熔融还原丨红土矿精选镍铁技术丨

主要介绍回转窑直接还原镍铁冶炼技术，
一、简单介绍国内镍铁生产现状
红土镍矿处理工艺主要分为湿法冶炼工艺和火法冶炼工艺，但世界范围内比较成熟的红土镍矿冶炼镍铁合金的工艺方法仍旧以火法冶炼为主。自20世纪50年代新喀里多尼亚多尼安博(doniambo)冶炼厂首先采用回转窑–电炉熔炼氧化镍矿生产镍铁以来，此法目前仍在全世界获得广泛应用。随着冶金科学技术的发展，rkef工艺也吸纳了自动化控制、矿热炉容量增加，其他工艺变化很少，没有从根本上改变工艺及流程。我国是最大的镍铁生产国，国内红土矿镍铁冶炼技术已是相当成熟，目前回转窑—电炉冶炼法（rkef）生产镍铁已是国内主流工艺技术，红土矿回转窑直接还原国内只有几家工艺技术还是不错，效益也不错，其他厂家受工艺、控制的影响多少还是存在一些问题。
二、冶炼原理
氧化铁的还原反应为：
红土矿中的镍是以氧化物状态存在，铁为多价元素，存在fe2o3、fe3o4f、feo等多价氧化物，根据逐级反应的原则，其还原过程应为：fe2o3→fe3o4→feo→fe。
nio+c=ni+co↑
nio+co=ni+co2     （1）
3fe2o3+co=2fe3o4+co2
fe3o4+co=3feo+co2
feo+co= fe+co2（2）
火法冶炼镍铁是在高温条件下，以c（或si）作还原剂，对氧化镍矿中的nio及其他氧化物（如feo）进行还原而得。同时采用选择性还原工艺，合理使用还原剂，按还原顺序nio、feo、cr2o3、sio2进行还原反应。 因不同产地的镍矿成分不同，nio及各种氧化物之间组成的化合物也有所不同，因而，在镍铁冶炼过程中，其实际反应较复杂。反应生成的ni和fe能在不同比例下互溶，生成镍铁。 从上述（1）、（2）反应式中可看出：nio、feo还原反应开始温度较低，而且，nio的开始反应温度比feo约低200℃；因而火法冶炼镍铁过程中，尽管所采用的镍矿nio含量较低，但nio 90%～93%以上被还原，可通过不同的工艺操作，使产品含ni量提高到较高水平，与铁合金其他产品（如高碳铬铁、锰硅合金等）相比，电炉粗镍冶炼难度相对较低。
红土镍矿属非结晶型矿种。不同镍矿类型，成分波动范围为：
ni 0.87％～3.85％，fe 6％～50％，mgo 1.5％～32％，si02 5％～58％，al2o3 1％～15％，p 0.000 4％～0.000 2％，s 0.00l％～0.08％。
以下3个条件只是合适的条件，而不是必须的条件，在矿石条件不符合上述要求时，可以生产品位较低的镍铁，技术经济指标将受到影响
 (1) ni品位，希望在1.5以上，最好 2.0以上。 
 (2) fe／ni，希望在6～10，最好接近6，中ni品位高；如果fe／ni>10，则很难冶炼出含20％的镍铁，因为原料中fe过高，很难在回转窑中控制氧化铁的还原度。 
 (3) mgo/sio2，在0.55～0．65较合适，少量加入熔剂就可以得到低熔点的炉渣结构。 
三、镍铁生产存在的主要问题
回转窑—电炉还原（rkef）生产工艺仍然存在的不足之处，投资金额比较大；电炉冶炼的电耗较大，占生产成本的50%左右，以电作为主要能源，不符合国家节能、减排、降耗的产业政策，研发以煤代电，适应多种外部条件的需要。当前对改进和完善镍铁生产技术的研究势在必行，研究新工艺、新思路解决现有火法冶炼rkef工艺中普遍存在的高能耗、高污染等难题。大力发展煤基还原技术有着现实意义。
（一）产品类型
1、图（1）所显示的产品是回转窑红土矿直接还原水淬（大江山法）后经磁选所选出镍铁粒子。图（2）所显示的产品是回转窑红土矿直接还原水淬选出镍铁粒子后再经磨机后磁选所选出镍铁精粉
（1）镍铁粒
（2）镍铁精粉
图（3）所显示的产品是回转窑－矿热炉（rkef）法
（3）镍铁块
（二）、缺点
（1）大江山法：a、镍铁中的镍、铁的含量不稳定。b、镍铁精粉含水分较多。选矿过程繁琐。
（2）rkef法：投资和冶炼成高，（高能耗、高污染）工艺流程长。
四、回转窑红土镍矿直接还原技术的主要工艺特点
回转窑—电炉还原（rkef）生产工艺中的矿热炉，它的作用就是将还原后的镍、铁与炉渣经过高温实现分离。今天介绍红土镍矿直接还原冶炼技术就是没有矿热炉，在回转窑分离段也同样实现炉渣与镍铁分离，冶炼出来的产品也同样是（含镍）镍铁水，打开出铁口铁水进入铸铁机浇注成锭，或着进入铁水包转运到下一步不锈钢生产用原料。
（一）、冶炼工艺流程
镍铁生产过程是根据还原和加热需要和获得合适炉渣碱度及融熔物含镍铁的要求下，将粉状矿石、还原剂、石灰等按比例配合，混匀压球后从回转窑的上端装入窑内，回转窑以50-240秒/转速度旋转，在窑下端（即卸料端）装有燃料烧咀燃烧煤粉加热矿料。必要时还装一个二次送风管以供应炉料中的碳素和还原反应生成的c0燃烧所需要的氧气。
炉料在窑内停留4-6小时随着窑体转动炉料逐渐由上向下移动炉料在窑内呈薄层状分布，在与逆向热气流和高温窑壁接触中被逐渐加热。根据窑内温度分布，炉料的物理状态在窑内进行物理化学反应，按窑的长度分成四个区域：
预热带：炉料被逐渐加热，炉料中的吸附水和结晶水被排除。还原剂的挥发份和炉料中炭酸盐被部分分解和排除。
还原带：随着炉料温度的升高，窑内氧化镍和氧化铁还原反应逐渐加剧，料中的炭素和还原生成的c0猛烈燃烧更有力促进了炉料的加热当温度达到一定时炉料已经大部分还原。
粒铁带：炉料进入粒铁带脉石、灰分、熔剂和未还原的氧化镍及氧化铁形成强酸性的氧化炉渣，随着还原反应激烈进行氧化物逐渐减少，最终获得强酸性均匀的粘度合适的炉渣，还原生成的金属镍、铁在高位下逐渐渗炭并熔融成镍、铁珠悬浮于炉渣中，随着窑体的转动半熔融小镍珠和小铁珠相互碰撞逐渐聚合成较大的镍铁粒子这种镍铁粒子与炉渣的混合物称为熔融物从卸料口排出。
沉淀分离带：镍铁粒子与炉渣的混合的熔融物进人分离带后加入一定比例的石灰调整熔渣粘度同时也调整液相温度，随着温度的升高熔融的镍铁珠迅速沉淀形成大量镍铁熔池，炉渣与镍铁将彻底分离。工艺流程到这一点是决定产品类型关键点。（1）随着回转窑的旋转分离后的镍铁水和熔渣流出回转窑经水淬，再通过磁选工艺选出镍铁。（2）打开出钢口铸锭。或者镍铁高温钢水直接进入铁水包作为不锈钢生产一次原料转移到不锈钢冶炼aod炉内冶炼不锈钢。上层炉渣排出后经过水淬冷却、破碎、磁选等工序除去炉渣得到镍铁精粉，进一步提高镍的回收率。（以上流程气体均为还原气体）
火法冶炼镍铁生产，设备最简单、生成金属流程最短、综合能耗最低的生产工艺。
a、红土镍矿直接还原技术应注意的关键问题：
（一）、压球
1、 质量要求
a)  抗压强度550n
b)  在压球过程成球率90%以上
c)  保证矿物料在转运过程中球的完好率在95%以上
2、 目的
a)  减少矿物料粉磨被引风机吸走
b)  强化透气性，提高矿物料在窑内温度的均匀稳定性
部分企业不太重视压球质量，其实与高炉炼铁很类似，矿物料制团烧结成块后，粒度要求很严格，目的就是要物料透气性能好。回转窑不仅对进窑的物料粒度均匀、透气性要好，而且要求物料在回转窑强迫进行翻转搅拌，迫使物料温度均匀。
（二） 搅拌
1、 没有搅拌矿物料运动状态
2、 （核心技术）
矿物料运动方式平移下滑，矿物料吸收热能靠点是上面的热辐射和窑内壁耐火材料温度传递，中间温度很低，如果没有措施矿物料将一直同炉渣平移下滑到出渣口。
2、 装置结构
（核心技术）
装置（不同段形状有差异，目的各有不同相），具有导向、均流、搅料等多项功能，矿物料完全接触热气流，使所有矿物料都能达到充分吸收热能的目的，迫使矿物料温度均匀。通过这套装置周而复始，使矿物料温度充分均匀，达到矿物料在不同阶段还原、熔融、分离的同步性的目的，
（三）、还原
a) 还原段长度20m～25m
b) 还原段温度500℃～900℃
镍、铁收得率高低关键就在这一段的控制，还原带温度低镍、铁得不到充分还原，必然造成大量生料进入粒铁带，还原带温度过高，会使还原炭素加快燃烧，进人粒铁带的矿物料中炭量不足引起熔融物过分氧化，形成大量难还原的化合物。所以这一段要保持温度稳定和充分的还原气氛。这一段同样加搅拌装置，防止结圈事故的发生。
（四）、结圈
结圈是生产中的事故，几乎提到中温、高温还原都会提到结圈，首先要掌握回转窑为什么能结圈，我们经过多年理论和实践的研究，导致结圈主要原因就是：
1、 还原剂与矿物料混合不均匀
2、 窑内温度长时间不稳定
回转窑结圈
矿炉料在回转窑内，同一部位上中下的温度差别很大。矿物料平移下滑，底层或中间的低温矿物料移动与进入液相线上面的矿物料接触，混合后温度降低，使进入液相线的矿物料又回到固相线，在没有大幅调整温度的情况下，进入液相的矿物料又重新回到固相线，这样矿物料在周而复始地循环，就会在回转窑内壁形成一个或几个热气流过不去，矿物料出不来的多层厚厚的圈，这个圈就是回转窑的结圈。
综上所述，镍铁直接还原生产过程中，四个关键问题均与温度有关，按照工艺要求均衡温度，就能确保镍铁还原、控制结圈。
b、粒铁段
1、12m～17m
2、熔融物的温度范围900℃～1200℃
3、熔融物含氧化物属酸性
粒铁带是过渡带，这一段主要就是升温，是将大部分还原生成的金属镍、金属铁逐渐渗炭并熔融成小镍珠、小铁珠，悬浮于熔融炉渣中，随着温度的升高和窑体的转动加搅拌，熔融小镍珠和小铁珠相互碰撞逐渐聚合成较大的镍铁粒子，悬浮在炉渣中。熔融物受径向力和轴向力双重作用，继续向窑头翻滚移动，进入分离段。
c、分离段
1、 结构
（核心技术）
a)  （核心技术）
b) 安装两个出钢口
c) 增加一套喷射石灰石装置
2、 目的
a) 炉渣与镍铁分离
b) 调整分离段炉渣的碱度
熔融物必须要进人这一段窑充分分离，才能达到提炼镍铁的目的。由于特殊的炉窑结构设计。能承载一定重量镍铁水和炉渣的能力，在距出渣口相应位置安装两个出铁口。这一段主要冶炼沉淀分离作用。加入一定比例的石灰调整熔渣粘度，随着温度的升高和搅拌熔融的镍铁珠迅速沉淀形成大量镍铁熔池，这段温度在1350℃～1450℃，炉渣与镍铁将彻底分离，待镍铁水聚集一定量时，打开出钢口通过铸铁机浇铸成锭。或者镍铁高温钢水直接进入钢包作为不锈钢生产一次原料。上层炉渣排出后经过水淬冷却收集。
五、红土镍矿直接还原冶炼技术成本测算
（一）、红土矿
（1）
1000kg  500元/吨
h2o 30%  ni1.8%  fe 17%
除去水份剩余700kg红土矿
ni  1.8×7＝12.6kg
fe   17×7＝119kg
收得率 ni 90%  fe 82%
ni  12.6×90%＝11.34kg
fe    119×82%＝97.58kg
11.34﹢97.58＝108.92kg
700kg不含水矿冶炼出108.92kg镍铁
1000kg含水30%红土矿只能冶炼出108.92kg的镍铁
只有1000kg×1000kg÷108.92kg＝9181kg
9181kg红土矿才能炼成1000kg镍铁
500元/吨÷12.6kg＝44元/ni
（2）
干红土矿  1000kg   ni1.8%  fe 17%
含水30%  1000÷0.7＝1428kg红土矿
1.428吨×500元/吨＝714元/吨
ni  1.8%×1000＝18kg
fe   17%×1000＝170kg
收得率    ni 90%    fe 82%
ni   18×90%＝16.2kg
fe    170×82%＝139.4kg
16.2﹢139.4＝155.6kg
干矿1000×1000÷155.6kg＝6426kg能炼1吨镍铁
成本 714÷16.2＝44元/ni
炼一吨镍铁需6426kg÷0.7＝9180kg湿矿
9.180吨×500元/吨 ＝4590元/吨
（二）、煤粉
  （1）、（200目）以上
1000元/吨  h2o≤4
用量2.5吨/小时
综合下料32t/h
设x为无水红土矿，那么含
水18%矿重量x/1－0.18
焦粉x×15%
焦粉水份x×15%×18%
x/（1－0.18）﹢x×15%﹢
x×15%×18%＝32
求得x＝22.9吨
22.9吨无水红土矿能炼出
(22.9×11.34)÷0.7＝370.98kg
(1000元/吨×2.5)÷370.9kg＝6.74元/ni
（2）、（200目）以上
1000元/吨  h2o≤4     用量2.5吨/h
每小时22.9吨干矿   每小时喷煤2.5吨
每小时出22.9吨÷6.426吨＝3.563吨镍铁
2.5吨/小时×1000元/吨÷3.563吨＝701元
（三）、还原剂（焦炭粉）
（1）、0～5mm
1350元/吨 c＞85 h2o＜18
原矿700kg按15%配比
700×15%＝105kg焦粉
0.105吨×1350元/吨＝141.75元
生产公斤镍141.75÷11.34＝12.5元
（2）、还原剂 0～5mm
1350元/吨 c＞85 h2o＜18
干原矿1000kg按15%配比
1000×15%＝150kg焦粉
0.150吨焦粉×6.246吨＝0.9369吨
每吨镍铁需配焦炭粉0.9369吨
0.9369吨×1350元/吨＝1264.8元
炼出1吨镍铁需配1264.8元焦粉
（四）、人工费
（8小时）
1、车队10人工资
 车队
 10人平均工资4300元/月  179元/小时
2、拌料
13人平均工资3300元/月  178元/小时
3、 回转窑
回转窑
 13人平均工资3300元/月  178元/小时
4、
磁选
 10人平均工资3300元/月  137元/小时
5、
机修
  5人平均工资4000元/月   83元/小时
6、
 化验
  3人平均工资2800元/月   35元/小时
7、供煤
10人平均工资2800元/月   116元/小时
合计
                        906元/小时
合计人工费906元/小时
3.563小时/吨镍铁 金属镍按10%计算
金属镍 3.563小时/吨×10%＝0.3563小时/吨
换成公斤356.3小时/kgni
每公斤镍所需人工费906元/小时÷356.3小时/kgni
等于2.54元/ni
每小时生产1吨镍铁所需人工费：
906元/小时÷3.563小时/吨镍铁＝254元/小时镍铁
（五）、电费
项目
车间
拌料
回转窑
磁选
磨煤
空压机
合计
装机容量
1345kw
1115kw
855kw
1385kw
220kw
4920kw
负载电耗（60%）
810kw
669kw
513kw
831kw
132kw
2955kw
产量t/h
50
32
32
20
电耗kw/t
16.2
20.9
16.03
41.6
66
合计
198
321.6
247.2
31.2
33
2955kw÷3.563吨×0.85元/度＝704元/吨
（六）、石灰石
cao＞52%   颗粒度0～5mm   70元/吨
按3～7%配比
干矿6.426吨×7%＝0.449吨
0.449吨×70元/吨＝31.48元
炼一吨镍铁需要石灰石0.449吨折成31.48元
（七）、合计
4590元+1264.8元+701元+254元+704元+31.48元＝7545.4元合计7545元/吨镍铁
44+12.5+6.74+2.54＝65.78元/ni
经测算，根据目前红土镍矿的价格和镍铁的销售价格分析，投资直接还原冶炼镍铁项目，有很高的投资回报率。而且红土镍矿直接还原镍铁新技术发展，既解决的影响生产的瓶颈问题，又提高了收得率、降低了成本，为投资企业带来可观的经济效益。

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