国内采用回转窑生产镍铁的实践.pdf

2 0 1 4 年第8 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 1 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 4 ．0 8 ．0 1 4 国内采用回转窑生产镍铁的实践 陶高驰1 ，肖峰2 ，蒋伟3 1 ．江苏省大丰市大丰港开发区，江苏大丰2 2 4 1 1 5 ；2 ．张家港浦项不锈钢有限公司， 江苏张家港2 1 3 3 0 0 ；3 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要介绍了日本大江山法从红土矿生产镍铁的情况，并将国内采用回转窑进行镍铁生产的实践情况与 其进行了比较，对“K r u p p - R e n n ”工艺冶炼硅镁镍矿的工艺特点进行了深入分析。 关键词硅镁镍矿；回转窑；镍铁；大江山法 中图分类号T F 8 1 5文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 4 0 8 0 0 5 1 0 4 P l a n tP r a c t i c eo fF e r r o n i c k e lP r o d u c t i o nf r o mG a r n i e r i t e b yR o t a r yK i l ni nC h i n a T A OG a o c h i l ，X I A OF e n 9 2 ，J I A N GW e i 3 1 ．D a f e n gP o r tE c o n o m i cZ o n eA d m i n i s t r a t i o nC o m m i t t e e ，D a f e n g2 2 4 1 4 5 ，J i a n g s u ，C h i n a ； 2 ．Z h a n g j i a g a n gP o h a n gS t a i n l e s sS t e e lC o ．，L t d ．，Z h a n g j i a g a n g2 1 3 3 0 0 ，J i a n g s u ，C h i n a ； 3 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t F e r r o n i c k e lp r o d u c t i o nf r o mg a r n i e r i t eb yN i p p o nY a k i n ’SO h e y a m aO p e r a t i o nw a si n t r o d u c e d ， a n dc o m p a r e dw i t hp l a n tp r a c t i c e si nC h i n ab yr o t a r yk i l n ．T h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e l t i n gg a r n i e r i t eb y r o t a r yk i l nw i t hK r u p p R e n np r o c e s sw e r ea n a l y z e di nd e t a i l ． K e yw o r d s g a r n i e r i t e ；r o t a r yk i l n ；f e r r o n i c k e l ；Y a k i n ’SO h e y a m aO p e r a t i o n 中国镍铁生产是从2 0 0 5 年开始出现的，最初 第一代镍铁生产工艺主要是小高炉、鼓风炉和“烧结 机一矿热炉”工艺，由于都存在高能耗、高污染、质量 差等问题，正在被逐渐淘汰；2 0 1 0 年福建鼎信采用 的R K E F 工艺是国内最早的第二代镍铁生产工艺， 也是国际上镍铁生产的主要方法；而回转窑冶炼硅 镁镍矿生产镍铁工艺的最大优点是流程短、能耗少、 生产成本低，可以认为是第三代镍铁生产工艺，一直 以来广受关注。 2 0 0 9 年齐齐哈尔某厂建了第一条硅镁镍矿回 转窑直接还原试验线，成功选出镍铁产品，试验线比 较简陋，但有大江山法的原型；2 0 1 0 年江苏南通某 厂在齐齐哈尔试验线基础上对工艺进一步进行完 善，先后投资了4 条回转窑，断续生产至今；2 0 1 1 年 辽宁铁岭某厂投资新建一条回转窑直接还原镍铁生 产线；2 0 1 2 年，回转窑直接还原镍铁生产技术列入 国家“8 6 3 ”计划专题课题，由北京矿冶研究总院牵头 进行了中试；同年，九江湖口回转窑直接还原镍铁项 目建成并开始试生产；2 0 1 3 年4 月广西北海新建回 转窑镍铁生产线4 条。另外，江苏泰州也有4 条回 转窑镍铁项目在建，首条窑于2 0 1 4 年3 月开始生 产；山东邹平也有1 条回转窑镍铁项目在建，计划 2 0 1 4 年投产。 本文通过把国内的回转窑镍铁工艺流程跟日本 收稿日期2 0 1 3 一O l 一2 2 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 项目 2 0 0 9 A A 0 6 2 1 0 1 作者简介陶高驰 1 9 7 3 一 男，江苏溧阳人，高级工程师． 万方数据 5 2 有色金属 冶炼部分 h t t p [ ／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第8 期 大江山法进行比较，结合回转窑直接还原铁和金属 化球团的生产经验，对大江山工艺进行了比较系统 的分析。 1日本大江山法[ 1 ] 大江山法即采用回转窑处理红土矿生产镍铁工 艺，是由日本大江山冶炼厂 N i p p o nY a k i nO h e y a m aS m e l t e r 最先采用的，该工艺使用烟煤和无烟煤 取代电能和焦炭，是目前处理硅镁镍矿最为经济的 方法。 经过从1 9 5 2 年到1 9 8 4 年间的多次改造，每台 窑的给矿量从1 3 0t ／d 提高到4 2 0t ／d ，镍回收率从 最初的8 0 ％提高到9 5 ％，吨矿能耗从1 14 9 5M J 降 低到55 1 7 ．6M J ，镍铁产品含C 、S i 低，品质得到了 大幅提升。年生产能力达到1 ．5 万t 镍 5 条窑 。 回转窑规格4 条西3 ．6m 7 2m ，1 条垂4 ．2m 8 4m 。 1 ．1 工艺流程 原料处理阶段采用干磨、湿磨2 种方法使团矿 水分保持在1 8 ％左右。 湿磨矿石一管磨机 加水 一矿浆一转鼓过滤 机一矿饼 含水～3 2 ％ 。 干磨矿石一气落式磨矿机 8 0 0 ℃热风干燥 一矿粉 含水4 ％～5 ％ 。 湿矿饼、矿粉、无烟煤 ～1 2 ％ 、石灰石 ～5 ％ 配料一棒磨机 混匀 一压块机。 回转窑熔炼阶段团块一链篦机一回转窑熔炼 ～14 0 0 ℃ 一出窑水淬。 渣铁分选阶段水淬熔块一破碎一球磨一筛分 一 1 ．2m m 粗粒 一跳汰机一镍铁 1 ．2m m 粗 粒 、跳汰尾矿返回球磨机；一 一1 ．2m m 细粒 一 跳汰机一镍铁 一1 ．2m m 细粒 、跳汰尾矿一磁选 机一磁性金属细粒返回配料、尾矿一螺旋分级机一 细砂。 1 ．2 典型镍铁、尾渣组分 典型镍铁的化学组成 ％ N i C o2 1 ．9 、C 0 ．0 3 、P0 ．0 1 9 、S0 ．4 4 、C r0 ．1 9 、S i0 ．0 1 、渣2 ．0 。尾 渣典型成分 ％ N i C o0 ．2 、S i 0 25 3 ．4 、F e6 ．0 、 A l z 0 32 ．5 、M g O2 8 ．4 、C a O5 ．7 、C0 ．2 、S0 ．0 7 。 2 国内回转窑直接还原镍铁的生产实践 2 ．1 江苏南通某项目 2 0 1 0 年1 1 月开工建设。18 回转窑①3 ．6m 7 2m ，2 0 1 1 年1 0 月投产；2 8 回转窑西3 ．6m 7 2m ， 2 0 1 2 年1 月投产；3 8 回转窑烈．2m 8 4m ，2 0 1 2 年4 月投产；48 回转窑西4 ．2m 8 4m ，未投产。 2 ．1 ．1 工艺流程 18 线室外料场一装载机上料一干燥窑 沸腾 炉 一立式破碎机一室内落地堆放一配料仓一圆盘 给料机一皮带秤一圆筒混料机一皮带通廊一室内落 地堆放一压块 低压压球机 一网带式干燥机一链斗 输送机一回转窑一水淬一抓机捞矿一室外落地堆放 一装载机一上料斗一皮带机一颚式破碎机一磁选皮 带机一粒铁／尾矿落地堆放一球磨机一湿式磁选机 一铁粉／尾渣。烟气处理采用管式冷却器一布袋除 尘器。 2 8 线原料部分跟18 线合用，一压块 低压压 球机 一网带式干燥机一链斗输送机一回转窑一水 淬一行车抓斗捞矿一选矿部分跟18 线合用。烟气 处理采用管式冷却器一布袋除尘器。 3 8 线室外料场一装载机上料一皮带通廊一 斗式提升机 一干燥窑 热源为回转窑尾气 一破碎 机一斗式提升机一配料仓一圆盘给料机一皮带秤一 圆筒混料机一斗式提升机一料仓一压块 低压压球 机 一回转窑一水淬一行车抓斗捞矿一室外落地堆 放一装载机一上料斗一皮带机一悬挂式出铁机一颚 式破碎机一跳汰机一粒铁／尾矿落地堆放一合用1 期湿式磁选流程或新建。采用布袋除尘器。 2 ．1 ．2 分析 18 线、2 8 线物料落地点多，输送效率低；混匀 矿落地堆放后扬尘较多，环境差；预热团矿通过链斗 输送机进回转窑，热损失大；回转窑尾气采用管式冷 却器冷却浪费了能源。18 线水淬熔渣用挖掘机出 料效率比较低，相对投资大，运行费高。2 8 线水淬 焙烧矿用行车抓斗出料效率比较高，相对投资少，运 行费低。 38 线流程布置紧凑，相对占地面积小。团矿 不经干燥强化直接进回转窑，可能会有部分球团粉 化，粉矿会给回转窑带来结圈的隐患；水淬焙烧矿用 行车抓斗出料效率比较高，相对投资少，运行费低； 回转窑尾气导人干燥窑，余热得到利用，但是对干燥 效果和产量难以做到与回转窑产能平衡。 该项目回转窑使用发生炉煤气、压块入炉等措 施有效缓解了回转窑的结圈；结圈部位是距离窑1 3 约3 0m 处渣圈及距离窑口约l Om 处金属圈。回 转窑高温段物料温度约14 0 0 14 5 0 ℃，操作中通 过“拉风”延长高温带，把结圈及时熔化掉而不影响 物料的通行。目前最长连续生产时间已能达到2 个 万方数据 2 0 1 4 年第8 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y [ ．b g r i m m ．c n 5 3 月，但由于各种原因，其综合作业率仍仅5 0 ％左右。 2 ．1 ．3 主要问题 1 因为使用低压压球机，压块强度不高；另外因 采用网带式干燥机，团块干燥强化效果差，导致使入 窑的矿粉化率高，压块强度差。 2 流程设计不连贯，落地环节多，现场环境较 差，且不易治理。 3 采购设备质量不高，设备维护差导致设备故 障率高，影响作业率。频繁的停窑又缩短了耐火材 料的寿命，至今生产仍处于不正常状态。 4 能耗高。渣中残碳高，资源浪费；回转窑高温 烟气用冷却器冷却后经除尘器排出，热量没有得到 利用。 5 相对大江山的产品，南通项目产出的镍铁含 杂质较多。 2 ．1 ．4 典型镍铁、尾渣组分 典型镍铁的化学组成 ％ N i1 0 ．3 6 、F e 8 2 。5 3 、C2 ．1 5 、S0 ．4 4 、P0 ．0 5 7 、S i1 ．6 7 。尾渣典型 成分 ％ N i0 ．1 0 、F e5 ．7 2 、C1 1 ．1 3 、S0 ．1 1 。 2 ．2 辽宁铁岭某项目 2 0 1 1 年1 1 月开工建设，2 0 1 2 年8 月底投产，回 转窑规格1 条q 5 4m 8 0m 。 2 ．2 ．1 工艺流程 原矿一破碎一烘干一磨矿一配料一回转窑熔炼 一出窑水淬一破碎磨矿一磁选分离一产出镍铁粒一 E B T 电炉 L F 精炼一V O D 真空吹氧脱碳脱气一 镍基料。 2 ．2 ．2 分析 配料后粉矿直接人窑是辽宁铁岭试验线的特 点。但是散矿入窑后煤粉扩散，会导致物料与回转 窑内壁接触部位局部过热或过冷，而且细颗粒烟尘 使窑内抽风烟气情况恶化。这些问题是生成结圈、 缩短耐火材料使用寿命、破坏金属聚集的根本问题。 粉矿入窑会造成回转窑内的温度分布不稳定、增加 了结圈风险、烟尘含量也大。 主要问题实际运行中，回转窑结圈严重，最短 3 ～4 天就需停窑清理一次，频繁的结圈使得生产不 能稳定。 2 ．3 北京矿冶研究总院 2 0 1 2 年7 月投入试验，回转窑规格1 条∞．4 m 7 ．5m 。 2 ．3 ．1 工艺流程 硅镁镍矿一泥矿破碎机 一5 0m m 一板链输送 机一干燥窑 含水2 0 ％以下 一环锤破碎机 一1 0 m m 一配料 催化剂6 ％～8 ％，氧化钙3 ％～5 ％，粉 煤～1 0o A 一混料一制团 ～3 0m m 预干燥、加热 利用回转窑热烟气 一回转窑还原焙烧一水淬一一 次球磨一强磁粗选 抛除尾矿 一精矿再磨一弱磁精 选 二次尾矿返回强磁粗选 一镍铁精矿一矿热炉熔 分一镍铁合金。 2 ．3 ．2 分析 基于回转窑结圈导致的作业率低、检修强度大、 耐火材料消耗大等问题与不足，北京矿冶研究总院 提出的回转窑低温金属化还原焙烧一球磨一磁选工 艺，用粉煤作热源进行物料的加热和还原，还原温度 控制在11 0 0 ～11 8 0 ℃，还原时间保持在3 ～4h ， 还原后的焙砂水淬后送球磨处理，经球磨、磁选，产 出含镍8 ％～1 4 ％、含铁大于6 0 ％的镍铁精矿产品 送矿热电炉熔分，渣铁分离，试验中回转窑没有发生 结圈现象。 2 ．3 ．3 主要问题 因为还原温度较低，在11 0 0 ～11 8 0 ℃下，还 原出来的金属很难迁移聚集成镍铁颗粒，而粉末状 态的金属通过磁选回收的收得率低。 催化剂成分不明，如果使用萤石作为熔剂，则会 造成环境污染。 镍矿宜细碎到3m m 以下进行压块，因为大颗 粒会降低团压的强度。 2 ．4 九江湖口项目 攀森l 2 0 1 0 年开工建设，2 0 1 2 年1 0 月投产，回转窑规 格1 条西4 ．0m X 1 0 0m ，2 8 窑在建，共规划建4 台 回转窑。 2 ．4 ．1 工艺流程 原矿一破碎一烘干一粉磨一配料一混料一造球 一回转窑熔炼一出窑水淬一破碎磨矿一磁选分离一 产出镍铁粒。 2 ．4 ．2 分析 生产能力4 5t 干矿／d 冶炼温度～l4 0 0 ℃，连续作业时间达2 个月。 生产中能控制结圈问题，高温段耐材寿命达7 个月 以上。没有设置链篦机预热器，入窑前的团矿在窑 尾沉降室烘干、强化。 2 ．5 广西北海项目 诚德镍业 2 0 1 3 年4 月开工建设，2 0 1 4 年1 月投产，回转 窑规格4 条q b 3 ．6m X7 2m 。 2 ．5 ．1 工艺流程 原矿一破碎一烘干一细碎一配料一混料一压块 中压压球机 一滚筛一回转窑熔炼一出窑水淬一破 万方数据 5 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第8 期 碎磨矿一磁选分离一产出镍铁粒。 2 ．5 ．2 分析 这是国内第一家较为系统地进行工厂设计的回 转窑镍铁项目，配置了烟气脱硫系统，工艺流程连 贯，采用密闭物料输送，粉尘得到有效控制。 中压压球线压力大，团矿质量好于低压压球，对 回转窑运行的稳定有帮助。 没有设置链篦机预热器，入窑前的团矿没有得 到烘干、强化，不利于回转窑的操作稳定，另外产量 也可能受影响，其实际生产状况有待观察。 3关于优化大江山工艺的探讨 3 ．1 原料处理、制团 为了增大链篦机的热交换效率和保证稳定的回 转窑操作条件，强度好的团矿是前提条件。大江山 厂采用湿磨矿饼和干磨矿粉混合，团块含水率从最 初的3 2 ％降低至1 8 ％，提高了团块的强度并节省了 能源，在增加产量的同时回转窑获得了稳定的运行 状态。熔剂、还原剂和矿粉的充分混匀也能改善冶 炼条件。 从国内的实践看，原矿细碎到3m m 以下进行 制团和粉矿制团相比，团块强度没有显著降低并且 对镍收得率几乎没有影响，而“以破代磨”可以减小 能耗；另外国内厂家通过控制烘干矿的含水率来保 证团块的含水率，省去了加水湿磨。国内厂家的原 料处理流程相对更实用、简化。 3 ．2 团矿干燥、预热 团块加入链篦机后，依次经过干燥段和预热段 脱除水分，再进入回转窑进行焙烧。强度高的团块 有利于回转窑生产状态的稳定。 窑尾废气温度控制在9 0 0 “ - - 10 0 0 ℃，通过高温 风机的拉风对团块进行预热。预热段抽出的风经过 干燥段团块层，对团块进行干燥，烟气温度降至1 2 0 ～1 3 0 ℃，废气经洗涤除尘后排空。通过对高温烟 气的利用，节约了能源，同时因团块经预热后，入窑 时的温度达4 5 0 ℃左右，可以提高回转窑的冶炼强 度、增大产量。 3 ．3 熔炼温度 大江山法熔炼是12 5 0 ～14 0 0 ℃物料在半熔 融条件下进行的。国内的实践证明，半熔融物料在 回转窑内的结圈控制技术掌控难度很大。大江山法 的核心技术就在于此，日方又对该技术进行封锁。 经过国内研究人员的探索实践，发现避免回转窑的 结圈堵料有两个方法 一是回转窑内高温区的熔炼温度低于熔化温 度，但低温冶炼还原出来的镍铁不能迁移聚集成粒。 北京矿冶研究院试验发现，低温还原得到的镍铁合 金颗粒细小，需细磨解离，再通过磁选得到的镍铁细 颗粒。 二是回转窑内高温区的熔炼温度高于熔化温 度，使结圈不能形成。生产中可通过控制高温区的 位置使过渡区的结圈及时熔化清除，不影响窑内物 料的顺行。南通项目的冶炼温度在14 0 0 ～14 5 0 ℃，高于日本大江山法，通过高温操作较好地控制了 回转窑结圈的问题，最长连续作业时间已经超过了 2 个月。南通项目有一阶段还曾试用过铸铁机来冷 却熔融状态的渣铁，后因渣铁分离效果不理想而重 新改回水淬。 3 ．4 窑头精炼 大江山产品粗镍铁颗粒直径为2 ～3m m ，当中 约有1 ％～2 ％的熔渣夹杂。典型化学组分是C o ．1 0 ％、N i1 8 ％～2 2 ％、S0 ．4 5 ％、P0 ．0 1 5 ％、S i 0 ．0 1 ％。这是因为，在氧化性气氛中，C 、S i 被氧化 除去[ 2 ] ，因此粗镍铁中的C 、S i 含量很低。 3 ．5 环境保护 大江山厂使用煤炭作为主要能源，各占总量1 ／3 的硫被分别固定在金属和炉渣中，剩余1 ／3 进人烟 气。烟气首先经过水洗塔除去9 8 ％的S Q 和粉尘， 再进入湿式电收尘器净化后排空。其S O 。 0 ．0 1 1 0 叫 、粉尘 0 ．0 3g ／m 3 和N O 。 5 ．0 1 0 - 6 浓度 都大大低于环保要求。喷淋水在闭路循环中重复使 用。用于煅烧块冷却和金属分离的水可循环使 用嘲。 4结论 1 大江山法使用煤炭作为能源，而不是电能或 焦炭，生产成本低于其它工艺，尤其适合在基础设施 落后、缺乏电力的矿产地建设工厂。 2 在回转窑冶炼硅镁镍矿生产镍铁过程中，结 圈问题可以通过提高熔炼温度或设置专用于清除结 圈的高温烧嘴 天然气 来解决，南通项目回转窑高 温段选用国产耐材使用寿命已能超过2 个月。如果 排除其他非正常停产因素，按每5 0 天计划定期停窑 检修一次，每次检修时间1 0 天，就能达到大江山工 厂的作业率水平。 下转第5 9 页 万方数据 2 0 1 4 年第8 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 9 [ 6 3 吴硕．玻璃基 S n 0 2 S b 一 C e 0 2 - T i O z 防静电与紫外线 截止双功能薄膜的制备与表征E D ] ．武汉武汉理工大 学，2 0 1 0 ． E 7 ] Z h o uL i j u n ，Y a ns h a n h a n ，T i a nB a o z h u ，e ta 1 ．p r e p a r a t i o no fT i 0 2 一s i 0 2f i l mw i t hh i g hP h o t o e a t a l yt i e a e t i v i t y o nP E Ts u b s t r a t e [ J ] ．F i n ea n dS p e c i a l t yC h e m i c a l s ， 2 0 0 6 ，6 0 3 3 9 6 - 3 9 9 ． [ 8 1 靳艾平，陈文，朱泉蛲，等．T i O z C e O z 离子储存电极薄 膜的制备与性能研究[ J ] ．稀有金属，2 0 0 7 ，3 1 2 6 1 - 6 5 ． [ 9 ] 马眷荣，罗忆，刘忠伟．建筑玻璃应用技术i - M ] ．北京 化学工业出版社，2 0 0 4 4 ． [ 1 0 ] 余家国，赵修建，赵青南．掺锡T i O z 复合薄膜的制备 和光催化性能的研究[ J ] ．复合材料学报，2 0 0 0 ，1 8 1 7 9 8 2 ． E 1 1 ] 郭瑞．稀土c e 、s b 掺杂S n O z 透明导电膜的制备及性 能研究E D ] ．广州暨南大学，2 0 0 7 ． 上接第4 7 页 参考文献 [ 1 ] 梁焕龙，詹海鸿，樊艳金，等．低浓度钛液水解制备偏钛 酸的研究I - J ] ．有色金属 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