无锡市耀仁不锈钢有限公司

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从高炉中“收获”质优价廉的镍铬生铁

镍是生产不锈钢的主要合金元素,是合金结构钢不可缺少的原料,也是各种镍合金中的基本原料和配料。随着易开采、镍品位高的硫化镍矿的减少以及镍价格等因素的影响,用红土镍矿提取镍金属正逐步成为世界提取镍金属的主流。结合我国高炉多、焦炭供应量大的实际,充分研究利用高炉为主要设备、使用焦炭为热源进行氧化镍矿的冶炼,从而冶炼出大批质优价廉的镍铬生铁,成为业界关注的热点。

高炉低镍铁生产工艺逐步发展

国内外红土镍矿处理工艺主要是湿法和火法两种。其中火法镍铁工艺路线主要有:回转窑-电炉流程(RKEF),生产高镍铁;高炉流程,生产中镍和低镍铁产品。

在国内,近年来采取火法冶炼镍铁较为普遍,并出现了以炼铁高炉直接利用低镍高铁红土镍矿生产低镍铁的方法。该工艺以焦炭放热为冶炼热能,粗镍铁中的镍含量高低基本受限于入炉镍矿镍和铁的比值,主要生产步骤如下:红土镍矿→矿石+生石灰→脱水、烧结、造块→配入焦炭、溶剂→高炉冶炼→粗镍铁→精炼降Si、C、P、S→铸锭→镍铁。

为使含镍生铁获得较好的经济效益,还必须对其进行炉外精炼。高炉冶炼的镍铁比电炉冶炼杂质成分稍多,故要控制好原料里Si、C、P等元素的含量,并采取适当的后续精炼手段。此外,在生产过程中焦炭不仅作为还原剂,还作为燃料使用,因此焦炭含硫量也要多加控制。

目前,国外大部分利用湿法冶炼红土镍矿,鉴于矿石成分的不同,往往采用不同的方法流程,主要有还原焙烧-氨浸、高压酸浸、常压浸出、堆浸等。同时,国外现在也在积极研究高炉冶炼工艺。

成分波动增加应用难度

在红土镍矿冶炼中,渣型的控制非常重要。国内一般通过添加CaO和SiO2的方法将炉渣碱度调节至0.8~1.2范围内。国外冶炼厂控制渣中SiO2/MgO为1.5~2.0,炉渣温度控制在1500℃~1600℃。

红土镍矿主要物相有赤铁矿、磁铁矿、磁赤铁矿、褐铁矿、石英和含镍蛇纹石等,主要成分由SiO2、CaO和FeO组成,将MgO计入CaO得三者成分分别为:37.2%、38.3%、24.5%,根据SiO2-CaO-FeO三元熔点相图及红土镍矿成分所在点,可知红土镍矿熔点为1600K~1700K。

红土镍矿高炉法生产低镍生铁的工艺与传统高炉炼铁没有本质的区别,主要工序为:氧化镍矿的破碎筛分、配料烧结、烧结矿的配料冶炼。红土镍矿中有用元素Ni、Co、Fe、Cr等都以氧化物形式存在。由氧势图可知,氧化物稳定性的排列顺序为:CaO>MgO>SiO2>MnO>Cr2O3>P2O5>FeO>NiO。在高炉冶炼条件下,碳可以还原SiO2、MnO、Cr2O3、FeO、NiO等。

在高炉冶炼条件下,以碳作还原剂,红土镍矿中的镍和钴的氧化物很容易被还原(450℃),铬和锰的氧化物较难被还原(1250℃、1450℃)。在高炉冶炼条件下,Ni、Cr、Fe、Mn等有用元素以及原燃料中的P几乎全部进人低镍铁水。综上所述,熔炼温度应控制在1500℃以上,但须尽可能避免温度过高。

在高炉冶炼条件下,假设铁水含C为4.5%,Ni、Cr、Fe的收得率为95%,其余元素总量为1.5%,可以估算出低镍生铁的成分为:Ni4.79%、Fe82.04%、Cr7.18%、C4.50%、其他为1.5%。但由于红土镍矿原料供应渠道、成分和生产工艺的不稳定性,高炉法生产的低镍生铁成分波动较大,增加了钢厂的应用难度。

能耗和回收等难题亟待解决

红土镍矿是成分复杂的低品位复合铁矿,远不同于高炉冶炼所用的富铁矿,导致高炉冶炼存在很多难点。因此,当前对火法冶炼红土镍矿工艺须要在完善还原熔炼工艺方面进行深入研究,通过研究新方法、新工艺解决火法冶炼工艺中能耗高、各种有价值金属综合回收的难题,实现红土镍矿火法冶炼工艺的低能耗、低排放和镍工业的可持续发展。

造渣制度大调整。红土镍矿的成分较为特殊,MgO和结晶水含量较高,会导致冶炼时渣量过大,能耗过高,渣口打开与出渣耗时,出渣次数明显增加。一般来说,生产1吨镍铁会产生2吨~4吨炉渣,是生铁冶炼出渣的好几倍。这样炉缸内炉渣的高度远大于液态镍铁合金的高度,导致风口区焦炭、煤粉燃烧产生的热量难以有效传到炉缸下部,同时红土镍矿还含有一定量熔点高、黏度大的Cr2O3,更加剧了炉渣变稠,不利于对流传热与传导传热。这一系列的不同,导致高炉软熔带位置偏上,使上部炉料的透气性恶化,降低炉缸下部铁水的温度,进一步影响了铁水流动性。因此,造渣制度不能完全遵循现代炼铁工艺的造渣制度,必须作出大的调整。

根据红土镍矿的成分特点,可对造渣制度进行如下研究和改变:将MgO控制在15%~35%,炉渣碱度控制在0.6~0.8的范围内,这样可以降低渣量,直接减少石灰石、白云石等造渣原料和焦炭的使用量,降低镍铁合金冶炼成本。现代高炉炼铁矿焦比在4.6∶1左右,而红土镍矿冶炼过程矿焦比降为2.5∶1~4∶1。这样通过加入更多的焦炭来保证冶炼过程的透气性,同时通过研究开发大喷煤技术来降低焦比,有利于降低冶炼成本。

改善铁水流动性。对于铁水流动性差的难题,可以适度提高风口前的鼓风动能与理论燃烧温度,整体提高炉渣与液态镍铁合金的温度,通过扩大炉缸炉渣区的截面积来改造炉型,降低炉渣高度,并添加萤石来减缓Cr2O3的副作用,从而提高炉缸铁水温度,改善铁水流动性。萤石不是现代高炉的一种常规生产原料,除非出现冻缸意外,才允许添加,正常冶炼要通过合理的造渣制度来完成。但萤石作为助熔剂和还原反应催化剂,可以把Cr2O3还原成金属铬溶于液态镍铁合金中,显著改善冶炼的动力学条件,来增加铁水温度和铁水流动性。但应注意控制用量,否则过量会造成严重的环境污染和耐火材料侵蚀问题,影响高炉长寿,增加维护成本。因此,可以研制适宜红土镍矿冶炼特点的耐火材料来解决萤石带来的副作用。同时,经研究表明,可以将原矿破碎筛分制成烧结矿,进入高炉冶炼时添加剂与烧结矿的重量比例为:萤石0.3%~20%、白云石0%~8%、石灰石或生石灰4%~35%,这样的萤石与烧结矿的比例可以降低铬对炉温的影响,同时也避免因为含氟过高导致炉缸烧穿等事故发生。

合金中的金属应有效利用。红土镍矿冶炼时98%的镍、钴将进入液态镍铁合金中,50%~90%的铬被还原进入镍铁合金中,还含有一定的碳、硅。这种产品并不符合现有的镍铁冶炼标准。但应该看到的是,镍铁合金中含有的镍、铬、铁可以使后续的炼钢减少铬铁与铁的使用量,提高资源利用效率。硅是强发热剂,有助于后续工艺的正常进行,这也是提高焦比用量与风口理论燃烧炉温的具体表现。

烧结、焦化的环保问题是重点。火法冶炼的高炉工艺的环保节能问题一直困扰着此项技术的推广。目前红土镍矿冶炼的环保问题主要体现在烧结与焦化工艺上,这将是今后研究的重点。高炉的大型化趋势以及镍冶金工业生态园的规划将有助于统筹处理环境问题。从长远来看,高炉生产中的废水可进入封闭冷却水池以实现循环使用;产生的固体炉渣可作为低强度的水泥,也可作为生产砖瓦的优质原料;高炉渣是大宗热量携带者,炉渣的余热利用也是今后研究的方向;冶炼红土镍矿时渣量过大,燃料比较高,由于高炉间接还原量有限,煤气中大部分CO未转成CO2,导致煤气热值比较高,带有热量的煤气可在高炉的热风炉系统、红土镍矿的烧结过程中实现利用,过剩的煤气还可以用来发电等。据测算,综合冶炼后各种废物的利用情况,冶炼红土镍矿的单位净能耗可低于现代大型高炉的能耗,使用低铁含量的红土镍矿更加有利于降低能耗指标。而且,与一般铁矿相比,红土镍矿硫含量较低,因此生产中SO2排放量大大减少。

编后

经过多年的努力,我国自主开发的高炉冶炼红土镍矿生产镍铁合金技术解决了造渣制度、炉缸铁水温度偏低等诸多冶炼难题,并在实践中进一步得到发展———应用高炉大型化以及热量利用率和生产效率得以不断提高,同时也带动了一系列的技术革新。针对从镍矿中提取镍金属不同工艺的特点,我们应该研究并探索一条适合我国国情的镍金属生产发展道路:充分研究利用高炉作为主要设备、使用焦炭作为热源进行氧化镍矿的冶炼,从而冶炼出大批质优价廉的镍铬生铁。这对确保我国不锈钢与特钢产业持续健康发展具有重大的现实意义。