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浅谈用回转窑处理红土镍矿


浅谈用回转窑处理红土镍矿 一、红土镍矿概述 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,集中分布在环太平洋的热带―亚热带地区, 主要有:美洲的古巴、巴西;东南亚的印度尼西亚、菲律宾;大洋洲的澳大利亚、新喀里 多尼亚、巴布亚新几内亚等。 我国镍矿资源储量中 70%集中在甘肃,其次分布在新疆、 云南、吉

林、四川、陕西和青海和湖北7个省,合计保有储量占全国镍资源总储量的 27%。

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, 氧化镍矿由于铁的氧化,矿石呈
红色,所以统称为红土矿。但实际上氧化镍矿分为几种类型,一种是褐铁矿类型,位于矿床 的上部,铁高镍低,硅镁低,但钴含量比较高,这种矿宜采用湿法工艺;另一种类型为硅镁 镍矿,位于矿床的下部,硅镁含量比较高,铁含量低,钴含量比较低,但镍含量较高,这种 矿宜采用火法工艺。 而处于中间过渡的矿石可以采用火法工艺也可以采用湿法工艺。 见下表: 类型(%) 褐铁矿 硅镁矿 低镁 高镁 Ni
0.8-1.5 1.5-2.0 1.5-3.0

Co
0.1-0.2 0.02-0.1 0.02-0.1

Fe
40-50 25-40 10-25

MgO
0.5-5.0 5-15 15-35

SiO2
10-30 10-30 30-50

Cr2O3
2-5 1-2 1-2

工艺 湿法 火、湿 火法

二、我国镍铁行业现状 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(Ni 15%~25%)、FeNi30(Ni 25%~35%)、FeNi40(Ni 35 %~45%) FeNi50 和 (Ni 45%~60%) 又再分为高碳 。 (C 1.0%~2.5%) 中碳 、 (C 0.030 %~1.0%)和低碳(C <0.03%);低磷(P <0.02%)与高磷(P <0.030%)镍铁。 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。 三、数种火法工艺流程

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。 2、鼓风炉法 镍矿→回转窑烘干→制块→配入焦炭→鼓风炉冶炼→粗镍铁→精炼降 Si、C、P、S→镍 铁。 该工艺在冶炼设备结构方面与高炉法冶炼镍铁有相似之处。 冶炼过程中以焦炭燃烧放热 作为热源,但反应机理有所不同。高炉直接冶炼出的镍铁,其含 Ni 量基本取决于入炉镍矿 中的 Ni/Fe 比值,而鼓风炉法生产的粗镍,其含 Ni 量,不只受限于该比值的大小。 鼓风炉工艺是最早出现的红土镍矿冶炼镍铁的技术,1875 年,在新喀里多尼亚小高炉就已 应用,后法国也有采用,但该法因消耗大量优质焦炭、污染严重而为人诟病。最终该工艺在 市场竞争和环保压力下停止,1985 年日本矿业公司佐贺关冶炼厂的最后一座镍铁高炉熄火, 标志着鼓风炉冶炼镍铁技术在欧美、日本等发达国家寿终正寝。 3、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、 Fe 镍矿生产低 Ni 镍铁 高 (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 400 m3 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。 4、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 9 MVA),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。 5、电硅热法 镍矿→烘干→破碎→高温脱水煅烧成块→配入熔剂→矿热电炉熔化→NiO 熔体→倒人反 应包→向反应包加入 45%硅铁→倒包反应→粗镍铁→降 P、Si 精炼→镍铁。 电硅热法工艺是以 Si 作还原剂,在高温条件下,对 NiO、FeO 等氧化物进行还原,生成 镍铁。 据资料介绍,国外电硅热法工艺是在炉外,通过倒包操作,使加入的 Si 对熔体中的 NiO 进行还原,生成镍铁,与热兑法生产微碳铬铁的反应机理和工艺操作基本相同,因而,可称 之为热兑法工艺。

四、红土镍矿用回转窑生产镍铁的工艺技术 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。 五、实例 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,其中最大年产能达 7~8 万 t 金属镍,在长期的 经营中,尽管世界镍行业风云变幻、镍价大起大落,但这些镍铁厂大都保持着良好的业绩。 在第二次世界大战期间, 日本冶金工业公司在宫津建起一个熔炼低品味镍红土矿的工厂。 镍矿来自附近的大江山。用克鲁帕-雷恩熔炼法生产低镍生铁,在本公司的川崎厂用作生产 低合金钢。战后,原料从镍红土矿改用从新喀里多尼亚的进口矿,并生产供日本国内用的炼 不锈钢用的粗镍铁,熔炼方法没有改变。 现在该厂以四台回转窑处理从新喀里多尼亚,菲律宾和印度尼西亚进口的矿石成功生产 约 1000 吨镍/月。熔炼方法很独特,称为日本冶金大江山法。此法为不锈钢生产提供充足的 镍源。它还使我们建起从镍原料到成品不锈钢的一条龙生产方法。本法与埃尔-凯姆法之类 等的镍铁法相比,有如下优点: (1) 熔炼主要能源为煤,而不是昂贵的电能。 (2) 原料的自由选择,能可用东南亚的硅镁镍矿。 (3) 所产粗镍铁质量可直接用作不锈钢生产原料,并同时作为熔炼的冷却剂。 熔炼方法是简单的,预处理步骤是将原料磨细后,与含碳物料和熔剂石灰石混合,后者 用于调节含水量,然后制团。接着通过预热器将团矿连续送入回转窑。在回转窑中,团矿与 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,还原和金属的成长—金 属是在窑中半熔融条件下生成的,这烧成的物料叫熔块。从窑出来就将他水淬,磨细后, 用 跳汰机和磁选机将还原成的镍铁合金从排出的熔块中分离出来。 然后将此产品怨我那个川崎 钢厂作为不锈钢生产的镍源。 粗镍铁呈直径 2—3 毫米的沙状颗粒, 并夹带 1-2%炉渣, 其化学成分为 C>0.1%, Ni 18-22%, S 0.45%,P 0.015%。 此产品不管含硫多高均适用于 AOD 炼钢过程,因 AOD 法很好的脱硫能力。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。 当采用回转窑进行大江山法操作时,熔炼事件应在半熔化而不是在溶化条件下进行。在 实践中, 使含脉石高的硅镁矿的氧化镍在半溶化条件下还原剂和使镍铁合金聚集成粒是困难 的。

六 短期内国内镍的供给仍将小于需求。 国家政策支持低品位红土镍矿高效利用技术的开发, 为中国镍铁业的发展创造了机遇。国内小高炉镍铁工艺和“烧结机-矿热炉”镍铁工艺都存 在高能耗、高污染、质量差的问题,正在被逐渐淘汰。 RKEF 工艺广泛用于镍铁冶炼,技术成熟、节能环保,是国际上镍铁生产的最主要方法。 研究中国特定的原料条件和能源结构,突破配料模型,回转窑以煤粉为燃料的焙烧和还原, 底吹氧气转炉冶炼等关键技术,开发适合中国国情的 RKEF 工艺将为中国镍铁行业的发展做 出贡献。


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