红土镍矿蓄热式转底炉-蓄热式高温熔分冶炼新工艺*

季爱兵， 尹鑫平， 李　欣

(神雾集团江苏省冶金设计院有限公司， 江苏 南京　210016)



红土镍矿蓄热式转底炉-蓄热式高温熔分冶炼新工艺*

季爱兵， 尹鑫平， 李欣

(神雾集团江苏省冶金设计院有限公司， 江苏 南京210016)

采用神雾集团自有知识产权的蓄热式转底炉预还原-蓄热式高温熔分炉工艺处理印度尼西亚某红土镍矿生产镍铁合金。生产表明：当石灰石粒度为200目，石灰石配入量约6%，还原煤粒度为1 mm，还原煤配入量约7%，转底炉高温还原区温度控制在约1350 ℃时，转底炉DRI金属化率约61%，熔分后可获得含镍20%以上的镍铁合金，镍的金属回收率大于93%。

转底炉； 红土镍矿； 燃气熔分

引言

目前世界镍资源主要有红土矿及硫化矿两种，其中以红土矿为主，约占世界镍资源总量的60%，随着世界(特别是中国)硫化镍矿资源的逐渐减少，红土镍矿资源的开发利用将会越来越受到重视。常见的红土镍矿处理工艺主要有湿法工艺和火法工艺。湿法工艺适用于褐铁矿型的红土镍矿和含镁较低的硅镁镍矿，并存在工艺复杂、流程长、耗酸大、成本高、设备材质要求高以及废酸难以处理等问题。火法技术主要包括烧结高炉、回转窑矿热炉等，火法技术工艺具有成熟、设备简单易控、生产效率高、设备投资较低等特点，但也存在着能耗高、成本高、对原料要求高等问题[1]。因此目前急需开发一种节能、环保、镍资源回收率高的冶炼工艺。

神雾集团江苏省冶金设计院有限公司(以下简称“神雾公司”)创新性地开发出了蓄热式转底炉-蓄热室高温熔分工艺处理红土镍矿制取镍铁合金，作为不锈钢冶炼的优质原料[2]。本文阐述了了采用转底炉预还原-燃气熔分工艺处理印度尼西亚某红土镍矿进行生产镍铁合金的情况。

1　红土镍矿转底炉选择性还原理论

在红土镍矿转底炉预还原-燃气熔分工艺中，转底炉内物料所需的热量主要由燃气和部分内配碳燃烧提供。石灰石等熔剂的作用是是通过固相反应降低物料的熔点，调整后续熔分炉渣的碱度、黏度，使后续熔分能够顺利进行，实现渣铁分离。配料、混合、压球、低温烘干后的红土镍矿球团经布料装置进入转底炉炉膛。球团随转底炉旋转依次进入预热区、中温区、高温区、出料区，球团被加热，水分蒸发、熔剂分解，金属氧化物与固体碳发生还原反应，置换出氧化物中金属单质，其主要反应有：

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极易还原，通过控制还原剂用量及反应温度，使Ni 尽可能完全还原成金属镍，Fe 部分还原成金属铁从而达到富集镍的目的。

2　原料、工艺流程及配料

2.1原料

本次生产所用红土镍矿来自印尼某公司，其成分如表1所示。

表1红土镍矿主要化学成分/%

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

2.2工艺流程

工艺流程主要分为三个阶段，分别为原料处理阶段、转底炉预还原阶段和DRI燃气熔分阶段，其流程可概述为：红土镍矿、还原煤等原料接收→堆存→烘干→破碎→配料→混匀→压球→生球烘干→转底炉布料→转底炉内预还原→转底炉出料→DRI→燃气炉熔分，详细流程如图1所示。

图1　工艺流程图

2.3配料

参与配料的主要有红土镍矿、还原煤、石灰石，相关粒级要求及配比如表2所示。

表2配料

红土镍矿还原煤石灰石配比/%粒级/mm配比/%粒级/mm配比/%粒级/mm8737160.074

3　生产过程与分析

3.1转底炉预还原过程控制及检测

转底炉布料厚度约40 mm，转速30～45 min/圈，高温区温度控制约1350 ℃。转底炉运行稳定时实际检测温度如表3所示。对高温区还原稳定段转底炉气氛检测，对其成分进行测定；发现高温还原区稳定段保持一个强的还原性气氛，w(O)、w(NO2)<0.01%。

表3转底炉运行稳定时实际检测温度/℃

预热区中温区高温一区高温二区高温三区12121212121300134513651363136813581371135813651366

转底炉运行稳定后进行取样，观察并记录样品状态，每间隔15～20 min取一个样品，每次样品量不小于2 kg。

取样时采用取样勺接料，之后迅速放入已备好的水淬桶内将热态金属化球团直接水淬。待球团完全水冷却后，放入150 ℃的烘干箱内进行烘干，并标记取样时间与配比。

对转底炉出料DRI进行化学成分检验，分析结果如表4所示。

表4DRI取样分析结果(平均值)

w(TFe)/%w(MFe)/%w(C)/%金属化率/%17.910.922.961

3.2燃气熔分过程控制及检测

蓄热式高温熔分炉采用多气源(天然气、煤制气、焦炉煤气、转炉煤气等)为燃料，其工作原理是熔分炉两侧布置耐材砌筑的空燃气烧嘴，然气燃烧生产的热量将物料DRI熔化，熔化的DRI往前端流动，实现渣铁的分离，镍铁水和熔渣分别定期通过渣铁口流出。熔分炉两侧布置蓄热室，当一侧蓄热室预热空气、燃气及燃烧时，生产的高温烟气加热另一侧的蓄热室内的蓄热体耐材蓄热。周期性的切换烟气流向，实现熔分炉稳定供热。

转底炉出口DRI通过保温料罐热装进入熔分炉。熔分炉供料为连续装料，定期出渣铁。生产过程中调节煤气流量，控制熔分炉熔炼温度，确保熔分炉炉况稳定。过程检测熔分参数如表5所示。

熔分炉设置渣铁口各一个，出铁周期为4 h，出渣周期为3 h。熔分产出镍铁水进行成分及产率分析，结果如表6所示。

表5燃气炉熔分参数记录表

参数数值投料温度/℃(平均)785熔分炉温度(平均值)/℃1640炉压/Pa15烟气温度(掺冷风后)/℃129添加辅料无

表6镍铁合金成分及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冶炼过程分析

生产过程中，转底炉烧嘴供热稳定，转底炉内物料未出现较大熔融现象，DRI出料稳定，未出现大块黏结。转底炉出料DRI中没有出现大颗粒的石灰石，同时还原煤粒度合适，DRI金属化率达到61%，DRI残炭率2.9%。

熔分过程中，渣铁分离良好，炉况较稳定。炉内为微正压操炉，铁口炮泥为有水炮泥，出渣出铁顺利，操作简单。出口镍铁水平均含Ni约20.2%，Ni的回收率达到93%。

3.4冶炼能耗分析

对红土镍矿生产进行冶炼能耗分析，主要消耗的能源有还原煤、燃气、电、水等。冶炼1 t镍铁合金工序能耗如表7所示。

表7冶炼能耗分析

序号项目名称单位耗量折算系数标煤/(kgce·t-1)1还原煤/(kg·t-1)1109.60.9211022.42燃气/(GJ·t-1)47.71631.63电/(kWh·t-1)1564.50.1229192.34新水/(m3·t-1)8.70.08570.7合计2847折合Ni10%的镍铁能耗(kgce/t)1409

3.5工艺特点

蓄热式转底炉-蓄热式高温熔分冶炼新工艺特点如下：

(1)转底炉设置了空气预热蓄热室，转底炉出口高温烟气将助燃空气预热至1200 ℃；熔分炉设置了空燃气双蓄热室，将空气、燃气分别预热至1200，1000 ℃，提高了烟气显热利用率。

(2)采用燃气燃烧对DRI进行熔炼渣铁分离，与传统矿热炉冶炼工艺相比，降低了对电能的依赖，大大降低电厂建设规模及投资。

(3)原料处理粒度较细，混合均匀，红土镍矿与还原煤紧密结合，具有良好的快速还原条件。

(4)转底炉采用燃气烧嘴，供热调节范围大，调节灵活，转底炉采用薄料层操作，可现实快速还原，炉料在转底炉内部停留时间短。

(5)转底炉炉内球团相对静止，球团粉化率低，烟气含尘量小，烟气处理难度小。还原温度调节灵活，炉内粘结可以得到及时的控制或避免，因此对耐材质量没有苛刻的要求，炉况运行稳定，设备作业率高。

4　结　论

(1)采用转底炉连续性生产处理红土镍矿，红土镍矿球团能够获得良好的还原效果，通过控制还原煤的配入量及还原温度能够实现优先还原镍，从而达到富集镍的目的。

(2)转底炉蓄热室预还原-蓄热室高温燃气熔分工艺处理Ni品位1.72%的红土镍矿，当石灰石粒度为200目，石灰石配入量约6%，还原煤粒度为1 mm，还原煤配入量约7%，转底炉高温还原区温度控制在约1350 ℃时，转底炉DRI金属化率约61%，熔分后可获得含镍20%以上的镍铁合金，镍的金属回收率大于93%。

(3)转底炉蓄热室预还原-蓄热室高温燃气熔分工艺冶炼红土镍矿，采用煤制气、天然气、焦炉煤气、转炉煤气等作为冶炼燃气，大大降低对电能的依赖，是一种新型的红土镍矿冶炼工艺，具有巨大的推广价值。

[1]范兴祥,董海刚,汪云华,等.红土镍矿转底炉预还原-电炉熔分制取镍铁合金[J]. 中南大学学报, 2012, 9:3344—3348.

[2]马丁, 季爱兵 ,李智, 等.转底炉法处理印尼红土镍矿工艺实践[J]. 现代冶金, 2015, 3:9—11.

2015-12-25

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

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