日本大江山廠用直接還原硅鎂鎳礦法生產(chǎn)鎳鐵

1、日本大江山廠用直接還原硅鎂鎳礦法生產(chǎn)鎳鐵TetsuyaWatanabe等摘要第二次世界大戰(zhàn)期間，日本冶金工業(yè)公司大江山廠用克魯帕一雷恩法(KruPP一RennProcos)從附近大江山礦開采的紅土礦中生產(chǎn)海綿鐵.1952年，該廠改用進(jìn)口硅鎂鎳礦作原料，開始生產(chǎn)制造不銹鋼用的鎳鐵.從開始產(chǎn)鎳鐵以來，巳作了許多改進(jìn)。(l)費用低.原料預(yù)處理后，可用回轉(zhuǎn)窯低能耗地生產(chǎn)粗鎳鐵.(2)產(chǎn)品銷路好.粗鎳鐵可用于作氫氧脫碳法(AOD)煉不銹鋼的原料.目前，只有大江山廠在工業(yè)上采用硅鎂鎳礦的直接還原法.本文介紹大江山法的技術(shù)和操作特點。前言在第二次世界大戰(zhàn)期間，日本冶金工業(yè)公司在宮津建起一個熔煉低品位鎳紅土礦

2、的工廠二鎳礦來自附近的大江山礦山。用克魯帕一雷恩熔煉法生產(chǎn)低鎳生鐵，在本公司的川崎廠用作生產(chǎn)低合金鋼.戰(zhàn)后，原料從鎳紅土礦改用從新喀里多尼亞的進(jìn)口礦，并生產(chǎn)供日本國內(nèi)用的煉不銹鋼用的粗鎳鐵，熔煉方法沒有改變.現(xiàn)在該廠以四臺回轉(zhuǎn)窖處理從新喀里多尼亞，菲律賓和印度尼西亞進(jìn)口的礦石成功生產(chǎn)約1000噸鎳/月.熔煉方法很獨特，稱為日本冶金大江山法.此法為不銹鋼生產(chǎn)提供充足的鎳源.它還使我們建起從鎳原料到成品不銹鋼的一條龍生產(chǎn)法，本法與埠爾一凱姆法(El一KemProee:s)之類等的鎳鐵法相比，有如下優(yōu)點:(l)熔煉主要能源為煤，而不是昂貴的電能.(2)原料的自由選擇，能可用東南亞的硅鎂鎳礦.(3)所

3、產(chǎn)粗鎳鐵質(zhì)量可直接用作不銹鋼生產(chǎn)原料，并且同時作為熔煉的冷卻劑.熔煉方法是簡單的，預(yù)處理步驟是將原料(硅鎂鎳礦)磨細(xì)后，與含碳物料和熔劑石灰石混合，后者用于調(diào)節(jié)含水量，然后制團(tuán).接著通過預(yù)熱器將團(tuán)塊連續(xù)給入回轉(zhuǎn)窯。在回轉(zhuǎn)窯中，團(tuán)塊與煤燃燒所產(chǎn)生熱氣流逆流運動，經(jīng)受所有熔煉步驟一干燥，脫水，還原和金屬成長金屬是在窯中半熔融條件下生成的。這燒成的物料叫熔塊·從夸出來就將它水碎，磨細(xì)后，用跳汰和磁選機(jī)將還原成的鎳鐵合金從排出的熔塊中分離出來。然后將此產(chǎn)召運往川崎鋼廠作為不銹鋼生產(chǎn)的鎳源.粗鎳鐵呈直徑2-3毫米的沙狀顆粒，并夾帶1-2%爐渣，其化學(xué)組成為C<0.10%，Ni1822%，

4、S0.45%，P0.015%.此產(chǎn)品不管含硫多高均適用于AOD煉鋼過程，因AOD法有很好的脫硫能力.沙狀顆粒在煉鋼過程中相當(dāng)有利于連續(xù)加料和作為冷卻劑物料快速溶解.當(dāng)只采用回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行大江山法操作時，熔煉實踐應(yīng)在半熔化而不在熔化條件下進(jìn)行.在實踐中，使含脈石高的硅鎂鎳礦的氧化鎳在半熔化條件蘋還原和使鎳鐵合金聚集成粒是困難的。二、技術(shù)改進(jìn)的歷程在詳細(xì)介紹本方法之前，讓我們簡單回顧以往技術(shù)改進(jìn)的歷史。從進(jìn)口高品位鎳礦生產(chǎn)鎳鐵始于1952年，為煉不銹鋼廠提供原料。從那時起，努力提高生產(chǎn)能力、鎳回收率、產(chǎn)品性量和節(jié)省能耗。表1所示為主要生產(chǎn)過程的技術(shù)改進(jìn)歷史。圖1為目前的生產(chǎn)流程。如表中所示，我們通過增

5、建回轉(zhuǎn)窯、幾項設(shè)施改進(jìn)和改善原料預(yù)處理等，成功地逐步提高生產(chǎn)能力，滿足川崎鋼廠生產(chǎn)不銹鋼方面不斷增長的需要。至于能源問題，鎳熔煉過程消耗大量能源.為解決石油危機(jī)后能耗費用增加的問題，采取種種措施降低此項費用，如提高預(yù)熱器熱效率，用煤代油，用新的預(yù)處理技術(shù)以降低供入回轉(zhuǎn)窯的原料含水量。關(guān)于鎳回收率，一般認(rèn)為，因原料中脈石含量高，只用回轉(zhuǎn)窯法不能達(dá)到足夠高回收率。事實上，大江山法應(yīng)用初期鎳回收率僅約80%。但裝設(shè)煙塵返回系統(tǒng)，改進(jìn)原料預(yù)處理工藝和燒渣分離工藝就使此低回收率大為改觀。同時，用熱化學(xué)的觀點，對在半熔條件下還原出來的金屬顆粒的聚集機(jī)理進(jìn)行了研究.三、工藝特點表2列出了主要設(shè)備的規(guī)格。處理

6、過程分為如下三個階段:(l)原料預(yù)處理礦石進(jìn)行磨細(xì)，混合和壓團(tuán)作業(yè)，使回轉(zhuǎn)窯有效地運行。(2)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行熔煉作業(yè)，其中有焙燒，金屬氧化物的還原和還原出的金屬顆粒進(jìn)行團(tuán)聚.(3)用重力和磁力分選法從窯產(chǎn)品(燒渣)中分離出團(tuán)聚的鎳鐵金屬顆粒.原料準(zhǔn)備過程生產(chǎn)質(zhì)量良好的團(tuán)塊是回轉(zhuǎn)窯成功操作的重要因素如團(tuán)塊有利于熱效率提高，有利于形成理想的溫度分布，防止窯結(jié)圈故障，并降低煙塵率。(1)原料。所用原料由硅鎂鎳礦，無煙煤和焦粉還原劑，燃料煤和石灰石熔劑所組成。這些物料典型的化學(xué)成分列于表35.因鎳鐵產(chǎn)品直接用于不銹鋼生產(chǎn)過程，產(chǎn)品中磷含量限制在最高不應(yīng)超過0.02%。因此使用特殊品級的低磷煤，至于產(chǎn)品

7、的硫含量，由于AOD法有很好的脫硫效率，故沒有特別限制。后面將要討論到，硫在回轉(zhuǎn)窯中使還原金屬顆粒的團(tuán)聚方面起著重要作用。(2)壓團(tuán)。以前采用“濕法”壓團(tuán)。這就是把所有原料濕磨和過濾后，用低壓成形和將約含32%水分的濾餅制成條狀.1984年此法已改為壓團(tuán)法，其原因主要是為節(jié)省能耗，提高窯的礦石處理量和窯的穩(wěn)定操作需要含水分低(約18%)和強(qiáng)度高的團(tuán)塊.此工藝改進(jìn)借增添下面新設(shè)備來實現(xiàn):其中有磨細(xì)干燥和礦石的氣落式磨礦機(jī)、混捏機(jī)和混合磨礦機(jī)和壓團(tuán)機(jī)。通過嚴(yán)格控制水分，按礦石的礦物特性進(jìn)行適當(dāng)配比和充分混捏，可產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)團(tuán)塊。在此工序，所有無煙煤、焦粉和石灰石均與礦石一起壓團(tuán)。優(yōu)質(zhì)團(tuán)塊能有效地確保窯

8、穩(wěn)定操作的條件。圖2表示礦石的粘土含量和水分對生團(tuán)塊性質(zhì)的影響。熔煉（1）窯操作特點。圖3表示典型的工藝操作條件。如圖所示，團(tuán)塊不斷送給鏈篦機(jī)，團(tuán)塊與熱氣流逆流熱交換后再加入窯中。在窯內(nèi)團(tuán)塊以平均速度6m/h前進(jìn)。在團(tuán)塊前進(jìn)過程中。與燃料煤燃燒所產(chǎn)生的熱氣流逆流運動時，完成脫水，還原，團(tuán)塊破壞，造渣。還原的金屬顆粒團(tuán)聚等熔煉步驟。嵌入團(tuán)塊中含碳物料既作燃料又作還原劑。窯穩(wěn)定操作最重要的技術(shù)因素是恒定的團(tuán)塊供給速度和保持窯中的穩(wěn)定溫度分布。很好地控制團(tuán)塊中含碳質(zhì)物料的加入量和預(yù)熱器中恒定的抽風(fēng)條件就可保證窯中穩(wěn)定的溫度分布。團(tuán)塊質(zhì)量差，窯給料速度變化無常，含碳物散亂均會造成物料和窯壁局部過熱或過

9、冷，增加粉塵，抽風(fēng)情況異常和含碳物偏析分布。這一切都是引起窯結(jié)圈故障，耐火襯里壽命縮短和金屬顆粒團(tuán)聚不好的原因。 （2）窯中反應(yīng)特性。根據(jù)計算機(jī)模擬和停窯后研究結(jié)果，窯內(nèi)溫度分布和反應(yīng)特性如圖4所示，從圖可見。由于優(yōu)質(zhì)團(tuán)塊層通風(fēng)阻力小且恒定，在篦上（預(yù)熱器）發(fā)生有效的熱交換。通過爐篦后的廢氣溫度約90。在團(tuán)塊沿窯運動中?？赏瓿傻V石脫水，蒸發(fā)結(jié)晶水和石灰石的分解，當(dāng)鐵和鎳氧化物開始被還原性氣體和嵌入其中的含碳物還原時，由于體積膨脹團(tuán)塊可能破壞，并逐步軟化。為有效利用團(tuán)塊中含碳物作還原劑和燃料，控制團(tuán)塊的反應(yīng)率是重要因素之一。當(dāng)物料運動到離窯口約30m處，物料溫度上升至約1100以上。此時，造渣反

10、應(yīng)開始與還原反應(yīng)同時進(jìn)行鎳氧化物有橄欖石結(jié)構(gòu)（Ni，Hg）,SiO2，鐵氧化物可能也有相同結(jié)構(gòu)Fe2SiO4。在高溫下它們均跟游離二氧化硅起反應(yīng)，而且兩種氧化物似乎都形成固溶體。所以從熱化學(xué)觀點看來，在半熔融條件下氧化鎳還原是相當(dāng)困難的。如圖4所示，不管鐵和鎳氧化物之間生成自由能差別有多大。兩種氧化物幾乎同時還原為金屬。要確切說明在溫度范圍為1250-1400，半熔融渣條件下還原金屬顆粒聚結(jié)的機(jī)理是很困難的。我們提出如下團(tuán)聚模型。金屬顆粒以非穩(wěn)定態(tài)存在于渣中的懸浮系統(tǒng)可能適用于該過程。所以金屬顆粒和渣相間界面現(xiàn)象可能對，團(tuán)聚有重大影響。根據(jù)經(jīng)驗，加硫，石灰或三氧化鋁很有利于促進(jìn)團(tuán)聚過程.渣相中

11、的氧化鐵似乎對團(tuán)聚有作用，相反，渣相中過多的殘留堿有害于團(tuán)聚。硫往往富集在金屬顆粒的表面上，這就局部地降低了金屬顆粒的熔點和表面張力。大家認(rèn)為這些現(xiàn)象引起了金屬顆粒的粘結(jié)。就渣相表面現(xiàn)象而論，為便金屬顆粒較易運動，并使它們聚集，選用較低粘度的渣。雖然將離子結(jié)構(gòu)引入渣系統(tǒng)會有某些困難，但因SiO44-是表，面活性的，它會集中在渣一金屬界面上.此外，像CaO，Al2O3，或FeO這些“網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞者”也可能移至界面，變成活性組分。CaOCa2+ +O2-AI2O32AI3+302-FeOFe2+O2-這樣，金屬顆粒和渣相之間的界面可能粘度較小，有利于促進(jìn)金屬顆粒的運動。渣中過多殘余碳可能增加渣的表

12、觀粘度，可能不利于更好的團(tuán)聚。上述模型簡示在圖6中。圖6是用電子探針顯微分析法對渣和金屬顆粒界面的掃描分布圖。如圖6-9(略)所示，Ca和Fe集中在渣表面，而S集中在金屬穎粒表面。同樣、Si和AI也集中在渣表面。界面區(qū)域分析結(jié)果可與所提出模型很好地符合。從實踐觀點看，檔料圈高度，燃咀位置和渣中殘?zhí)剂靠刂频仁谴龠M(jìn)還原出金屬顆粒團(tuán)聚的重要因素。這些條件確保適當(dāng)?shù)母G渣粘度和有效團(tuán)聚的通過時間。事實上，自從改為壓團(tuán)法備料以來，有關(guān)異常結(jié)圈，金屬產(chǎn)率，熱效率等窯中實際條件已大為改善。這些可能是窯給料中水分減少，煙塵率降低和含碳物料勻速前進(jìn)的結(jié)果。經(jīng)緞燒后，原料在窯末端變成含團(tuán)聚鎳鐵合金的“燒結(jié)塊”。為防

13、止氧化和使熔塊更易破碎，當(dāng)熔塊離窯時即水碎.然后將水碎燒結(jié)塊運往分離車間。在分離車間，用馬西磨礦機(jī)將熔塊磨至-2毫米碎屑，再用圖1流程所示的跳汰機(jī)和磁選機(jī)分離為金屬和窯渣。磁選精礦中金屬部分約占10%，將它返回窯中。分離后余下的熔塊尾渣，部分出售作建筑材料。所謂粒鐵的鎳鐵典型成分見表6。雖然鎳鐵含有少量窯渣，但它可直接用作生產(chǎn)不銹鋼的原料。表7列出典型的窯渣組成。從礦物學(xué)上講，它由頑輝石(MgO·SiO2)，少量鎂橄欖石(2MgO·SiO2)和游離二氧化硅所組成.熔化一噸干礦產(chǎn)出80%渣和10%金屬。最后，窯和鏈蓖機(jī)(預(yù)熱器)中熔煉過程熱平衡列于表8?？偀嵝式咏?8%。從表8可見，熔煉主要熱量由無煙煤和煤供給，不用電能加熱.原料準(zhǔn)備，熔塊處理和其它機(jī)械操作耗電能約為5000