季愛兵， 尹鑫平， 李　欣

(神霧集團(tuán)江蘇省冶金設(shè)計(jì)院有限公司， 江蘇 南京　210016)

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紅土鎳礦蓄熱式轉(zhuǎn)底爐-蓄熱式高溫熔分冶煉新工藝*

季愛兵， 尹鑫平， 李欣

(神霧集團(tuán)江蘇省冶金設(shè)計(jì)院有限公司， 江蘇 南京210016)

采用神霧集團(tuán)自有知識產(chǎn)權(quán)的蓄熱式轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原-蓄熱式高溫熔分爐工藝處理印度尼西亞某紅土鎳礦生產(chǎn)鎳鐵合金。生產(chǎn)表明：當(dāng)石灰石粒度為200目，石灰石配入量約6%，還原煤粒度為1 mm，還原煤配入量約7%，轉(zhuǎn)底爐高溫還原區(qū)溫度控制在約1350 ℃時(shí)，轉(zhuǎn)底爐DRI金屬化率約61%，熔分后可獲得含鎳20%以上的鎳鐵合金，鎳的金屬回收率大于93%。

轉(zhuǎn)底爐； 紅土鎳礦； 燃?xì)馊鄯?/p>

引言

目前世界鎳資源主要有紅土礦及硫化礦兩種，其中以紅土礦為主，約占世界鎳資源總量的60%，隨著世界(特別是中國)硫化鎳礦資源的逐漸減少，紅土鎳礦資源的開發(fā)利用將會(huì)越來越受到重視。常見的紅土鎳礦處理工藝主要有濕法工藝和火法工藝。濕法工藝適用于褐鐵礦型的紅土鎳礦和含鎂較低的硅鎂鎳礦，并存在工藝復(fù)雜、流程長、耗酸大、成本高、設(shè)備材質(zhì)要求高以及廢酸難以處理等問題。火法技術(shù)主要包括燒結(jié)高爐、回轉(zhuǎn)窯礦熱爐等，火法技術(shù)工藝具有成熟、設(shè)備簡單易控、生產(chǎn)效率高、設(shè)備投資較低等特點(diǎn)，但也存在著能耗高、成本高、對原料要求高等問題[1]。因此目前急需開發(fā)一種節(jié)能、環(huán)保、鎳資源回收率高的冶煉工藝。

神霧集團(tuán)江蘇省冶金設(shè)計(jì)院有限公司(以下簡稱“神霧公司”)創(chuàng)新性地開發(fā)出了蓄熱式轉(zhuǎn)底爐-蓄熱室高溫熔分工藝處理紅土鎳礦制取鎳鐵合金，作為不銹鋼冶煉的優(yōu)質(zhì)原料[2]。本文闡述了了采用轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原-燃?xì)馊鄯止に囂幚碛《饶嵛鱽喣臣t土鎳礦進(jìn)行生產(chǎn)鎳鐵合金的情況。

1　紅土鎳礦轉(zhuǎn)底爐選擇性還原理論

在紅土鎳礦轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原-燃?xì)馊鄯止に囍?，轉(zhuǎn)底爐內(nèi)物料所需的熱量主要由燃?xì)夂筒糠謨?nèi)配碳燃燒提供。石灰石等熔劑的作用是是通過固相反應(yīng)降低物料的熔點(diǎn)，調(diào)整后續(xù)熔分爐渣的堿度、黏度，使后續(xù)熔分能夠順利進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)渣鐵分離。配料、混合、壓球、低溫烘干后的紅土鎳礦球團(tuán)經(jīng)布料裝置進(jìn)入轉(zhuǎn)底爐爐膛。球團(tuán)隨轉(zhuǎn)底爐旋轉(zhuǎn)依次進(jìn)入預(yù)熱區(qū)、中溫區(qū)、高溫區(qū)、出料區(qū)，球團(tuán)被加熱，水分蒸發(fā)、熔劑分解，金屬氧化物與固體碳發(fā)生還原反應(yīng)，置換出氧化物中金屬單質(zhì)，其主要反應(yīng)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極易還原，通過控制還原劑用量及反應(yīng)溫度，使Ni 盡可能完全還原成金屬鎳，F(xiàn)e 部分還原成金屬鐵從而達(dá)到富集鎳的目的。

2　原料、工藝流程及配料

2.1原料

本次生產(chǎn)所用紅土鎳礦來自印尼某公司，其成分如表1所示。

表1紅土鎳礦主要化學(xué)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工藝流程

工藝流程主要分為三個(gè)階段，分別為原料處理階段、轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原階段和DRI燃?xì)馊鄯蛛A段，其流程可概述為：紅土鎳礦、還原煤等原料接收→堆存→烘干→破碎→配料→混勻→壓球→生球烘干→轉(zhuǎn)底爐布料→轉(zhuǎn)底爐內(nèi)預(yù)還原→轉(zhuǎn)底爐出料→DRI→燃?xì)鉅t熔分，詳細(xì)流程如圖1所示。

圖1　工藝流程圖

2.3配料

參與配料的主要有紅土鎳礦、還原煤、石灰石，相關(guān)粒級要求及配比如表2所示。

表2配料

紅土鎳礦還原煤石灰石配比/%粒級/mm配比/%粒級/mm配比/%粒級/mm8737160.074

3　生產(chǎn)過程與分析

3.1轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原過程控制及檢測

轉(zhuǎn)底爐布料厚度約40 mm，轉(zhuǎn)速30～45 min/圈，高溫區(qū)溫度控制約1350 ℃。轉(zhuǎn)底爐運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)實(shí)際檢測溫度如表3所示。對高溫區(qū)還原穩(wěn)定段轉(zhuǎn)底爐氣氛檢測，對其成分進(jìn)行測定；發(fā)現(xiàn)高溫還原區(qū)穩(wěn)定段保持一個(gè)強(qiáng)的還原性氣氛，w(O)、w(NO2)<0.01%。

表3轉(zhuǎn)底爐運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)實(shí)際檢測溫度/℃

預(yù)熱區(qū)中溫區(qū)高溫一區(qū)高溫二區(qū)高溫三區(qū)12121212121300134513651363136813581371135813651366

轉(zhuǎn)底爐運(yùn)行穩(wěn)定后進(jìn)行取樣，觀察并記錄樣品狀態(tài)，每間隔15～20 min取一個(gè)樣品，每次樣品量不小于2 kg。

取樣時(shí)采用取樣勺接料，之后迅速放入已備好的水淬桶內(nèi)將熱態(tài)金屬化球團(tuán)直接水淬。待球團(tuán)完全水冷卻后，放入150 ℃的烘干箱內(nèi)進(jìn)行烘干，并標(biāo)記取樣時(shí)間與配比。

對轉(zhuǎn)底爐出料DRI進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，分析結(jié)果如表4所示。

表4DRI取樣分析結(jié)果(平均值)

w(TFe)/%w(MFe)/%w(C)/%金屬化率/%17.910.922.961

3.2燃?xì)馊鄯诌^程控制及檢測

蓄熱式高溫熔分爐采用多氣源(天然氣、煤制氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣等)為燃料，其工作原理是熔分爐兩側(cè)布置耐材砌筑的空燃?xì)鉄?，然氣燃燒生產(chǎn)的熱量將物料DRI熔化，熔化的DRI往前端流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)渣鐵的分離，鎳鐵水和熔渣分別定期通過渣鐵口流出。熔分爐兩側(cè)布置蓄熱室，當(dāng)一側(cè)蓄熱室預(yù)熱空氣、燃?xì)饧叭紵龝r(shí)，生產(chǎn)的高溫?zé)煔饧訜崃硪粋?cè)的蓄熱室內(nèi)的蓄熱體耐材蓄熱。周期性的切換煙氣流向，實(shí)現(xiàn)熔分爐穩(wěn)定供熱。

轉(zhuǎn)底爐出口DRI通過保溫料罐熱裝進(jìn)入熔分爐。熔分爐供料為連續(xù)裝料，定期出渣鐵。生產(chǎn)過程中調(diào)節(jié)煤氣流量，控制熔分爐熔煉溫度，確保熔分爐爐況穩(wěn)定。過程檢測熔分參數(shù)如表5所示。

熔分爐設(shè)置渣鐵口各一個(gè)，出鐵周期為4 h，出渣周期為3 h。熔分產(chǎn)出鎳鐵水進(jìn)行成分及產(chǎn)率分析，結(jié)果如表6所示。

表5燃?xì)鉅t熔分參數(shù)記錄表

參數(shù)數(shù)值投料溫度/℃(平均)785熔分爐溫度(平均值)/℃1640爐壓/Pa15煙氣溫度(摻冷風(fēng)后)/℃129添加輔料無

表6鎳鐵合金成分及Ni，F(xiàn)e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冶煉過程分析

生產(chǎn)過程中，轉(zhuǎn)底爐燒嘴供熱穩(wěn)定，轉(zhuǎn)底爐內(nèi)物料未出現(xiàn)較大熔融現(xiàn)象，DRI出料穩(wěn)定，未出現(xiàn)大塊黏結(jié)。轉(zhuǎn)底爐出料DRI中沒有出現(xiàn)大顆粒的石灰石，同時(shí)還原煤粒度合適，DRI金屬化率達(dá)到61%，DRI殘?zhí)柯?.9%。

熔分過程中，渣鐵分離良好，爐況較穩(wěn)定。爐內(nèi)為微正壓操爐，鐵口炮泥為有水炮泥，出渣出鐵順利，操作簡單。出口鎳鐵水平均含Ni約20.2%，Ni的回收率達(dá)到93%。

3.4冶煉能耗分析

對紅土鎳礦生產(chǎn)進(jìn)行冶煉能耗分析，主要消耗的能源有還原煤、燃?xì)狻㈦?、水等。冶? t鎳鐵合金工序能耗如表7所示。

表7冶煉能耗分析

序號項(xiàng)目名稱單位耗量折算系數(shù)標(biāo)煤/(kgce·t-1)1還原煤/(kg·t-1)1109.60.9211022.42燃?xì)?(GJ·t-1)47.71631.63電/(kWh·t-1)1564.50.1229192.34新水/(m3·t-1)8.70.08570.7合計(jì)2847折合Ni10%的鎳鐵能耗(kgce/t)1409

3.5工藝特點(diǎn)

蓄熱式轉(zhuǎn)底爐-蓄熱式高溫熔分冶煉新工藝特點(diǎn)如下：

(1)轉(zhuǎn)底爐設(shè)置了空氣預(yù)熱蓄熱室，轉(zhuǎn)底爐出口高溫?zé)煔鈱⒅伎諝忸A(yù)熱至1200 ℃；熔分爐設(shè)置了空燃?xì)怆p蓄熱室，將空氣、燃?xì)夥謩e預(yù)熱至1200，1000 ℃，提高了煙氣顯熱利用率。

(2)采用燃?xì)馊紵龑RI進(jìn)行熔煉渣鐵分離，與傳統(tǒng)礦熱爐冶煉工藝相比，降低了對電能的依賴，大大降低電廠建設(shè)規(guī)模及投資。

(3)原料處理粒度較細(xì)，混合均勻，紅土鎳礦與還原煤緊密結(jié)合，具有良好的快速還原條件。

(4)轉(zhuǎn)底爐采用燃?xì)鉄?，供熱調(diào)節(jié)范圍大，調(diào)節(jié)靈活，轉(zhuǎn)底爐采用薄料層操作，可現(xiàn)實(shí)快速還原，爐料在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)部停留時(shí)間短。

(5)轉(zhuǎn)底爐爐內(nèi)球團(tuán)相對靜止，球團(tuán)粉化率低，煙氣含塵量小，煙氣處理難度小。還原溫度調(diào)節(jié)靈活，爐內(nèi)粘結(jié)可以得到及時(shí)的控制或避免，因此對耐材質(zhì)量沒有苛刻的要求，爐況運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)備作業(yè)率高。

4　結(jié)　論

(1)采用轉(zhuǎn)底爐連續(xù)性生產(chǎn)處理紅土鎳礦，紅土鎳礦球團(tuán)能夠獲得良好的還原效果，通過控制還原煤的配入量及還原溫度能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)先還原鎳，從而達(dá)到富集鎳的目的。

(2)轉(zhuǎn)底爐蓄熱室預(yù)還原-蓄熱室高溫燃?xì)馊鄯止に囂幚鞱i品位1.72%的紅土鎳礦，當(dāng)石灰石粒度為200目，石灰石配入量約6%，還原煤粒度為1 mm，還原煤配入量約7%，轉(zhuǎn)底爐高溫還原區(qū)溫度控制在約1350 ℃時(shí)，轉(zhuǎn)底爐DRI金屬化率約61%，熔分后可獲得含鎳20%以上的鎳鐵合金，鎳的金屬回收率大于93%。

(3)轉(zhuǎn)底爐蓄熱室預(yù)還原-蓄熱室高溫燃?xì)馊鄯止に囈睙捈t土鎳礦，采用煤制氣、天然氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣等作為冶煉燃?xì)?，大大降低對電能的依賴，是一種新型的紅土鎳礦冶煉工藝，具有巨大的推廣價(jià)值。

[1]范興祥,董海剛,汪云華,等.紅土鎳礦轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原-電爐熔分制取鎳鐵合金[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 9:3344—3348.

[2]馬丁, 季愛兵 ,李智, 等.轉(zhuǎn)底爐法處理印尼紅土鎳礦工藝實(shí)踐[J]. 現(xiàn)代冶金, 2015, 3:9—11.

2015-12-25

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

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