紅土鎳礦蓄熱式轉底爐-蓄熱式高溫熔分冶煉新工藝*

季愛兵， 尹鑫平， 李　欣

(神霧集團江蘇省冶金設計院有限公司， 江蘇 南京　210016)

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紅土鎳礦蓄熱式轉底爐-蓄熱式高溫熔分冶煉新工藝*

季愛兵， 尹鑫平， 李欣

(神霧集團江蘇省冶金設計院有限公司， 江蘇 南京210016)

采用神霧集團自有知識產權的蓄熱式轉底爐預還原-蓄熱式高溫熔分爐工藝處理印度尼西亞某紅土鎳礦生產鎳鐵合金。生產表明：當石灰石粒度為200目，石灰石配入量約6%，還原煤粒度為1 mm，還原煤配入量約7%，轉底爐高溫還原區溫度控制在約1350 ℃時，轉底爐DRI金屬化率約61%，熔分后可獲得含鎳20%以上的鎳鐵合金，鎳的金屬回收率大于93%。

轉底爐； 紅土鎳礦； 燃氣熔分

引言

目前世界鎳資源主要有紅土礦及硫化礦兩種，其中以紅土礦為主，約占世界鎳資源總量的60%，隨著世界(特別是中國)硫化鎳礦資源的逐漸減少，紅土鎳礦資源的開發利用將會越來越受到重視。常見的紅土鎳礦處理工藝主要有濕法工藝和火法工藝。濕法工藝適用于褐鐵礦型的紅土鎳礦和含鎂較低的硅鎂鎳礦，并存在工藝復雜、流程長、耗酸大、成本高、設備材質要求高以及廢酸難以處理等問題。火法技術主要包括燒結高爐、回轉窯礦熱爐等，火法技術工藝具有成熟、設備簡單易控、生產效率高、設備投資較低等特點，但也存在著能耗高、成本高、對原料要求高等問題[1]。因此目前急需開發一種節能、環保、鎳資源回收率高的冶煉工藝。

神霧集團江蘇省冶金設計院有限公司(以下簡稱“神霧公司”)創新性地開發出了蓄熱式轉底爐-蓄熱室高溫熔分工藝處理紅土鎳礦制取鎳鐵合金，作為不銹鋼冶煉的優質原料[2]。本文闡述了了采用轉底爐預還原-燃氣熔分工藝處理印度尼西亞某紅土鎳礦進行生產鎳鐵合金的情況。

1　紅土鎳礦轉底爐選擇性還原理論

在紅土鎳礦轉底爐預還原-燃氣熔分工藝中，轉底爐內物料所需的熱量主要由燃氣和部分內配碳燃燒提供。石灰石等熔劑的作用是是通過固相反應降低物料的熔點，調整后續熔分爐渣的堿度、黏度，使后續熔分能夠順利進行，實現渣鐵分離。配料、混合、壓球、低溫烘干后的紅土鎳礦球團經布料裝置進入轉底爐爐膛。球團隨轉底爐旋轉依次進入預熱區、中溫區、高溫區、出料區，球團被加熱，水分蒸發、熔劑分解，金屬氧化物與固體碳發生還原反應，置換出氧化物中金屬單質，其主要反應有：

C(s)+CO2(g)=2CO2(g)

ΔGo=166550-171TJ/mol

(1)

NiO+CO(g)=Ni+CO2(g)

ΔGo=-48928+1.67TJ/mol

(2)

3Fe2O3+CO(g)=2Fe3O4+CO2(g)

ΔGo=-52130-41.0TJ/mol

(3)

Fe3O4+CO(g)=3FeO+CO2(g) (T>843K)

ΔGo=35380-40.16TJ/mol

(4)1/4Fe3O4+CO(g)=3/4Fe+CO2(g) (T<843 K)

ΔGo=-1 030+2.96TJ/mol

(5)

FeO+CO(g)=Fe+CO2(g)

ΔGo=-13160+17.2TJ/mol

(6)

由于NiO極易還原，通過控制還原劑用量及反應溫度，使Ni 盡可能完全還原成金屬鎳，Fe 部分還原成金屬鐵從而達到富集鎳的目的。

2　原料、工藝流程及配料

2.1原料

本次生產所用紅土鎳礦來自印尼某公司，其成分如表1所示。

表1紅土鎳礦主要化學成分/%

w(TFe)w(Ni)w(FeO)w(CaO)w(MgO)w(SiO2)w(Al2O3)17.171.720.400.9419.1635.903.58

2.2工藝流程

工藝流程主要分為三個階段，分別為原料處理階段、轉底爐預還原階段和DRI燃氣熔分階段，其流程可概述為：紅土鎳礦、還原煤等原料接收→堆存→烘干→破碎→配料→混勻→壓球→生球烘干→轉底爐布料→轉底爐內預還原→轉底爐出料→DRI→燃氣爐熔分，詳細流程如圖1所示。

圖1　工藝流程圖

2.3配料

參與配料的主要有紅土鎳礦、還原煤、石灰石，相關粒級要求及配比如表2所示。

表2配料

紅土鎳礦還原煤石灰石配比/%粒級/mm配比/%粒級/mm配比/%粒級/mm8737160.074

3　生產過程與分析

3.1轉底爐預還原過程控制及檢測

轉底爐布料厚度約40 mm，轉速30～45 min/圈，高溫區溫度控制約1350 ℃。轉底爐運行穩定時實際檢測溫度如表3所示。對高溫區還原穩定段轉底爐氣氛檢測，對其成分進行測定；發現高溫還原區穩定段保持一個強的還原性氣氛，w(O)、w(NO2)<0.01%。

表3轉底爐運行穩定時實際檢測溫度/℃

預熱區中溫區高溫一區高溫二區高溫三區12121212121300134513651363136813581371135813651366

轉底爐運行穩定后進行取樣，觀察并記錄樣品狀態，每間隔15～20 min取一個樣品，每次樣品量不小于2 kg。

取樣時采用取樣勺接料，之后迅速放入已備好的水淬桶內將熱態金屬化球團直接水淬。待球團完全水冷卻后，放入150 ℃的烘干箱內進行烘干，并標記取樣時間與配比。

對轉底爐出料DRI進行化學成分檢驗，分析結果如表4所示。

表4DRI取樣分析結果(平均值)

w(TFe)/%w(MFe)/%w(C)/%金屬化率/%17.910.922.961

3.2燃氣熔分過程控制及檢測

蓄熱式高溫熔分爐采用多氣源(天然氣、煤制氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣等)為燃料，其工作原理是熔分爐兩側布置耐材砌筑的空燃氣燒嘴，然氣燃燒生產的熱量將物料DRI熔化，熔化的DRI往前端流動，實現渣鐵的分離，鎳鐵水和熔渣分別定期通過渣鐵口流出。熔分爐兩側布置蓄熱室，當一側蓄熱室預熱空氣、燃氣及燃燒時，生產的高溫煙氣加熱另一側的蓄熱室內的蓄熱體耐材蓄熱。周期性的切換煙氣流向，實現熔分爐穩定供熱。

轉底爐出口DRI通過保溫料罐熱裝進入熔分爐。熔分爐供料為連續裝料，定期出渣鐵。生產過程中調節煤氣流量，控制熔分爐熔煉溫度，確保熔分爐爐況穩定。過程檢測熔分參數如表5所示。

熔分爐設置渣鐵口各一個，出鐵周期為4 h，出渣周期為3 h。熔分產出鎳鐵水進行成分及產率分析，結果如表6所示。

表5燃氣爐熔分參數記錄表

參數數值投料溫度/℃(平均)785熔分爐溫度(平均值)/℃1640爐壓/Pa15煙氣溫度(摻冷風后)/℃129添加輔料無

表6鎳鐵合金成分及Ni，Fe回收率/ %

w(TFe)w(Ni)w(S)w(P)w(C)Ni回收率78.220.20.140.040.1193.0

3.3冶煉過程分析

生產過程中，轉底爐燒嘴供熱穩定，轉底爐內物料未出現較大熔融現象，DRI出料穩定，未出現大塊黏結。轉底爐出料DRI中沒有出現大顆粒的石灰石，同時還原煤粒度合適，DRI金屬化率達到61%，DRI殘炭率2.9%。

熔分過程中，渣鐵分離良好，爐況較穩定。爐內為微正壓操爐，鐵口炮泥為有水炮泥，出渣出鐵順利，操作簡單。出口鎳鐵水平均含Ni約20.2%，Ni的回收率達到93%。

3.4冶煉能耗分析

對紅土鎳礦生產進行冶煉能耗分析，主要消耗的能源有還原煤、燃氣、電、水等。冶煉1 t鎳鐵合金工序能耗如表7所示。

表7冶煉能耗分析

序號項目名稱單位耗量折算系數標煤/(kgce·t-1)1還原煤/(kg·t-1)1109.60.9211022.42燃氣/(GJ·t-1)47.71631.63電/(kWh·t-1)1564.50.1229192.34新水/(m3·t-1)8.70.08570.7合計2847折合Ni10%的鎳鐵能耗(kgce/t)1409

3.5工藝特點

蓄熱式轉底爐-蓄熱式高溫熔分冶煉新工藝特點如下：

(1)轉底爐設置了空氣預熱蓄熱室，轉底爐出口高溫煙氣將助燃空氣預熱至1200 ℃；熔分爐設置了空燃氣雙蓄熱室，將空氣、燃氣分別預熱至1200，1000 ℃，提高了煙氣顯熱利用率。

(2)采用燃氣燃燒對DRI進行熔煉渣鐵分離，與傳統礦熱爐冶煉工藝相比，降低了對電能的依賴，大大降低電廠建設規模及投資。

(3)原料處理粒度較細，混合均勻，紅土鎳礦與還原煤緊密結合，具有良好的快速還原條件。

(4)轉底爐采用燃氣燒嘴，供熱調節范圍大，調節靈活，轉底爐采用薄料層操作，可現實快速還原，爐料在轉底爐內部停留時間短。

(5)轉底爐爐內球團相對靜止，球團粉化率低，煙氣含塵量小，煙氣處理難度小。還原溫度調節靈活，爐內粘結可以得到及時的控制或避免，因此對耐材質量沒有苛刻的要求，爐況運行穩定，設備作業率高。

4　結　論

(1)采用轉底爐連續性生產處理紅土鎳礦，紅土鎳礦球團能夠獲得良好的還原效果，通過控制還原煤的配入量及還原溫度能夠實現優先還原鎳，從而達到富集鎳的目的。

(2)轉底爐蓄熱室預還原-蓄熱室高溫燃氣熔分工藝處理Ni品位1.72%的紅土鎳礦，當石灰石粒度為200目，石灰石配入量約6%，還原煤粒度為1 mm，還原煤配入量約7%，轉底爐高溫還原區溫度控制在約1350 ℃時，轉底爐DRI金屬化率約61%，熔分后可獲得含鎳20%以上的鎳鐵合金，鎳的金屬回收率大于93%。

(3)轉底爐蓄熱室預還原-蓄熱室高溫燃氣熔分工藝冶煉紅土鎳礦，采用煤制氣、天然氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣等作為冶煉燃氣，大大降低對電能的依賴，是一種新型的紅土鎳礦冶煉工藝，具有巨大的推廣價值。

[1]范興祥,董海剛,汪云華,等.紅土鎳礦轉底爐預還原-電爐熔分制取鎳鐵合金[J]. 中南大學學報, 2012, 9:3344—3348.

[2]馬丁, 季愛兵 ,李智, 等.轉底爐法處理印尼紅土鎳礦工藝實踐[J]. 現代冶金, 2015, 3:9—11.

2015-12-25

季愛兵(1981—)，男，研究生。E-mail:ji5fivesix@126.com

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