日本大江山用回轉(zhuǎn)窯直接還原針鐵礦生產(chǎn)鎳鐵的工藝過程

1、日本大江山用回轉(zhuǎn)窯直接還原針鐵礦生產(chǎn)鎳鐵的工藝過程摘 要 第二次世界大戰(zhàn)期間，日本Yakin Kogyo有限公司在大江山冶煉廠，采用Krupp Renn工藝處理紅土礦及大江山周邊的礦物。1952年，我們改變了礦物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)而利用硅鎂鎳礦生產(chǎn)鎳鐵。自從生產(chǎn)鎳鐵產(chǎn)品以來，進(jìn)行了不同的改造過程。 這些過程包括： 1、經(jīng)濟(jì)方面，粗鎳鐵產(chǎn)品由于在預(yù)處理之后使用了回轉(zhuǎn)窯，使能源成本得以下降。 2、產(chǎn)品的實(shí)用性方面，粗鎳鐵產(chǎn)品能夠作為AOD法冶煉不銹鋼時的原料。 目前階段，利用回轉(zhuǎn)窯直接還原硅鎂鎳礦的工藝過程，應(yīng)用在大江山冶煉廠。 本文將介紹大江山工藝的技術(shù)和操作特點(diǎn)。引 言 二次世界大戰(zhàn)期間，日本大江山冶煉廠

2、采用Krupp Renn工藝處理含鎳量極低的周邊的礦物，生產(chǎn)的低鎳生鐵用于合金鋼的原料。戰(zhàn)爭結(jié)束之后，我們改變了原料，開始使用來自新喀里多尼亞的紅土礦，為不銹鋼企業(yè)生產(chǎn)粗鎳鐵。 現(xiàn)階段，我們使用來自新喀里多尼亞、菲律賓和印度尼西亞的原料，利用四臺回轉(zhuǎn)窯成功地達(dá)到1000噸鎳/月的產(chǎn)量。這一工藝過程我們稱之為“大江山工藝”，這一獨(dú)特的工藝方式為不銹鋼生產(chǎn)提供了足夠的含鎳原料，也使我們建立了一套從含鎳原料到不銹鋼最終產(chǎn)品的綜合工業(yè)體系。和其它的鎳鐵生產(chǎn)工藝相對比，諸如El-kem過程，我們的工藝過程具有如下的優(yōu)點(diǎn)： 1、使用的能源主要是煤，而不是昂貴的電能。 2、原料可以從東南亞自由的選擇。 3、

3、生產(chǎn)的粗鎳鐵的質(zhì)量可以直接作為不銹鋼生產(chǎn)的原料，作為煉鋼冷卻劑使用。 冶煉工藝過程是比較簡單的，如預(yù)處理階段，原料進(jìn)行破碎并與含碳原料及溶劑混合，石灰石作為水分調(diào)節(jié)的手段，之后制團(tuán)。在下一個階段，團(tuán)礦通過預(yù)熱器連續(xù)不斷地進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，在回轉(zhuǎn)窯當(dāng)中，團(tuán)礦與煤燃燒生成的熱煙氣逆流進(jìn)行，經(jīng)歷所有的冶煉步驟，干燥、脫水、還原和金屬生長，這一切都是在熔渣半熔融條件下進(jìn)行的。經(jīng)歷灼燒后的物料我們稱之為“渣塊”，從回轉(zhuǎn)窯流出后進(jìn)行水淬，還原后的金屬以渣塊的形式放出后，經(jīng)過破碎、研磨之后利用磁選分離。最終產(chǎn)品運(yùn)送至川崎工廠作為不銹鋼添加原料使用。 粗鎳鐵顆粒呈沙礫狀，直徑約為23mm，當(dāng)中約有12%的熔渣夾雜。

4、化學(xué)組分是C0.10%、Ni 1822%、S 0.45%、P 0.015%。 產(chǎn)品中的高硫含量對于AOD法冶煉不銹鋼來說，是比較容易脫出的，而沙礫狀的形態(tài)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)性添加，在不銹鋼冶煉過程中作為冷卻劑可以實(shí)現(xiàn)迅速溶解。 大江山工藝過程僅是通過回轉(zhuǎn)窯完成的，冶煉實(shí)踐過程是在半熔融條件下進(jìn)行，并不是一種熔化狀態(tài)。過程中的氧化物還原和半熔融條件下的金屬聚集是比較困難的，因為礦物當(dāng)中脈石成分較大?；谶@個原因，以熱化學(xué)角度對其基本原理進(jìn)行研究是必要的。技術(shù)改進(jìn)的過程 在進(jìn)行詳細(xì)論述之前，讓我們首先回顧一下技術(shù)改進(jìn)的歷史過程。表1 19521984年期間的技改過程年 份改進(jìn)項目投入礦物t/day鎳產(chǎn)品

5、t/year回收率%能源消耗kcal/t礦1952一臺窯運(yùn)行130928802750×1031954兩臺窯運(yùn)行1301335812750×1031955三臺窯運(yùn)行1301676812620×1031956擴(kuò)展礦物處理過程1552685812620×1031957在兩臺窯上安裝了預(yù)熱器1902121812390×1031958安裝了灰塵洗滌裝置1901467872390×1031961在三臺回轉(zhuǎn)窯上安裝了預(yù)熱器2304341882160×1031967四臺窯運(yùn)行2906466882030×1031970改進(jìn)礦物處理過

6、程3808540921930×1031977進(jìn)行能源節(jié)省項目3808490921510×1031978將燃燒器用油改為改為高硫重油380947092.31510×1031981將燃燒器用燃料改為煤粉380935394.31510×1031984完善制團(tuán)工藝過程420958595.01320×103 于1952年將原料改為含鎳量較高的紅土礦之后，在產(chǎn)品的回收率、能源消耗以及產(chǎn)品質(zhì)量等各方面都不斷地享受到了技術(shù)改進(jìn)的成果。 表1中羅列了工藝環(huán)節(jié)改進(jìn)的各個階段和步驟，圖1則是目前該流程的流程圖。 表中值得注意的是，通過添加其它的回轉(zhuǎn)窯，并且改善了原料

7、處理環(huán)節(jié)，我們已經(jīng)成功地增加了生產(chǎn)能力以滿足不斷增長的不銹鋼生產(chǎn)的需求。關(guān)于能源問題，鎳冶煉工藝過程所消耗的能源的數(shù)量較大。石油危機(jī)之后整個工藝過程的成本大幅增加，通過諸如預(yù)熱系統(tǒng)的改進(jìn)、燃料用油改為煤粉、以及將原有在回轉(zhuǎn)窯中還原含水量較高的原料改為預(yù)熱烘干等方式，我們已經(jīng)在這個方面取得了若干項成果。圖1 大江山法鎳鐵工藝過程圖 關(guān)于鎳的回收率一般觀點(diǎn)是，由于礦物成分中含有大量的脈石成分，僅僅通過回轉(zhuǎn)窯冶煉這一工藝過程是無法完成較高的回收率的。實(shí)際上，大江山工藝開始的早期階段，鎳的回收率僅為80%。這樣低的回收率通過設(shè)立煙塵回收系統(tǒng)、改善原料預(yù)處理和渣塊窯內(nèi)偏析技術(shù)，已經(jīng)得到了明顯的改觀。在同

8、一時間內(nèi)，關(guān)于還原金屬顆粒在半熔融條件下團(tuán)聚的機(jī)理，利用熱化學(xué)觀點(diǎn)進(jìn)行的研究也已經(jīng)完成。工藝過程的特點(diǎn) 在表2中，展示了工藝過程的主要設(shè)備，整個工藝過程分為三個組成部分： 1、原料處理階段，為滿足回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行操作而進(jìn)行的研磨、混料和制團(tuán)。 2、回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的冶煉灼燒程序包括，金屬氧化物的還原和還原后的金屬顆粒聚集。 3、產(chǎn)出的渣塊通過重選和磁選的方式進(jìn)行分離。表2 工藝過程主要的設(shè)備序號設(shè)備名稱數(shù)量能 力規(guī) 格1管式研磨機(jī)2臺65噸/小時（干基）2.2m×8m2氣落實(shí)磨礦機(jī)1臺40噸/小時（干基）6.9m×1.6m3礦漿槽7臺325m36m4供料倉5臺325m36m5轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)4

9、臺18.5噸/小時（濕料）過濾面積70m26棒磨機(jī)2臺45噸/小時（干基）3m×4.2m7制團(tuán)機(jī)4臺22.5噸/小時（干基）0.72m×0.6m28預(yù)熱器4臺27噸/小時（干基）4m×17m9回轉(zhuǎn)窯4臺27噸/小時（干基）3.6m×72m10馬氏磨5臺25噸/小時（干基）2.4m×1.8m11跳汰機(jī)13臺15噸/小時（干基）12磁選機(jī)18臺15噸/小時（干基）13分級機(jī)1臺300m3/h1.5m×10m原料制備過程 高品質(zhì)的團(tuán)礦是成功完成回轉(zhuǎn)窯操作的必要因素，諸如較好的熱效應(yīng)、理想的溫度分布、防止回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈、減少煙塵含量。表3 礦物典

10、型的組分構(gòu)成批次含水燒損SiO2FeAl2O3Ni+CoCr2O3CaOMgOMgO/SiO2A24.110.542.511.80.92.551.00.124.70.58B25.710.640.613.01.02.561.10.124.60.61C28.78.945.812.12.12.360.90.621.20.46D29.510.641.715.20.92.321.20.120.70.50 (a)原料 使用的原料是硅鎂鎳礦，使用無煙煤和焦粉作為還原劑，燃煤和石灰石作為溶劑，典型的化學(xué)組分構(gòu)成見表35。因為產(chǎn)品是直接使用于不銹鋼生產(chǎn)中，所以當(dāng)中的磷含量要控制在0.020%以下，因此我們使用了

11、含磷量較低的特種煤。關(guān)于產(chǎn)品中的硫含量不做特別的限制，這是因為AOD法冶煉不銹鋼有足夠的脫硫能力，同時硫在還原后的金屬聚集中還扮演著重要的角色。 (b)制團(tuán) 我們原來采用浸濕過程，即原料在篩選之后進(jìn)行濕式研磨，之后利用壓力較低的設(shè)備制成條狀團(tuán)塊，當(dāng)中的含水率在32%左右。制團(tuán)這個過程在1984年進(jìn)行了改善，改進(jìn)后的團(tuán)塊含水量降為18%，提高了團(tuán)塊的強(qiáng)度并節(jié)省了能源，這樣做的結(jié)果是增加了裝料量同時回轉(zhuǎn)窯獲得了穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。表4 燃料的典型化學(xué)組分項目總水分內(nèi)水灰分揮發(fā)份固定碳磷硫熱值無煙煤4.012.36.477.30.0040.146240焦粉26.212.02.084.80.0040.50

12、6920煤A11.04.315.639.141.00.0071.56310煤B15.07.07.040.054.00.0030.236400表5 典型的石灰石化學(xué)組分燒損SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOPS43.630.290.100.1555.080.370.0040.007 這些完成的工藝過程改進(jìn)工作中，添加了氣落式磨礦機(jī)用于研磨和干燥礦物、混合及混磨機(jī)和制團(tuán)機(jī)等新設(shè)備。利用礦物特性調(diào)整礦物混合比例、通過可靠的含水量的調(diào)控生產(chǎn)出高品質(zhì)的團(tuán)塊，在這一階段，無煙煤、焦粉和石灰石等所有成分都添加進(jìn)團(tuán)塊當(dāng)中。 團(tuán)塊在回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行過程中起到了安全穩(wěn)定的作用，圖2表示的是礦物中粘土成分和水含量

13、在成塊過程中的相關(guān)性。冶煉 (a)回轉(zhuǎn)窯的實(shí)際特性 圖3展示了工藝過程典型的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，如圖展示的那樣，團(tuán)塊連續(xù)不斷地進(jìn)入到爐排當(dāng)中，與逆流行進(jìn)的熱煙氣完成熱交換之后進(jìn)入到回轉(zhuǎn)窯之中。在回轉(zhuǎn)窯里，團(tuán)塊平均行進(jìn)速度是6m/h。在行進(jìn)期間，燃料煤燃燒產(chǎn)生的熱煙氣與其逆流行走，所有冶煉過程的各個階段為：脫水、還原、團(tuán)塊崩裂、熔渣生成、還原后金屬顆粒聚集。碳進(jìn)入到團(tuán)塊中作為燃料和還原劑參與反應(yīng)。工藝過程中最重要的技術(shù)是，通過團(tuán)礦均勻地加入到回轉(zhuǎn)窯中，完成了一個穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時獲得穩(wěn)定的溫度場，團(tuán)塊中的碳質(zhì)材料通過調(diào)控配比給預(yù)熱器提供了穩(wěn)定的獲取煙氣的條件。如團(tuán)塊品質(zhì)較低，那么入窯供料速率會發(fā)生變化，

14、或者內(nèi)部所含的碳質(zhì)材料擴(kuò)散，將會導(dǎo)致物料與回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁接觸部位局部過熱或過冷，從而增加細(xì)顆粒煙塵，并使窯內(nèi)抽力情況惡化。這些問題被認(rèn)為是生成窯環(huán)、縮短耐火材料使用壽命、破壞金屬聚集的根本問題。圖2 團(tuán)塊強(qiáng)度相關(guān)條件圖3 回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行 (b)回轉(zhuǎn)窯當(dāng)中的反應(yīng)行為 圖4是計算機(jī)模擬以及我們停產(chǎn)檢修后關(guān)于溫度場和反應(yīng)狀態(tài)的調(diào)查結(jié)果，應(yīng)該注意在圖中，在爐排當(dāng)中（預(yù)熱器），由于發(fā)生的抽力被品質(zhì)較好的團(tuán)塊克服而有效地完成了熱交換，通過爐排之后的煙氣溫度為90。 團(tuán)塊行進(jìn)至回轉(zhuǎn)窯中部的時候，脫水、結(jié)晶水蒸發(fā)、石灰石分解等過程完成。鐵、鎳氧化物被還原氣還原開始的時候，因為體積膨脹以及逐漸軟化的關(guān)系，團(tuán)塊崩裂。為

15、了有效利用團(tuán)塊當(dāng)中碳質(zhì)材料作為還原劑和燃料的作用，合理地控制其反應(yīng)性是其中的一項本質(zhì)因素。圖4 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部反應(yīng)狀況 物料移動至回轉(zhuǎn)窯出口約30米的時候，物料溫度上升至1100以上，在這個階段，熔渣生成反應(yīng)開始，同時還原反應(yīng)發(fā)生。鎳氧化物呈橄欖石結(jié)構(gòu)（Ni,Mg）2SiO4，而鐵氧化物也生成同樣的結(jié)構(gòu)形式Fe2SiO4，它們在高溫下與游離的二氧化硅產(chǎn)生反應(yīng)生成固溶體。這種半熔融條件下的鎳氧化物的還原反應(yīng)，如果以熱化學(xué)觀點(diǎn)考慮的話，是很難解釋的。如圖4表示的那樣，盡管鎳、鐵氧化物所生成的自由能相差很大，但是兩者的還原反應(yīng)幾乎是同時發(fā)生的。 在12501400溫度、半熔融條件下，準(zhǔn)確地解釋還原后金屬

16、顆粒的聚集機(jī)理是很困難的，我們打算以隨后的模型來說明聚集的問題。在熔渣懸浮系統(tǒng)中，金屬顆粒在熔渣中的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，這點(diǎn)適用于我們的工藝過程，金屬顆粒和熔渣界面之間在金屬聚集上有很大的影響。根據(jù)我們的經(jīng)驗，物料當(dāng)中的硫、氧化鈣或者是氧化鋁對于促進(jìn)聚集是非常有幫助的。熔渣中的鐵氧化物也幾乎同時發(fā)生聚集效應(yīng)，在另一方面，熔渣中過度殘留的碳對于金屬聚集是有害的。 硫在金屬顆粒表面有利于金屬的聚集，它能夠降低熔點(diǎn)以及金屬顆粒局部界面張力，這些現(xiàn)象被認(rèn)為會導(dǎo)致金屬顆粒的趨附性。如同熔渣界面的狀態(tài)，降低粘度適于金屬顆粒的遷移使其聚集。可是在我們的熔渣系統(tǒng)中應(yīng)用離子結(jié)構(gòu)理論比較困難，SiO4-4在熔渣金屬界

17、面的濃縮行為增加了界面的活度。此外，諸如CaO、Al2O3或者是FeO等網(wǎng)狀系統(tǒng)的破壞者，能夠移動到界面處并增加該處的活度。CaOCa2+O2-Al2O32Al3+3O2-FeOFe2+O2- 由此，金屬顆粒和渣相之間界面處大概因粘度的減少而促成了金屬顆粒的移動。 熔渣中過度殘留的碳能夠增加表觀粘度使得損害了金屬顆粒的團(tuán)聚。 在圖5中，是上文提及的模型簡圖。而圖6則展示了熔渣和金屬界面的掃描結(jié)果。圖中的69是當(dāng)S在金屬顆粒表面濃縮的時候，Ca和Fe在熔渣界面處的富集狀態(tài)。相似的是，Si和Al在熔渣界面處同時進(jìn)行濃縮行為。圖5 金屬團(tuán)聚反應(yīng)過程中的彌散系統(tǒng)懸浮模型 界面區(qū)域的分析結(jié)果與模型所描述

18、的狀態(tài)非常一致。 圍堰的高度、燃燒器的位置、熔渣中殘留碳的控制等因素，以促成還原后的金屬顆粒團(tuán)聚的實(shí)際角度看，都是非常敏感的因素，這些條件的可靠性都是保證金屬團(tuán)聚所需要的恰當(dāng)粘度、行走時間的根本條件。 實(shí)際上，自從改進(jìn)制團(tuán)過程之后，關(guān)于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)圈、料層偏移、熱效應(yīng)的均勻性等問題已經(jīng)得到了明顯改善。 這些得到改進(jìn)的問題能夠保證還原后的物料最終得以水淬，使反應(yīng)過程中產(chǎn)生的細(xì)煙塵和含碳物料的行進(jìn)過程變得均勻。 原料經(jīng)回轉(zhuǎn)窯冶煉后生成含金屬的渣塊最終排出，為了抑制氧化以及便于破碎，排出的渣塊馬上水淬。水淬后的渣塊之后運(yùn)送至分離工序。 在分離工序中，渣塊被馬西磨破碎成小于2mm的顆粒，之后如圖1中演示

19、的那樣，利用跳汰機(jī)和磁選機(jī)進(jìn)行熔渣和金屬的分離。磁選分離的金屬中，約有10%返回回轉(zhuǎn)窯參與冶煉，熔渣主要作為建筑材料的原料。稱之為“粒鐵”的鎳鐵產(chǎn)品的典型組分構(gòu)成見表6。盡管含有少部分熔渣，粒鐵也能夠直接應(yīng)用在不銹鋼生產(chǎn)當(dāng)中。表7是典型熔渣的化學(xué)組分構(gòu)成。以礦物學(xué)觀點(diǎn)看，當(dāng)中含有頑火輝石（MgO·SiO2）、少量的鎂質(zhì)橄欖石（2MgO·SiO2）和部分游離二氧化硅。冶煉一噸礦物（干基）大約產(chǎn)出80%的熔渣和10%的金屬。圖6 熔渣金屬界面中S在金屬表面富集的掃描圖片圖7 熔渣金屬界面中Si在熔渣表面富集的掃描圖片 最終，回轉(zhuǎn)窯和預(yù)熱器在冶煉過程中的熱平衡見表8。總的熱效率為

20、78%，如表中的描述，冶煉過程中主要的熱收入是無煙煤和煤炭，此過程中沒有消耗電能。鎳產(chǎn)品生產(chǎn)過程中從原料制備、渣塊處理以及其它的機(jī)械運(yùn)行等輔助用電大約為5000KWH/t產(chǎn)品。因此上，該工藝過程所消耗的能源成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它生產(chǎn)鎳鐵諸如El-kem工藝過程，所以說我們的大江山工藝是一種能源成本較低的工藝過程。表6 粒鐵典型的化學(xué)組分Ni+CoCPSCrSi渣21.90.030.0190.440.190.012.0表7 熔渣的典型化學(xué)組分Ni+CoSiO2FeAl2O3MgOCaOCS0.253.46.02.528.45.70.20.07表8 熱平衡熱收入熱支出項 目Kcal/t礦%項 目Kca

21、l/t礦%無煙煤和焦粉847.6×10374.6渣塊顯熱389.5×10334.3燃料煤287.5×10325.4蒸發(fā)潛熱171.2×10315.1反應(yīng)熱327.0×10328.8廢氣顯熱90.5×1038.0熱損失及其它156.9×10313.8總 計1135.1×103100.0總 計1135.1×103100.0結(jié) 論 我們的大江山工藝是一個非常有特點(diǎn)的工藝過程，在鎳鐵冶煉上是消耗能源極低的，因此其主要的技術(shù)成果就是應(yīng)用了低能源消耗。 通過不斷地改進(jìn)，我們已經(jīng)成功地獲取了鎳鐵冶煉低成本的結(jié)果，通過改進(jìn)制團(tuán)過程，很好的控制了冶煉過程中的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，獲得了較高的回收率。這一工藝過程同時也為不銹鋼生產(chǎn)提供了一個高品質(zhì)的鎳資源，穩(wěn)定地確立了一條綜合性的不銹鋼生產(chǎn)線。參 考(1) Boldt, J,R, 1967. The Winning of Nickel, Methuen, London,(2) Arai, H., 1981., In: Nippon-Kogyo-Kalshi. Vol. 57, No, 119,2.(3) Watanabe, T., et al., 1980. High blow rate tuy