鎳鐵生產工藝

鎳鐵生產工藝

一、鎳、鎳鐵與鎳礦
鎳是略帶黃色的銀白色金屬，是一種具有磁性的過渡金屬。鎳的應用在于鎳的抗腐蝕性，合金中添加鎳可增強合金的抗腐蝕性能。不銹鋼與合金生產領域是鎳最廣泛應用領域。全球約2／3的鎳用于不銹鋼生產，因此不銹鋼行業對鎳消費的影響居第l位。鎳在不銹鋼中的主要作用在于它改變了鋼的晶體結構。在不銹鋼中增加鎳的一個主要原因就是形成奧氏體晶體結構，從而改善諸如可塑性、可焊接性和韌性等不銹鋼的屬性，所以鎳被稱為奧氏體形成元素。目前全球有色金屬中，鎳的消費量僅次于銅、鋁、鉛、鋅，居有色金屬第5位。因此，鎳被視為重要戰略物資，一直為各國所重視。
鎳鐵主要成分為鎳與鐵，同時還含有Cr、Si、S、P、C等雜質元素。根據國際標準（ISO）鎳鐵按含鎳量分為FeNi20（Ni 15％～25％）、FeNi30（Ni 25％～35％）、FeNi40（Ni 35％～45％）和FeNi50（Ni 45％～60％）。又再分為高碳（C 1.0％～2.5％）、中碳（C 0.030％～1.0％）和低碳（C <0.03％）；低磷（P <0.02％）與高磷（P <0.030％）鎳鐵。目前國內廠家生產的鎳鐵品位主要集中在1.6～2.0％、4～8％以及10～15％，同時也有小部分廠家能生產含鎳量在20％以上的鎳鐵。
世界上可開采的鎳資源有二類，一類是硫化礦床，另一類是氧化礦床。由于硫化鎳礦資源品質好，工藝技術成熟，現約60％~70％的鎳產量來源于硫化鎳礦。而世界上鎳儲量的65％左右貯存在氧化鎳礦床中，由于其因含有氧化鐵的緣故而呈紅色，因此也俗稱紅土鎳礦。目前發現的紅土鎳礦多分布在南、北回歸線一帶，如澳大利亞、巴布亞新幾內亞、新喀里多尼亞、印度尼西亞、菲律賓和古巴等地。
二、工藝原理
雖然紅土鎳礦處理工藝主要分為濕法冶煉工藝和火法冶煉工藝，但目前世界范圍內比較成熟的利用紅土鎳礦冶煉鎳鐵合金的工藝方法仍舊以火法冶煉為主。
火法冶煉鎳鐵是在高溫條件下，以C（或Si）作還原劑，對氧化鎳礦中的NiO及其他氧化物（如FeO）進行還原而得。同時采用選擇性還原工藝，合理使用還原劑，按還原順序NiO、FeO、Cr2o3、SiO2進行還原反應。

因不同產地的鎳礦成分不同，NiO及各種氧化物之間組成的化合物也有所不同，因而，在鎳鐵冶煉過程中，其實際反應較復雜。反應生成的Ni和Fe能在不同比例下互溶，生成鎳鐵。
從上述（1）、（2）反應式中可看出：NiO、FeO還原反應開始溫度較低，而且，NiO的開始反應溫度比FeO約低200℃；因而，火法冶煉鎳鐵過程中，盡管所采用的鎳礦NiO含量較低，但NiO 90％以上被還原，而且，在Ni／Fe很低的情況下，可通過不同的工藝操作，使產品含Ni量提高到較高水平，與鐵合金其他產品（如高碳鉻鐵、錳硅合金等）相比，電爐粗鎳冶煉難度相對較低。
三、紅土鎳礦預處理
紅土鎳礦屬非結晶型礦種。不同鎳礦類型，成分波動范圍為：Ni 0.87％～3.85％，Fe 6％～50％，MgO 1.5％～32％，Si02 5％～58％，Al2o3 1％～15％，P 0.000 4％～0.000 2％，S 0.00l％～0.08％。
紅土鎳礦另一個特點是水分較高，尤其是目前我國紅土鎳礦主要進口國菲律賓和印尼兩國氣候多雨潮濕，鎳礦中水分基本在30~35％范圍波動。為確保鎳鐵冶煉爐況穩定，鎳礦在入爐前必須進行脫水，造塊處理。不同的鎳鐵生產廠家對入爐前鎳礦的脫水燒結處理普遍使用如下幾種預處理方式：
①回轉窯烘干→造塊→回轉窯高溫脫水、預熱。
②回轉窯烘干→造塊→豎爐燒結、預還原。
③回轉窯烘干→脫水、燒結（包括預還原）。
不同的鎳礦處理工藝的投資費用及工藝操作難度不同，對整個鎳鐵冶煉工藝綜合能耗及產品質量的影響也有所不同，因而，隨著我國鎳鐵生產的規模化，選擇何種鎳礦預處理方式，值得分析。

四、數種工藝流程
1、回轉窯直接還原法
鎳礦→烘干→破碎→配入焦炭、熔劑混合制團→預熱→回轉窯脫水、還原→固融態渣鐵混合物→水淬→磨碎→跳汰、強磁選等多級渣鐵分離→細粒鎳鐵→電爐重熔→精煉脫硫→鎳鐵。
該工藝利用回轉窖全程對鎳團礦進行脫水、焙燒，NiO、FeO等氧化物還原，金屬物聚集，最后生成融態海綿狀夾渣鎳鐵。熔煉過程熱能來自煤粉（或重油）燃燒放出的熱量，其是火法冶煉鎳鐵生產中，設備最簡單、生成金屬流程最短、綜合能耗最低的生產工藝。
2、鼓風爐法
鎳礦→回轉窯烘干→制塊→配入焦炭→鼓風爐冶煉→粗鎳鐵→精煉降Si、C、P、S→鎳鐵。
該工藝在冶煉設備結構方面與高爐法冶煉鎳鐵有相似之處。冶煉過程中以焦炭燃燒放熱作為熱源，但反應機理有所不同。高爐直接冶煉出的鎳鐵，其含Ni量基本取決于入爐鎳礦中的Ni／Fe比值，而鼓風爐法生產的粗鎳，其含Ni量，不只受限于該比值的大小。
鼓風爐工藝是最早出現的紅土鎳礦冶煉鎳鐵的技術，1875年，在新喀里多尼亞小高爐就已應用，后法國也有采用，但該法因消耗大量優質焦炭、污染嚴重而為人詬病。最終該工藝在市場競爭和環保壓力下停止，1985年日本礦業公司佐賀關冶煉廠的最后一座鎳鐵高爐熄火，標志著鼓風爐冶煉鎳鐵技術在歐美、日本等發達國家壽終正寢。
3、高爐法
鎳礦→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。
在國內，近年采用的火法冶煉鎳鐵較為普遍，主要是借用于現有煉鐵小高爐直接轉產，具體操作與小高爐生產生鐵操作相似，特別適合于使用低Ni、高Fe鎳礦生產低Ni鎳鐵（含鎳生鐵）。
該工藝仍以焦炭燃燒放熱作為冶煉熱能，入爐鎳礦中FeO可被焦炭中的C充分還原，故粗鎳鐵中的Ni含量高低基本受限于入爐鎳礦Ni／Fe的比值大小。
由于國家限制400 m3以下小高爐的使用，而使用礦熱電爐，利用低鎳高鐵鎳礦，直接生產低Ni鎳鐵，其工藝的合理性和易操作性，似乎不及高爐法，因而采用大容量高爐冶煉低Ni鎳鐵值得關注和研究。
4、電碳熱法
鎳礦→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。
電碳熱法是以C作還原劑，在電能高溫條件下，對鎳礦中的NiO、FeO等氧化物進行還原，冶煉出鎳鐵，因而，在電爐冶煉過程中，調整合適的配炭量，限制FeO還原，可生產出Ni含量較高的電爐鎳鐵。
國外火法冶煉鎳鐵主要采用此工藝，國內廠家生產含Ni大于10％的產品時亦普遍采用。主要冶煉設備為礦熱電爐，國內個別廠家也有使用與電弧爐結構相似的電爐生產（其設備最大容量為9 MVA），其鎳礦預處理方式，冶煉工藝的具體操作，精煉工藝設備配套情況及精煉效果均不盡相同，各項指標對比也存在一定差異。
5、電硅熱法
鎳礦→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→倒人反應包→向反應包加入45％硅鐵→倒包反應→粗鎳鐵→降P、Si精煉→鎳鐵。
電硅熱法工藝是以Si作還原劑，在高溫條件下，對NiO、FeO等氧化物進行還原，生成鎳鐵。
據資料介紹，國外電硅熱法工藝是在爐外，通過倒包操作，使加入的Si對熔體中的NiO進行還原，生成鎳鐵，與熱兌法生產微碳鉻鐵的反應機理和工藝操作基本相同，因而，可稱之為熱兌法工藝。
五、鎳鐵產業的意義
隨著我國經濟的發展和人民生活水平提高，不銹鋼生產消費快速增長。鉻鎳系不銹鋼是消費鎳的主要不銹鋼品種，由于其優異的綜合性能，得到廣泛應用，占不銹鋼總產量的60％～75％。不銹鋼產量的增長將拉動鎳金屬消費量增長。隨著金融危機影響的漸漸消退，鎳價重回2萬美元以上，鎳鐵合金對降低不銹鋼冶煉成本的優勢逐漸得到體現，鎳鐵在不銹鋼原料中占據了重要的地位，國內的鎳鐵冶煉行業在經歷了08年的蕭條衰敗后重新迎來了另一個發展良機。
此外，由于電解鎳主要是由硫化鎳礦冶煉所得，而硫化礦提取工藝成熟，長時間的大量開采使得世界近期可供開發的硫化礦資源已經不多，加之硫化礦資源勘探周期和建設周期均較長，開發和利用相對比較困難，與硫化鎳礦情況相反的是紅土鎳礦資源豐富，貯存在紅土礦中鎳金屬量占據了鎳儲量的65％，而每年從氧化鎳礦中提取的鎳只占世界鎳產量的30％，因此隨著世界上硫化鎳礦資源的逐步減少，從氧化鎳礦中提取鎳金屬將具有極大的發展前景。

河南華冠環保科技有限公司以公司為工程化和產業化實施主體，依托有色設計院的人才和技術優勢，針對紅土鎳礦利用的重大技術問題，開展前瞻性技術研發和行業共性關鍵技術的攻關合作。該院多年從事紅土鎳礦冶煉工藝技術開發和回轉窯直接還原鎳粒鐵科技攻關和研發工作，經多年的研究實驗，對不同成分紅土鎳礦的配型混合、壓團，以及無熔劑煤基回轉窯直接還原生產鎳粒鐵試驗，有效減輕粉塵率和回轉窯結圈，確保回轉窯穩定操作，達到了批量生產的條件。該項目工藝特點是以廉價的煤為還原劑，以回轉窯為主要生產設備，具有工藝簡單、能耗小、成本低、不受規模限制、產品質量好（含鎳高）等優點。使用該技術冶煉1噸鎳合金僅需要15噸標準煤，而國內其他廠家則需要28噸標準煤，可最大限度降低產品成本，減少紅土鎳礦資源的浪費。同時又可滿足不銹鋼行業對鎳鐵的需求，取得了經濟效益和社會效益的雙贏。技術成熟可靠，符合國家產業政策，具有良好的經濟效益和廣闊的市場前景。

河南華冠環保科技有限公司在國內有30余條大大小小紅土鎳礦回轉窯生產線業績，處理量有300-1000噸每天產能，回轉窯規格從φ3.5---φ4.8米，長度52米--68米的。在國內內蒙、唐山、福建頂新、浙江青山、山東臨沂有大量成功案例，可技術轉讓，可出售設備，產品。

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