鎳鐵精煉渣對電爐爐況的改善

＊師曉輝 林萬明

（1.中色鎳業有限公司 北京 100029 2.山西師范大學現代文理學院轉設籌備處 山西 041000）

鎳鐵是不銹鋼冶煉的主要鎳原料來源，作為合金添加劑應用于200系列和300系列不銹鋼的生產中[1]。2022年1月中國特鋼企業協會不銹鋼分會發布統計數據，2021年世界不銹鋼粗鋼產量為5830萬噸，2021年中國不銹鋼粗鋼產量為3063.2萬噸，占世界總產量的54.42%，同比增加49.3萬噸，增長1.64%。

隨著不銹鋼產量的增加，鎳鐵需求量也不斷增加。但鎳礦資源緊張，目前全球鎳礦儲量9400萬噸，其中硫化鎳礦床約占36%。氧化鎳礦（紅土鎳礦）床約占64%，由于硫化鎳礦的儲量資源受限，資源稟賦逐漸貧化，新增產能較少[2-3]。而紅土鎳礦資源儲量豐富，是鎳資源開發的重點，可提升不銹鋼大規模生產的產能空間。

紅土鎳礦的冶煉主要分為濕法冶煉和火法冶煉兩種工藝，不銹鋼冶煉主要鎳原料主要采用火法冶煉[4-5]。由于產業結構調整、淘汰落后產能及環保政策日益收緊，傳統的高爐生產鎳鐵工藝逐漸被回轉窯＋電爐（RKEF）工藝取代，回轉窯＋電爐（RKEF）工藝利用含鎳富鐵的紅土鎳礦生產鎳鐵，具有流程短，能耗低的優勢[6-8]。

面對紅土鎳礦資源的缺乏、原礦品位的下降以及精煉渣的不斷堆積，中色鎳業有限公司為了開發資源再利用，采用回轉窯＋電爐＋精煉工藝，在原料中配入適量含鎳精煉渣，進行生產實驗，取得了較好的效果。

1.鎳鐵生產工藝及現狀

中色鎳業有限公司采用回轉窯＋電爐的RKEF工藝生產鎳鐵，采用噴吹法進行精煉[9]，生產工藝如圖1所示。

圖1 鎳鐵生產工藝流程圖

目前，生產過程中存在的主要問題：由于焙砂原料品位的下降，原料中Si/Mg高，Fe/Ni低，不利于低熔點爐渣的生成，導致電爐化料困難，渣溫和鐵溫度持續居高不下，對爐體耐材浸蝕嚴重，影響了生產順行，增加了冶煉電耗。焙砂的成分見表1。

表1 焙砂的成分

2.配加精煉渣生產

為了保證爐況順行，降低渣溫和鐵溫，2022年7月22日至7月31日期間進行生產實驗，原料中加入3%精煉渣，混合配入回轉窯，在回轉窯焙燒2.5h，轉出混合焙砂，加入礦熱爐進行冶煉，根據鐵溫、渣溫情況可及時進行操作調整。為了保證生產期間的安全，配加少量精煉渣（3%）進行實驗，電壓級采用4檔，電阻為25～26mΩ。7月23日—24日，鐵溫和渣溫都明顯開始下降。為了判斷精煉渣對渣溫和鐵溫的影響，7月25日停止配加精煉渣，25日—26日鐵溫連續2天走高，重新又達到1568℃，驗證了精煉渣對鐵溫下降是有效果的。為了充分說明加精煉渣對鐵溫下降有效果，7月27日10：00重新配加3%的精煉渣，鐵溫再次下降。配加精煉渣的對渣、鐵溫度的影響如圖2所示。

圖2 精煉渣對渣溫和鐵溫的影響

圖3為7月21日19:26至7月29日7:26（180小時）南側拱角第3點的溫度跟蹤圖。從圖3中可以發現，7月22日22:00至7月25日早5:00，以3%比例配加精煉渣共137t，圖中A處拱角173℃，加精煉渣后溫度下降，停止加精煉渣后拱腳處溫度又有所上升，7月25號當天拱角溫度再次到173℃附近（圖中B處），7月26號拱角溫度升至174℃附近（圖中C處）。7月27號10:00重新配加3%精煉渣，拱角溫度隨后下降。

圖3 拱角溫度跟蹤圖

圖4是礦熱電爐南側拱角和北側拱角各取2個最高溫度點，每隔2小時檢測一次，繪制的折線圖。從圖中可知，鐵水溫度確實下降，證明加精煉渣是可行的，對改善爐況有利好。7月29日后提升功率，有個大的波動，隨后又平穩，目前已經達產。

圖4 拱角溫度變化圖

3.分析與討論

(1)渣鐵溫度

一般認為，鎳鐵水的溫度大于鎳鐵熔點50℃即能保證鐵水良好的流動性，溫度過高，爐體容易發生跑漏，造成安全事故。鎳鐵熔點與成分有關，T熔=1538-∑ΔTjWj（ΔTj鋼中某元素含量增加1%時使鐵的熔點降低值，Wj鋼中某元素質量分數，%），鎳鐵成分見表2。

表2 鎳鐵成分

T熔=1538-90[%C]-28[%P]-40[%S]-6.2[%Si]-2.6[%Cu]-1.7[%Mn]-2.9[%Ni]-5.1[%Al]-1.8[%Cr]-1.7[%Co]=1538-90×0.02-28×0.068-40×0.54-2.6×0.031-2.9×35.36-5.1×0.28-1.8×0.08-1.7×0.36≈1408℃。

生產中鐵水溫度為1566℃，過熱158℃，溫度嚴重偏高，進一步制約了再次提高功率。配加鎳鐵精煉渣的焙砂，在礦熱電爐中冶煉，可提前造渣改善爐渣流動性，加速渣鐵界面反應，改變鐵水成分并降低鐵水中有害元素含量，同時降低鐵水溫度，減小鐵水過熱度，改善爐況。

(2)精煉渣

為了去除鐵水中雜質，采用噴吹＋升溫技術結合的精煉新工藝，精煉渣主要是脫Si、脫P和脫S形成的爐渣。

脫Si反應：

氧化鈣和二氧化硅反應生成硅酸鈣CaSiO3，變成爐渣以此來降硅。冶煉過程中，熔劑CaO與SiO2的波動，還可能生成CaO·SiO2、3CaO·2SiO2、3CaO·SiO2和2CaO·SiO2等化合物。

脫P、S反應：

在脫P、S精煉過程中產生的爐渣成分主要是脫磷產物（4CaO·P2O5）脫硫產物（CaS），在扒渣過程不斷從鎳鐵水中除去。

在精煉前期，主要是脫碳、脫硅、脫磷和脫硫，在精煉后期還需要加入硅鐵和碳粉，對鎳鐵成分進行調整，所以精煉渣中會產生Al2O3、FeS、CaC2和SiC等成分。

除此之外精煉渣中還有大量的鐵，在吹氧脫C、Si過程中，以FeO為主存在于爐渣中。

精煉渣成分比較復雜，主要包括有（2FeO·SiO2）、CaO·SiO2、3CaO·2SiO2、3CaO·SiO22CaO·SiO2、MgO·SiO2、（4CaO·P2O5）、CaS、FeS、FeO以及Fe3O4等化合物。精煉渣的主要成分見表3。

表3 精煉渣的成分（%）

精煉渣中FeO、Fe3O4無形中增加了Fe/Ni比，提高了導電性，同等條件下用電較多。精煉渣中鐵氧化物以FeO為主，它能顯著降低爐渣黏度，并和（SiO2）形成低熔點（2FeO·SiO2）隨渣排出。精煉脫P渣（4CaO·P2O5）加到爐內，高溫分解，（P2O5）中部分P再次還原到爐內，而分解的（CaO）和爐渣中（SiO2）形成低熔點的硅酸鈣。

配加精煉渣的焙砂加入礦熱電爐進行冶煉，由于焙砂中存在低熔點的精煉渣化合物，可快速形成流動性良好的爐渣，加速了渣鐵之間的界面反應。配加精煉渣熔點相對降低，導致礦熱爐中渣溫變低，傳導和輻射的熱量減少，鐵溫也隨之降低。

4.結論

以紅土鎳礦為原料，采用回轉窯—電爐（RKEF）工藝—精煉工藝進行鎳鐵生產，針對原礦品位下降，原料中Si/Mg高，Fe/Ni低，不利于低熔點爐渣的生成，導致電爐化料困難，渣溫和鐵溫度持續居高不下，對爐體耐材浸蝕嚴重。經過半個月的生產實驗，在回轉窯配料中加入3%精煉渣進行焙燒，混合焙砂加入礦熱電爐進行鎳鐵冶煉，鐵溫和渣溫明顯下降，在同等操作模式下化料更快，改善了爐況，為以后再提升功率打下良好基礎。而且開發了鎳鐵精煉渣固體廢棄物的循環再利用，增加了鎳資源的回收。