朝陽(yáng)重型建材機(jī)械制造有限公司
用直接還原鎳礦法生產(chǎn)鎳鐵
紅土鎳礦用回轉(zhuǎn)窯直接還原生產(chǎn)高鎳鎳鐵
一、鎳鐵的來(lái)歷、成分和消費(fèi)市場(chǎng)
我國(guó)不銹鋼和電池行業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)鎳產(chǎn)品供應(yīng)將面臨長(zhǎng)期短缺的局面。2005年以來(lái)國(guó)際市場(chǎng)鎳價(jià)非理性的不斷上漲對(duì)國(guó)內(nèi)鋼鐵業(yè)發(fā)展構(gòu)成了新的挑戰(zhàn)。我國(guó)民營(yíng)企業(yè)使用火法冶煉從菲律賓和印度尼西亞進(jìn)口的紅土鎳礦礦石，大量生產(chǎn)鎳鐵合金作為冶煉不銹鋼的配料，成功狙擊了國(guó)際市場(chǎng)的瘋狂炒作，鎳價(jià)大幅下降，市場(chǎng)將逐步恢復(fù)理性。
我國(guó)鎳金屬生產(chǎn)技術(shù)已有重大突破，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，紅土鎳礦經(jīng)高爐冶煉鎳鉻生鐵，生產(chǎn)出大批鎳生鐵的實(shí)際成效。技術(shù)變革及其快速進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，成功狙擊了國(guó)際市場(chǎng)的瘋狂炒作，2007年6月國(guó)際市場(chǎng)鎳價(jià)大幅下降。在市場(chǎng)高鎳價(jià)的情況下，2005年開始，國(guó)內(nèi)民營(yíng)企業(yè)開始利用煉鋼高爐轉(zhuǎn)產(chǎn)冶煉紅土鎳礦礦石生產(chǎn)鎳生鐵。
我國(guó)民營(yíng)企業(yè)開始大規(guī)模利用從菲律賓和印度尼西亞進(jìn)口的紅土鎳礦礦石冶煉鎳生鐵，此后進(jìn)口礦石量逐月增加，到2007年底利用進(jìn)口礦石約300多萬(wàn)噸，產(chǎn)出鎳生鐵的含鎳量約3萬(wàn)噸。2007年全國(guó)生產(chǎn)鎳生鐵的中小企業(yè)達(dá)到100多家，l～9月進(jìn)口礦石1200萬(wàn)噸左右。
目前我國(guó)中小企業(yè)生產(chǎn)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(shí)，尚需加入一定量的精煉純鎳。只有提高技術(shù)使鎳生鐵中的含鎳量達(dá)到10％～15％，才能在冶煉不銹鋼時(shí)完全替代純鎳。這就是產(chǎn)生礦石積壓在港口的原因，也是今后民營(yíng)企業(yè)需要攻克的技術(shù)難關(guān)。為攻克技術(shù)難關(guān)，朝陽(yáng)重型建材機(jī)械制造有限公司根據(jù)多年生產(chǎn)金屬化球團(tuán)生產(chǎn)線先進(jìn)技術(shù)及對(duì)日本冶金工業(yè)公司大江山廠用克魯帕—雷恩法（Krupp—Renn Procoss）的研究，成功并實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)出鎳含量10％以上的鎳生鐵了。
我國(guó)使用火法利用紅土鎳礦冶煉鎳生鐵，使不銹鋼生產(chǎn)原料構(gòu)成發(fā)生了重大變革，改變了全球不銹鋼生產(chǎn)原料鎳的供需格局，也改變了世界不銹鋼產(chǎn)業(yè)發(fā)展的格局。低成本利用礦石質(zhì)量較差的紅土鎳礦資源，符合資源節(jié)約型的歷史發(fā)展趨勢(shì)，翻開了我國(guó)不銹鋼生產(chǎn)史的新篇章。目前，高爐法的低品位產(chǎn)品市場(chǎng)容量已經(jīng)飽和，加快發(fā)展10％以上品位的回轉(zhuǎn)窯工藝，可以進(jìn)一步擴(kuò)大紅土礦火法鎳的市場(chǎng)容量。
二、火法生產(chǎn)鎳鐵的生產(chǎn)工藝方法及流程
1.電碳熱法：
紅土鎳礦—→預(yù)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(yù)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(yīng)包—→向反應(yīng)包加入45％硅鐵—→倒包反應(yīng)—→粗鎳鐵—→降P、Si精煉
—→鎳鐵。
3.高爐熔煉法：
紅土鎳礦—→預(yù)處理—→脫水、燒結(jié)、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(zhuǎn)窯——礦熱電爐——轉(zhuǎn)爐（RKEF）熔煉法：
紅土鎳礦—→預(yù)處理—→篩分—→干燥—→回轉(zhuǎn)窯煅燒—→熱料裝入礦熱爐冶煉—→粗制鎳鐵爐外脫硫—→轉(zhuǎn)爐中脫除Si、P、C、S、Mn等雜質(zhì)—→鎳鐵鑄塊。
5.回轉(zhuǎn)窯直接還原法：
①日本大江山回轉(zhuǎn)窯直接還原法：
紅土鎳礦—→加水粉磨—→礦漿過濾—→加入石灰石、無(wú)煙煤混合—→棒磨機(jī)研磨—→壓團(tuán)—→鏈篦加熱機(jī)預(yù)熱—→回轉(zhuǎn)窯煅燒—→水淬—→加水粉磨—→跳汰—→磁選—→過濾—→鎳鐵粉。
②朝陽(yáng)重型建材機(jī)械回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)窯煅燒—→水淬—→加水粉磨—→磁選—→過濾—→鎳鐵粉。
三、回轉(zhuǎn)窯直接還原法與高爐法、礦熱電爐法及回轉(zhuǎn)窯+礦熱電爐法等工藝相比有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1） 設(shè)備工藝簡(jiǎn)單，維修方便；
（2） 投資少，見效快；
（3） 能耗少，降低生產(chǎn)成本；
（4） 生產(chǎn)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(chǎn)高鎳鎳鐵質(zhì)量高（在原礦Ni=2%，F(xiàn)e=15%，回收率為90%時(shí)，鎳鐵含Ni=11.8%左右），可直接用作不銹鋼的生產(chǎn)原料。
（8） 由其是在嚴(yán)重缺電的國(guó)家首先此工藝。
四、紅土鎳礦用回轉(zhuǎn)窯直接還原法生產(chǎn)鎳鐵的工藝和技術(shù)
熔煉方法和工藝如下：
預(yù)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(xù)給入回轉(zhuǎn)窯。在回轉(zhuǎn)窯中，物料與煤燃燒所產(chǎn)生的熱氣流逆流運(yùn)動(dòng)，經(jīng)受所有熔煉步驟--干燥，脫水，還原和金屬成長(zhǎng)。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(zhuǎn)窯出來(lái)就將它急冷，磨細(xì)后，用磁選機(jī)將還原成的鎳鐵合金從排出的熔塊中分離出來(lái)。分離出來(lái)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(xué)組成為C=0.1%， Ni=11~14%， S=0.45%， P=0.015% 。此產(chǎn)品不管含硫多高均適用于煉鋼過程，因煉鋼時(shí)有很好的脫硫能力。沙狀顆粒在煉鋼過程中相當(dāng)有利于連續(xù)加料和作為冷卻劑物料快速溶解。
回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝鎳和鐵的回收率都很高，均在90%以上。
五、朝陽(yáng)重型建材機(jī)械制造有限公司技術(shù)改進(jìn)的歷程
在詳細(xì)介紹本方法之前，讓我們簡(jiǎn)單回顧朝陽(yáng)重型建材機(jī)械制造有限公司以往技術(shù)改進(jìn)的歷史。
從印度尼西亞進(jìn)口高品位鎳鐵生產(chǎn)鎳鐵始于2009年，為煉不銹鋼廠提供原料。從那時(shí)起，努力提高生產(chǎn)能力、鎳回收率、產(chǎn)品性能和節(jié)省能耗。
表1所示為朝陽(yáng)重型建材機(jī)械制造有限公司主要生產(chǎn)過程的技術(shù)改進(jìn)歷史。
表1：年按340天計(jì)算
年 地址 臺(tái)數(shù)原礦噸/日 鎳產(chǎn)量噸/年 鎳回收率% 能耗千卡/噸礦
09齊齊哈爾 一臺(tái) 500 2890 85 1320×103
10江蘇南通 一臺(tái) 500 3060 90 1320×103
20江蘇南通 二臺(tái) 500 6256 92 1320×103
20江蘇南通 一臺(tái) 1000 6324 93 1320×103
20江蘇南通 二臺(tái) 1000 12648 93 1320×103
20江蘇南通 四臺(tái) 3000 18904 92.67 1320×103
20江蘇泰州 四臺(tái) 1000 在建
如表中所示,我們通過增建回轉(zhuǎn)窯，幾項(xiàng)設(shè)施改進(jìn)和改善原料預(yù)處理等，成功地逐步提高生產(chǎn)能力，滿足鋼廠生產(chǎn)不銹鋼方面不斷增長(zhǎng)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(jī)后能耗費(fèi)用增加的問題，采取種種措施降低此項(xiàng)費(fèi)用，如提高預(yù)熱效率，用煤代油，用新的預(yù)處理技術(shù)以降低供入回轉(zhuǎn)窯的原料含水量。
關(guān)于鎳回收率，一般認(rèn)為，因原料中脈石含量高，只用回轉(zhuǎn)窯法不能達(dá)到足夠高回收率。事實(shí)上，朝陽(yáng)重型建材機(jī)械制造有限公司法應(yīng)用初期鎳回收率僅約85%，但經(jīng)改進(jìn)原料預(yù)處理工藝和燒渣分離工藝就使此低回收率大為改觀。同時(shí)，用熱化學(xué)的觀點(diǎn)，對(duì)在半熔條件下還原出來(lái)的金屬顆粒的聚集機(jī)理進(jìn)行了研究。
六、各方法優(yōu)缺點(diǎn)
表2列出了朝陽(yáng)重型建材機(jī)械制造有限公司法、大江山廠法及礦熱爐法冶煉鎳鐵的優(yōu)缺點(diǎn)。
表2：
朝重建材法 大江山法 回轉(zhuǎn)窯+礦熱爐法 礦熱爐法
熔煉能源 煤 煤 煤 + 電 電
能耗 目前*低 較低 高 太高
一次性投資目前*低 較低 太高 高
鎳鐵含鎳量 10%左右 10%左右 11%左右 4～7%
鎳鐵回收率 ＞90% ＞90% ＞97% 75%
單位成本 目前*低 很低 高 太高
利潤(rùn)率 目前*高 較高 低 低
投資回收期 1年內(nèi) 1年內(nèi) 很長(zhǎng) 很長(zhǎng)
注：回轉(zhuǎn)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(zhǔn)備過程
生產(chǎn)質(zhì)量良好的團(tuán)塊是回轉(zhuǎn)窯成功操作的重要因素——如團(tuán)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(jié)圈故障，并降低煙塵率。
（1） 原料：所用原料由印尼鎳礦，無(wú)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(xué)成分列于表3～5。因鎳鐵產(chǎn)品直接用于不銹鋼生產(chǎn)過程，產(chǎn)品中磷含量限制在*高不應(yīng)超過0.02%。因此使用特殊品級(jí)的低磷煤，至于產(chǎn)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(zhuǎn)窯中使還原金屬顆粒的團(tuán)聚方面起著重要作用。
（2） 壓團(tuán)：為節(jié)省能耗，提高窯的礦石處理量和窯的穩(wěn)定操作需要含水分低（約18%）和強(qiáng)度高的團(tuán)塊。
礦石典型化學(xué)組成（%） 表3
礦石水份燒失率SiO2 Fe Al2O3Ni+COCr2O3 CaO MgO MgO/SiO2
A 24.1 10.5 42.5 11.8 0.9 2.55 1.0 0.1 24.7 0.58
B 25.7 10.6 40.6 13.0 1.0 2.10 1.1 0.1 24.6 0.61
C 28.7 8.9 45.8 15.1 2.1 2.00 0.9 0.6 21.2 0.46
D 29.5 10.6 41.7 18.2 0.9 1.85 1.2 0.1 20.7 0.50
燃料典型化學(xué)成分 表4
水總 水內(nèi) 灰分 揮發(fā)分 固定炭 磷 硫 千卡/千克
無(wú)煙煤 — 4.0 12.3 6.4 77.3 0.004 0.14 6240
焦粉 26.2 — 12.0 2.0 84.8 0.004 0.50 6920
煤A 11.0 4.3 15.6 39.1 41.0 0.007 1.5 6310
煤B 15.0 7.0 7.0 40.0 54.0 0.003 0.23 6400
石灰石典型化學(xué)成分 表5
燒失率 SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO P S
43.63 0.29 0.10 0.15 55.08 0.37 0.004 0.007
此工藝通過烘干機(jī)干燥、混料機(jī)混合后進(jìn)入壓團(tuán)機(jī)。通過嚴(yán)格控制水分，按礦石的礦物特性進(jìn)行適當(dāng)配比和充分混合，可產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)團(tuán)塊。在此工序，所有無(wú)煙煤，焦粉和石灰石均與礦石一起壓團(tuán)。
優(yōu)質(zhì)團(tuán)塊能很有效地確保窯穩(wěn)定操作的條件。圖2表示礦石的粘土含量和水分對(duì)生團(tuán)塊性質(zhì)的影響。
熔煉
（1）窯操作特點(diǎn)：
團(tuán)塊不斷送給回轉(zhuǎn)窯中。在窯內(nèi)團(tuán)塊以平均速度6米/時(shí)前進(jìn)。在團(tuán)塊前進(jìn)過程中，與燃料煤燒所產(chǎn)生的熱氣流逆流運(yùn)動(dòng)時(shí)，完成脫水、還原、團(tuán)塊破壞、造渣、還原的金屬顆粒團(tuán)聚等熔煉步驟。嵌入團(tuán)塊中含碳物料既作燃料又作還原劑。窯穩(wěn)定操作的*重要的技術(shù)因素是恒定的團(tuán)塊供給速度和保持窯中的穩(wěn)定溫度分布。很好地控制團(tuán)塊中含碳質(zhì)物料的加入量可保證窯中穩(wěn)定的溫度分布。團(tuán)塊質(zhì)量差、窯給料速度變化無(wú)常、含碳物散亂均會(huì)造成物料和窯壁局部過熱或過冷，增加粉塵，抽風(fēng)情況異常和含碳物偏析分