利用红土镍矿生产含镍金属的创新工艺技术

2018-12-26 作者：佚名网友评论 0 条

近10年中国民营企业利用进口红土镍矿为原料，采用红土镍矿回转炉还原-磁选工艺，建设一批镍铁冶炼厂。

　　侯希伦

　　北京希伦非焦冶金工程技术有限公司

　　1 前言

　　处理红土镍矿的生产方法有火法（回转炉选择还原-电炉冶炼镍铁法RKEF）、水法、回转炉还原-选矿和高炉冶炼含镍铁水等工艺。火法占主导地位，水法在环保方面遇到不少麻烦减少了该法的利用。回转炉还原-选矿法，不能实施连续热装损失大量热能、金属回收率偏低，尤其回转炉还原部分（粒铁法），其生产工艺不易控制、操作不稳定，国外只有日本大江山冶炼厂采用此法。我国近10年有的私企建设了一批类似大江山法（可惜没有搞准，既不是大江山法，也不是粒铁法，生产工艺不成熟，尚无法定型）的镍冶炼厂。据说都纷纷下马倒闭，只有广西一家在勉强维持生产，（据说2017年赔本一亿元）。

　　2 本文将在下面阐述上述一批倒闭的镍冶炼厂的出路何在？如何恢复生产？如何扭亏为盈！

　　我国最早的回转炉选择还原-电炉法（RKEF）镍铁冶炼的首创原创试生产1961年应阿尔巴尼亚党和政府对我国政府的请求并缘于中阿友好，中国政府决定对当时享誉盛名的“欧洲的一盏明灯”---阿尔巴尼亚---进行援助，即利用该国丰富的红土镍矿资源建设钢铁联合企业生产钢铁产品和镍铁。

　　1962年初原冶金部下达给北京钢铁研究总院、北京矿冶研究总院、北京钢铁设计研究总院、吉林铁合金厂等单位承担上述援阿任务。这项庞大持久的国家重大援阿任务从1962年开始到1970年历时8年断断续续完成了中试线和样板厂的设计、建设和试生产。本文作者侯希伦教授作为本单位现厂操作负责人参加了 8年试生产的全过程。

　　2.1 吉林援阿镍铁和炼钢中试线试生产

　　2.1.1 工艺方案选择

　　从1）氨侵提镍-尾矿高炉炼铁（水法）、2）石油裂化气---竖炉直接还原、3）回转炉生产粒铁和4）回转炉-镍铁电炉（RKEF）-半钢电炉-电炉炼钢的4个方案中优选出第4）项的电冶流程。因为阿国有丰富廉价的水电并参考了东欧经互会的流程[1]。这就是中国最早实施的首创原创回转炉选择还原--电炉冶炼镍铁法（RKEF）经典工艺流程[2]。

　　2.1.2 中试线试生产

　　从1962年12月到1965年10月期间三年内，在吉林铁合金厂断续完成了试生产。试生产规模为年处理1万吨红土矿。

　　试生产期间共用红土矿2829吨，生产出还原矿2562吨，镍铁192,8吨，半钢741吨，钢锭135吨，钢材100吨。用半钢生产出4种碳素结构钢，用所产镍铁和半钢生产出不锈钢以及合金钢。进行了锻材、线材、冷拔材、薄板、无缝管的一系列试生产，得出40余种不同规格的产品，如直径6,5-150mm圆钢，0,6mm薄板等[3]。　　

表1 阿尔巴尼亚红土矿化学成分，%：

T.Fe FeO SiO₂ Al₂O₃ CaO MgO S Cr₂O₃ Ni P₂O₅

47.47 0.14 10.21 5.72 1.60 2.63 0.036 4.43 1.028 0.052

　　根据热力学分析[4]在回转炉温度条件下NiO容易还原并优先于FeO彻底还原。所以对处理阿红土矿采取优先完全还原NiO,部分还原FeO的选择还原工艺。当红土矿中铁和镍的金属化率分别达到25%和95%左右时，可生产出含镍15%的镍铁。

　　红土矿选择还原-电炉冶炼镍铁工艺,铁和镍的回收率分别为90%和91%。

　　镍铁的熔点高,出炉时容易凝固，所以出铁沟要短，出铁系统必须紧凑。

　　回转炉碳耗：80-100 kg 焦屑/t 还原矿。当时应当使用反应性优于焦屑，而且价廉的褐煤/烟煤代替焦屑。

　　镍铁冶炼电耗为650kwh/t还原矿；

　　半钢冶炼铁的回收率为94%；脱铬率95%；

　　半钢冶炼使用高FeO(60%)镍铁渣作为原料生产半钢的冶炼电耗为1700kwh/t 半钢。

　　在当时对于镍铁炉和半钢炉研发出特制的炉用变压器[5]。

　　试生产使用的镍铁电炉容量为 1000KVA,三相，石墨电极，直径250mm(自焙电极直径350mm)，炉膛直径2000mm.变压器特点是低电压（最低电压44V）、大电流（二次侧最大电流7000A）、大电压范围、多级（44-135V；27级）有载切换。

　　半钢电炉冶炼。

　　利用出炉液态镍铁渣（含FeO 60%）作为原料在高温（1350 0C）熔融状态下加入半钢电炉冶炼半钢。高FeO物料在冶金炉内高温条件下进行还原反应，一直是困扰冶金界的技术难题。在高温还原FeO物料时，FeO可以在数日内对冶金炉衬造成灾难性浸蚀被迫停产。经互会为了避开这个技术难题不敢作FeO熔融还原，而是采取镍铁渣冷装入电炉,造成大量热损失和减少经济效益。

　　当时试生产领导小组负责人蔡博教授，知名炼铁资深专家，此前曾长期担任鞍钢炼铁厂厂长、他采取的技措是请他的老部下鞍钢高炉冷却水高级技师詹建功设计并安装了水冷炉壁、水冷渣口并采用挂渣皮技术，一举解决了这项技术难题，炉衬工作4-6个月后仍可使用[2],这是超高FeO渣熔融还原工艺，这是半个世纪，53年前完成的！。到了2018年的今天Hismelt熔融还原法（新工厂SRV炉）不是还在攻关吗[6]，关键是不仅要有水冷炉壁还要开发挂渣皮技术。这里讲的挂渣皮技术，不是文献[6]讲的通过水冷壁内表面的温降自然形成的渣皮保护，而是要采取专门措施特意制造渣皮技术。当然他们还没有悟到这一层门道。顺便再说一句，SRV炉配前置炉的结构设计不合理，渣铁分离不好（炉渣含FeO偏高，铁损大）。

　　熔融还原法采取先融化后还原或者边融化边还原的不合理的冶金原理，注定造成炼铁本身所不需要的炉衬快速浸蚀和超高温工艺操作,尤其碳排放较高。

　　2.2 横山援阿镍铁和炼钢样板厂试生产

　　在吉林镍铁和炼钢中试线试生产成功的基础上，用其各项技术参数群作为设计依据，在浙江省建德县横山建设了横山援阿钢铁厂样板厂，建立了1:1的工厂生产规模，以便先在国内试生产，然后再给阿国建设一模一样的厂，作到工程和工艺技术稳妥可靠万无一失，因为我国此前没有处理红土矿经验。

　　试生产时间：1965-1967年4月，洽在文化大革命时期，作者参加了试生产全过程。

　　生产规模：年处理10万吨红土矿和年产钢3万吨。

　　样板厂试生产期间消耗阿红土矿2,05万吨，得到978,4吨镍铁（含镍15%）和2600吨含铬生铁（当时的杭州会议决定将半钢改为铁水，以便工艺灵活，可以进行转炉炼钢）。

　　主要设备

　　选择还原用回转炉：直径2.5m X 长60m 一台; 斜度4%，转速 0.5-1.35 转/分，沿炉体设置进行二次燃烧的送风系统。装备了出炉还原矿经密封料罐热装加入镍铁电炉系统。

　　镍铁电炉

　　电炉采用镁砖炉衬，水冷炉壁旋转炉底，自焙电极/石墨电极供电，冶炼产生的煤气经湿式净化系统除尘后送入煤气柜。

　　　　表2 镍铁电炉主要技术参数半钢（生铁）电炉主要技术参数

序号名称数据数据

1. 电炉容量 8.0 MVA 8.0 MVA

2. 二次侧电压 90-180 V 90-180 V

3. 二次侧最大电流 41600A 41600 A

4. 电极直径 870mm 870 mm

5. 电极电流密度 7,0A/cm² 7,0 A/cm²

6. 电极中心分布圆直径 2250 mm 2250mm

7. 电极最大行程 1500 mm 1500 mm

8. 电极最大提升速度 500 mm/min 500 mm/min

9. 熔池直径 5880 mm 5480mm

10. 单位熔池面积功率 295 KVA/m²340 KVA/m²

11. 炉膛高度 2300 mm 2300mm

12. 炉底旋转速度 0.5-2.0 小时/转 -----

　　1967年初阿尔巴尼亚政府代表团访问横山援阿镍铁和炼钢样板厂时,代表们手持毛主席语录小红书以感激欣赏欢欣鼓舞的心情振臂高呼：毛主席万岁，毛主席万岁！他们回国后向全球宣布，中国将为阿国援建镍铁生产和钢铁厂。

　　3对中国一些私企处理红土镍矿工艺技术的结论性评议近十年掀起一股研发日本大江山法处理红土镍矿工艺技术热潮。可能研发人员大多是搞选矿和非直接还原专业的，所以对回转炉还原红土镍矿的工艺技术缺乏生产操作经验以及测试研发造诣。

　　3.1 回转炉还原红土镍矿-磁选冶炼厂已投产4年多以来未见关于物料平衡、热平衡、硫平衡、碳平衡的资料报导。

　　3.2 缺乏对生产运行的回转炉测试技术。例如是否作过沿炉身全长红土镍矿在炉内还原行为全过程的测验。

　　3.3 回转炉料层内和自由空间的温度、气体行为测验。

　　3.4 致命短板之一是红土镍矿混和料压块入炉粉化严重。

　　所用印尼红土镍矿含铁虽然不高（18%）[7]，但是压块在回转炉的还原过程中仍然遵循铁矿还原规律，那就是压块在还原过程中不可避免要发生赤铁矿转变为磁铁矿的相变，引起热强度的猛烈下降。因为赤铁矿是刚玉型菱形斜方晶格，是各向异性的六方晶系晶体。磁铁矿是立方晶格，各向同性的等轴晶体。由于这两种矿物的性质差别，当赤铁矿转变为磁铁矿时产生内应力，致使压块膨胀粉化。内应力的大小决定压块抗压强度下降和粉化程度。

　　作者采用冷固结法/低温压块法所做球团，可以不发生球团强度下降。对冷固结球团的热转鼓测定表明，粉化率（< 5 mm）仅为3,2%。

　　用冷固结球团作为原料加入回转炉进行直接还原所作的中试线试生产（生产规模为3500t 还原铁/年），效果良好，球团粉化率很低（见下表3）。

　　表3 冷固结球团直接还原中试线试生产粉化率结果