镍火法熔炼技术发展综述

吴东升

(吉林吉恩镍业股份有限公司,吉林磐石 132311)

镍火法熔炼技术发展综述

吴东升

(吉林吉恩镍业股份有限公司,吉林磐石 132311)

综述现在世界广泛应用的镍熔炼火法技术,如矿热电炉、反射炉、闪速炉、鼓风炉、转炉和奥斯麦特炉及其在我国的实际应用情况。

火法;冶金炉;镍熔炼

镍能与其它金属形成合金,从而在更广泛的温度范围内提高金属的强度、韧性和抗腐蚀性,并能在表面形成致密的氧化镍膜,具有很高的化学稳定性,是一种十分重要的有色金属,可以用来制造包括不锈钢、耐热合金钢、合金结构钢等3 000多种合金,对钢铁工业至关重要,尤其是在航天、海洋、电子工业和建筑业发挥了关键作用[1]。

已知镍在地球中含量约为3%,次于Fe、O2、Si、Mg,而居第五位;但在地壳中仅占0.008%,居已知元素的24位。我国镍矿储量分布于19个省区。主要集中在甘肃(占全国总储量的62.2%),其次分布在新疆、云南、吉林、湖北、四川、陕西和青海等7省区(合计占总储量的34.5%)。与世界同行业先进水平相比,中国镍矿的开发和利用到目前尚处于赶超阶段。

进入21世纪,我国镍冶炼工业继续持续稳定地发展,镍冶炼企业在不断地对现有工艺进行技术改造,挖潜增效、节能降耗、强化管理的同时,广泛采用先进的熔池熔炼新工艺、新技术、新设备逐渐取代能耗高、污染大、效益差的落后工艺。本文对国内外主要镍熔炼工艺进行了评述,以期为我国镍冶金企业的技术改造或扩大生产提供参考。

1 冶炼炉发展

在过去的几十年中,镍的熔炼工艺取得了长足的进步,出现了许多世界上先进的熔炼工艺。镍的生产方法为:纯镍采用湿法生产工艺,非纯镍采用火法生产工艺。目前世界镍生产能力约90%仍用火法冶金方法,所以下面主要介绍现在世界广泛应用的镍火法熔炼技术及其在我国的实际应用情况。

1.1 矿热电炉

如果向固体或液体里通以电流,则由于电阻的作用,电能转变为热能。因此电加热广泛应用于各种技术领域,对冶金工业尤其重要,矿热电炉(又称电弧电阻炉)就是冶金炉的一个主要类型。在有色冶金生产过程中,矿热电炉广泛应用于低镍锍的生产,世界上一些著名的镍公司,如俄罗斯的北镍、贝辰加、诺里尔斯克,加拿大的鹰桥、汤普森,南非的瓦特瓦尔及中国的金川、磐石等均用矿热电炉处理镍精矿生产低镍锍[1]。作为一种熔炼设备,它比其它冶金炉具有一系列的优点:可以有效地控制熔池温度,得到高温,使熔炼产物过热;因为不用燃料,没有燃料燃烧的气体产生,因此电炉烟气量比其它冶金炉少;电炉熔炼炉渣和镍锍分离得比较好;渣含有价金属比较低,金属回收率比较高;电炉在结构上密封得比较好,可以得到含SO2浓度比较高的烟气,能达到制取硫酸需要的浓度,解决了硫的利用和环境污染问题[2]。

矿热电炉用于镍冶炼的缺点是电炉熔炼的脱硫率比较低,对炉料的含水量要求严格(不高于3%)。限制电炉采用的根本原因在于电炉熔炼耗电大,对于电价比较高的火力发电地区,它的生产成本往往比其它冶金炉高。对于具有廉价电力的水力发电地区,电炉在经济上则是有利的。因此,矿热电炉的采用,应根据不同情况通过技术经济比较来确定[2]。

1.2 反射炉

反射炉是传统的冶炼设备之一,具有结构简单、操作方便、容易控制、对原料和燃料的适应性较强、生产中耗水少、作业率高、适合大规模生产等优点。反射炉生产的主要缺点是燃料消耗量大、热效率较低(一般只有15%～30%),脱硫率及烟气中二氧化硫浓度低、占地面积大、消耗大量耐火材料等缺点。因此为数尚多的工厂对现存的反射炉进行技术改造,其主要改造路径是采用富氧空气熔炼和使用热风[3,4]。柳州华锡集团来宾冶炼厂是1989年建成投产的锡冶炼厂,全厂85%以上的粗锡为反射炉所产[5]。目前在世界范围内主要应用于铜、镍、锡等有色金属的冶炼生产,被广泛用于处理矿石和精矿,尤其是处理细粒度的粉料。

北京时间2009年12月2日凌晨1∶00,金川集团冶炼厂熔铸车间45 m2反射炉开始投料,上午10时,随着第一块合格镍阳极板的成功产出,标志着该系统成功投产,进入正常生产运行阶段。这意味着在中国金川,炼镍的反射炉也应用于实际的生产中。

1.3 闪速炉

闪速熔炼是硫化镍精矿造锍熔炼的新工艺。这个方法最初应用于熔炼铜精矿,它克服了传统熔炼方法未能充分利用粉末状态的巨大比表面积和硫化矿物燃烧放热的特点,大大减少了能源消耗,提高了硫的利用率,改善了环境。1959年首次在芬兰奥托昆普公司哈贾伐尔塔冶炼厂应用于熔炼镍精矿,以后相继在澳大利亚西部矿业公司卡尔古利、博茨瓦纳的皮克威、俄罗斯诺里尔斯克镍联合企业、巴西的佛达勒扎镍矿建立了镍的闪速熔炼厂,我国金川有色金属公司也采用该技术。

闪速炉的主要优点是:烟气量相对小,SO2浓度高,利于造酸,可减少环境污染;单台生产能力大,反应塔处理能力高;节省能源,综合能耗低;过程空气富氧浓度可在23%～95%范围内选择,有利于设备选择和控制烟气总量;过程控制简单,容易实现自动化;扩产、挖潜容易实现。但存在渣含有用金属高,烟尘率较大,物料准备要求高等缺点[2]。

用于闪速炉熔炼的基本炉型分为奥托昆普(Outokumpu型)富氧竖式炉和加拿大国际镍公司(INCO型)纯氧卧式炉两种。

1.3.1 奥托昆普(Outokumpu型)富氧竖式炉

奥托昆普闪速熔炼法是在闪速熔炼技术基础上优化的一种近年来广泛应用的一项镍冶炼工艺。目前世界镍生产能力约90%仍用火法冶金方法,现有的六家采用奥托昆普工艺的镍闪速熔炼厂,占据冰镍冶炼生产能力50%以上。奥托昆普直接熔炼技术具有独特优点:最大限度地减少了熔融物料不必要的循环,镍、尤其是钴及铂族金属的回收率高;由于熔炼流程中取消了炉冰镍的吹炼阶段,没有熔融物料的内部循环和运输;从单独和连续的出口烟气获得高硫回收率;扩散到环境和作业空气中的硫及烟尘极少[6]。

金川闪速炉炼镍引进澳大利亚卡尔古里冶炼厂的闪速炉技术,是由我国自己设计、自己建造的国内第一台大型闪速炉[7]。自1993年建造的镍合成闪速熔炼系统已成功用于高镁镍精矿造锍熔炼。金川合成闪速炉是奥托昆普闪速炉的第三代闪速炉,设计时充分吸取了当今闪速熔炼和电炉熔炼的先进技术成果,使奥托闪速熔炼技术用于铜镍精矿造锍熔炼技术上更完善、更先进,操作更简便,炉寿命更长[8]。

1.3.2 加拿大国际镍公司(INCO型)纯氧卧式闪速炉

目前世界上只有三家厂家使用氧气闪速炉,加拿大铜崖厂(1953年投产)、美国赫尔利厂(1984年投产)和美国海登厂(1983年投产),推广发展慢,它近似于反射炉。但因镍在锍渣两相分配比较低(约65%),故一直未广泛应用。

1.4 鼓风炉(高炉)

鼓风炉熔炼是最早的炼镍方法之一,世界上许多冶炼厂都曾经使用过鼓风炉熔炼技术。早在1879年,在新喀里多尼亚就采用鼓风炉处理红土镍矿。

鼓风炉是一种竖式炉,适用于处理块状物料,炉料从炉子上部分批分层地加入炉内,空气由风口不断地鼓入炉内使燃料燃烧,热气流自下而上地通过料柱,进入炉料与炉气逆向运动的热交换,从而实现炉料的预热、焙烧、熔化、造锍等一系列物理化学反应,最终完成制取并分离合格产出物的过程。它的工艺特点主要表现为:炉内气氛容易控制,适应性较强,氧化程度比电炉高,脱硫率一般为45%,最高可达60%;设备简单、投资较省,建设速度快;工艺灵活简单,可根据需要及时调整镍锍品位,可获得较高的脱硫率(约45%～60%)和较低的燃料消耗[1]。

由于对环境有影响,矿石适应性差,对镁含量有较严格的要求,另外不能处理粉矿,对入炉炉料也有严格的限制。随着生产规模扩大和冶炼技术进步,这一方法已逐步被淘汰。针对以上问题,国内在鼓风炉结构设计及操作技术等方面曾有不少革新。我国四川会理镍矿是我国解放后最先开发的镍矿,冶炼系统采用烧结-鼓风炉冶炼出低镍锍-转炉吹炼成高镍锍的生产流程;1958年金川硫化铜镍矿发现后,在生产初期采用了简单易行、经济有效的敞开式鼓风炉,以后又过渡到处理铜镍精矿的烧结-鼓风炉熔炼工艺,直至矿热电炉投产[4]。新疆喀拉通克铜镍矿为含硫高、难熔脉石氧化镁和氧化钙含量低、矿石品位为铜比镍高的硫化铜镍矿,根据会理、金川的经验,并考虑到该矿的具体情况,在1989年建成了鼓风炉-转炉生产流程。于1992年冬季检修之时,将原有的敞开式鼓风炉改造为密闭式鼓风炉。并在实际生产中采用富氧熔炼技术,能够降低焦炭消耗,同时可以减少冶炼过程的废气量,加速反应、降低能耗、提高烟气中SO2浓度,便于经济地回收利用SO2,达到节约能源、控制污染,提高生产能力和经济效益目的[9]。

1.5 转炉

转炉是有色冶金生产中用于处理铜和镍的硫化物的主要冶金设备。特点是不需要燃料,仅依靠铜锍中的铁和硫与鼓入熔体中的空气进行氧化反应放出的热量来提供全部的热支出。大型转炉具有热容量大、作业周期内温度变化小、炉衬寿命长、生产率高等优点。因此目前世界上卧式转炉都向大型化发展,国内的转炉也普遍加长,提高了装入量[4]。

倾斜式旋转转炉卡尔多(Kaldo)炉技术是由瑞典专家Bokalling发明的氧气顶吹转炉熔炼技术,原是一种炼钢设备,上世纪70年代在有色金属冶炼中,作为一种强化的直接熔炼设备得到应用,如加拿大国际锡镍公司采用卡尔多转炉处理高镍锍,冶炼铜镍合金。其优点有:操作温度可控制的范围大,具有较好的搅拌条件;借助油枪氧枪容易控制熔炼过程的反应气氛,从强氧化性气氛到强还原性气氛都可以实现;热效率高,在纯氧吹炼的条件下,热效率可达60%或更高;作业率高,炉体体积小,拆卸容易,更换方便。但具有间歇作业,操作频繁,烟气量和烟气成分呈周期变化;炉子寿命较短、设备复杂、造价较高等缺点[2]。我国金川有色金属公司在20世纪80年代将卡尔多炉技术用于吹炼镍精矿和二次铜精矿,将其熔化吹炼成金属镍和金属铜,目前还用卡尔多炉吹炼一定的铜精矿。

现在该技术主要用于铅冶炼。1979年用来处理含铅烟尘的首台有色金属卡尔多熔炼炉在瑞典的隆斯卡尔冶炼厂诞生。1992年伊朗曾姜铅锌总公司用卡尔多炉处理氧化铅精矿生产铅,年生产能力4.1万t。到目前为止,世界上已有12台卡尔多炉投产。我国西部矿业公司引进的卡尔多炉于2006年在青海建成投产,设计能力60 kt/a粗铅[10]。

1.6 奥斯麦特炉

澳大利亚奥斯麦特(AUSMEL T)公司是一家以专门从事冶炼技术开发和工业化而知名的公司。其冶炼工艺基于其独有的顶吹浸没喷枪系统,冶炼设备称为奥斯麦特反应炉,广泛用于有色金属、黑色金属、贵金属和废弃物料的处理。该技术的核心为一专利喷枪,工艺用空气、氧和燃料都通过它而从液态渣池表面下供给,钢制喷枪由一层凝结的渣层保护以耐受作业环境。熔炼反应在高度搅动的渣池中进行从而达到高生产率和高燃料效率[11]。

奥斯麦特顶吹浸没喷枪技术是在许多工业工厂中处理各种物料而确立起来的。该技术对于很多工艺过程(从强氧化条件下吹炼铜到强还原条件下炼铁)的通用性已经得到了证实。奥斯麦特炉系统与其竞争性技术相比较而言,是一个基建投资相对低的系统。提高喷枪空气中的富氧,就会减少喷枪燃料和空气的需要量,降低处理的烟气量,节省生产费用和基建投资。顶吹浸没喷枪系统产生强烈搅动性能,与很多竞争性冶炼技术相比是一个重大改进,它促进了高反应率,并使渣和烟气达到平衡。奥斯麦特炉是一个密闭系统,具有很多环境优势。烟气排放量最低,并且可以通过对炉子抽力的直接测量和调节来保持负压。另外,因为漏风量低,要处理的烟气量也低[12]。

2008年中国金川有色金属公司、奥斯麦特和恩菲三家公司结合金川公司40年来镍冶炼生产经验,成功消化吸收镍闪速强化熔炼的成功经验,对镍精矿熔池熔炼工艺进行了多方面研究、探索和完善,首次采用奥斯麦特熔池熔炼工艺用于镍精矿熔炼并成功投入生产,属于重大技术创新,技术水平世界领先[13]。吉林吉恩镍业股份有限公司第一冶炼厂的奥斯麦特炉正在试运行阶段,现运行稳定正常,估计很快就能达产达标。

2 结 语

随着环保、节能的呼声日益剧增,有色冶金需要进一步开发强化无污染的冶炼技术,因此与新工艺、新技术的开发相适应的新型炉窑也在不断涌现。本文在此简要介绍镍火法熔炼加工中的各种熔炼炉,以便为新建镍冶炼厂及老的镍冶炼企业进行技术改造时合理选择工艺提供参考。

[1] 黄其兴.镍冶金学[M].北京:中国科学技术出版社,1990.

[2] 何焕华,蔡乔方.中国镍钴冶金[M].北京:冶金工业出版社, 2000.

[3] 有色冶金炉设计手册编委会.有色冶金炉设计手册[M].北京:冶金工业出版社,2000.

[4] 重有色金属冶炼设计手册编委会.重有色金属冶炼设计手册(铜镍卷)[M].北京:冶金工业出版社,1996.

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[6] 肖安雄.当今最先进的镍冶炼技术——奥托昆普直接熔炼技术[J].中国有色冶金,2009,(3):1-7.

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[8] 袁永发,刘安宇.金川合成闪速熔炼技术的生产实践[J].有色冶炼,2000,(5):15-17.

[9] 刘中华,胡新海.铜镍冶炼系统改造的设想.全国铜镍钴生产技术、装备、材料及市场研讨会论文集[C].北京:中国有色金属学会,2003.

[10]王成彦,郜伟,尹飞,等.铅冶炼技术现状及我国第一台铅闪速熔炼炉试产情况[J].有色金属(冶炼部分),2010,(1):9-17.

[11]俞集良.奥斯麦特技术在镍、钴工业中的应用[J].有色冶炼, 2000,(3):31-36.

[12]姚素能.用澳斯麦特技术回收渣中的铜镍和钴[J].有色冶炼, 2003,(3):57-61.

[13]周民,万爱东,李光.镍精矿富氧顶吹熔池熔炼技术的研发与工业化应用[J].中国有色冶金,2010,(1):9-14.

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

吴东升(1979-),男,助理工程师,主要从事镍火法熔炼技术研究工作。

2010-12-12