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朝阳重型建材机械制造有限公司
用直接还原镍矿法生产镍铁
红土镍矿用回转窑直接还原生产高镍镍铁
一、镍铁的来历、成分和消费市场
    我国不锈钢和电池行业的快速发展，国内镍产品供应将面临长期短缺的局面。2005年以来国际市场镍价非理性的不断上涨对国内钢铁业发展构成了新的挑战。我国民营企业使用火法冶炼从菲律宾和印度尼西亚进口的红土镍矿矿石，大量生产镍铁合金作为冶炼不锈钢的配料，成功狙击了国际市场的疯狂炒作，镍价大幅下降，市场将逐步恢复理性。
    我国镍金属生产技术已有重大突破，拥有自主知识产权，红土镍矿经高炉冶炼镍铬生铁，生产出大批镍生铁的实际成效。技术变革及其快速进入生产应用领域，成功狙击了国际市场的疯狂炒作，2007年6月国际市场镍价大幅下降。在市场高镍价的情况下，2005年开始，国内民营企业开始利用炼钢高炉转产冶炼红土镍矿矿石生产镍生铁。
    我国民营企业开始大规模利用从菲律宾和印度尼西亚进口的红土镍矿矿石冶炼镍生铁，此后进口矿石量逐月增加，到2007年底利用进口矿石约300多万吨，产出镍生铁的含镍量约3万吨。2007年全国生产镍生铁的中小企业达到100多家，l～9月进口矿石1200万吨左右。
    目前我国中小企业生产的镍生铁的含镍量多在4％～8％，只能用作冶炼不锈钢的配料，在冶炼不锈钢时，尚需加入一定量的精炼纯镍。只有提高技术使镍生铁中的含镍量达到10％～15％，才能在冶炼不锈钢时完全替代纯镍。这就是产生矿石积压在港口的原因，也是今后民营企业需要攻克的技术难关。为攻克技术难关，朝阳重型建材机械制造有限公司根据多年生产金属化球团生产线先进技术及对日本冶金工业公司大江山厂用克鲁帕—雷恩法（Krupp—Renn Procoss）的研究，成功并实现了生产出镍含量10％以上的镍生铁了。
我国使用火法利用红土镍矿冶炼镍生铁，使不锈钢生产原料构成发生了重大变革，改变了全球不锈钢生产原料镍的供需格局，也改变了世界不锈钢产业发展的格局。低成本利用矿石质量较差的红土镍矿资源，符合资源节约型的历史发展趋势，翻开了我国不锈钢生产史的新篇章。目前，高炉法的低品位产品市场容量已经饱和，加快发展10％以上品位的回转窑工艺，可以进一步扩大红土矿火法镍的市场容量。 
二、火法生产镍铁的生产工艺方法及流程
1.   电碳热法：
红土镍矿—→预处理—→脱水—→造块—→配入焦炭、熔剂—→
电炉冶炼—→粗镍铁—→降C、Si、P、S精炼—→镍铁。
2.   电硅热法：
红土镍矿—→预处理—→烘干—→破碎—→高温脱水煅烧成块—→
配入熔剂—→矿热电炉熔化—→NiO熔体—→倒入反应包—→
向反应包加入45％硅铁—→倒包反应—→粗镍铁—→降P、Si精炼
—→镍铁。
3.   高炉熔炼法：
   红土镍矿—→预处理—→脱水、烧结、造块—→配入焦炭、熔剂—→
   高炉冶炼—→粗镍铁—→精炼降Si、C、P、S—→镍铁。
4.   回转窑——矿热电炉——转炉（RKEF）熔炼法：
   红土镍矿—→预处理—→筛分—→干燥—→回转窑煅烧—→热料装入矿热炉冶炼—→粗制镍铁炉外脱硫—→转炉中脱除Si、P、C、S、Mn等杂质—→镍铁铸块。
5.   回转窑直接还原法：
①    日本大江山回转窑直接还原法：
红土镍矿—→加水粉磨—→矿浆过滤—→加入石灰石、无烟煤混合
—→棒磨机研磨—→压团—→链篦加热机预热—→回转窑煅烧—→
水淬—→加水粉磨—→跳汰—→磁选—→过滤—→镍铁粉。
②    朝阳重型建材机械回转窑直接还原法：
红土镍矿—→粗破碎—→烘干—→破碎—→加入石灰石、煤粉混合
—→压球—→回转窑煅烧—→水淬—→加水粉磨—→磁选—→过滤—→镍铁粉。
三、回转窑直接还原法与高炉法、矿热电炉法及回转窑+矿热电炉法等工艺相比有如下优点：
（1）   设备工艺简单，维修方便；
（2）   投资少，见效快；
（3）   能耗少，降低生产成本；
（4）   生产成本低，投资回收期短；
（5）   熔炼的主要能源为煤，而不是昂贵的电能。
（6）   原料的自由选择，可用东南亚的各种红土镍矿。
（7）   所产高镍镍铁质量高（在原矿Ni=2%，Fe=15%，回收率为90%时，镍铁含Ni=11.8%左右），可直接用作不锈钢的生产原料。
（8）   由其是在严重缺电的国家首先此工艺。
四、红土镍矿用回转窑直接还原法生产镍铁的工艺和技术
    熔炼方法和工艺如下：
    预处理步骤是将原料红土镍矿烘干后，与含碳物料和熔剂石灰石混合，制球后连续给入回转窑。在回转窑中，物料与煤燃烧所产生的热气流逆流运动，经受所有熔炼步骤--干燥，脱水，还原和金属成长。金属是在窑中半熔融条件下生成的。烧成的物料熔块从回转窑出来就将它急冷，磨细后，用磁选机将还原成的镍铁合金从排出的熔块中分离出来。分离出来的镍铁呈直径2~3毫米的沙状颗粒， 并夹带1~2%炉渣， 其化学组成为C=0.1%， Ni=11~14%， S=0.45%， P=0.015% 。此产品不管含硫多高均适用于炼钢过程，因炼钢时有很好的脱硫能力。沙状颗粒在炼钢过程中相当有利于连续加料和作为冷却剂物料快速溶解。
回转窑生产工艺镍和铁的回收率都很高，均在90%以上。
五、朝阳重型建材机械制造有限公司技术改进的历程
在详细介绍本方法之前，让我们简单回顾朝阳重型建材机械制造有限公司以往技术改进的历史。
从印度尼西亚进口高品位镍铁生产镍铁始于2009年，为炼不锈钢厂提供原料。从那时起，努力提高生产能力、镍回收率、产品性能和节省能耗。
表1所示为朝阳重型建材机械制造有限公司主要生产过程的技术改进历史。
表1：年按340天计算





年


项目地址
回转窑台数


每台窑给矿量
原矿吨/日


镍产量
吨/年


镍回收率%


能耗
千卡/吨矿




09


齐齐哈尔(试验线)
一台窑运转


500


2890


85


1320×103




10


江苏南通
一台窑运转


500


3060


90


1320×103




10


江苏南通
二台窑运转


500


6256


92


1320×103




11


江苏南通
一台窑运转


1000


6324


93


1320×103




12


江苏南通
二台窑运转


1000


12648


93


1320×103




12


江苏南通
四台窑同时运转


500（二条）
1000（二条）


18904


平均
92.67


1320×103




12


江苏泰州


1000（四条）


 


 


在建





如表中所示,我们通过增建回转窑，几项设施改进和改善原料预处理等，成功地逐步提高生产能力，满足钢厂生产不锈钢方面不断增长的需要。至于能源问题，镍熔炼过程消耗大量能源。为解决石油危机后能耗费用增加的问题，采取种种措施降低此项费用，如提高预热效率，用煤代油，用新的预处理技术以降低供入回转窑的原料含水量。
关于镍回收率，一般认为，因原料中脉石含量高，只用回转窑法不能达到足够高回收率。事实上，朝阳重型建材机械制造有限公司法应用初期镍回收率仅约85%，但经改进原料预处理工艺和烧渣分离工艺就使此低回收率大为改观。同时，用热化学的观点，对在半熔条件下还原出来的金属颗粒的聚集机理进行了研究。
六、各方法优缺点
表2列出了朝阳重型建材机械制造有限公司法、大江山厂法及矿热炉法冶炼镍铁的优缺点。
表2：





 


回转窑直接还原法


回转窑+
矿热炉法


矿热炉法




朝阳重型建
材机械法


大江山法




熔炼能源


煤


煤


煤 + 电


电




能耗


目前最低


较低


高


太高




一次性设备投资


目前最低


较低


太高


高




镍铁含镍量


10%左右


10%左右


11%左右


4～7%




镍铁回收率


＞90%


＞90%


＞97%


75%




单位成本


目前最低


很低


高


太高




利润率


目前最高


较高


低


低




投资回收期


1年内


1年内


很长


很长





注：回转窑直接还原法与矿热炉法相比，电耗约降低60～70%，
七、工艺过程
原料准备过程
生产质量良好的团块是回转窑成功操作的重要因素——如团块有利于热效率提高，有利于形成理想的温度分布，防止窑结圈故障，并降低烟尘率。
（1）               原料：所用原料由印尼镍矿，无烟煤和焦粉还原剂，燃料煤和石灰石熔剂所组成。这些物料典型的化学成分列于表3～5。因镍铁产品直接用于不锈钢生产过程，产品中磷含量限制在最高不应超过0.02%。因此使用特殊品级的低磷煤，至于产品的硫含量，由于AOD法有很好的脱硫效率，故没有特别限制。后面将要讨论到，硫在回转窑中使还原金属颗粒的团聚方面起着重要作用。
（2）               压团：为节省能耗，提高窑的矿石处理量和窑的稳定操作需要含水分低（约18%）和强度高的团块。
矿石典型化学组成（%）   表3





矿
石


水
份


烧失
率


SiO2


Fe


Al2O3


Ni+
CO


Cr2O3


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





燃料典型化学成分      表4





 


水总


水内


灰分


挥发分


固定炭


磷


硫


千卡/千克




无烟煤


——


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





石灰石典型化学成分      表5





烧失率


SiO2


Fe2O3


Al2O3


CaO


MgO


P


S




43.63


0.29


0.10


0.15


55.08


0.37


0.004


0.007





此工艺通过烘干机干燥、混料机混合后进入压团机。通过严格控制水分，按矿石的矿物特性进行适当配比和充分混合，可产出优质团块。在此工序，所有无烟煤，焦粉和石灰石均与矿石一起压团。
优质团块能很有效地确保窑稳定操作的条件。图2表示矿石的粘土含量和水分对生团块性质的影响。
熔炼
（1）窑操作特点：
团块不断送给回转窑中。在窑内团块以平均速度6米/时前进。在团块前进过程中，与燃料煤烧所产生的热气流逆流运动时，完成脱水、还原、团块破坏、造渣、还原的金属颗粒团聚等熔炼步骤。嵌入团块中含碳物料既作燃料又作还原剂。窑稳定操作的最重要的技术因素是恒定的团块供给速度和保持窑中的稳定温度分布。很好地控制团块中含碳质物料的加入量可保证窑中稳定的温度分布。团块质量差、窑给料速度变化无常、含碳物散乱均会造成物料和窑壁局部过热或过冷，增加粉尘，抽风情况异常和含碳物偏析分布。这一切都是引起窑结圈故障，耐火衬里寿命缩短和金属颗粒团聚不好的原因。
（2）窑中反应特性：
根据计算机模拟和停窑后研究结果，在团块沿窑运动中，可完成矿石脱水，蒸发结晶水和石灰石的分解。当铁和镍氧化物开始被还原性气体和嵌入其中的含碳物还原时。由于体积膨胀团块可能破坏，并逐步软化。
为有效利用团块中含碳物作还原剂和燃料，控制团块的反应率是重要因素之一。当物料运动到离窑出口约30米处，物料温度上升至约1100℃以上。此时，造渣反应开始与还原反应同时进行。镍氧化物有橄槛石结构（Ni，Hg），SiO2，铁氧化物可能也有相同结构Fe2SiO4。在高温下它们均跟游离二氧化硅反应，而且两种氧化物似乎都形成固溶体，所以从热化学观点看来，在半熔融条件下氧化镍还原是相当困难的，如图4所示，不管铁和镍氧化物之间生成自由能差别有多大。两种氧化物几乎同时还原为金属。。
要确切说明在温度范围为1250～1400℃，半熔融渣条件下还原金属颗粒聚结的机理是很困难的。我们提出如下团聚模型。金属颗粒以非稳定态存在于渣中的悬浮系统可能适用于该过程。所以金属颗粒和渣相间界面现象可能对团聚有重大影响。根据经验，加硫，石灰或三氧化铝很有利于促进团聚过程。渣相中的氧化铁似乎对团聚有作用。相反，渣相中过多的残留碱有害于团聚。
硫往往富集在金属颗粒的表面上，这就局部地降低了金属颗粒的熔点和表面张。大家认为这些现象引起了金属颗粒的粘结。就渣相表面现象而论，为使金属颗粒较易运动，并使它们聚集，选用较低粘度的渣。虽然将离子结构引入渣系统会有某些困难，但因SiO44-是表面活性的，它会集中在渣一金属界面上。此外，象CaO，Al2O3或FeO这些“网状结构破坏者”也可能移至界面，变成活性组分。
CaO   → Ca2+   +  O2-
              Al2O3  → 2Al3+  +  3O2-
              FeO   → Fe2+   +   O2-
这样，金属颗粒和渣相之间的界面可能粘度较小，有利于促进金属颗粒的运动。
渣中过多残余碳可能增加渣的表观粘度，可能不利于更好的团聚。
下述模型简示在图5中，Ca和Fe集中在渣表面，而S集中在金属颗粒表面。同样，Si和Al也集中在渣表面。
界面区域分析结果可与所提出模型很好地符合。
从实践观点看，档料圈高度，燃咀位置和渣中残碳量控制等是是促进还原出金属颗粒团聚的重要因素。这些条件确保适当的窑渣粘度和有效团聚的通过时间。
事实上，自从用压团法备料以来，有关异常结圈，金属产率，热效率等窑中实际条件已大为改善。
这些可能是窑给料中水分减少，烟尘率降低和含碳物料匀速前进的结果。
经煅烧后，原料在窑末端变成含团聚镍铁合金的“烧结块”。为防止氧化和使熔块更易破碎，当熔块离窑时即水碎。然后将水碎烧结块运往分离车间。
在分离车间，用马西磨矿机将熔块磨至-2毫米碎屑，再用图1流程所示的磁选机分离为金属和窑渣打。磁选精矿中金属部分约占10％，将它返回窑中，分离后余下的熔块尾渣，部分出售作建筑材料。所谓粒铁的镍铁典型成分见表6。虽然镍铁含有少量窑渣，但它可直接用作生产不锈钢的原料。表7列出典型的窑渣组成。从矿物学上讲，它由顽辉石（MgO·SiO2），少量镁橄槛石（2MgO·Si O2）和游离二氧化硅所组成。熔化一吨干矿产出80％渣和10%金属。
镍铁典型化学成分（%）    表6





Ni+CO


C


P


S


Cr


Si


渣




21.9


0.03


0.019


0.44


0.19


0.01


2.0





窑渣典型化学组成（%）    表7





Ni+CO


SiO2


总铁


Al2O3


MgO


CaO


C


S




0.2


53.4


6.0


2.5


28.4


5.7


0.2


0.07





最后，回转窑熔炼过程热平衡列于表8。总热效率接近78%。从表8可见，熔炼主要热量由无烟煤和煤供给，不用电能加热。原料准备，熔块处理和其它机械操作耗电能约为5000千瓦小时/吨镍产品。因此，电耗远比其他镍铁法（如埃尔—肯姆法）低，可以说日本冶金大江山法在能耗上是很廉价的方法。
热量平衡       表8





热量平衡


热量支出




项目


千卡/吨矿


%


项目


千卡/吨矿


%




无烟煤
和
焦粉煤


847.6×103
 
287.5×103
 


74.6
 
25.4


熔块显热
蒸发潜热
反应热
废气显热
热损失和其他


389.5×103
171.2×103
327.0×103
90.5×103
156.9×103


34.3
15.1
28.8
8.0
13.8




总计


1135.1×103


100.0


总计


1135.1×103


100.0





八、结论
概述了朝阳重型建材机械制造有限公司法的特点。炼镍铁消耗大量的能源，因此对本工艺的主要技术措施都以利用低价能源，降低能耗为目标。
通过各种改进措施（采用压团法，良好控制熔炼作业等）我们成功地创立了回收率相当高，成本低的镍铁法。这方法还给不锈钢生产提供优质的镍源。这就使我们能建成直接从原料开始的不锈钢联合生产线。
九、回转窑直接还原法与回转窑+矿热炉法主要经济指标对比表
(红土镍矿含水量：30%，品位：Ni=1.8, Fe=15.2，年按300天计算)





序
号


指标名称


单位


回转窑 +
矿热炉法


回转窑直接
还原法




1


红土矿处理量(湿基)


t/a


2000000


2000000




2


红土矿处理量(干基)


t/a


1400000


1400000




3


生产线数量


条


4


6




4


还原率


%


97


90




5


镍铁合金含镍量


%


10


9.5




6


镍铁合金


t/a


230860


214200




7


烘干机规格——数量


台


φ4.3×40m——4


φ3.5×30m——6




8


回转窑规格——数量


台


φ4.3×90m——4


φ4.2×84m——6




9


矿热炉规格——数量


台


φ16.5m——4


无




10


煤磨规格——数量


台


25t/h立磨——2


φ2.4×4.75m——3




11


石灰用量


t/a


80000


36000




12


还原煤


t/a


122000


180000




13


石墨电极


t/a


2000


无




14


耐火材料


t/a


3600


5100




15


动力电耗


Kwh/a


160000000


170000000




16


冶炼电耗


Kwh/a


950000000


24000000




17


电耗合计


Kwh/a


1110000000


194000000




18


新水


M3/a


1682000


600000




19


厂区占地面积


亩


500


400




20


其中：生产区占地面积


亩


400


300




21


劳动定员


人


600


600




22


项目总投资


亿元


24


8.1




23


其中：建设投资


亿元


13


7.4




24


其中：铺底流动资金


亿元


11


1




25


销售收入


亿元/a


27.7


24.4




26


总成本


亿元/a


26.8


13.5




27


利润


亿元/a


0.9


10.9




28


所得税


万元/a


2250


27250




29


净利润


万元/a


6750


81750




30


销售利润率


%


3.3


45




31


全部投资回收期
（不含建设期）


(税前)


9730天（26年）


270天（9个月）




32


(税后)


12800天（35年）


362天（12个月）





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