朝陽重型建材機械制造有限公司

用直接還原鎳礦法生產鎳鐵

紅土鎳礦用回轉窯直接還原生產高鎳鎳鐵

一、鎳鐵的來歷、成分和消費市場

    我國不銹鋼和電池行業的快速發展，國內鎳產品供應將面臨長期短缺的局面。2005年以來國際市場鎳價非理性的不斷上漲對國內鋼鐵業發展構成了新的挑戰。我國民營企業使用火法冶煉從菲律賓和印度尼西亞進口的紅土鎳礦礦石，大量生產鎳鐵合金作為冶煉不銹鋼的配料，成功狙擊了國際市場的瘋狂炒作，鎳價大幅下降，市場將逐步恢復理性。

    我國鎳金屬生產技術已有重大突破，擁有自主知識產權，紅土鎳礦經高爐冶煉鎳鉻生鐵，生產出大批鎳生鐵的實際成效。技術變革及其快速進入生產應用領域，成功狙擊了國際市場的瘋狂炒作，2007年6月國際市場鎳價大幅下降。在市場高鎳價的情況下，2005年開始，國內民營企業開始利用煉鋼高爐轉產冶煉紅土鎳礦礦石生產鎳生鐵。

    我國民營企業開始大規模利用從菲律賓和印度尼西亞進口的紅土鎳礦礦石冶煉鎳生鐵，此后進口礦石量逐月增加，到2007年底利用進口礦石約300多萬噸，產出鎳生鐵的含鎳量約3萬噸。2007年全國生產鎳生鐵的中小企業達到100多家，l～9月進口礦石1200萬噸左右。

    目前我國中小企業生產的鎳生鐵的含鎳量多在4％～8％，只能用作冶煉不銹鋼的配料，在冶煉不銹鋼時，尚需加入一定量的精煉純鎳。只有提高技術使鎳生鐵中的含鎳量達到10％～15％，才能在冶煉不銹鋼時完全替代純鎳。這就是產生礦石積壓在港口的原因，也是今后民營企業需要攻克的技術難關。為攻克技術難關，朝陽重型建材機械制造有限公司根據多年生產金屬化球團生產線先進技術及對日本冶金工業公司大江山廠用克魯帕—雷恩法（Krupp—Renn Procoss）的研究，成功并實現了生產出鎳含量10％以上的鎳生鐵了。

我國使用火法利用紅土鎳礦冶煉鎳生鐵，使不銹鋼生產原料構成發生了重大變革，改變了全球不銹鋼生產原料鎳的供需格局，也改變了世界不銹鋼產業發展的格局。低成本利用礦石質量較差的紅土鎳礦資源，符合資源節約型的歷史發展趨勢，翻開了我國不銹鋼生產史的新篇章。目前，高爐法的低品位產品市場容量已經飽和，加快發展10％以上品位的回轉窯工藝，可以進一步擴大紅土礦火法鎳的市場容量。 

二、火法生產鎳鐵的生產工藝方法及流程

1.   電碳熱法：

紅土鎳礦—→預處理—→脫水—→造塊—→配入焦炭、熔劑—→

電爐冶煉—→粗鎳鐵—→降C、Si、P、S精煉—→鎳鐵。

2.   電硅熱法：

紅土鎳礦—→預處理—→烘干—→破碎—→高溫脫水煅燒成塊—→

配入熔劑—→礦熱電爐熔化—→NiO熔體—→倒入反應包—→

向反應包加入45％硅鐵—→倒包反應—→粗鎳鐵—→降P、Si精煉

—→鎳鐵。

3.   高爐熔煉法：

   紅土鎳礦—→預處理—→脫水、燒結、造塊—→配入焦炭、熔劑—→

   高爐冶煉—→粗鎳鐵—→精煉降Si、C、P、S—→鎳鐵。

4.   回轉窯——礦熱電爐——轉爐（RKEF）熔煉法：

   紅土鎳礦—→預處理—→篩分—→干燥—→回轉窯煅燒—→熱料裝入礦熱爐冶煉—→粗制鎳鐵爐外脫硫—→轉爐中脫除Si、P、C、S、Mn等雜質—→鎳鐵鑄塊。

5.   回轉窯直接還原法：

①    日本大江山回轉窯直接還原法：

紅土鎳礦—→加水粉磨—→礦漿過濾—→加入石灰石、無煙煤混合

—→棒磨機研磨—→壓團—→鏈篦加熱機預熱—→回轉窯煅燒—→

水淬—→加水粉磨—→跳汰—→磁選—→過濾—→鎳鐵粉。

②    朝陽重型建材機械回轉窯直接還原法：

紅土鎳礦—→粗破碎—→烘干—→破碎—→加入石灰石、煤粉混合

—→壓球—→回轉窯煅燒—→水淬—→加水粉磨—→磁選—→過濾—→鎳鐵粉。

三、回轉窯直接還原法與高爐法、礦熱電爐法及回轉窯+礦熱電爐法等工藝相比有如下優點：

（1）   設備工藝簡單，維修方便；

（2）   投資少，見效快；

（3）   能耗少，降低生產成本；

（4）   生產成本低，投資回收期短；

（5）   熔煉的主要能源為煤，而不是昂貴的電能。

（6）   原料的自由選擇，可用東南亞的各種紅土鎳礦。

（7）   所產高鎳鎳鐵質量高（在原礦Ni=2%，Fe=15%，回收率為90%時，鎳鐵含Ni=11.8%左右），可直接用作不銹鋼的生產原料。

（8）   由其是在嚴重缺電的國家首先此工藝。

四、紅土鎳礦用回轉窯直接還原法生產鎳鐵的工藝和技術

    熔煉方法和工藝如下：

    預處理步驟是將原料紅土鎳礦烘干后，與含碳物料和熔劑石灰石混合，制球后連續給入回轉窯。在回轉窯中，物料與煤燃燒所產生的熱氣流逆流運動，經受所有熔煉步驟--干燥，脫水，還原和金屬成長。金屬是在窯中半熔融條件下生成的。燒成的物料熔塊從回轉窯出來就將它急冷，磨細后，用磁選機將還原成的鎳鐵合金從排出的熔塊中分離出來。分離出來的鎳鐵呈直徑2~3毫米的沙狀顆粒， 并夾帶1~2%爐渣， 其化學組成為C=0.1%， Ni=11~14%， S=0.45%， P=0.015% 。此產品不管含硫多高均適用于煉鋼過程，因煉鋼時有很好的脫硫能力。沙狀顆粒在煉鋼過程中相當有利于連續加料和作為冷卻劑物料快速溶解。

回轉窯生產工藝鎳和鐵的回收率都很高，均在90%以上。

五、朝陽重型建材機械制造有限公司技術改進的歷程

在詳細介紹本方法之前，讓我們簡單回顧朝陽重型建材機械制造有限公司以往技術改進的歷史。

從印度尼西亞進口高品位鎳鐵生產鎳鐵始于2009年，為煉不銹鋼廠提供原料。從那時起，努力提高生產能力、鎳回收率、產品性能和節省能耗。

表1所示為朝陽重型建材機械制造有限公司主要生產過程的技術改進歷史。

表1：年按340天計算

如表中所示,我們通過增建回轉窯，幾項設施改進和改善原料預處理等，成功地逐步提高生產能力，滿足鋼廠生產不銹鋼方面不斷增長的需要。至于能源問題，鎳熔煉過程消耗大量能源。為解決石油危機后能耗費用增加的問題，采取種種措施降低此項費用，如提高預熱效率，用煤代油，用新的預處理技術以降低供入回轉窯的原料含水量。

關于鎳回收率，一般認為，因原料中脈石含量高，只用回轉窯法不能達到足夠高回收率。事實上，朝陽重型建材機械制造有限公司法應用初期鎳回收率僅約85%，但經改進原料預處理工藝和燒渣分離工藝就使此低回收率大為改觀。同時，用熱化學的觀點，對在半熔條件下還原出來的金屬顆粒的聚集機理進行了研究。

六、各方法優缺點

表2列出了朝陽重型建材機械制造有限公司法、大江山廠法及礦熱爐法冶煉鎳鐵的優缺點。

表2：

注：回轉窯直接還原法與礦熱爐法相比，電耗約降低60～70%，

七、工藝過程

原料準備過程

生產質量良好的團塊是回轉窯成功操作的重要因素——如團塊有利于熱效率提高，有利于形成理想的溫度分布，防止窯結圈故障，并降低煙塵率。

（1）               原料：所用原料由印尼鎳礦，無煙煤和焦粉還原劑，燃料煤和石灰石熔劑所組成。這些物料典型的化學成分列于表3～5。因鎳鐵產品直接用于不銹鋼生產過程，產品中磷含量限制在最高不應超過0.02%。因此使用特殊品級的低磷煤，至于產品的硫含量，由于AOD法有很好的脫硫效率，故沒有特別限制。后面將要討論到，硫在回轉窯中使還原金屬顆粒的團聚方面起著重要作用。

（2）               壓團：為節省能耗，提高窯的礦石處理量和窯的穩定操作需要含水分低（約18%）和強度高的團塊。

礦石典型化學組成（%）   表3

燃料典型化學成分      表4

石灰石典型化學成分      表5

此工藝通過烘干機干燥、混料機混合后進入壓團機。通過嚴格控制水分，按礦石的礦物特性進行適當配比和充分混合，可產出優質團塊。在此工序，所有無煙煤，焦粉和石灰石均與礦石一起壓團。

優質團塊能很有效地確保窯穩定操作的條件。圖2表示礦石的粘土含量和水分對生團塊性質的影響。

熔煉

（1）窯操作特點：

團塊不斷送給回轉窯中。在窯內團塊以平均速度6米/時前進。在團塊前進過程中，與燃料煤燒所產生的熱氣流逆流運動時，完成脫水、還原、團塊破壞、造渣、還原的金屬顆粒團聚等熔煉步驟。嵌入團塊中含碳物料既作燃料又作還原劑。窯穩定操作的最重要的技術因素是恒定的團塊供給速度和保持窯中的穩定溫度分布。很好地控制團塊中含碳質物料的加入量可保證窯中穩定的溫度分布。團塊質量差、窯給料速度變化無常、含碳物散亂均會造成物料和窯壁局部過熱或過冷，增加粉塵，抽風情況異常和含碳物偏析分布。這一切都是引起窯結圈故障，耐火襯里壽命縮短和金屬顆粒團聚不好的原因。

（2）窯中反應特性：

根據計算機模擬和停窯后研究結果，在團塊沿窯運動中，可完成礦石脫水，蒸發結晶水和石灰石的分解。當鐵和鎳氧化物開始被還原性氣體和嵌入其中的含碳物還原時。由于體積膨脹團塊可能破壞，并逐步軟化。

為有效利用團塊中含碳物作還原劑和燃料，控制團塊的反應率是重要因素之一。當物料運動到離窯出口約30米處，物料溫度上升至約1100℃以上。此時，造渣反應開始與還原反應同時進行。鎳氧化物有橄檻石結構（Ni，Hg），SiO₂，鐵氧化物可能也有相同結構Fe₂SiO₄。在高溫下它們均跟游離二氧化硅反應，而且兩種氧化物似乎都形成固溶體，所以從熱化學觀點看來，在半熔融條件下氧化鎳還原是相當困難的，如圖4所示，不管鐵和鎳氧化物之間生成自由能差別有多大。兩種氧化物幾乎同時還原為金屬。。

要確切說明在溫度范圍為1250～1400℃，半熔融渣條件下還原金屬顆粒聚結的機理是很困難的。我們提出如下團聚模型。金屬顆粒以非穩定態存在于渣中的懸浮系統可能適用于該過程。所以金屬顆粒和渣相間界面現象可能對團聚有重大影響。根據經驗，加硫，石灰或三氧化鋁很有利于促進團聚過程。渣相中的氧化鐵似乎對團聚有作用。相反，渣相中過多的殘留堿有害于團聚。

硫往往富集在金屬顆粒的表面上，這就局部地降低了金屬顆粒的熔點和表面張。大家認為這些現象引起了金屬顆粒的粘結。就渣相表面現象而論，為使金屬顆粒較易運動，并使它們聚集，選用較低粘度的渣。雖然將離子結構引入渣系統會有某些困難，但因SiO₄^4-是表面活性的，它會集中在渣一金屬界面上。此外，象CaO，Al₂O₃或FeO這些“網狀結構破壞者”也可能移至界面，變成活性組分。

CaO   → Ca²⁺   +  O^2-

              Al₂O₃  → 2Al³⁺  +  3O^2-

              FeO   → Fe²⁺   +   O^2-

這樣，金屬顆粒和渣相之間的界面可能粘度較小，有利于促進金屬顆粒的運動。

渣中過多殘余碳可能增加渣的表觀粘度，可能不利于更好的團聚。

下述模型簡示在圖5中，Ca和Fe集中在渣表面，而S集中在金屬顆粒表面。同樣，Si和Al也集中在渣表面。

界面區域分析結果可與所提出模型很好地符合。

從實踐觀點看，檔料圈高度，燃咀位置和渣中殘碳量控制等是是促進還原出金屬顆粒團聚的重要因素。這些條件確保適當的窯渣粘度和有效團聚的通過時間。

事實上，自從用壓團法備料以來，有關異常結圈，金屬產率，熱效率等窯中實際條件已大為改善。

這些可能是窯給料中水分減少，煙塵率降低和含碳物料勻速前進的結果。

經煅燒后，原料在窯末端變成含團聚鎳鐵合金的“燒結塊”。為防止氧化和使熔塊更易破碎，當熔塊離窯時即水碎。然后將水碎燒結塊運往分離車間。

在分離車間，用馬西磨礦機將熔塊磨至-2毫米碎屑，再用圖1流程所示的磁選機分離為金屬和窯渣打。磁選精礦中金屬部分約占10％，將它返回窯中，分離后余下的熔塊尾渣，部分出售作建筑材料。所謂粒鐵的鎳鐵典型成分見表6。雖然鎳鐵含有少量窯渣，但它可直接用作生產不銹鋼的原料。表7列出典型的窯渣組成。從礦物學上講，它由頑輝石（MgO·SiO₂），少量鎂橄檻石（2MgO·Si O₂）和游離二氧化硅所組成。熔化一噸干礦產出80％渣和10%金屬。

鎳鐵典型化學成分（%）    表6

窯渣典型化學組成（%）    表7

最后，回轉窯熔煉過程熱平衡列于表8。總熱效率接近78%。從表8可見，熔煉主要熱量由無煙煤和煤供給，不用電能加熱。原料準備，熔塊處理和其它機械操作耗電能約為5000千瓦小時/噸鎳產品。因此，電耗遠比其他鎳鐵法（如埃爾—肯姆法）低，可以說日本冶金大江山法在能耗上是很廉價的方法。

熱量平衡       表8

八、結論

概述了朝陽重型建材機械制造有限公司法的特點。煉鎳鐵消耗大量的能源，因此對本工藝的主要技術措施都以利用低價能源，降低能耗為目標。

通過各種改進措施（采用壓團法，良好控制熔煉作業等）我們成功地創立了回收率相當高，成本低的鎳鐵法。這方法還給不銹鋼生產提供優質的鎳源。這就使我們能建成直接從原料開始的不銹鋼聯合生產線。

九、回轉窯直接還原法與回轉窯+礦熱爐法主要經濟指標對比表

(紅土鎳礦含水量：30%，品位：Ni=1.8, Fe=15.2，年按300天計算)

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