程短、低耗能、环保等镍铁冶炼新工艺已经成为未来开发的趋势。关键词：镍铁；矿热炉；RKEF法1前言金属镍具有良好的机械强度、延展性和化学稳定性，耐腐蚀，能磁化等一系列特性，广泛用于不锈钢、高温合金、电镀和化工等行业，在国民经济的发展中具有极其重要的地位。全球约2/3的镍用于生产不锈钢，镍原料的成本占奥氏体不锈钢生产成本的70%左右。镍原料多数源自红土镍矿，红土镍矿资源为硫化镍矿岩体风化―淋滤―沉积形成的地表风化壳性矿床，世界上红土镍矿分布在赤道线南北30度以内的热带国家。我国镍矿资源储量中70％集中在甘肃。红土型镍矿可以生产出氧化镍、硫镍、铁镍等中间产品，其中硫镍，氧化镍可供镍精炼厂使用，以解决硫化镍原料不足的问题。至于镍铁更是便于用于制造不锈钢，降低不锈钢的生产成本。2镍铁火法冶炼工艺分类含镍硫化矿目前主要采用火法处理，通过精矿焙烧反射炉（电炉或鼓风炉）冶炼铜镍硫吹炼镍精矿电解得金属镍。氧化矿主要是含镍红土矿，其品位低，适于湿法处理；主要方法有氨浸法和硫酸法两种。氧化矿的火法处理是镍铁法。2.1高炉法高炉生产生铁历史悠久，但普遍使用高炉生产镍铁还是中国人发明（刘光火）和研究的结果。高炉生产镍铁的流程主要是：矿石干燥筛分（大块破碎）——配料——烧结——烧结矿加焦炭块及熔剂入高炉熔炼——镍铁水铸锭和熔渣水淬——产出镍铁锭和水淬渣。2工艺流程当中的高炉熔炼有很大的缺点：（1）要用优质的焦炭作为熔炼的燃料，焦炭的耗能量很大，能耗高；（2）产品镍含量通常在2~8％，大多在5％以下，镍品位低，杂质含量高，一般用于200系的不锈钢生产。（3）在冶炼的过程中有害气体的排放量大，比如为了增加炉渣的流动性而添加萤石，萤石加入量占炉料总量的8~15％，然而在国内，镍铁小高炉没有设置脱氟设备，全部放散，从而导致排放的高炉烟气中含有大量有害的含氟气体。（4）红土镍矿可分为高铁低镁(低镍)、低铁高镁(高镍)红土镍矿，两种不同类型原料。而当红土矿含镍1.5%、含铁35%时比较适合小高炉熔炼，可产出含镍约4%的低镍生铁。但如果是低铁高镁(高镍)矿用小高炉熔炼，那么就会导致高炉的产渣量大、粘度大情况，从而难以保证炉况顺行。（5）由于炉料强度低，所以只能采用小型高炉(矮高炉)生产镍铁，而无法进行大规模的生产。（6）小型高炉生产镍铁的成本较高。2.2电炉（矿热炉）法这里的电炉指被称作矿热炉的电弧炉的一种，矿热炉冶炼镍铁工艺流程是：原矿干燥及大块破碎——配煤及熔剂进回转窑彻底干燥及预还原——矿热炉还原熔炼——镍铁铁水铸锭及熔渣水淬——产出镍铁锭（或水淬成镍铁粒）和水淬渣。该工艺通常是指回转窑加矿热炉工艺，在国外已有几十年的生产历史，有一套较成熟的技术和理论，国内也有少数厂家有几年的生产历史，但都是小设备生产，技术问题很多，效益也不好，近期有数家企业陆续投产和正在建设上规模的生产线。该工艺可以用任何铁镍品位的矿石生产任何含镍量的镍铁，技术上是在回转窑阶段控制铁的还原率来实现的（镍全部还原成金属、铁部分还原成金属和低价氧化物），这是该种工艺的最大特点，也是其具有生命力的原因，但由于矿热炉耗电巨大致使其生产成本偏高，另外缺电地区也无法建厂。2.3回转窑直接还原熔炼法回转窑直接还原熔炼工艺几乎称得上是一项古老的工艺，日本采用该工艺生产镍铁（粒状镍铁，直接用于冶炼不锈钢）已有60余年的历史。该工艺基本流程是：原矿干燥（大块破碎和磨矿——配加还原煤和熔剂——入回转窑还原和熔炼——熔块水淬——水淬渣和镍铁粒破碎、磨矿、磁选——产出镍粒铁和细3熔渣。3矿热炉冶炼镍铁低成本生产工艺（RKEF法）RKEF工艺技术(“回转窑-矿热炉”法)始于20世纪50年代，由Elkem公司在新喀里多尼亚的多尼安博厂开发成功，由于产品质量好、生产效率高、而且节能环保，RKEF工艺很快取代了鼓风炉工艺。随着冶金科学技术的发展，RKEF工艺也吸纳了包括自动化、清洁生产在内的众多最新技术成果，在设计制造、安装调试和生产操作上日臻成熟，已成为世界上生产镍铁的主流工艺技术，占据统治地位。目前全球采用RKEF工艺生产镍铁的公司有十几家，生产厂遍及欧美、日本、东南亚等地，并处在长期的经营中。在世界范围，以廉价的红土镍矿为原料，采用RKEF火法冶炼镍铁的工艺技术具有很强的适用性和经济性。&B'M)y+Sp3.1RKEF工艺介绍3.1.1对原料的要求对于“回转窑(RK)-矿热炉(EF)”流程，矿石成分很重要，有3个指标是采用RKEF工艺应该关心的：5v1Y.C'~&|9N0A5L*N$s(1)Ni品位，希望在1.5以上，最好2.0以上。(2)Fe／Ni，希望在6~10，最好接近6，中Ni品位高；如果Fe／Ni10，则很难冶炼出含20％的镍铁，因为原料中Fe过高，很难在回转窑中控制氧化铁的还原度。(3)MgO/SiO2，在0.55~0．65较合适，少量加入熔剂就可以得到低熔点的炉渣结构。以上3个条件只是合适的条件，而不是必须的条件，在矿石条件不符合上述要求时，可以生产品位较低的镍铁，技术经济指标将受到影响。&_9\'N*j4t'|+q还原剂（烟煤或无烟煤均可)和石灰石也是RKEF工艺所必需的，这两种原料在我国资源丰富，容易得到。;T;Z,G-}7NG3.1.2典型工艺流程、主体设备结构(1)生产流程原料场(红土镍矿)→破碎、筛分→干燥→混匀配料→回转窑→矿热炉→铁包脱硫→精炼转炉→浇铸。在这个基础上，发展了对原料预干燥、原料制球、回转窑节能和余热发电、矿热炉高效冶炼和低熔点渣系配料、采用底吹或侧吹精炼转炉替代顶吹转炉、镍铁粒化等技术，适用于不同条件的工厂。(2)工艺概述4矿石、石灰石、还原剂在原料场、备料间加以筛分破碎后，混匀配料送入回转窑，在回转窑中，原料经干燥、焙烧、预还原，制成约1000℃的镍渣，回转窑烟气经余热锅炉、除尘、脱硫化后排放，粉尘与原料混合后再次入窑。2I9R;w'R0s镍渣（回转窑中）在封闭隔热状态下（高架送料小车）加入矿热炉料仓（内衬耐火砖），根据工艺要求通过不同位置的下料管分配到矿热炉内。矿热炉为全封闭式，自焙电极，埋弧冶炼，还原并熔分粗制镍铁和炉渣，同时产生含CO约75％的矿热炉荒煤气，荒煤气经过净化送到回转窑烧嘴，与煤粉一起作为燃料，除尘灰经处理后，返回到原料场。矿热炉炉渣经过水淬后可作为建筑材料，用于道路建设、制砖。'j.c,\2g#|矿热炉的产品是粗制镍铁，出铁前预先在铁水包加脱硫剂，出铁同时脱硫，粗制镍铁含Si、C、P等杂质，需要继续精炼，扒渣后，兑入酸性转炉，吹氧脱硅，同时加入含镍废料以防铁水温度偏高，脱硅后扒渣(或者挡渣出铁)，兑入碱性转炉，吹氧脱磷、脱碳，同时加入石灰石造碱性渣，碱性转炉精炼后的镍铁水送往浇注车间，铸成合格的商品镍铁块或者制成粒状镍铁。1O$（4）工艺特点（1）原料适应性强。可适用镁质硅酸盐矿和含铁不高于30％的褐铁矿型氧化镍矿，以及中间型矿。最适合使用湿法工艺难以处理的高镁低铁氧化镍矿石。（2）镍铁品位高，有害元素少。同样的矿石，RKEF工艺生产的镍铁品位高于高炉法和“烧结矿-矿热炉”工艺。该工艺的脱硫和转炉精炼工序能够将镍铁的有害元素降低到ISO6501标准所要求的范围内，为炼钢用户所欢迎。（3）节能环保，循环利用。原料水分较多，料场和筛分破碎运输的过程中不产生粉尘，回转窑烟气余热可回收蒸汽用于发电，经过烟气脱硫满足环保要求后排入大气，回转窑和矿热炉烟尘返回料场；矿热炉煤气经除尘后送回转窑作燃料，炉渣水淬后成为建筑工业原材料。转炉烟气余热回收蒸汽，煤气回收利用，炉渣磁选回炉，尾渣可铺路或制作水泥。从含水炉料进入回转窑直到矿热炉出铁出渣的整个过程产中，炉料处于全封闭，环保节能。（4）镍渣热料入矿热炉。回转窑产的镍渣在900℃以上的高温下入炉，相对于“烧结矿-矿热炉”的冷料入炉，节省了大量的物理热和化学热，显著降低了电能和还原剂的消耗，提高了生产效率。;A5A.D2G;c3h*I!X我国是不锈钢生产和消费的大国，镍铁需求巨大，非常有必要掌握应用RKEF技术，以低成本高效率地生产镍铁，满足国民社会发展需求的同时创造良好的经济效益。该工5艺的大多数设备为冶金工业常用设备，以我国冶金设备制造能力，均可国产化，大大降低投资。,p6K,^*H%U&RKEF氧化镍矿火法冶金技术由日本、加拿大和前苏联所拥有。2005年以来经过与前苏联专家接触，探讨合作的可能性，并考察了由前苏联建设、地处乌克兰的帕布什镍铁厂。目前已有中钢滨海公司、福建德胜镍业、天津荣程钢铁公司购买了该技术，这些项目都在进行中，有的项目已建成投产。3.3对RKEF技术进行改进和创新虽然RKEF是成熟技术，但由于各国各地的外部条件不同，比如电和能源结构，将影响生产成本。国内采用该技术必须进行改进。首先要研究配料模型。国内氧化镍矿资源贫乏，要依靠进口，进口矿来源复杂，缺乏稳定的原料基地，使得配料模型的开发更为重要。配料模型确定后，还要进行小型工业实验，以获得炉渣熔点、渣铁熔分特性和合适的烧结温度等数据，以指导生产。其次，开展对回转窑的余热利用和烟气脱硫的研究。由于天然气资源紧缺，国内建设项目的回转窑多用煤粉为燃料，为保护环境，必须明确回转窑烟气特性，脱除烟尘和硫分，同时研究回转窑低温余热利用问题。再次，矿热炉是镍铁冶炼投资最大的工序，对于炉型、耐火材料、电极直径、极心圆直径、电极电流密度及电压调整等需要进行研究，确定最适合的参数，实现节电和延长炉衬寿命。H&f2Si9L4结束语矿热炉冶炼镍铁有它的特点，在我国批量冶炼时间还比较短，但RKEF工艺已成为当前我国红土镍矿处理的主要方法。研究开发高效、流程短、低耗能、环保等镍铁冶炼新工艺已经成为红土镍矿未来开发的趋势。参考文献：[1]王景涛.矿热炉冶炼镍铁生产实践[J].重工与起重技术，2011年第4期.[2]符剑刚，王晖，凌天鹰等.红土镍矿处理工艺研究现状与进展[J].铁合金，2009年第3期.[3]李小明，唐琳，刘仕良.红土镍矿处理工艺探讨[J].铁合金，2007年第4期.