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高炉冶炼红土镍矿生产镍铁趋势PDF
日期:2019-07-06   来源:   作者:匡国友   

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  高炉冶炼红土镍矿生产镍铁趋势 郭培民 (中国钢研科技集团低温冶金与资源高效利用中心,北京100081) 摘要:文章分析了高炉冶炼红土矿生产镍铁合金的关键技术,指出高炉冶炼红土矿工艺存 在MgO 含量高引起的造渣制度难题、渣量大引起的炉缸铁水温度低与流动性差难题、Cr O 2 3 加剧铁水流动性变差难题以及固体炉料区透气性差等一系列技术难题。我国成功解决了上 述难题,在国际上率先将高炉应用到红土矿冶炼中,并取得成功。在印尼资源出口政策、 国家的一带一路战略以及印尼工业基础现状的背景下,开发适度大型化、低焦比、环保的 高镍铁低磷合金的高炉冶炼工艺具有重要意义。 关键词:红土矿;高炉;镍铁合金;造渣制度;综合利用;不锈钢 随着国民经济的快速发展,不锈钢的需求量和产能大幅提高。2001 年中国不锈钢表观 消费量位居世界第一。至2010 年,中国不锈钢产量达到1000 万吨左右。不锈钢的高速发 展带动了对金属镍的强烈需求。我国镍市场受国内资源状况的制约,自产镍的生产没有大 的改观,其占比由2002 年的62%下降到2006 年的51% 。消费的高速增长与生产的艰难发 [1-3] 展日益加剧着我国镍的供需矛盾 。 目前,已探明陆地上的镍矿储量约为8000 万吨,其中硫化镍矿约占20 %,红土镍矿约 [4] 占75 %,而硅酸镍矿占5 % 。传统镍冶金使用硫化镍矿进行冶炼,但是受到资源的限制, 必须开发资源更广泛的红土矿资源。国外早在上个世纪就开始研究矿热炉冶炼红土矿技术, 逐步发展了回转窑+矿热炉(RK-EF)冶炼工艺。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 15%,用来冶炼含镍量大于 [5] 15%的镍铁合金 。国内在矿热炉冶炼红土矿工艺上进行了革新,采用了竖式烧结机将热烧 [6] 结矿直接给矿热炉的热装热送技术,单此一项技术,可以节能15% 。 红土镍矿属于复合铁矿,采用高炉冶炼工艺是我国冶金工作者在实践中开发的。自上 世纪90 年代,浙江民营企业家就开始研究对从阿尔巴尼亚进口到国内的红土镍矿进行试验, 并逐步在放大的高炉内进行试验和工业实践以及新产品推广。在此鼓舞下,诸多民营企业 开始用小高炉生产镍铁合金。十年过去了,随着镍铁价格的不断下降,在国内应用高炉已 无利润空间。然而在印尼的红土镍矿出口政策和我国的一带一路战略的刺激下,国内不少 有志于镍铁事业的国企、民企都想在此次改革浪潮中获得丰厚的收益。 印尼红土镍矿资源丰富,但是考虑印尼的资源出口政策和红土镍矿的运输成本,在 1 当地建设生产是最佳选择。但是在印尼等东南亚投资不利的一面是当地工业基础差,不仅 缺电、缺焦,还缺少国内常见的工业配套。RK-EF 工艺由于对电网要求较高,在印尼的投 资成本高,适合有财力的企业(有抗长远风险的意愿)。高炉法能够少用电,相对投资少, 虽然焦炭需要外运,也值得在印尼建设。 1 高炉法冶炼红土矿技术难点与对策分析 红土矿是成分复杂的低品位复合铁矿,典型成分中含镍1.3%~2.5%、含铁10%~45 %、 [4] MgO 5~35% 、SiO2 5%~40%、含铬0.5 %~3%,含物理水与结晶水总量约为30 %~40 % 。 其成分与传统高炉冶炼工艺所用的富铁矿相差较大。由于红土矿的成分复杂性,导致高炉 冶炼存在如下难点: (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 CaO-SiO2 为主相,通过调节 MgO 与 Al O 质量含量来得到熔化性温度与粘度适宜的渣系。高炉渣炉渣成分大致在 2 3 CaO/SiO =1.0~1.2 、MgO 5%~10 %、Al O 15%[9] 。这4 个主要成分的质量总和占到炉渣总 2 2 3 [10] 质量的95 %以上。以CaO-MgO-SiO 相图为例,其范围约在图1 中CaSiO 的A 区周围 。 2 3 图1 CaO-MgO-SiO 三元炉渣相图 2 考虑红土矿成分的特殊性,特别是MgO 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。通过研究提出了新的造渣制度:将炉渣碱度 2 CaO/SiO2 控制在0.6~0.8 左右、MgO 控制在 15~35 %,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的使用,如石灰石、生石灰或白云石的使用,节约了原料成本, [7-8] 同时还尽可能地降低了渣量,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。 (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 350kg,炉渣密度以 2.5g/cm3 计算,吨铁炉渣体积约为 3 [9] 0.14m ,以等截面炉缸来说,炉渣的高度与铁水的高度大约相等 。而高炉冶炼红土矿工艺 中的渣量远远大于现代炼铁高炉的渣量,以 1 吨镍铁合金产生2 吨炉渣计算,吨铁炉渣体 3 积约为 0.8m ,是液态镍铁合金的体积的5~6 倍,炉缸内炉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,从而使铁水温度变低,容易产生含镍铁水不易流出难题。 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。对高炉炉型进行 适当改造来提高炉缸铁水温度,措施之一就是扩大炉缸炉渣区的截面积,降低炉渣高度, 措施之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。相比,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。配合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。 (3 )炉渣中含Cr O 对炉渣流动性以及对铁水温度的影响 2 3 高炉冶炼红土矿工艺的另一难点是由于渣中含有一定质量熔点高,且粘度大的Cr O , 2 3 使本来就存在渣量大、炉缸铁水温度低与铁水流动性差等问题的高炉工艺,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。 其解决办法大致有三种,一种就是进一步改变高炉炉型,这种方案试验成本非常高昂; 另一种方案就是进一步提高理论燃烧温度,整体提高炉渣与液态镍铁合金的温度;第三种 方案就是消除Cr O 的副作用。文献报道了通过添加萤石来减缓Cr O 的副作用,并成功改 2 3 2 3 [7-8] 善了铁水流动性 。这种方法是有科学根据的: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Cr O 及时被还原成金属铬溶于液态镍 2 3 铁合金中,消除了渣中Cr 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。 2 3 但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,容易产生耐火材料严重侵蚀等问题。经研究表明,可以根据红土矿中的铬含量大 3 [7-8] 致确定萤石添加量,红土矿中每含有1%Cr,就大约添加1%的萤石 。 然而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,正常冶炼通过调 整造渣制度来完成,除非出现冻缸等情况才允许添加。因此,萤石不是现代高炉常规冶炼 工艺中的一种常规生产原料。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突破。 (4 )高炉的软熔带位置发生变化 由于红土矿的成分差异与特殊的造渣制度,在用高炉冶炼工艺中软熔带位置不同于传 统炼铁高炉工艺,而可能更加偏上,这会造成上部炉料透气性的恶化。解决的办法是通过 配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 。 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,热量利用率会更好,同时也提高了生产效率,因此大型化是高炉 3 的发展方向。对于褐铁矿类型红土镍矿,由于含铁高,要提高效率,完全可从 100m 规模 的高炉发展到450m3 与 600m3 高炉。对于含铁低的腐殖土类型红土镍矿,也要增加高炉的 3 3 2 容积,从10m 增加到200m 。2009 年民营企业家刘光火先生就已经用128m 的高炉生产腐 殖土类型红土矿。高炉大型化有利于降低吨镍铁投资、利于环保、降低能耗,更加适合在 印尼投资建厂的现实需要。 2.2 高炉的喷煤技术 目前小高炉冶炼红土矿工艺焦比过高,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,特别在印尼是缺少焦炭的,长途运输成本高且粉化率 高造成冶炼能耗成本较国内生产更高。但是提高喷煤量也是有比较大的困难,具体表现在: 红土矿冶炼软熔带上移,透气性变差;通过喷煤降低焦比,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。 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,造成燃料比较高。由于高炉间 3 3 接还原量有限,煤气中大部分 CO 未转成CO ,煤气热值超过了 4.18*10 kJ/m 。因此,冶 2 炼红土矿的煤气无论热值或吨铁的煤气量都明显高于传统的炼铁高炉。利用好高热值煤气 4 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用于发电。 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 电系统来回收能量。高炉渣携带大宗热量,但高炉渣的物理热利用仍是难题。 2.4 白煤或兰炭降焦比冶炼 由于印尼缺少焦炭,且焦炭密度小、运费高,且在长途运输过程易粉碎,这些都增加 了镍铁冶炼成本。因此,降低焦炭耗量非常重要。早期国内在用50m3 高炉冶炼钙镁磷肥工 艺中 (铁含量只有5%左右,主要是炼炉渣),实现了用白煤代替焦炭冶炼技术,并在国内 推广应用。国内也有用兰炭代替做试验或生产的。 由于红土镍矿,特别是腐殖土类型的红土矿,与钙镁磷肥冶炼非常相似,可以实现白 煤或兰炭降焦比冶炼,至少可以部分代替焦炭冶炼。 2.5 提高小高炉热风温度 为了降低冶炼成本,目前高炉冶炼红土镍矿的设施相对简单,导致热风风温较低,有的 只有200~300 ℃。这种风温进入炉内,对调剂高炉下部热量是不利的,最终反而会增加焦炭 的消耗量。因此,建议建设热风炉,热源可利用回收的高炉煤气,提高热风风温,会大幅 度降低炉内能量的消耗。 2.6 高炉选择性还原冶炼高镍低磷生铁技术 对于腐殖土类型红土镍矿,冶炼后镍铁中铁、铬等金属元素不计价,固应降低铁的还 原。另外,高炉冶炼后镍铁中的磷含量偏高,会影响它的售价。因此红土矿更适合生产高 镍低磷生铁。应改变传统高炉冶炼模式,适当提高鼓风量,形成一定氧化性的炉渣,渣中 FeO 含量控制在 5~10%的水平,从而使镍铁中磷含量可以小于 0.03% 。并且可使冶炼的镍 铁中Ni 含量提高到16~20%水平(以1.8%Ni、15%Fe 的腐殖土类型红土镍矿)。 这种方法,由于金属量的降低,镍的收得率会在85%~90%水平,低于矿热电炉水平, 而且炉衬寿命会受到一定影响,但带来的益处是生产成本更低,经济性更好。 2.7 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中,与炼铁高炉工艺相类似,随着 高炉的适度扩大,将有助于环境问题的集中处理,从而有利于生态型镍冶工艺的发展。 环保工程的建设与投产,也利于我国的国家形象,利于一带一路的落实。 2.8 高炉的长寿问题 目前红土矿高炉冶炼工艺中由于风口温度高,以及添加萤石的副作用,使得高炉耐材 5 寿命较短,不仅影响高炉的长寿,而且增加了维护成本,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。 3 结语 随着不锈钢市场的发展,我国自主开发的高炉冶炼红土矿生产镍铁合金工艺,解决了 造渣制度、炉缸铁水温度偏低等冶炼难题,在实践中得到发展和推广。在印尼资源出口政 策、国家的一带一路战略以及印尼工业基础现状背景下,开发适度大型化、低焦比、环保 的高镍铁低磷合金高炉冶炼工艺将具有十分重要的意义。 参考文献 [1]徐小锋.红土镍矿预富集-还原熔炼制取低镍铁合金研究[学位论文] ,中南大学资源加工 与生物工程学院,2007 [2]王成彦,尹飞,陈永强,王忠,王军.国内外红土镍矿处理技术及进展[J],中国有色金属 学报,18 卷,2008(专辑):s1-s8. 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