鎳鐵冶煉工藝及原理

鎳及鎳鐵的用途
鎳在大氣中不易生銹，能耐氟、堿、鹽和多種有機物質的腐蝕。鎳系磁性金屬，具有良好的韌性，有足夠的機械強度，能經受各種類型的機械加工如壓延、壓磨、焊接等。
鎳主要用于制作金屬材料，約占總量的70%以上;用于電鍍，約占鎳總消費量的15%;在石油化工的氫化過程中作催化劑;用作化學電源;制作顏料和染料;制作陶瓷和鐵素體。
鎳鐵是鎳及鐵的合金，其中含有碳、硅、磷及其他元素。鎳鐵主要用作冶煉不銹鋼的合金劑。
采用紅土鎳礦生產的鎳鐵的化學成分一般為：Ni10%～15%,Si≤7%,C≤4.5%,P≤0.06%,S≤0.04%~0.35%。
紅土鎳礦生產鎳鐵用原料
采用紅土鎳礦冶煉鎳鐵的原料有紅土鎳礦、焦炭和石灰。
紅土鎳礦的礦物和化學成分波動很大，特別是含鎳量、MgO/SiO?質量比等。典型紅土鎳礦成分為：Ni1.3%～1.9%,Fe10%～15%,SiO?35%～45%,Mg017%～25%,P0.001%～0.007%,H?O25%~33%。紅土礦中含有大量化合水，入爐冶煉前需要進行焙燒脫水。
石灰要求CaO≥82%。
焦炭要求固定碳大于82%,灰分小于15%,含S≤0.7%,水分小于6%,粒度10～25mm。
紅土鎳礦鎳鐵冶煉原理
紅土鎳礦中主要含有NiO、Cr?O?、Fe?O?、Al?O?、MgO、SiO?等多種氧化物。根據氧化物反應自由能數據可知，在紅土鎳礦的熔點范圍內(1600～1700K),紅土鎳礦中各氧化物在還原性氣氛中被還原的順序由易到難為：NiO>FeO>SiO?>Fe?O?>MgO>Cr?O?>Al?O?。NiO最先被還原，且NiO還原溫度小于FeO還原溫度，利用這一選擇性還原原理可采取缺碳操作，使紅土鎳礦中幾乎所有的鎳氧化物優先還原成金屬，而高價的Fe?O?適量還原為金屬，其余還原為FeO進入熔渣，從而達到富集鎳的目的，鐵的還原程度通過還原劑焦丁的加入量加以調整。
礦熱爐內弧光溫度區溫度達到2500℃以上，熔池溫度可達1800℃以上，在此溫度下發生的主要反應為：
NiO+C=Ni+CO
Fe?O?+3C==2Fe+3CO
NiFe?O?+4C=2Fe+Ni+4CO
Fe?O?+C=2Fe0+CO
FeO+C=Fe+CO
Cr?O?+3C=2Cr+3CO
MgO+C=Mg+CO
SiO?+2C=Si+2CO
反應生成鎳鉻鐵合金，并含硅鎂等元素。爐內的實際化學反應比上述反應要復雜得多。
紅土鎳礦鎳鐵冶煉工藝
采用紅土鎳礦生產鎳鐵主要有高爐法、回轉窯直接還原法、回轉窯-礦熱爐聯合法三種。
4.1 高爐法冶煉
高爐生產鎳鐵的流程主要是：礦石干燥篩分(大塊破碎)—配料一燒結一燒結礦加焦炭塊及熔劑入高爐熔煉—鎳鐵水鑄錠和熔渣水淬一產出鎳鐵錠和水淬渣。高爐生產低鎳鐵較多，所用原料為含鐵50%左右和含鎳1%左右的紅土鎳礦，生產含鎳5%左右的低鎳生鐵。通常鎳鐵的焦比在800kg焦炭/噸鎳鐵左右。
4.2 回轉窯直接還原熔煉
回轉窯直接還原熔煉被公認是能耗和成本最低的生產方法。基本流程是：原礦干燥(大塊破碎和磨礦)—配加還原煤和熔劑—入回轉窯還原和熔煉—熔塊水淬—水淬渣和鎳鐵粒破碎、磨礦、磁選—產出鎳粒鐵和細熔渣。該工藝不用焦炭、不用大量耗電，流程短環節少，具有極強的競爭力和生命力。目前，該工藝在國內還沒有規?；a，主要是對配料、耐火材料、結圈等問題尚未取得圓滿解決。
4.3 回轉窯—礦熱爐冶煉
回轉窯一礦熱爐冶煉工藝被國內外大量采用，用于生產含鎳較高的鎳鐵合金。熔煉完整的工藝流程是：原礦干燥及大塊破碎一配煤及熔劑進回轉窯徹底干燥及預還原一礦熱爐還原熔煉—鎳鐵鐵水鑄錠及熔渣水淬—產出鎳鐵錠(或水淬成鎳鐵粒)和水淬渣。
主要工序組成如下：
(1)干燥：鎳礦采用回轉干燥筒去除水分;
(2)配料：將紅土礦與無煙煤和石灰石按比例配料、混合;
(3)預還原：在回轉窯內還原;
(4)冶煉：熱料直接入爐冶煉;
(5)精煉：對合金進行脫硫和脫硅、脫碳精煉;
(6)澆注或?；毫；?、干燥、包裝或澆鑄機鑄錠;
(7)煙氣凈化：廢氣進除塵器后排放和電爐煤氣回收。
紅土鎳礦由港口運送到料場堆存、混勻。在原料場堆存與預混勻的紅土礦先經過干燥窯脫除大部水分后破碎、篩分，石灰石、還原劑在原料場、備料間加以篩分破碎后，與干燥后的紅土礦一起配料混勻送入回轉窯。
在回轉窯中，原料經進一步干燥、焙燒、預還原，制成約900～1000℃的鎳渣(部分還原后的產物)?；剞D窯煙氣經余熱鍋爐、除塵、脫硫化后排放，粉塵與原料混合后再次入窯。
鎳渣在封閉隔熱狀態下(高架送料小車)加入礦熱爐料倉(內襯耐火磚)。根據工藝要求，熱態還原產物采用電子輕軌衡進行二次配料后，送礦熱爐熔煉系統。通過不同位置的下料管分配到礦熱爐內。礦熱爐為半封閉(或全封閉)式，自焙電極，埋弧冶煉，還原并熔分粗制鎳鐵和爐渣，同時產生含CO約75%的礦熱爐荒煤氣，荒煤氣經過凈化送到回轉窯燒嘴，與煤粉一起作為燃料。除塵灰經處理后，返回到原料場。礦熱爐爐渣經過水淬后可作為建筑材料，用于道路建設、制磚。
液態鎳鐵合金從礦熱爐定期放入鋼包內，由鋼包車運到澆鑄廠房澆鑄，合格鎳鐵錠入庫外銷。礦熱爐的產品是粗制鎳鐵，出鐵前可預先在鐵水包加脫硫劑，出鐵同時脫硫。
粗制鎳鐵含Si、C、P等雜質，需要繼續精煉。扒渣后，兌入轉爐，吹氧脫硅，同時加入含鎳廢料以防鐵水溫度偏高，脫硅后扒渣(或者擋渣出鐵),兌入堿性轉爐，吹氧脫磷、脫碳，同時加入石灰石造堿性渣，堿性轉爐精煉后的鎳鐵水送往澆注車間，鑄成合格的商品鎳鐵塊或熱態直接送往煉鋼廠。
總體工藝流程如圖1所示。

 
圖1 鎳鐵生產工藝流程
鎳鐵生產節能
礦熱爐冶煉含鎳生鐵的原礦大部分來自國外。原礦石大部分屬粉礦，附著水分一般在30%左右，結晶水在10%左右，所以該礦要進行燒結以后才能入爐冶煉。燒結是冶煉的第一步工序，它不僅關系著冶煉能否正常進行，而且也影響著產品的技術經濟指標，與此同時燒結過程中還要消耗較高的能量，應合理選擇燒結設備及工藝。采用豎窯燒結和回轉窯燒結是較佳選擇。
熱料入爐是節能的主要方向，電耗將大幅度下降，應積極試驗。利用回轉窯燒結熱料入爐，不僅可節約成本，也可增加產品的市場競爭力。
鎳鐵生產技術指標及原輔料消耗
生產含Ni10%~15%、Si≤7%、C≤4.5%、P≤0.06%、S≤0.04%~0.35%的鎳鐵的主要原料和動力的消耗為：紅土鎳礦7200kg/t，石灰2300kg/t，焦炭470kg/t(熱料)，電極糊40kg/t，電耗6000kW·h/t(熱料)。