转底炉还原红土镍矿工艺设计与实践
摘要：为解决低品位红土镍矿的合理利用问题，介绍了转底炉还原红土镍矿新工艺的技术特点和镍铁生产实践，及其工程化应用。
镍由于具有高度的化学稳定性、优良的电磁性、良好的可塑性、耐高温性、耐腐蚀性，以及良好的机械强度和延展性而应用广泛，特别是在不锈钢和耐热钢
生产中，镍是一种不可或缺的元素。
镍主要由红土镍矿和硫化镍矿冶炼而来，由于近年来镍消耗量的不断增加以及硫化镍矿储量不断减少，红土镍矿的开发日益受到重视。红土镍矿的处理方法主要有两种：湿法与火法。采用湿法工艺一般处理低镁高铁红土镍矿；采用火法工艺一般处理高镁低铁红土镍矿。火法工艺处理红土镍矿生产镍铁合金具有
流程短、效率高等优点，但能耗较高，生产成本中的能耗成本占65％以上，目前火法工艺主要处理高品位的红土镍矿。在镍资源奇缺及高品位红土镍矿资源匮乏的情况下，研究开发新工艺对中、低品位红土镍矿的综合利用具有十分重要的战略意义。因此，神雾集团自主研发了蓄热式煤基转底炉还原红土镍矿工艺新技术。
1 工艺概述
蓄热式煤基转底炉还原红土镍矿工艺技术流程如图l所示。将含红土镍矿、还原煤、石灰石等原料进行烘干、破碎、细磨、分级处理，按照配比混匀、制球并烘干，烘干后含碳球团被送人转底炉装料口上部的料仓，通过布料装置均匀地布人转底炉进行还原焙烧。从转底炉排出的金属化球~1(Direct Reduced Iron，DRI)热态送人铁浴炉内进行高温熔炼，连续进料，阶段出渣出铁。
2 原 理
由碳元素还原红土镍矿中的铁、镍、磷等元素的热力学数据可知，氧化镍、氧化铁、磷的还原温度区间分别为380～400℃、570～600℃、750～800℃，相比之下镍是最易还原的元素。转底炉设定的还原温度1100～1400℃，为镍还原提供了充分的热力学条件。
红土镍矿中镍的存在形态为NiO，铁主要以Fe20的形式存在，整个过程所发生的化学反应为
工艺过程中可对铁进行选择性还原。红土镍矿中主要含有NiO、Cr2O3、Fe2O3、A12O3、SiO2等多种氧化物。
在红土镍矿的熔点范围内1600～1700K，其中氧化物稳定性依次为：Al2O3>Cr203>CaO>MgO>Fe2O3>SiO2>FeO>NiO。NiO最先被还原，且NiO还原温度小于FeO还原温度，利用这一选择性还原原理可采取缺碳操作，使红土镍矿中几乎所有的镍氧化物优先还原成金属镍，而高价的Fe203适量还原为金属态，其余还原为FeO进入熔渣，通过调节产品中铁的回收率从而达到调控产品中镍品位的目的。通过转底炉中试实践可知，除了采取缺碳操作，铁的回收率还可通过调节石灰的配入量、调整转底炉及铁浴炉内气氛等操作手段予以控制。
3 中试试验
本次中试试验，采用印度尼西亚的红土镍矿，中试矿石量150 t湿矿，采用“转底炉一铁浴炉”工艺处理。中试试验目的是寻求到合适的处理方法及工业运行参数，为本工艺的工程化推广提供技术支持。
3.1 原料成分
本工艺实践采用的红土镍矿来自印度尼西亚，内配还原剂采用煤粉，熔剂采用石灰石粉，所采用的原料典型成分如表1～表3所示。
3.2 主要工序特点
针对生产还原机理和原料成分，并结合设备情况及各工序特点对生产过程进行严格的生产指标控制。
3.2.1 原料烘干破碎工序
由于红土镍矿中含水率较高，需先将矿石进行烘干处理，去掉一部分水分后再将红土镍矿、还原煤、石灰石分别破碎，破碎后红土镍矿及还原煤粒度一3 mm达90％以上，石灰粒度一200目达90％以上。合格物料送人配料仓，配料仓排料设备均采用具备变频调速功能的电子称来控制排料量，按照所需的比例定量排出，实现自动配料。本工序注意控制各原料水分和粒度满足生产需求。
3.2.2 混料压球工序
配料后的干基混合料在强力混合机中混料一段时间，再从侧部加入一定量的水。混合均匀的物料通过装料斗运送至压球料仓，经压球机压制成球。本工
序主要是保证球团质量降低球团粉化率，控制合适混合料水分，球团的半米落下强度需根据工艺设计满足生产要求。
3.2.3 转底炉还原焙烧工序
所制球团经烘干机烘干后通过布料机向炉内供料，根据炉底转动速度自动控制料的流量，满足连续均匀布料的要求，转底炉尺寸见表4。转底炉的炉底匀速
转动，载着布在炉底上的生球依次经过装料区、预热区、中温还原区、高温还原区、冷却区和出料区，在各个区通过分布在炉膛两侧的烧嘴可以精确控制炉内气氛和温度，达到最佳的还原条件。此外，通过调节炉底转动速度，可以改变生球在炉内停留还原的时间。经历上述各区后完成还原过程，由设于炉底上方的螺旋出料机将金属化球团(DRI1连续排出，具体成分见表5。转底炉所用燃料可以为低热值燃气，空气预热后与燃气混合燃烧，通过调整二者的流量控制不同区域的空燃比和压力，达到试验要求。转底炉排出的烟气与蓄热式烧嘴排出的烟气可经过二次燃烧后经余热锅炉系统回收可送至原料烘干系统回收利用，余热锅炉系统产生的蒸汽可送到蒸汽管网或直接发电。本工序主要控制料
层厚度、炉内气氛及各区焙烧温度，完善球团还原焙烧各项工艺参数，防止球团软熔粘连炉底，确保球团还原质量及顺利排料，保证球团的还原焙烧质量满足生产要求。中试转底炉生产现场情况见图2，图2(a)为中试基地转底炉，图2fb)为压制球团布人转底炉，图2(c)为压制球团经转底炉还原焙烧后得到金属化球团排人热料罐，称重后热装入铁浴炉。
3.2.4 燃气熔分工序
铁浴炉所用燃料可以为低热值燃气。采用DRI热装、连续加料、连续熔炼、定量出铁、间歇排渣工艺。铁浴炉配备较为完善的检测仪表及监控装置，以加强对铁浴炉各系统的监测和控制，为铁浴炉操作创造条件。本工序通过控制炉温1500~1600℃、炉压为微正压、DRI投料稳定700℃以上及合适炉内等条件使炉内渣铁有效分离，出渣出铁顺畅。最终得到镍铁合金产品成分见表6，本工艺处理镍品位为1.51%和1.72%的红土镍矿可得到Ni品位为14.61%和20.28%的镍铁合金，且镍的回收率均达95%左右，铁回收率控制在50%以内。该产品满足300系列不锈钢生产要求，具有广阔的市场空间。熔分过程现场情况见图3，图2（a）中金属化球团热装入铁浴炉后慢慢熔化，图3（b）铁浴炉定量出渣铁，图3（c）所示为最终得到的镍铁合金。
3.2.5 尾渣处理工序
红土镍矿冶炼会产生大量尾渣，堆存处理不仅导致资源浪费还会污染环境，应考虑其资源化再利用。建筑用无机非金属材料，化学成分多属CaO-SiO2-Al2O3三元体系，而铁镍渣化学组分也属于此体系范畴，可应用于建材行业。此外，对镍铁渣进行毒性浸出试验，结果表明：各项有害元素指标均未超出GB5085.3-2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》规定的限值，其中六价铬检测值＜0.004mg/L，标准限值为5mg/L，镍检测值＜0.01mg/L，可以判定镍铁渣不具备浸出毒性，不会对环境存在浸出毒性危害。
4 转底炉处理红土镍矿工程化介绍
为了满足国内不锈钢市场对镍资源的需求，江苏尼克尔新材料有限公司拟在连云港新区钢铁产业集聚区投资建设年处理红土镍矿300万吨，年产镍铁合金24.60万吨的进口资源深加工利用项目。
该项目完全采用神雾自主知识产权从蓄热式煤基转底炉还原红土镍矿技术，由神雾设计、制造、建设、其工艺技术特点如下：
（1）“转底炉-铁浴炉”工艺将蓄热式高温空气燃烧技术创新的应用到转底炉上，可使用低热值燃气，融合了蓄热式燃烧技术的高效节能以及转底炉工艺原料适应范围广的优点，对原燃料的要求低，降低了对电的依存度及生产成本，在镍铁行业普遍亏损的大环境下，采用本工艺生产镍铁合金仍有一定的利润空间。
（2）“转底炉-铁浴炉”工艺采用没有焦化、烧结、高炉等高能耗的污染设备，不需要焦炭、焦煤作为原料，只需要普通煤炭作为原料，比传统冶炼工艺节能16~25%，CO2排放减少16%以上。
（3）“转底炉-铁浴炉”工艺采用神雾双床流化床气化技术将廉价低阶煤制备成洁净煤后再作为燃料，为转底炉及铁浴炉提供能源。该煤气为清洁能源，其制备过程实现了“用煤不烧煤，清洁又节能”的目标，平均节能30%，CO2、NOx、SO2等温室及有害气体排放显著下降。
（4）“转底炉-铁浴炉”工艺采用能源梯级回收循环使用的工艺布置，转底炉烟气经余热锅炉系统产生的蒸汽可送到蒸汽管网或直接发电，自发电可供项目使用。
该项目的顺利实施将为国内外红土镍矿的综合利用提供示范作用，将为我国不锈钢企业的原料和镍铁企业国外资源综合开发利用提供新的解决方案，并对国际红土镍矿资源清洁利用产生重大影响，特别是为国内企业开拓和占领海外镍合金资源市场提供了技术化、资本化、市场化运作模式和技术支撑，具有很高的行业地位。
5 结论
（1）“转底炉-铁浴炉”工艺采用普通煤粉做还原剂，降低原料成本，可处理镍品位较低的红土镍矿，拓宽了原料适用范围，可得到镍品位10%以上的镍铁合金。
（2）“转底炉-铁浴炉”工艺热利用率高、生产能耗低、节能效果显著，降低了对电的依存度，可实现清洁环保生产。
（3）“转底炉-铁浴炉”工艺项目技术成熟可靠，装备先进，经济合理，为国内外红土镍矿综合利用起到示范作用。
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