高炉类：转底炉处理红土镍矿的试验研究
摘要：以腐殖土型低品位红土镍矿为研究对象，采用神雾蓄热式转底炉煤基直接还原技术进行小时处理量为吨级规模的半工业试验研 究。结果表明，以Ni1.56%的红土镍矿为研究对象，在还原温度为1 350 ℃最佳条件下得到的镍铁块产品的镍品位为5.6%，镍回收率 89.2%。通过能耗分析可知，与RKEF相比，转底炉工艺能耗降低了16.64%，成本降低了10.88%，是一项低成本的清洁冶炼工艺。
关键词：红土镍矿；转底炉；还原；能耗；成本
镍是一种银白色金属，具有高度的化学稳定性，能 耐氟、碱、盐水和多种有机物质的腐蚀，在盐酸、稀硫酸 中反应缓慢[1] 。随着国民经济的发展，镍在钢铁工业、石 油化工、航天航空、电镀、电池、不锈钢、耐热合金钢等 方面的需求越来越大。目前可供人类开发利用的镍资 源只限于陆地的硫化镍矿和氧化镍矿两种，从世界范 围看，已探明陆基镍资源储量约为 2.2 亿吨，其中 72.7%为红土镍矿，27.8%为硫化镍矿。而随着硫化镍 矿资源日益匮乏，世界未来镍资源的增加将主要来源 于红土镍矿资源的开发[2] 。我国各有色金属企业积极在 全球范围内开发红土镍矿资源[3] 。
当前，冶炼红土镍矿分为湿法冶炼及火法冶炼[4] 。 红土镍矿湿法冶炼工艺主要包括氨浸工艺[5] 和加压浸 出工艺[6] ，存在复杂、流程相对较长、对设备要求高的缺 点。火法冶炼工艺主要包括镍锍和镍铁工艺[7] ，生产镍 铁的工艺较多，高炉法生产低镍铁[8] ；回转窑预还原-矿 热炉法（RKEF）是应用最广泛的火法工艺，但该工艺也 存在能耗高，电耗高，对原料的适应性差等缺点[9-10] 。本 文介绍了用神雾蓄热式转底炉直接还原处理红土镍矿 工艺，原料适应性扩大到1.2%以上，能耗与成本均大 幅降低，是一种节能降耗的清洁冶炼工艺。
1 研究方法与流程
本文以Ni品位1.56%红土镍矿为研究对象，采用 蓄热式转底炉作为主体设备对红土镍矿进行清洁冶 炼。
该工艺的具体处理流程：红土镍矿经烘干、破碎至 合格粒度后经胶带机输送至配料室，石灰石经破碎后 送入磨机内经粉磨至合格粒度收集后卸料至配料室， 还原煤进粉磨后输送至配料室。合格的物料在配料室 进行集中配料，配料后的物料经混合机混合后通过压 球机压制成球，再经链篦机低温烘干后送入转底炉进 行还原。转底炉出来的直接还原铁（简称DRI）水淬冷 却后进行磨矿磁选得到镍铁粉，镍铁粉烘干并压制成 块，可进一步高温提纯或作为产品按当前镍点价格打 折售卖。其中，蓄热式转底炉是红土镍矿半工业生产线 的核心设备，原料处理规模为1.5~2 t/h，炉床外径为10 m， 高度为1.5 m，宽度为2 m。
2 半工业试验设备
半工业试验主体设备为转底炉及配套磨选区，设 备性能指标见表1，装置实体见图1。
3 试验过程与结果
3.1 原料准备与分析
3.1.1 红土镍矿
试验红土镍矿表水含量35%，镍品位1.56%，红土 镍矿经晾晒、干燥处理后破碎筛分至-2mm使用，其化 学成分分析见表2。从分析可以看出，矿石中铁品位为 19.82%，Ni品位为1.56% 。MgO、SiO2含量较高，属于腐 殖土型红土镍矿。
3.1.2 还原煤及助熔剂
试验所用还原煤空气干燥基固定碳较高，为 74.02% ，灰分为 17.13% ，挥发分为 3.73% ，水分为 2.41%，有害元素硫含量为0.42%。还原煤的变形熔点为 1 247 ℃，软化熔点为1 326 ℃。煤的热值为28.35 kJ/kg。
助熔剂选用石灰石，有效助熔成分氧化钙含量为 51.23%。
3.2 转底炉还原过程
转底炉清洁冶炼红土镍矿工艺具有原料适应性 广、镍回收率高、能耗低、成本低等诸多优势。与传统的 转底炉相比，蓄热式转底炉将蓄热式高温空气燃烧技 术应用于转底炉，用蓄热式蜂窝体将热能储存起来再 次利用，充分利用了系统的余热，提高炉体热利用率， 从而降低了工艺能耗。
3.2.1 过程描述及反应原理
将烘干后的球团布入蓄热式转底炉上部料仓，通 过布料机振动给料。球团随炉底匀速转动，依次经过预 热区、中温还原区、高温还原区和出料区，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 由上述各区后完成还原过程，球团中的氧化镍优先还 原成金属镍，部分铁的氧化物被还原成金属铁。球团旋 转一周后由螺旋出料机将球团排出转底炉。
转底炉炉体由固定的内外环形炉墙、炉顶和转动 炉底组成。炉墙、炉顶由炉体钢结构支承，炉底耐火材 料砌在转底机械的钢结构底盘上。装料装置由三部分 组成：储料仓、振动给料机组、布料滑槽。出料机为螺旋 刮料输送结构，螺旋轴转速可调。电动机采用变频调速 装置。转底炉所用燃料采用天然气，空气预热后与天然 气混合燃烧，实时调整二者的流量，控制不同区域的空 燃比和压力，达到试验要求。
转底炉还原过程中，在含碳球团内部，碳粒子与镍 等氧化物粒子的密切接触，为还原过程创造了良好的 传热传质条件，同时含碳球团内的过剩碳在高温下显 著地发生气化反应，因此随着还原过程的不断进行， 镍、铁等氧化物处在一个被CO还原气体包围的氛围下 而逐渐被还原成金属。关于转底炉内部球团还原过程 详见以下反应方程式：
NiO ＋ C ＝ Ni ＋ CO
NiO ＋ CO ＝ Ni ＋ CO2
3Fe2O3 ＋ C ＝ 2Fe3O4 ＋ CO
3Fe2O3 ＋ CO ＝ 2Fe3O4 ＋ CO2
Fe3O4 ＋ C ＝ 3FeO ＋ CO
Fe3O4 ＋ CO ＝ 3FeO ＋ CO2
FeO + C ＝ Fe + CO
FeO + CO ＝ Fe+CO2
CO2 + C ＝ 2CO
3.2.2 操作温度的选择
在转底炉冶炼红土镍矿的研究过程中，重点 考察了还原温度对还原效果的影响。通过对不同还原 温度下得到的转底炉出料产品 DRI 进行了扫描电 镜分析，从微观角度揭示了还原过程中金属颗粒是如 何长大的。1 200 ℃条件的DRI形貌见图2（a），1 250 ℃ 条件的DRI形貌见图2（b），1 230 ℃条件的DRI形貌见 图2（c）。
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