高炉冶炼红土矿生产镍铁合金关键技术分析与发展方向.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 3 ’ D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．t s s n ．1 0 0 7 - - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 5 ．0 0 1 高炉冶炼红土矿生产镍铁合金 关键技术分析与发展方向 郭培民，赵沛，庞建明 钢铁研究总院先进钢铁流程及材料国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 1 摘要分析了高炉冶炼红土矿生产镍铁合金关键技术。我国成功解决了高炉冶炼红土矿工艺的一系列 技术难题，已经可以在6 0 0m 3 的高炉上冶炼红土矿。用高炉冶炼红土矿生产镍铁合金工艺的单位能耗 低于现代高炉炼铁工艺，是多种有价资源综合利用的示范工艺，应该大力推广和发展。 关键词红土矿；高炉；镍铁合金；造渣；综合利用 中图分类号T F 6 4 4文献标识码A 文章编号l 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 5 - - 0 0 0 3 - - 0 4 A n a l y s i so nK e yT e c h n i q u e so fF e r r o n i c k e lS m e l t i n g w i t hL a t e r i t eO r ei nB l a s tF u r n a c e G U OP e i m i n ，Z HA OP e i ，P A N GJi a n m i n g T h eS t a t eK e yL a b o r a t o r yf o rA d v a n c e dS t e e lP r o c e s s e sa n dP r o d u c t s ，C e n t r a lI r o na n dS t e e l R e s e a r c hI n s t i t u t e 。B e i j i n g1 0 0 0 8 1 ，C h i n a A b s t r a c t K e yt e c h n i q u e so ff e r r o n i c k e ls m e l t i n gw i t hl a t e r i t eo r ei nb l a s tf u r n a c e B F w e r ea n a l y z e da n da s e r i e so ft e c h n i c a lo b s t a c l e sh a db e e ns o l v e db yt h eC h i n e s er e s e a r c h e r s ．U pt od a t e ，l a t e r i t eo r ec a nb e s m e l t e di n6 0 0m 3B F ．U n i te n e r g yc o n s u m p t i o no ft h i sp r o c e s sw a sl e s st h a nt h a to fm o l t e nB Fi r o n m a k i n g ．T h et e c h n o l o g yo fl a t e r i t eo r es m e l t e di nB Fw a sag o o dd e m o n s t r a t i o no fm u l t i r e s o u r c e su t i l i z a t i o n w i t hap o s i t i v ep r o s p e c tf o rd e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o n ． K e yw o r d s L a t e r i t eo r e ；B l a s tF u r n a c e ；F e r r o n i c k e l ；S l a g g i n g ；C o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n 2 0 1 0 年我国不锈钢产量达到10 0 0 万吨左右。 不锈钢的高速发展带动了对金属镍的强烈需求。但 我国镍市场受国内资源状况的制约，自产镍已由 2 0 0 2 年的6 2 ％下降到2 0 0 6 年的5 1 ％。消费的高 速增长与生产的艰难发展日益加剧着我国镍的供需 矛盾[ 1 q ] 。目前，已探明陆地上的镍工业储量约 80 0 0 万吨，其中硫化镍矿约占2 0 ％，红土镍矿约占 7 5 ％，而硅酸镍矿占5 ％L 4 J 。国外早在2 0 世纪就开 始研究矿热炉冶炼红土矿技术，经过技术革新，逐步 发展了回转窑 矿热炉冶炼技术。由于矿热炉生产 红土矿耗电量非常高，对红土矿的选择比较严格。一 般要求镍含量大于2 ％、铁含量小于1 5 ％，用此冶炼 含镍量大于1 5 ％的镍铁合金[ 5 ] 。国内在矿热炉冶 炼红土矿方面进行了革新，采用竖式烧结机将热烧 结矿直接热送给矿热炉，可以节能1 5 ％J 。 红土矿属于复合铁矿，能否通过高炉冶炼一直 是个问号。我国民营企业由于自身发展的需要，在 开发高炉冶炼红土矿技术方面敢于尝试与付出，为 镍冶金事业作出了巨大贡献[ z - a ] 。自2 0 世纪9 0 年 代浙江民营企业家就开始研究从阿尔巴尼亚进口到 我国存放多年而未利用的红土矿，经过数年艰苦奋 斗，解决了用小高炉冶炼红土矿生产镍铁合金技术 基金项目国家。十一五”科技支撑课题资助项目 2 0 0 9 B A B 4 5 8 0 5 作者简介郭培民 1 9 7 5 - - ，男，安徽召- t l l A 。教授级高级工程师，博士生导师． 万方数据 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 难题，证实了高炉通过技术进步是可以冶炼红土矿 生产镍铁合金的，并提供了切实可行的技术路 线[ 3 , 7 - a 3 。在此鼓舞下，诸多民营企业开始用小高炉 生产镍铁合金，并通过持续的技术进步已将小高炉 冶炼的容量从1 0 0m 3 提高到6 0 0m 3 福建 。 1 高炉冶炼红土矿技术难点与对策 红土矿是成分复杂的低品位复合铁矿，典型成 分 ％ 镍1 ．3 ～2 ．5 、铁1 0 ～4 5 、M g O5 ～3 5 、S i 0 25 ～4 0 、铬0 ．5 - - - 3 ．0 ，物理水与结晶水总量约3 0 ％～ 4 0 ％【4 J 。其成分远远不同于高炉冶炼所用的富铁 矿，导致高炉冶炼存在如下难点 1 ．1 合理造渣制度的选择 现代高炉炼铁的造渣制度由其富铁矿成分决 定，大致以C a O - S i O 为主相、并通过调节M g O 与 A l 0 。质量含量来得到熔化性温度与黏度适宜的渣 系。高炉渣成分大致在C a O ／S i O z 一1 ．0 ～1 - 2 、 M g O5 ％～1 0 ％、A 1 2 0 。 1 5 ％[ 9 。。这4 个主要成分 的质量总和占到炉渣总质量的9 5 ％以上。以C a ◇ M g O - S i O 相图为例，其范围约在图1 中C a S i O 。的 A 区周围u0 。。 质量百分数／％ 图1C a O - M g O - S i O 三元炉渣相图 F i g ．1 P h a s ed i a g r a mo fC a O - M g O - S i O zs y s t e m 红土矿由于成分的特殊性，特别是M g O 含量 较高，造渣制度难以遵循现代炼铁工艺的造渣制度， 否则渣量将过大，能耗非常高。文献[ 7 8 ] 通过研 究提出了新的造渣制度将炉渣碱度C a O ／S i O 控 制在0 ．6 ～0 ．8 左右、M g O 控制在1 5 ％～3 5 ％，相 当于图1 中的B 区周围。这就最大程度地降低了 造渣原料如石灰石、生石灰或白云石的使用，节约了 原料成本，同时还尽可能地降低了渣量，从而有利于 降低焦炭使用量，进一步降低镍铁合金冶炼成本。 因此，造渣制度不能沿袭现代高炉炼铁的造渣制度， 而应根据红土矿的成分特点重新研究造渣制度。 1 ．2 高炉下部的渣量剧增导铁水温度变低 现代炼铁高炉，吨铁渣量约在3 5 0k g ，炉渣密 度以2 ．5g ／c m 3 计算，吨铁炉渣体积约为0 ．1 4m 3 ， 1t 铁水的体积约为0 ．1 4m 3 ，以等截面炉缸来说， 炉渣的高度与铁水的高度大约相等【9 ] 。而红土矿的 冶炼渣量远远大于现代炼铁高炉的渣量，以1t 镍 铁合金产生2t 炉渣计算，吨铁炉渣体积约为0 ．8 m 3 ，是液态镍铁合金的体积的5 ～6 倍，即炉缸内炉 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 5 渣的高度远大于液态镍铁合金的高度。 高炉冶炼红土矿时的热量来自风口区焦炭 或 与煤粉 的燃烧，由于渣层太厚，导致热量难以有效 传到炉缸下部，引发铁水温度变低，容易产生含镍铁 水不易流出难题。 小高炉由于炉缸小，铁水温度的下降趋势较小，从 而利于流出液态镍铁合金。只要适度提高风口前的理 论燃烧温度，可以解决铁水流动性差的难题；大高炉的 炉缸大，炉缸下部的铁水温度降低，对冶炼镍铁合金不 利。但也可以通过改造炉型来提高炉缸铁水温度措 施一是扩大炉缸炉渣区的截面积，降低炉渣高度；措施 二是提供风口区的鼓风动能与理论燃烧温度，让从高 炉上部的炉料经过风口区获得更多的物理热。 1 ．3 炉渣中C r 2 0 3 对炉渣流动性及铁水温度的影 响 红土矿的另一特点是含有一定量的C r O 。， C r 0 。熔点高，并且黏度大，本来红土矿高炉冶炼就 存在渣量大、炉缸铁水温度低与铁水流动性差问题， 由于C r O 。的存在，加剧了炉渣变稠，不利于对流 传热与传导传热，从而导致炉缸铁水的温度更低，进 一步影响铁水流动性。这也是高炉长期不敢冶炼红 土矿的重要原因。 其解决办法大致有3 种一是在1 ．2 的基础上 进一步改变高炉炉型，这种方案试验成本非常高昂； 二是进一步提高理论燃烧温度，来整体性提高炉渣 与液态镍铁合金的温度；三是如何消除C r 。的副 作用。文献[ 7 - 8 3 报道了通过添加萤石来减缓C r O 。 的副作用，并成功改善了铁水流动性。这是因为，萤 石是一种助熔剂，同时也是还原反应催化剂，因此可 以显著改善反应动力学条件，让更多的C r 。O 。即时 被还原成金属铬溶于液态镍铁合金中，消除了渣中 C r O 。的副作用，从而避免了铁水温度下降导致铁 水流动性变差问题。其难点是如何掌握萤石添加量 的尺度。加少了，不易改善炉渣与液态镍铁合金的 流动性，加多了，容易产生其他副作用，如耐火材料 严重侵蚀问题。经研究表明，可以根据红土矿中的 铬含量大致确定萤石添加量，红土矿中每含有1 ％ C r ，就大约添加1 ％的萤石。 但是在现代高炉炼铁与钒钛磁铁矿的冶炼过程 中是忌讳使用萤石的，正常冶炼要通过合理的造渣 制度来完成，除非出现冻缸意外，才允许添加。因 此，萤石不是现代高炉的一种常规生产原料，只有等 待突发事故时，才临时使用。将萤石作为一种镍铁 合金常规原料使用，并确定了因红土矿中铬含量不 同而改变萤石的添加量，是我国冶金工作者在镍冶 金领域的创新。 1 ．4 高炉的软熔带位置发生变化 由于红土矿的成分与造渣制度，用高炉冶炼的 软熔带位置不同于现代炼铁工艺，软熔带位置更可 能偏上，恶化上部炉料透气性。解决的办法是通过 更多的焦炭来保证冶炼过程的透气性。现代高炉炼 铁矿焦比在4 ．6 1 左右，而红土矿冶炼过程矿焦比 降为4 1 ，对于铁品位更低的红土矿，矿焦比甚至 降低到2 ．5 1 。 1 ．5 高炉镍铁合金的产品标准与资源化问题 红土矿是一种复合铁矿，除了铁外，还含有镍、铬、 钴等金属元素，在正常的高炉还原中，9 8 ％的镍、钴将 进入液态镍铁合金中、5 0 ％～9 0 ％左右的铬被还原进 入镍铁合金中，同时，由于风口区温度较高，液态镍铁 合金中还含有～3 ％的硅，～3 ．5 ％的碳。这种产品是 镍铁冶炼标准中没有的，因此我闷民营企业在新型镍 铁产品的试应用中遇到了较大障碍。客观上也延缓了 红土矿高炉法冶炼在我国的正式生产应用。 实际上，镍铁合金中镍、铬、铁等均是冶炼不锈 钢的重要原料，它的应用客观上减少了铬铁与铁的 使用量，实际上也是一种资源高效化利用方式。硅 是高炉法冶炼红土矿生产镍铁合金的附属元素，这 是焦比用量高与风口理论燃烧炉温高的具体表现， 也是1 ．2 分析合理性的有利证据。虽然在高炉冶炼 过程消耗了一定热量，但在后续的冶炼过程，硅又是 一个强发热剂，有助于后续工艺的正常进行。 1 ．6 含镍铁水能耗的高低问题 从现代炼铁工艺角度出发，红土矿冶炼镍铁合 金的吨铁能耗是较高的，但是根据我国单位G D P 的 能耗来计算，高炉法冶炼红土矿的能耗是低于现代 高炉炼铁的，现代高炉吨铁净能耗约为4 2 0k g 标准 煤，1t 铁水价格约为25 0 0 元，相当于16 8 0k g 标 准煤／万元。以冶炼1t 品位8 ％的镍铁合金计算， 在不考虑尾气回收情况下能耗约为15 0 0k g 标准 煤。而它的价格约为1 28 0 0 元，相当于11 7 0k g 标 准煤／万元，若考虑尾气利用，单位能耗会更低。可 见，认为高炉冶炼红土矿生产镍铁合金的单位能耗 高于现代炼铁工艺的单位能耗是错误的，应该鼓励 与大力发展高炉法冶炼红土矿等高附加值资源。 2高炉法冶炼红土矿技术发展方向 2 ．1 高炉本体的大型化 随着高炉的大型化，热量利用率会更加好，同时 万方数据 6 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 也提高了生产效率，因此是一种发展方向。经过我 们民营企业的努力，已从1 0 0m 3 规模的高炉发展到 4 5 0I n 3 与6 0 01 2 1 3 ，有理由相信可以使用10 0 0m 3 以上的高炉来冶炼红土矿生产镍铁合金。 2 ．2 高炉的大喷煤技术 目前小高炉冶炼红土矿工艺焦比较高，而喷煤 量较少或者不喷煤。通过喷煤来降低焦比，有利于 降低镍铁合金生产成本。但是提高喷煤量也有比较 大的困难，具体表现在红土矿冶炼软熔带上移，透 气性变差，通过大喷煤时，一方面会增加从风口穿过 软熔带的风量，另一方面又会因为焦炭量的减少恶 化高炉上部透气性。因此通过大喷煤技术降低冶炼 成本还需要我国冶金界的共同努力。 2 ．3 高炉的节能减排 冶炼红土矿，由于有价金属含量不高，导致渣量 过高，进而影响燃料比较高，由于高炉间接还原量有 限，煤气中大部分C O 未转成C O ，煤气热值超过了 4 ．1 8 1 0 3k J ／m 3 ，因此，冶炼红土矿的煤气不管是 从热值或从吨铁的煤气量来说，都明显高于现代的 炼铁高炉。利用好高热值煤气有利于红土矿冶炼工 艺的节能减排。煤气可利用在高炉的热风炉系统、 红土矿的烧结过程，过剩的煤气有条件的可以发电。 随着红土矿冶炼设备的大型化，提高炉顶压力 也必然是个方向，因此还要增加余压发电，来回收能 量。高炉渣是大宗热量携带者，但是即使现代化的 炼铁高炉也未能解决高炉渣的物理热利用难题，因 此，虽然利用高炉渣的余热是方向，但当前的重点还 应放在高炉煤气的综合利用领域。 在考虑到高炉的尾气利用情况下，冶炼红土矿 的单位净能耗将小于9 0 0k g 标准煤／万元，远低于 现代大型高炉的万元产值能耗。 2 ．4 高炉的长寿问题 目前的红土矿冶炼由于风r 】温度高，有时还添 加萤石，总的来说，耐材寿命较短，这也影响高炉的 长寿，增加了维护成本以及影响高炉的正常冶炼。 因此，开发适宜红土矿冶炼特点的耐火材料或强化 下部冷却对高炉长寿非常重要。 2 ．5 更低铁品位的红土矿冶炼技术 从上面分析可见，使用低铁含量的红土矿有利 于降低万元能耗指标，目前的冶炼技术，红土矿的含 铁量一般控制在2 0 ％“ - 4 5 ％，如果能够进一步降低 铁含量，如达到1 5 ％左右，对提高镍铁合金的价值 与降低万元能耗指标非常有利。当然使用过低铁含 量的红土矿的冶炼难度将大于目前含铁量较高的红 土矿，但无疑是个方向，需要我们解决诸多冶炼难 题。 2 ．6 环保问题 目前红土矿冶炼的环保问题主要在烧结与焦化 工艺，与现代高炉炼铁工艺相类似，随着高炉的大型 化，将有助于环境问题的集中处理，从而有利于生态 型镍冶金工业圈的建成。 3结论 我国自主开发了高炉冶炼红土矿生产镍铁合金 新技术，解决了造渣制度、炉缸铁水温度偏低等诸多 冶炼难题，目前已可在6 0 0m 3 高炉上冶炼红土矿， 并有望进一步发展到10 0 0m 3 以上的高炉冶炼。 从万元产值的能耗来说，高炉法冶炼红土矿生产镍 铁合金的单位能耗明显低于现代的高炉炼铁工艺。 高炉冶炼红土矿生产镍铁合金工艺还应从大型化、 节能、环保、长寿等领域进一步发展。 参考文献 [ 1 ] 徐小锋．红土镍矿预富集一还原熔炼制取低镍铁合金研 究I - D ] ．长沙中南大学资源加工与生物工程学院， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 王成彦，尹飞，陈永强。等．国内外红土镍矿处理技术及 进展[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 8 ，1 8 E 0 1 1 - - 8 ． [ 3 ] 张莓．我国火法冶炼红土镍矿进展[ J ] ．国土资源情报。 2 0 0 8 2 2 9 3 2 ． [ 4 1 潘云从，施维一，蒋继穆，等．重有色金属冶炼设计手册 铜镍卷 C M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 6 6 9 4 7 0 0 ． 1 5 ] 兰兴华．世界红土镍矿冶炼厂调查[ J ] ．世界有色金属， 2 0 0 6 1 1 6 5 7 1 - [ 6 ] 王哲．矿热炉与A O D 炉双联法冶炼不锈钢的设计与研 究[ D ] ．西安西安建筑科技大学冶金工程学院，2 0 0 9 ． [ 7 ] 刘沈杰．不含结晶水的氧化镍矿经高炉冶炼镍铁工艺 中国专利，2 0 0 5 1 0 1 0 2 9 8 4 ．5 [ P ] ．2 0 0 6 一0 2 1 5 ． [ 8 ] 刘沈杰．含结晶水的氧化镍矿经高炉冶炼镍铁工艺中 国专利，2 0 0 5 1 0 1 0 2 9 8 5 ．x [ P ] ．2 0 0 6 一0 3 一0 8 ． [ 9 ] 周传典，刘万山，王筱留，等．高炉炼铁生产技术手册 [ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 5 3 4 4 ． [ 1 0 ] 德国钢铁工程师协会．渣图集[ M ] ．北京冶金工业出 版社，1 9 8 9 8 7 ． 万方数据