朝陽重型建材機械制造有限公司
用直接還原鎳礦法生產鎳鐵
紅土鎳礦用回轉窯直接還原生產高鎳鎳鐵
一、鎳鐵的來歷、成分和消費市場
我國不銹鋼和電池行業(yè)的快速發(fā)展，國內鎳產品供應將面臨長期短缺的局面。2005年以來國際市場鎳價非理性的不斷上漲對國內鋼鐵業(yè)發(fā)展構成了新的挑戰(zhàn)。我國民營企業(yè)使用火法冶煉從菲律賓和印度尼西亞進口的紅土鎳礦礦石，大量生產鎳鐵合金作為冶煉不銹鋼的配料，成功狙擊了國際市場的瘋狂炒作，鎳價大幅下降，市場將逐步恢復理性。
我國鎳金屬生產技術已有重大突破，擁有自主知識產權，紅土鎳礦經高爐冶煉鎳鉻生鐵，生產出大批鎳生鐵的實際成效。技術變革及其快速進入生產應用領域，成功狙擊了國際市場的瘋狂炒作，2007年6月國際市場鎳價大幅下降。在市場高鎳價的情況下，2005年開始，國內民營企業(yè)開始利用煉鋼高爐轉產冶煉紅土鎳礦礦石生產鎳生鐵。
我國民營企業(yè)開始大規(guī)模利用從菲律賓和印度尼西亞進口的紅土鎳礦礦石冶煉鎳生鐵，此后進口礦石量逐月增加，到2007年底利用進口礦石約300多萬噸，產出鎳生鐵的含鎳量約3萬噸。2007年全國生產鎳生鐵的中小企業(yè)達到100多家，l～9月進口礦石1200萬噸左右。
目前我國中小企業(yè)生產的鎳生鐵的含鎳量多在4％～8％，只能用作冶煉不銹鋼的配料，在冶煉不銹鋼時，尚需加入一定量的精煉純鎳。只有提高技術使鎳生鐵中的含鎳量達到10％～15％，才能在冶煉不銹鋼時完全替代純鎳。這就是產生礦石積壓在港口的原因，也是今后民營企業(yè)需要攻克的技術難關。為攻克技術難關，朝陽重型建材機械制造有限公司根據多年生產金屬化球團生產線先進技術及對日本冶金工業(yè)公司大江山廠用克魯帕—雷恩法（Krupp—Renn Procoss）的研究，成功并實現了生產出鎳含量10％以上的鎳生鐵了。
我國使用火法利用紅土鎳礦冶煉鎳生鐵，使不銹鋼生產原料構成發(fā)生了重大變革，改變了全球不銹鋼生產原料鎳的供需格局，也改變了世界不銹鋼產業(yè)發(fā)展的格局。低成本利用礦石質量較差的紅土鎳礦資源，符合資源節(jié)約型的歷史發(fā)展趨勢，翻開了我國不銹鋼生產史的新篇章。目前，高爐法的低品位產品市場容量已經飽和，加快發(fā)展10％以上品位的回轉窯工藝，可以進一步擴大紅土礦火法鎳的市場容量。
二、火法生產鎳鐵的生產工藝方法及流程
1.電碳熱法：
紅土鎳礦—→預處理—→脫水—→造塊—→配入焦炭、熔劑—→電爐冶煉—→粗鎳鐵—→降C、Si、P、S精煉—→鎳鐵。
2.電硅熱法：
紅土鎳礦—→預處理—→烘干—→破碎—→高溫脫水煅燒成塊—→配入熔劑—→礦熱電爐熔化—→NiO熔體—→倒入反應包—→向反應包加入45％硅鐵—→倒包反應—→粗鎳鐵—→降P、Si精煉
—→鎳鐵。
3.高爐熔煉法：
紅土鎳礦—→預處理—→脫水、燒結、造塊—→配入焦炭、熔劑—→高爐冶煉—→粗鎳鐵—→精煉降Si、C、P、S—→鎳鐵。
4.回轉窯——礦熱電爐——轉爐（RKEF）熔煉法：
紅土鎳礦—→預處理—→篩分—→干燥—→回轉窯煅燒—→熱料裝入礦熱爐冶煉—→粗制鎳鐵爐外脫硫—→轉爐中脫除Si、P、C、S、Mn等雜質—→鎳鐵鑄塊。
5.回轉窯直接還原法：
①日本大江山回轉窯直接還原法：
紅土鎳礦—→加水粉磨—→礦漿過濾—→加入石灰石、無煙煤混合—→棒磨機研磨—→壓團—→鏈篦加熱機預熱—→回轉窯煅燒—→水淬—→加水粉磨—→跳汰—→磁選—→過濾—→鎳鐵粉。
②朝陽重型建材機械回轉窯直接還原法：
紅土鎳礦—→粗破碎—→烘干—→破碎—→加入石灰石、煤粉混合—→壓球—→回轉窯煅燒—→水淬—→加水粉磨—→磁選—→過濾—→鎳鐵粉。
三、回轉窯直接還原法與高爐法、礦熱電爐法及回轉窯+礦熱電爐法等工藝相比有如下優(yōu)點：
（1） 設備工藝簡單，維修方便；
（2） 投資少，見效快；
（3） 能耗少，降低生產成本；
（4） 生產成本低，投資回收期短；
（5） 熔煉的主要能源為煤，而不是昂貴的電能。
（6） 原料的自由選擇，可用東南亞的各種紅土鎳礦。
（7） 所產高鎳鎳鐵質量高（在原礦Ni=2%，Fe=15%，回收率為90%時，鎳鐵含Ni=11.8%左右），可直接用作不銹鋼的生產原料。
（8） 由其是在嚴重缺電的國家首先此工藝。
四、紅土鎳礦用回轉窯直接還原法生產鎳鐵的工藝和技術
熔煉方法和工藝如下：
預處理步驟是將原料紅土鎳礦烘干后，與含碳物料和熔劑石灰石混合，制球后連續(xù)給入回轉窯。在回轉窯中，物料與煤燃燒所產生的熱氣流逆流運動，經受所有熔煉步驟--干燥，脫水，還原和金屬成長。金屬是在窯中半熔融條件下生成的。燒成的物料熔塊從回轉窯出來就將它急冷，磨細后，用磁選機將還原成的鎳鐵合金從排出的熔塊中分離出來。分離出來的鎳鐵呈直徑2~3毫米的沙狀顆粒， 并夾帶1~2%爐渣， 其化學組成為C=0.1%， Ni=11~14%， S=0.45%， P=0.015% 。此產品不管含硫多高均適用于煉鋼過程，因煉鋼時有很好的脫硫能力。沙狀顆粒在煉鋼過程中相當有利于連續(xù)加料和作為冷卻劑物料快速溶解。
回轉窯生產工藝鎳和鐵的回收率都很高，均在90%以上。
五、朝陽重型建材機械制造有限公司技術改進的歷程
在詳細介紹本方法之前，讓我們簡單回顧朝陽重型建材機械制造有限公司以往技術改進的歷史。
從印度尼西亞進口高品位鎳鐵生產鎳鐵始于2009年，為煉不銹鋼廠提供原料。從那時起，努力提高生產能力、鎳回收率、產品性能和節(jié)省能耗。
表1所示為朝陽重型建材機械制造有限公司主要生產過程的技術改進歷史。
表1：年按340天計算
年 地址 臺數原礦噸/日 鎳產量噸/年 鎳回收率% 能耗千卡/噸礦
09齊齊哈爾 一臺 500 2890 85 1320×103
10江蘇南通 一臺 500 3060 90 1320×103
20江蘇南通 二臺 500 6256 92 1320×103
20江蘇南通 一臺 1000 6324 93 1320×103
20江蘇南通 二臺 1000 12648 93 1320×103
20江蘇南通 四臺 3000 18904 92.67 1320×103
20江蘇泰州 四臺 1000 在建
如表中所示,我們通過增建回轉窯，幾項設施改進和改善原料預處理等，成功地逐步提高生產能力，滿足鋼廠生產不銹鋼方面不斷增長的需要。至于能源問題，鎳熔煉過程消耗大量能源。為解決石油危機后能耗費用增加的問題，采取種種措施降低此項費用，如提高預熱效率，用煤代油，用新的預處理技術以降低供入回轉窯的原料含水量。
關于鎳回收率，一般認為，因原料中脈石含量高，只用回轉窯法不能達到足夠高回收率。事實上，朝陽重型建材機械制造有限公司法應用初期鎳回收率僅約85%，但經改進原料預處理工藝和燒渣分離工藝就使此低回收率大為改觀。同時，用熱化學的觀點，對在半熔條件下還原出來的金屬顆粒的聚集機理進行了研究。
六、各方法優(yōu)缺點
表2列出了朝陽重型建材機械制造有限公司法、大江山廠法及礦熱爐法冶煉鎳鐵的優(yōu)缺點。
表2：
朝重建材法 大江山法 回轉窯+礦熱爐法 礦熱爐法
熔煉能源 煤 煤 煤 + 電 電
能耗 目前*低 較低 高 太高
一次性投資目前*低 較低 太高 高
鎳鐵含鎳量 10%左右 10%左右 11%左右 4～7%
鎳鐵回收率 ＞90% ＞90% ＞97% 75%
單位成本 目前*低 很低 高 太高
利潤率 目前*高 較高 低 低
投資回收期 1年內 1年內 很長 很長
注：回轉窯直接還原法與礦熱爐法相比，電耗約降低60～70%，
七、工藝過程
原料準備過程
生產質量良好的團塊是回轉窯成功操作的重要因素——如團塊有利于熱效率提高，有利于形成理想的溫度分布，防止窯結圈故障，并降低煙塵率。
（1） 原料：所用原料由印尼鎳礦，無煙煤和焦粉還原劑，燃料煤和石灰石熔劑所組成。這些物料典型的化學成分列于表3～5。因鎳鐵產品直接用于不銹鋼生產過程，產品中磷含量限制在*高不應超過0.02%。因此使用特殊品級的低磷煤，至于產品的硫含量，由于AOD法有很好的脫硫效率，故沒有特別限制。后面將要討論到，硫在回轉窯中使還原金屬顆粒的團聚方面起著重要作用。
（2） 壓團：為節(jié)省能耗，提高窯的礦石處理量和窯的穩(wěn)定操作需要含水分低（約18%）和強度高的團塊。
礦石典型化學組成（%） 表3
礦石水份燒失率SiO2 Fe Al2O3Ni+COCr2O3 CaO MgO MgO/SiO2
A 24.1 10.5 42.5 11.8 0.9 2.55 1.0 0.1 24.7 0.58
B 25.7 10.6 40.6 13.0 1.0 2.10 1.1 0.1 24.6 0.61
C 28.7 8.9 45.8 15.1 2.1 2.00 0.9 0.6 21.2 0.46
D 29.5 10.6 41.7 18.2 0.9 1.85 1.2 0.1 20.7 0.50
燃料典型化學成分 表4
水總 水內 灰分 揮發(fā)分 固定炭 磷 硫 千卡/千克
無煙煤 — 4.0 12.3 6.4 77.3 0.004 0.14 6240
焦粉 26.2 — 12.0 2.0 84.8 0.004 0.50 6920
煤A 11.0 4.3 15.6 39.1 41.0 0.007 1.5 6310
煤B 15.0 7.0 7.0 40.0 54.0 0.003 0.23 6400
石灰石典型化學成分 表5
燒失率 SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO P S
43.63 0.29 0.10 0.15 55.08 0.37 0.004 0.007
此工藝通過烘干機干燥、混料機混合后進入壓團機。通過嚴格控制水分，按礦石的礦物特性進行適當配比和充分混合，可產出優(yōu)質團塊。在此工序，所有無煙煤，焦粉和石灰石均與礦石一起壓團。
優(yōu)質團塊能很有效地確保窯穩(wěn)定操作的條件。圖2表示礦石的粘土含量和水分對生團塊性質的影響。
熔煉
（1）窯操作特點：
團塊不斷送給回轉窯中。在窯內團塊以平均速度6米/時前進。在團塊前進過程中，與燃料煤燒所產生的熱氣流逆流運動時，完成脫水、還原、團塊破壞、造渣、還原的金屬顆粒團聚等熔煉步驟。嵌入團塊中含碳物料既作燃料又作還原劑。窯穩(wěn)定操作的*重要的技術因素是恒定的團塊供給速度和保持窯中的穩(wěn)定溫度分布。很好地控制團塊中含碳質物料的加入量可保證窯中穩(wěn)定的溫度分布。團塊質量差、窯給料速度變化無常、含碳物散亂均會造成物料和窯壁局部過熱或過冷，增加粉塵，抽風情況異常和含碳物偏析分布。這一