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国内红土镍矿冶炼镍铁主流工艺技术RKEF火法冶炼镍铁介绍1镍、镍铁和镍矿1.1镍镍是略带黄色银白色金属，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。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一位。捏镍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，镍的消费仅次于铜、铝、铅、锌，居有色金属第五位。因此，镍被称为战略物资，一直被各国所重视。1.2镍铁镍铁主要成分为镍与铁，同时还含有Gr、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%)、FeNi50(Ni45~60%),又再分为高碳（1.0~2.5%）、中碳（0.030~1.0%）和低碳（1＜0.030%）；低磷（P＜0.02%）与高磷（P＜0.02%）镍铁。目前国内生产厂家生产的镍铁品位10~15%，也有部分厂家生产20%或25%以上的镍铁。1.3镍矿世界上可开采的镍资源主要有两类，一类是流化矿床，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%的镍来源于硫化镍矿。而世界上镍的储量80%为氧化镍矿，矿物组成主要是含水镍镁硅酸盐（xNi.yMgO）2Si2nH2O,以及针铁矿Fe2O3.H2O、赤铁矿Fe2O3和磁铁矿Fe3O4，由于铁的氧化，矿石呈红色，所以通称红土镍矿。世界上的红土镍矿分布在赤道线南北纬30°以内的热带国家，其可开采部分一般由三层组成：褐铁矿层、过渡层和腐殖土层。其化学成分组成见表1.褐铁矿层，含铁多、硅镁少、镍低、钴较高，一般采用湿法工艺回收金属；再下层是混有脉石的残积层（过渡层和腐殖土层）矿，含硅镁高、铁较低、钴较低、镍较高，这类矿一般采用火法工艺处理。具体情况见表2。2镍的冶炼工艺现代生产镍的方法主要有火法和湿法两种。根据世界上主要两类含镍矿物（含镍的硫化物和氧化物）的不同，冶炼方法各异。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的金属镍。氧化矿主要是含镍红土矿，其褐铁矿层，含铁多、硅镁少，镍低、钴较高，一般采用湿法工艺处理，主要方法有氨浸法和硫酸法两种。下层是混有脉石的腐植土层（包括硅镁性镍矿），含硅镁高、低铁、镍较高、钴较低，这类矿一般采用火法工艺处理。2.1湿法工艺流程介绍目前成熟的湿法工艺流程有还原焙烧氨浸流程、高压酸浸流程和常压酸浸流程。2.1.1还原焙烧氨浸流程还原焙烧氨浸流程处理褐铁矿或褐铁矿和残积层矿的混合矿矿石先干燥然后矿石中的镍在700℃时选择性还原成金属镍钴和一部分铁被一起还原还原的金属镍经过氨浸回收。还原焙烧氨浸流程的缺点有矿石处理采用干燥、还原、焙烧等工序消耗能量大消耗多种化学试剂镍和钴的回收率比火法流程和高压酸浸流程低。2.1.2高压酸浸流程高压酸浸流程主要处理褐铁矿和一部分绿脱石或蒙脱石。加压酸浸一般在衬钛的高压釜中进行浸出，温度245℃-260℃，通过液固分离、镍钴分离，生产电解镍、氧化镍或镍冠，有些工厂生产中间产品，如混合硫化镍钴或混合镍钴氢氧化物。高压酸浸流程处理的红土矿要求含MgO/Al2O3低，通常含MgO＜4%（含MgO越高,耗酸越高）,含Al低的矿石。2.1.3其他湿法工艺流程有些湿法工艺流程正在进行试验和进一步评估如强化高压酸浸工艺、常压酸浸工艺、硫酸堆浸工艺和氯化浸出工艺。2.2火法工艺流程现有的火法工艺处理红土矿工艺流程有传统的回转窑—电炉工艺；多米尼加鹰桥竖炉—电炉工艺；日本大江山回转窑直接还原法。多米尼加鹰桥竖炉——电炉工艺流程是红土矿经过干燥脱水、制团、采用竖炉煅烧生产部分还原煅烧团矿、电炉熔炼生产粗镍铁，粗镍铁在钢包炉中精炼。日本大江山回转窑直接还原法生产镍铁，该流程分为三个步骤：（1）物料预处理：磨矿、混合与制团，以提高回转窑操作效果；（2）冶炼工艺：回转窑煅烧、金属氧化物还原与还原金属的聚集；（3）分离处理：回转窑产出的熟料采用重选与磁选分离出镍铁合金。这是世界上唯一采用回转窑直接还原熔炼氧化镍的方法。RKEF流程是目前红土矿冶炼厂普遍采用的一种火法冶炼工艺流程，该工艺流程已在世界上被广泛地采用，技术成熟可靠，项目投资风险低。该工艺主要工序：干燥、煅烧和预还原——电炉熔炼等。2.2.1回转窑—电炉工艺（此工艺图摘自《7200+kVA狂热电炉冶炼镍铁生产工艺》）回转窑—电炉工艺是目前红土矿冶炼厂普遍采用的一种火法冶炼工艺流程该工艺主要分为几个工序干燥、焙烧—预还原、电炉熔炼、精炼等工序简述如下：1.干燥采用回转干燥窑主要脱出矿石中的部分自由水。2.焙烧——预还原采用回转窑主要是脱出矿石中剩余的自由水和结晶水预热矿石选择性还原部分镍和铁。3.电炉熔炼还原金属镍和部分铁将渣和镍铁分开生产粗镍铁。4.精炼一般采用钢包精炼脱出粗镍铁中的杂质如硫、磷等满足市场要求。如果生产镍锍需要在焙烧回转窑的出料口喷入硫磺将镍转变成低铁的镍锍。2.1.2多米尼加鹰桥竖炉—电炉工艺多米尼加鹰桥竖炉—电炉工艺流程包括红土矿干燥脱水、制团、竖炉焙烧生产部分还原焙烧团矿、电炉熔炼生产粗镍铁、粗镍铁在钢包炉中精炼。（摘自资料3）（摘自资料2）（摘自资料2）2.2.3日本大江山回转窑直接还原法日本大江山回转窑直接还原法生产镍铁该工艺包括物料预处理、回转窑焙烧和还原、回转窑产出的熟料采用重选与磁选分离出镍铁合金。这是世界上唯一的采用回转窑直接还原熔炼氧化镍的方法。（插入资料来自（3）《钢铁冶炼》）3镍铁产品方案研究镍铁品位介绍镍铁品位是镍铁生产厂的重要参数镍铁品位主要影响以下几个方面镍回收率、电炉产量、精炼成本、运输成本、镍铁中铁的价格、市场因素等。镍铁品位在27~30之间是非铁磁体而生产厂一般不选择生产非铁磁体即不选择生产品位在27~30之间的镍铁。从表11—2可以看出世界上大部分镍铁厂的镍铁品位在18~27之间，部分镍铁厂生产含Ni35以上的镍铁。矿石品位是影响镍铁品位选择的一个重要因素矿石品位越高适合生产高品位镍铁。另外矿石成分也影响镍铁品位的选择。镍铁中铁是否计价也是影响确定镍铁品位的一个重要因素。根据对国内厂家的咨询目前镍铁中的铁有的计价。另外我国铁资源缺乏宜尽量回收矿石中的铁。表11—2全世界主要镍铁厂的产量及镍铁品位4RKEF工艺介绍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：(1)Ni品位，希望在1.5以上，最好2.0以上。(2)(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)(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。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。2、典型工艺流程、主体设备结构(1)生产流程：原料场→筛分、破碎和混匀配料→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)典型工艺装备组成2台5.0×100m回转窑、2台63MVA的密闭矿热炉、40t的底吹精炼转炉，造粒和铸块设备。年产镍铁10.12万t(镍金属2～2.2万t)。(3)工艺概述矿石、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。镍渣在封闭隔热状态下(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。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。主机设备：1.烘干干燥窑2台：Φ5.0×40m2.焙烧回转窑2台：Φ5.5×115m采用了中间加煤技术3.交流矿热炉2台：72000kVA(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。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，预计l～2年内将建成投产。五、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。最后，转炉的问题。在国内看到的几座镍铁精炼转炉沿用了炼钢用顶吹转炉的设计，喷溅严重，原因是镍铁精炼转炉的渣量大，约是炼钢转炉渣量的10倍。另外，粗制镍铁是高硅镍铁水，普通炼钢转炉处理起来很困难。国内建设中的镍铁厂采用氧气底吹转炉将很好地解决以上问题。六、典型RKEF流程工厂的投资和主要技术经济指标1.投资估算项目的设定：建设一个年产10万t镍铁(镍含量20％、镍金属量2万t)，产品符合ISO650l标准的镍铁厂。投资估算内容：(1)原料场。包括装卸料的抓斗机、胶带运输机，给料机、除铁器等，贮存量由原料供应条件决定，可以满足1个月正常生产的用料。(2)筛分破碎工段。包括胶带运输机、板式给料机、锤式破碎机、格筛、吊钩桥式起重机等。(3)备料