鎳火法熔煉技術發展綜述

吳東升

(吉林吉恩鎳業股份有限公司,吉林磐石 132311)

鎳火法熔煉技術發展綜述

吳東升

(吉林吉恩鎳業股份有限公司,吉林磐石 132311)

綜述現在世界廣泛應用的鎳熔煉火法技術,如礦熱電爐、反射爐、閃速爐、鼓風爐、轉爐和奧斯麥特爐及其在我國的實際應用情況。

火法;冶金爐;鎳熔煉

鎳能與其它金屬形成合金,從而在更廣泛的溫度范圍內提高金屬的強度、韌性和抗腐蝕性,并能在表面形成致密的氧化鎳膜,具有很高的化學穩定性,是一種十分重要的有色金屬,可以用來制造包括不銹鋼、耐熱合金鋼、合金結構鋼等3 000多種合金,對鋼鐵工業至關重要,尤其是在航天、海洋、電子工業和建筑業發揮了關鍵作用[1]。

已知鎳在地球中含量約為3%,次于Fe、O2、Si、Mg,而居第五位;但在地殼中僅占0.008%,居已知元素的24位。我國鎳礦儲量分布于19個省區。主要集中在甘肅(占全國總儲量的62.2%),其次分布在新疆、云南、吉林、湖北、四川、陜西和青海等7省區(合計占總儲量的34.5%)。與世界同行業先進水平相比,中國鎳礦的開發和利用到目前尚處于趕超階段。

進入21世紀,我國鎳冶煉工業繼續持續穩定地發展,鎳冶煉企業在不斷地對現有工藝進行技術改造,挖潛增效、節能降耗、強化管理的同時,廣泛采用先進的熔池熔煉新工藝、新技術、新設備逐漸取代能耗高、污染大、效益差的落后工藝。本文對國內外主要鎳熔煉工藝進行了評述,以期為我國鎳冶金企業的技術改造或擴大生產提供參考。

1 冶煉爐發展

在過去的幾十年中,鎳的熔煉工藝取得了長足的進步,出現了許多世界上先進的熔煉工藝。鎳的生產方法為:純鎳采用濕法生產工藝,非純鎳采用火法生產工藝。目前世界鎳生產能力約90%仍用火法冶金方法,所以下面主要介紹現在世界廣泛應用的鎳火法熔煉技術及其在我國的實際應用情況。

1.1 礦熱電爐

如果向固體或液體里通以電流,則由于電阻的作用,電能轉變為熱能。因此電加熱廣泛應用于各種技術領域,對冶金工業尤其重要,礦熱電爐(又稱電弧電阻爐)就是冶金爐的一個主要類型。在有色冶金生產過程中,礦熱電爐廣泛應用于低鎳锍的生產,世界上一些著名的鎳公司,如俄羅斯的北鎳、貝辰加、諾里爾斯克,加拿大的鷹橋、湯普森,南非的瓦特瓦爾及中國的金川、磐石等均用礦熱電爐處理鎳精礦生產低鎳锍[1]。作為一種熔煉設備,它比其它冶金爐具有一系列的優點:可以有效地控制熔池溫度,得到高溫,使熔煉產物過熱;因為不用燃料,沒有燃料燃燒的氣體產生,因此電爐煙氣量比其它冶金爐少;電爐熔煉爐渣和鎳锍分離得比較好;渣含有價金屬比較低,金屬回收率比較高;電爐在結構上密封得比較好,可以得到含SO2濃度比較高的煙氣,能達到制取硫酸需要的濃度,解決了硫的利用和環境污染問題[2]。

礦熱電爐用于鎳冶煉的缺點是電爐熔煉的脫硫率比較低,對爐料的含水量要求嚴格(不高于3%)。限制電爐采用的根本原因在于電爐熔煉耗電大,對于電價比較高的火力發電地區,它的生產成本往往比其它冶金爐高。對于具有廉價電力的水力發電地區,電爐在經濟上則是有利的。因此,礦熱電爐的采用,應根據不同情況通過技術經濟比較來確定[2]。

1.2 反射爐

反射爐是傳統的冶煉設備之一,具有結構簡單、操作方便、容易控制、對原料和燃料的適應性較強、生產中耗水少、作業率高、適合大規模生產等優點。反射爐生產的主要缺點是燃料消耗量大、熱效率較低(一般只有15%～30%),脫硫率及煙氣中二氧化硫濃度低、占地面積大、消耗大量耐火材料等缺點。因此為數尚多的工廠對現存的反射爐進行技術改造,其主要改造路徑是采用富氧空氣熔煉和使用熱風[3,4]。柳州華錫集團來賓冶煉廠是1989年建成投產的錫冶煉廠,全廠85%以上的粗錫為反射爐所產[5]。目前在世界范圍內主要應用于銅、鎳、錫等有色金屬的冶煉生產,被廣泛用于處理礦石和精礦,尤其是處理細粒度的粉料。

北京時間2009年12月2日凌晨1∶00,金川集團冶煉廠熔鑄車間45 m2反射爐開始投料,上午10時,隨著第一塊合格鎳陽極板的成功產出,標志著該系統成功投產,進入正常生產運行階段。這意味著在中國金川,煉鎳的反射爐也應用于實際的生產中。

1.3 閃速爐

閃速熔煉是硫化鎳精礦造锍熔煉的新工藝。這個方法最初應用于熔煉銅精礦,它克服了傳統熔煉方法未能充分利用粉末狀態的巨大比表面積和硫化礦物燃燒放熱的特點,大大減少了能源消耗,提高了硫的利用率,改善了環境。1959年首次在芬蘭奧托昆普公司哈賈伐爾塔冶煉廠應用于熔煉鎳精礦,以后相繼在澳大利亞西部礦業公司卡爾古利、博茨瓦納的皮克威、俄羅斯諾里爾斯克鎳聯合企業、巴西的佛達勒扎鎳礦建立了鎳的閃速熔煉廠,我國金川有色金屬公司也采用該技術。

閃速爐的主要優點是:煙氣量相對小,SO2濃度高,利于造酸,可減少環境污染;單臺生產能力大,反應塔處理能力高;節省能源,綜合能耗低;過程空氣富氧濃度可在23%～95%范圍內選擇,有利于設備選擇和控制煙氣總量;過程控制簡單,容易實現自動化;擴產、挖潛容易實現。但存在渣含有用金屬高,煙塵率較大,物料準備要求高等缺點[2]。

用于閃速爐熔煉的基本爐型分為奧托昆普(Outokumpu型)富氧豎式爐和加拿大國際鎳公司(INCO型)純氧臥式爐兩種。

1.3.1 奧托昆普(Outokumpu型)富氧豎式爐

奧托昆普閃速熔煉法是在閃速熔煉技術基礎上優化的一種近年來廣泛應用的一項鎳冶煉工藝。目前世界鎳生產能力約90%仍用火法冶金方法,現有的六家采用奧托昆普工藝的鎳閃速熔煉廠,占據冰鎳冶煉生產能力50%以上。奧托昆普直接熔煉技術具有獨特優點:最大限度地減少了熔融物料不必要的循環,鎳、尤其是鈷及鉑族金屬的回收率高;由于熔煉流程中取消了爐冰鎳的吹煉階段,沒有熔融物料的內部循環和運輸;從單獨和連續的出口煙氣獲得高硫回收率;擴散到環境和作業空氣中的硫及煙塵極少[6]。

金川閃速爐煉鎳引進澳大利亞卡爾古里冶煉廠的閃速爐技術,是由我國自己設計、自己建造的國內第一臺大型閃速爐[7]。自1993年建造的鎳合成閃速熔煉系統已成功用于高鎂鎳精礦造锍熔煉。金川合成閃速爐是奧托昆普閃速爐的第三代閃速爐,設計時充分吸取了當今閃速熔煉和電爐熔煉的先進技術成果,使奧托閃速熔煉技術用于銅鎳精礦造锍熔煉技術上更完善、更先進,操作更簡便,爐壽命更長[8]。

1.3.2 加拿大國際鎳公司(INCO型)純氧臥式閃速爐

目前世界上只有三家廠家使用氧氣閃速爐,加拿大銅崖廠(1953年投產)、美國赫爾利廠(1984年投產)和美國海登廠(1983年投產),推廣發展慢,它近似于反射爐。但因鎳在锍渣兩相分配比較低(約65%),故一直未廣泛應用。

1.4 鼓風爐(高爐)

鼓風爐熔煉是最早的煉鎳方法之一,世界上許多冶煉廠都曾經使用過鼓風爐熔煉技術。早在1879年,在新喀里多尼亞就采用鼓風爐處理紅土鎳礦。

鼓風爐是一種豎式爐,適用于處理塊狀物料,爐料從爐子上部分批分層地加入爐內,空氣由風口不斷地鼓入爐內使燃料燃燒,熱氣流自下而上地通過料柱,進入爐料與爐氣逆向運動的熱交換,從而實現爐料的預熱、焙燒、熔化、造锍等一系列物理化學反應,最終完成制取并分離合格產出物的過程。它的工藝特點主要表現為:爐內氣氛容易控制,適應性較強,氧化程度比電爐高,脫硫率一般為45%,最高可達60%;設備簡單、投資較省,建設速度快;工藝靈活簡單,可根據需要及時調整鎳锍品位,可獲得較高的脫硫率(約45%～60%)和較低的燃料消耗[1]。

由于對環境有影響,礦石適應性差,對鎂含量有較嚴格的要求,另外不能處理粉礦,對入爐爐料也有嚴格的限制。隨著生產規模擴大和冶煉技術進步,這一方法已逐步被淘汰。針對以上問題,國內在鼓風爐結構設計及操作技術等方面曾有不少革新。我國四川會理鎳礦是我國解放后最先開發的鎳礦,冶煉系統采用燒結-鼓風爐冶煉出低鎳锍-轉爐吹煉成高鎳锍的生產流程;1958年金川硫化銅鎳礦發現后,在生產初期采用了簡單易行、經濟有效的敞開式鼓風爐,以后又過渡到處理銅鎳精礦的燒結-鼓風爐熔煉工藝,直至礦熱電爐投產[4]。新疆喀拉通克銅鎳礦為含硫高、難熔脈石氧化鎂和氧化鈣含量低、礦石品位為銅比鎳高的硫化銅鎳礦,根據會理、金川的經驗,并考慮到該礦的具體情況,在1989年建成了鼓風爐-轉爐生產流程。于1992年冬季檢修之時,將原有的敞開式鼓風爐改造為密閉式鼓風爐。并在實際生產中采用富氧熔煉技術,能夠降低焦炭消耗,同時可以減少冶煉過程的廢氣量,加速反應、降低能耗、提高煙氣中SO2濃度,便于經濟地回收利用SO2,達到節約能源、控制污染,提高生產能力和經濟效益目的[9]。

1.5 轉爐

轉爐是有色冶金生產中用于處理銅和鎳的硫化物的主要冶金設備。特點是不需要燃料,僅依靠銅锍中的鐵和硫與鼓入熔體中的空氣進行氧化反應放出的熱量來提供全部的熱支出。大型轉爐具有熱容量大、作業周期內溫度變化小、爐襯壽命長、生產率高等優點。因此目前世界上臥式轉爐都向大型化發展,國內的轉爐也普遍加長,提高了裝入量[4]。

傾斜式旋轉轉爐卡爾多(Kaldo)爐技術是由瑞典專家Bokalling發明的氧氣頂吹轉爐熔煉技術,原是一種煉鋼設備,上世紀70年代在有色金屬冶煉中,作為一種強化的直接熔煉設備得到應用,如加拿大國際錫鎳公司采用卡爾多轉爐處理高鎳锍,冶煉銅鎳合金。其優點有:操作溫度可控制的范圍大,具有較好的攪拌條件;借助油槍氧槍容易控制熔煉過程的反應氣氛,從強氧化性氣氛到強還原性氣氛都可以實現;熱效率高,在純氧吹煉的條件下,熱效率可達60%或更高;作業率高,爐體體積小,拆卸容易,更換方便。但具有間歇作業,操作頻繁,煙氣量和煙氣成分呈周期變化;爐子壽命較短、設備復雜、造價較高等缺點[2]。我國金川有色金屬公司在20世紀80年代將卡爾多爐技術用于吹煉鎳精礦和二次銅精礦,將其熔化吹煉成金屬鎳和金屬銅,目前還用卡爾多爐吹煉一定的銅精礦。

現在該技術主要用于鉛冶煉。1979年用來處理含鉛煙塵的首臺有色金屬卡爾多熔煉爐在瑞典的隆斯卡爾冶煉廠誕生。1992年伊朗曾姜鉛鋅總公司用卡爾多爐處理氧化鉛精礦生產鉛,年生產能力4.1萬t。到目前為止,世界上已有12臺卡爾多爐投產。我國西部礦業公司引進的卡爾多爐于2006年在青海建成投產,設計能力60 kt/a粗鉛[10]。

1.6 奧斯麥特爐

澳大利亞奧斯麥特(AUSMEL T)公司是一家以專門從事冶煉技術開發和工業化而知名的公司。其冶煉工藝基于其獨有的頂吹浸沒噴槍系統,冶煉設備稱為奧斯麥特反應爐,廣泛用于有色金屬、黑色金屬、貴金屬和廢棄物料的處理。該技術的核心為一專利噴槍,工藝用空氣、氧和燃料都通過它而從液態渣池表面下供給,鋼制噴槍由一層凝結的渣層保護以耐受作業環境。熔煉反應在高度攪動的渣池中進行從而達到高生產率和高燃料效率[11]。

奧斯麥特頂吹浸沒噴槍技術是在許多工業工廠中處理各種物料而確立起來的。該技術對于很多工藝過程(從強氧化條件下吹煉銅到強還原條件下煉鐵)的通用性已經得到了證實。奧斯麥特爐系統與其競爭性技術相比較而言,是一個基建投資相對低的系統。提高噴槍空氣中的富氧,就會減少噴槍燃料和空氣的需要量,降低處理的煙氣量,節省生產費用和基建投資。頂吹浸沒噴槍系統產生強烈攪動性能,與很多競爭性冶煉技術相比是一個重大改進,它促進了高反應率,并使渣和煙氣達到平衡。奧斯麥特爐是一個密閉系統,具有很多環境優勢。煙氣排放量最低,并且可以通過對爐子抽力的直接測量和調節來保持負壓。另外,因為漏風量低,要處理的煙氣量也低[12]。

2008年中國金川有色金屬公司、奧斯麥特和恩菲三家公司結合金川公司40年來鎳冶煉生產經驗,成功消化吸收鎳閃速強化熔煉的成功經驗,對鎳精礦熔池熔煉工藝進行了多方面研究、探索和完善,首次采用奧斯麥特熔池熔煉工藝用于鎳精礦熔煉并成功投入生產,屬于重大技術創新,技術水平世界領先[13]。吉林吉恩鎳業股份有限公司第一冶煉廠的奧斯麥特爐正在試運行階段,現運行穩定正常,估計很快就能達產達標。

2 結 語

隨著環保、節能的呼聲日益劇增,有色冶金需要進一步開發強化無污染的冶煉技術,因此與新工藝、新技術的開發相適應的新型爐窯也在不斷涌現。本文在此簡要介紹鎳火法熔煉加工中的各種熔煉爐,以便為新建鎳冶煉廠及老的鎳冶煉企業進行技術改造時合理選擇工藝提供參考。

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Summarization on the Developments of Nickel Smelting Technique

WU Dong-sheng
(Jien Nickel Industry Co.,Ltd,Panshi132311,China)

Nowadays the most widely used innovative nickel melting techniques throughout the world,such as submerged-arc furnace,reverberatory furnace,flash smelting furnace,blast furnace,revolving furnace and Ausmelt furnace and their practical applications in our country are introduced in this paper.

fire metallurgy;smelting furnace;nickel melting technique

TF111.12

A

1003-5540(2011)01-0017-03

吳東升(1979-),男,助理工程師,主要從事鎳火法熔煉技術研究工作。

2010-12-12