鎳鐵冶煉工藝及原理

鎳及鎳鐵的用途
鎳在大氣中不易生銹，能耐氟、堿、鹽和多種有機(jī)物質(zhì)的腐蝕。鎳系磁性金屬，具有良好的韌性，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能經(jīng)受各種類型的機(jī)械加工如壓延、壓磨、焊接等。
鎳主要用于制作金屬材料，約占總量的70%以上;用于電鍍，約占鎳總消費量的15%;在石油化工的氫化過程中作催化劑;用作化學(xué)電源;制作顏料和染料;制作陶瓷和鐵素體。
鎳鐵是鎳及鐵的合金，其中含有碳、硅、磷及其他元素。鎳鐵主要用作冶煉不銹鋼的合金劑。
采用紅土鎳礦生產(chǎn)的鎳鐵的化學(xué)成分一般為：Ni10%～15%,Si≤7%,C≤4.5%,P≤0.06%,S≤0.04%~0.35%。
紅土鎳礦生產(chǎn)鎳鐵用原料
采用紅土鎳礦冶煉鎳鐵的原料有紅土鎳礦、焦炭和石灰。
紅土鎳礦的礦物和化學(xué)成分波動很大，特別是含鎳量、MgO/SiO?質(zhì)量比等。典型紅土鎳礦成分為：Ni1.3%～1.9%,Fe10%～15%,SiO?35%～45%,Mg017%～25%,P0.001%～0.007%,H?O25%~33%。紅土礦中含有大量化合水，入爐冶煉前需要進(jìn)行焙燒脫水。
石灰要求CaO≥82%。
焦炭要求固定碳大于82%,灰分小于15%,含S≤0.7%,水分小于6%,粒度10～25mm。
紅土鎳礦鎳鐵冶煉原理
紅土鎳礦中主要含有NiO、Cr?O?、Fe?O?、Al?O?、MgO、SiO?等多種氧化物。根據(jù)氧化物反應(yīng)自由能數(shù)據(jù)可知，在紅土鎳礦的熔點范圍內(nèi)(1600～1700K),紅土鎳礦中各氧化物在還原性氣氛中被還原的順序由易到難為：NiO>FeO>SiO?>Fe?O?>MgO>Cr?O?>Al?O?。NiO最先被還原，且NiO還原溫度小于FeO還原溫度，利用這一選擇性還原原理可采取缺碳操作，使紅土鎳礦中幾乎所有的鎳氧化物優(yōu)先還原成金屬，而高價的Fe?O?適量還原為金屬，其余還原為FeO進(jìn)入熔渣，從而達(dá)到富集鎳的目的，鐵的還原程度通過還原劑焦丁的加入量加以調(diào)整。
礦熱爐內(nèi)弧光溫度區(qū)溫度達(dá)到2500℃以上，熔池溫度可達(dá)1800℃以上，在此溫度下發(fā)生的主要反應(yīng)為：
NiO+C=Ni+CO
Fe?O?+3C==2Fe+3CO
NiFe?O?+4C=2Fe+Ni+4CO
Fe?O?+C=2Fe0+CO
FeO+C=Fe+CO
Cr?O?+3C=2Cr+3CO
MgO+C=Mg+CO
SiO?+2C=Si+2CO
反應(yīng)生成鎳鉻鐵合金，并含硅鎂等元素。爐內(nèi)的實際化學(xué)反應(yīng)比上述反應(yīng)要復(fù)雜得多。
紅土鎳礦鎳鐵冶煉工藝
采用紅土鎳礦生產(chǎn)鎳鐵主要有高爐法、回轉(zhuǎn)窯直接還原法、回轉(zhuǎn)窯-礦熱爐聯(lián)合法三種。
4.1 高爐法冶煉
高爐生產(chǎn)鎳鐵的流程主要是：礦石干燥篩分(大塊破碎)—配料一燒結(jié)一燒結(jié)礦加焦炭塊及熔劑入高爐熔煉—鎳鐵水鑄錠和熔渣水淬一產(chǎn)出鎳鐵錠和水淬渣。高爐生產(chǎn)低鎳鐵較多，所用原料為含鐵50%左右和含鎳1%左右的紅土鎳礦，生產(chǎn)含鎳5%左右的低鎳生鐵。通常鎳鐵的焦比在800kg焦炭/噸鎳鐵左右。
4.2 回轉(zhuǎn)窯直接還原熔煉
回轉(zhuǎn)窯直接還原熔煉被公認(rèn)是能耗和成本最低的生產(chǎn)方法?；玖鞒淌牵涸V干燥(大塊破碎和磨礦)—配加還原煤和熔劑—入回轉(zhuǎn)窯還原和熔煉—熔塊水淬—水淬渣和鎳鐵粒破碎、磨礦、磁選—產(chǎn)出鎳粒鐵和細(xì)熔渣。該工藝不用焦炭、不用大量耗電，流程短環(huán)節(jié)少，具有極強(qiáng)的競爭力和生命力。目前，該工藝在國內(nèi)還沒有規(guī)?；a(chǎn)，主要是對配料、耐火材料、結(jié)圈等問題尚未取得圓滿解決。
4.3 回轉(zhuǎn)窯—礦熱爐冶煉
回轉(zhuǎn)窯一礦熱爐冶煉工藝被國內(nèi)外大量采用，用于生產(chǎn)含鎳較高的鎳鐵合金。熔煉完整的工藝流程是：原礦干燥及大塊破碎一配煤及熔劑進(jìn)回轉(zhuǎn)窯徹底干燥及預(yù)還原一礦熱爐還原熔煉—鎳鐵鐵水鑄錠及熔渣水淬—產(chǎn)出鎳鐵錠(或水淬成鎳鐵粒)和水淬渣。
主要工序組成如下：
(1)干燥：鎳礦采用回轉(zhuǎn)干燥筒去除水分;
(2)配料：將紅土礦與無煙煤和石灰石按比例配料、混合;
(3)預(yù)還原：在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)還原;
(4)冶煉：熱料直接入爐冶煉;
(5)精煉：對合金進(jìn)行脫硫和脫硅、脫碳精煉;
(6)澆注或粒化：?；⒏稍?、包裝或澆鑄機(jī)鑄錠;
(7)煙氣凈化：廢氣進(jìn)除塵器后排放和電爐煤氣回收。
紅土鎳礦由港口運送到料場堆存、混勻。在原料場堆存與預(yù)混勻的紅土礦先經(jīng)過干燥窯脫除大部水分后破碎、篩分，石灰石、還原劑在原料場、備料間加以篩分破碎后，與干燥后的紅土礦一起配料混勻送入回轉(zhuǎn)窯。
在回轉(zhuǎn)窯中，原料經(jīng)進(jìn)一步干燥、焙燒、預(yù)還原，制成約900～1000℃的鎳渣(部分還原后的產(chǎn)物)?；剞D(zhuǎn)窯煙氣經(jīng)余熱鍋爐、除塵、脫硫化后排放，粉塵與原料混合后再次入窯。
鎳渣在封閉隔熱狀態(tài)下(高架送料小車)加入礦熱爐料倉(內(nèi)襯耐火磚)。根據(jù)工藝要求，熱態(tài)還原產(chǎn)物采用電子輕軌衡進(jìn)行二次配料后，送礦熱爐熔煉系統(tǒng)。通過不同位置的下料管分配到礦熱爐內(nèi)。礦熱爐為半封閉(或全封閉)式，自焙電極，埋弧冶煉，還原并熔分粗制鎳鐵和爐渣，同時產(chǎn)生含CO約75%的礦熱爐荒煤氣，荒煤氣經(jīng)過凈化送到回轉(zhuǎn)窯燒嘴，與煤粉一起作為燃料。除塵灰經(jīng)處理后，返回到原料場。礦熱爐爐渣經(jīng)過水淬后可作為建筑材料，用于道路建設(shè)、制磚。
液態(tài)鎳鐵合金從礦熱爐定期放入鋼包內(nèi)，由鋼包車運到澆鑄廠房澆鑄，合格鎳鐵錠入庫外銷。礦熱爐的產(chǎn)品是粗制鎳鐵，出鐵前可預(yù)先在鐵水包加脫硫劑，出鐵同時脫硫。
粗制鎳鐵含Si、C、P等雜質(zhì)，需要繼續(xù)精煉。扒渣后，兌入轉(zhuǎn)爐，吹氧脫硅，同時加入含鎳廢料以防鐵水溫度偏高，脫硅后扒渣(或者擋渣出鐵),兌入堿性轉(zhuǎn)爐，吹氧脫磷、脫碳，同時加入石灰石造堿性渣，堿性轉(zhuǎn)爐精煉后的鎳鐵水送往澆注車間，鑄成合格的商品鎳鐵塊或熱態(tài)直接送往煉鋼廠。
總體工藝流程如圖1所示。

 
圖1 鎳鐵生產(chǎn)工藝流程
鎳鐵生產(chǎn)節(jié)能
礦熱爐冶煉含鎳生鐵的原礦大部分來自國外。原礦石大部分屬粉礦，附著水分一般在30%左右，結(jié)晶水在10%左右，所以該礦要進(jìn)行燒結(jié)以后才能入爐冶煉。燒結(jié)是冶煉的第一步工序，它不僅關(guān)系著冶煉能否正常進(jìn)行，而且也影響著產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，與此同時燒結(jié)過程中還要消耗較高的能量，應(yīng)合理選擇燒結(jié)設(shè)備及工藝。采用豎窯燒結(jié)和回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)是較佳選擇。
熱料入爐是節(jié)能的主要方向，電耗將大幅度下降，應(yīng)積極試驗。利用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)熱料入爐，不僅可節(jié)約成本，也可增加產(chǎn)品的市場競爭力。
鎳鐵生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)及原輔料消耗
生產(chǎn)含Ni10%~15%、Si≤7%、C≤4.5%、P≤0.06%、S≤0.04%~0.35%的鎳鐵的主要原料和動力的消耗為：紅土鎳礦7200kg/t，石灰2300kg/t，焦炭470kg/t(熱料)，電極糊40kg/t，電耗6000kW·h/t(熱料)。