鎳鐵生產工藝課件

1、鎳鐵生產工藝鎳鐵生產工藝1、鎳鐵的來歷、成分和消費市場、鎳鐵的來歷、成分和消費市場 我國不銹鋼和電池行業(yè)的快速發(fā)展，國內鎳產品供應將面臨長期短缺的局面。2005年以來國際市場鎳價非理性的不斷上漲對國內鋼鐵業(yè)發(fā)展構成了新的挑戰(zhàn)。我國民營企業(yè)使用火法冶煉從菲律賓和印度尼西亞進口的紅土鎳礦礦石，大量生產鎳鐵合金作為冶煉不銹鋼的配料，成功狙擊了國際市場的瘋狂炒作，鎳價大幅下降，市場將逐步恢復理性。 我國鎳金屬生產技術已有重大突破，擁有自主知識產權，紅土鎳礦經高爐冶煉鎳鉻生鐵，生產出大批鎳生鐵的實際成效。技術變革及其快速進入生產應用領域，成功狙擊了國際市場的瘋狂炒作，2007年6月國際市場鎳價大幅下降。

2、在市場高鎳價的情況下，2005年開始，國內民營企業(yè)開始利用煉鋼高爐轉產冶煉紅土鎳礦礦石生產鎳生鐵。我國民營企業(yè)開始大規(guī)模利用從菲律賓和印度尼西亞進口的紅土鎳礦礦石冶煉鎳生鐵，此后進口礦石量逐月增加，到2007年底利用進口礦石約300多萬噸，產出鎳生鐵的含鎳量約3萬噸。2007年全國生產鎳生鐵的中小企業(yè)達到100多家，l9月進口礦石1200萬噸左右。 目前我國中小企業(yè)生產的鎳生鐵的含鎳量多在4 8，只能用作冶煉不銹鋼的配料，在冶煉不銹鋼時，尚需加入一定量的精煉純鎳。只有提高技術使鎳生鐵中的含鎳量達到l215，才能在冶煉不銹鋼時完全替代純鎳。這就是產生礦石積壓在港口的原因，也是今后民營企業(yè)需要攻克

3、的技術難關。據最新資料，個別技術先進的企業(yè)已經可以生產出鎳含量10以上的鎳生鐵了。我國使用火法利用紅土鎳礦冶煉鎳生鐵，使不銹鋼生產原料構成發(fā)生了重大變革，改變了全球不銹鋼生產原料鎳的供需格局，也改變了世界不銹鋼產業(yè)發(fā)展的格局。低成本利用礦石質量較差的紅土鎳礦資源，符合資源節(jié)約型的歷史發(fā)展趨勢，翻開了我國不銹鋼生產史的新篇章。目前，高爐法的低品位產品市場容量已經飽和，加快發(fā)展10以上品位的回轉窯工藝，可以進一步擴大紅土礦火法鎳的市場容量。2、紅土鎳礦用回轉窯生產鎳鐵的工藝和技術、紅土鎳礦用回轉窯生產鎳鐵的工藝和技術大型焙燒還原回轉窯是整個紅土鎳礦冶煉工藝流程中關鍵設備之一，礦石經干燥后進入回轉窯

4、，在回轉窯內加熱到800后去除礦石表面水分及結晶水，并部分還原礦石中的鐵、鎳和鈷氧化物，進入電爐熔煉。 回轉窯工藝與高爐法或電爐法等工藝相比有如下優(yōu)點： （1）、熔煉的主要能源為煤, 而不是昂貴的焦炭或電能。 （2）、原料的自由選擇, 可用東南亞的各種紅土鎳礦。 （3）、所產高鎳鎳鐵質量高（含Ni20%左右），可直接用作不銹鋼的生產原料。 （4）、同時可作為鋼水熔煉時的冷卻劑。熔煉方法和工藝如下： 預處理步驟是將原料紅土鎳礦磨細后, 與含碳物料和熔劑石灰石混合, 然后連續(xù)給入回轉窯。在回轉窯中, 物料與煤燃燒所產生的熱氣流逆流運動,經受所有熔煉步驟干燥, 脫水, 還原和金屬成長。金屬是在窯中半

5、熔融條件下生成的。燒成的物料熔塊從回轉窯出來就將它水碎,磨細后, 用重選和磁選機將還原成的鎳鐵合金從排出的熔塊中分離出來。分離出來的鎳鐵呈直徑23毫米的沙狀顆粒, 并夾帶12%爐渣, 其化學組成為C 0.1%, Ni1822%, S 0.45%, P 0.015% 。此產品不管含硫多高均適用于煉鋼過程, 因煉鋼時有很好的脫硫能力。沙狀顆粒在煉鋼過程中相當有利于連續(xù)加料和作為冷卻劑物料快速溶解?；剞D窯生產工藝鎳和鐵的回收率都很高，均在90%以上。3、財務分析、財務分析 目前鎳市場處于低谷，電解鎳大約10萬元/噸，相當于鎳鐵為1000元/噸度（1%Ni或稱一個Ni，相當于10Kg鎳）。當前進口紅土

6、鎳礦國內港口價為400元左右/濕噸（低鐵高鎳礦，約2%左右Ni，10%左右Fe），相當于200元/噸Ni。 以上述紅土鎳礦為例，加工一噸紅土鎳礦可得20%左右高鎳鎳鐵100Kg左右，生產總費用約250元/噸礦，礦石成本500元（加運費），噸成品約需10噸原礦，總成本約7500元，售價約2萬元左右（20%Ni），利潤1萬元以上，利潤率100% 。有適合鎳鐵生產的回轉窯生產線，無須固定資產投資，投資1000萬元流動資金即可租賃生產線生產（租金極其低廉）。該生產線年加工能力為原礦10萬噸，可生產高鎳鎳鐵1萬噸，產值2億元，利潤1億元。一、鎳、鎳鐵與鎳礦一、鎳、鎳鐵與鎳礦 鎳是略帶黃色的銀白色金屬，是

7、一種具有磁性的過渡金屬。鎳的應用在于鎳的抗腐蝕性，合金中添加鎳可增強合金的抗腐蝕性能。不銹鋼與合金生產領域是鎳最廣泛應用領域。全球約23的鎳用于不銹鋼生產，因此不銹鋼行業(yè)對鎳消費的影響居第l位。鎳在不銹鋼中的主要作用在于它改變了鋼的晶體結構。在不銹鋼中增加鎳的一個主要原因就是形成奧氏體晶體結構，從而改善諸如可塑性、可焊接性和韌性等不銹鋼的屬性，所以鎳被稱為奧氏體形成元素。目前全球有色金屬中，鎳的消費量僅次于銅、鋁、鉛、鋅，居有色金屬第5位。因此，鎳被視為重要戰(zhàn)略物資，一直為各國所重視。 鎳鐵主要成分為鎳與鐵，同時還含有Cr、Si、S、P、C等雜質元素。根據國際標準（ISO）鎳鐵按含鎳量分為Fe

8、Ni20（Ni 1525）、FeNi30（Ni 2535）、FeNi40（Ni 3545）和FeNi50（Ni 4560）。又再分為高碳（C 1.02.5）、中碳（C 0.0301.0）和低碳（C 0.03）；低磷（P 0.02）與高磷（P CoOFeO，Ni比鐵優(yōu)先還原，所以合金中鎳的品位高。隨焦粉用量增加，更多地鎳、鈷、鐵的氧化物被還原，金屬回收率增加。鎳的回收率在焦粉用量超過一定值后增長平緩，說明焦粉用量達到一定值后再增加，對提高鎳的回收率作用不大，要想繼續(xù)增加鎳的回收率，應該從減少渣中鎳的損失方面考慮。金屬回收率增加的同時，由于被還原的鐵的量比鎳多，因此合金中鎳的品位降低，下降的趨勢先

9、快后慢，焦粉用量超過一定值以后，鎳的品位降低，且焦粉用量多導致合金中的C含量明顯增加，合金質量變差。焦粉用量還影響渣中FeO的量，焦粉用量越多，被還原的鐵越多，渣中FeO的量就越少。FeO對熔渣的反應能力及物理性能有重要的影響，它能大大降低爐渣熔化溫度和粘度，起著稀釋爐渣的作用，對冶煉有一定好處。FeO的含量還決定爐渣的氧勢，從而決定鎳鐵中碳、硅、鉻、磷等雜質的含量，熔渣FeO過低，造渣困難，爐渣的反應能力低，FeO過多又會增加金屬損失及爐襯侵蝕。因此，焦粉用量應適當。焦粉用量直接影響還原熔煉的氣氛，決定鎳的品位和金屬回收率。鎳鐵的品位是鎳鐵生產的重要參數，影響產品價格、鎳的回收率、電爐的產量

10、、運輸成本等。焦粉用量少時，鎳的品位高，由于熔煉過程中，鎳在合金和渣中存在一個平衡，鎳鐵中Ni品位高，渣含鎳也高，而且渣的化學損失(鎳的氧化物)和物理損失(渣中夾帶)也增加，鎳的回收率降低。但鎳鐵品位過低則不能滿足不銹鋼廠用鎳鐵合金替代電解鎳的要求，且低的鎳品位需要還原較多的鐵，增加焦粉用量和能量消耗。焦粉用量對合金中S含量的影響渣中FeO含量對LS的影響隨著焦粉用量的增加，合金中S含量減少。焦粉用量對S分布的影響一方面是通過影響渣FeO含量來實現，另一方面，合金中C含量增加有利脫S。另外，不可忽視的是，隨焦粉用量增加，合金質量大大增加，在進入合金中的總S改變不大的情況下，合金中的S質量分數會

11、下降。隨著渣中FeO含量增加，硫分配比呈下降趨勢。隨焦粉用量增加，被還原的鐵就會增加，因此渣中FeO含量減少，對脫硫有利，從而合金中S含量降低。焦粉用量對合金中P含量的影響渣中FeO含量對LP的影響焦粉用量對P分布的影響主要是通過影響合金質量，其次是影響渣中FeO含量來體現的，隨渣中FeO含量增加LP增加。此外，在一定的條件下，增加爐渣中FeO含量會使爐渣的粘度顯著降低，流動性增強。因此爐渣中FeO含量越高，越有利于脫磷反應的進行?？偟膩碚f，由于酸性渣中脫磷效果不明顯，在渣量很大的情況下仍有相當一部分P進入合金，且LP隨焦粉用量增加、渣中FeO含量減少而減少時對進入合金的總P的改變不大，但隨焦

12、粉用量增加，被還原的金屬增加，合金質量的相對增加量大，導致合金中P含量降低。 紅土鎳礦中有一部分Fe203未被還原為金屬，而是還原為FeO進入渣，渣中一定量FeO的存在使得CaO一MgO一SiO2相圖中CaOMgO2SiO2的初晶區(qū)擴大，并能稀釋爐渣。加入一定量石灰石使渣的組成進入CaOMgO2SiO2的初晶區(qū)。當爐渣組成在這一初晶區(qū)時，爐渣的熔點最低，低熔點使得熔煉條件易于達到并能節(jié)省能源。 所用紅土鎳礦含SiO2高達43.9%，MgO含量為17.01%，CaO只有2.44%，爐渣的自然堿度低，粘度大，對于金屬與渣的分離和金屬回收率的提高十分不利，需往爐料中加入石灰石作為熔劑造渣，增加渣中所

13、必需的成分氧化鈣，降低渣的熔化溫度，降低粘度，增加堿度，還可減少渣的比重，這對熔煉操作很有價值，因為爐渣可以在更低的溫度下保持良好的流動性。鎳的硅化物較碳化物和硫化物穩(wěn)定，因此當合金中硅含量增高時，碳含量和硫含量低。爐渣與合金成分關系表明：增加渣中CaO含量能抑制硅的還原。石灰石用量對熔煉的影響石灰石用量對熔煉的影響（僅供參考）（僅供參考）石灰石用量對合金質量的影響 石灰石用量對鎳品位的影響 石灰石用量對金屬回收率的影響 結果表明，若不加石灰石或石灰石加入量少于一定值時，渣的熔點高，粘度大，流動性差，被還原的鎳鐵不能沉降和渣分離，而是夾雜在渣中；隨著石灰石用量的增加，渣的組成趨于合理，性能得到

14、改善，保證了熔煉過程的順利進行，金屬在渣中的傳質更為充分，夾雜損失少，因此所得合金質量增加，金屬回收率上升。金屬回收率:鎳鈷鐵，符合選擇性還原原理，鎳優(yōu)先還原。 如前所述，合金質量少時，鎳的品位高，而隨著金屬的回收率增加，被還原的鎳的質量比鐵少，鎳在合金中的品位有所下降。但當石灰石用量超過一定值以后，石灰石的分解產生的CO2增加，這些CO2在高溫下和焦粉反應，消耗部分還原劑，使得熔煉的有效還原劑減少，因而造成合金質量下降，金屬回收率下降，鎳的品位上升，這與焦粉用量少時鎳鐵品位高而金屬回收率低的規(guī)律一致。另外，加入石灰石太多造成渣量過大，對耐火材料侵蝕嚴重，且機械夾雜和溶解損失多，導致Ni的回收

15、降低。 綜上所述，石灰石的加入不僅調整了堿度，降低了爐渣的熔點和粘度，也影響著金屬的回收率和合金中鎳的品位。綜合考慮鎳鐵品位和金屬回收率，選擇最佳的石灰石用量。用石灰石脫硫，碳酸鈣受熱分解，形成的CaO有很高的活性，脫硫能力強，并且放出的C02能起到攪拌作用，加強傳質，CaO脫硫時，在固體石灰表面生成的CaS是多孔質的，利于S2-向其內的CaO表面擴散。石灰石用量對S分布的影響主要是通過影響渣中CaO含量和堿度來實現。石灰石在熔煉的時候分解為CaO和C02，CaO在熔煉溫度下不會被還原，因此隨石灰石用量增加，渣中CaO含量就增加。石灰石用量對合金中S含量的影響渣中CaO含量對LS的影響隨著渣中

16、CaO含量增加，硫分配比呈上升趨勢。按照分子理論，石灰石分解產生的氧化鈣(CaO)是脫硫反應的反應物，爐渣中(CaO)增多，能大大地促進在金屬爐渣界面上進行的脫硫反應，此外，石灰石降低渣的熔點，減少粘度，有利于脫硫。而根據離子理論，CaO帶入脫S反應所需的02-，雖然所有的堿性氧化物都能提供02-，但Ca2+帶入的02-的作用最大，又因S2-的半徑比02-的半徑大，所以Ca2+主要集中在S2-的周圍，形成弱離子對，降低rs2-，硫分配比增大。此外，在其他條件不變的情況下，(CaO)增加還使爐渣堿度提高，渣中02-濃度提高，復雜的硅氧復合陰離子解體分裂形成較簡單的硅氧復合陰離子，故爐渣的脫硫能力

17、提高。但是CaO含量增加到一定程度后，Ls增加的趨勢不再明顯，這是因為石灰石用量達到一定值后，分解產生的CO2會削弱體系中的還原氣氛，對脫S不利，因此Ls改變不大，合金中S含量下降變緩。石灰石用量對合金中P含量的影響渣中CaO含量對LP的影響石灰石用量對P分布的影響主要是通過影響渣中CaO含量和堿度來實現。隨著渣中CaO含量增加，P分配比呈上升趨勢。依分子理論，CaO的脫磷能力表現在它與P2O5結合成2CaOP2O5，3CaOP2O5和4 CaOP2O53種磷酸鹽而使P2O5固定于爐渣中，CaO還會與SiO2結合消除其對脫磷的有害作用，因此隨石灰石用量增加，合金中P含量降低。根據離子理論，加入

18、CaO能提高堿度，引入的Ca2+能與PO43-形成弱離子對，提高PO43-的穩(wěn)定性，降低其活度系數，同時CaO供給的O2-促進PO43-的形成的同時還與Fe2+形成Fe2+O2-對，提高FeO(Fe2+O2-)的活度。因此，石灰石用量越多，LP越大，合金中P含量越低。鎳鐵狀態(tài)圖溫度對熔煉的影響溫度對熔煉的影響從鐵鎳狀態(tài)圖可知，Fe與Ni組成的任何比例的固溶體其熔點均在1400以上，而含Ni20%的鎳鐵的熔點在1460左右，因此冶煉溫度必須控制在此溫度以上，考慮到需一定的過熱度，可將冶煉溫度選擇在1550一1600左右。溫度對合金質量的影響溫度對合金中Ni品位的影響溫度對金屬回收率的影響 當溫度

19、為1400時，在渣中發(fā)現鑲嵌的鎳鐵珠，但沒有鎳鐵合金塊沉積在坩堝底部。說明在1400的溫度下，渣的粘度很大，被還原的鎳鐵不能順利沉降，渣鐵分離不好。 溫度為1450和1500時，有鎳鐵合金出現，且合金的質量較大，但合金中Ni的品位較低，這是因為合金和渣分離不好，渣在合金中的夾雜比較嚴重，導致合金的質量不佳。溫度為1550和1600時，合金與渣分離良好，合金質量略有減少，但鎳的品位增加，合金表面光滑并有一定的金屬光澤。 從溫度對金屬回收率影響的圖中可以看出，溫度高于1500時對金屬回收率的影響不明顯。兼顧合金的產品質量和節(jié)能降耗、設備要求等，選擇最佳熔煉溫度為1550，溫度低于1500時，渣在合

20、金中的夾雜嚴重，影響合金質量，溫度過高則增加爐子的升溫負擔且對耐火材料的消耗加大。時間對熔煉的影響時間對熔煉的影響時間對合金質量的影響時間對金屬中Ni品位的影響時間對金屬回收率的影響 由圖可知，時間對熔煉影響不大，合金中鎳的品位保持在20%左右，Ni的回收率隨熔煉時間增加而增加，繼續(xù)延長時間，鎳的回收率增加速度變緩。鈷和鐵的回收率隨時間增加略有增加，但一定時間后，回收率反倒有下降的趨勢。 試驗表明，當還原溫度一定時，由于金屬相和渣相的傳質更充分，鎳、鐵回收率隨著還原時間的延長而提高;但是隨著時間的延長，還原劑逐漸被消耗至盡，爐內的還原氣氛逐漸減弱，局部會出現氧化性氣氛，可能會出現鎳和鐵的重新氧

21、化，導致合金質量減少，金屬回收率降低，而且冶煉時間越長，生產效率越低，電耗也越高。綜合考慮能耗和生產效率等因素，應控制合適的冶煉時間。最佳熔煉條件下渣的化學成分分析成分TFeFeOSiO2Al203CaOMgOCONi含量6.455.0251.070.899.5427.080.00160.048電爐冶煉鎳鐵使用的鎳礦NiO、FeO含量低。多數廠家由于對FeO存在不同程度的選擇性還原，造成爐料配焦量少，料層導電能力差，爐渣堿度低，使電極容易深插；而鐵水量少，造成爐底鐵水層薄，導電強，極容易造成電弧高溫區(qū)對爐底極心圓區(qū)域的熔蝕和鐵水對該區(qū)域耐火材料的沖刷及滲透性侵蝕。在對多家鎳鐵廠拆爐現場觀察中，

22、可以看到，不管是以碳磚或鎂磚砌筑爐底還是鎂質材料打結爐底，在爐底的中下部磚縫或打結料冷熱收縮縫處，均出現滲鐵現象，特別是碳磚砌筑爐底，開爐不到2個月，鐵水已滲入第二層碳磚底部；因而，鎳鐵冶煉宜采用高二次電壓、大電極直徑、降低極心圓和爐底功率密度，緩解上述現象的發(fā)生并減輕爐渣對爐襯耐火材料的侵蝕。表3-1 冶煉鎳鐵不同功率礦熱爐使用參數（供冶煉技術分析用）電爐功率/MVA12.524.027.045.05163.0電極直徑/mm125015001380200018001500極心圓直徑/mm3150400038504150468050406400爐膛直徑/mm900097001250012500

23、13200168001900016750爐殼直徑/mm110001500015000180002100018000爐膛濕度/mm2800300021005750極心圓功率密度/(KVA/m2)16051910214926651959爐底功率密度/(KVA/m2)160196196197222180291二次電壓范圍/V1802702005002605204901090從表3-1數據可以看出，與生產硅鐵、錳硅、高碳鉻鐵同等功率礦熱電爐參數相比，鎳鐵礦熱電爐電極直徑偏大，極心圓功率密度、爐底功率密度明顯偏低，而使用的二次電壓較高。4、電硅熱法、電硅熱法鎳礦烘干破碎高溫脫水煅燒成塊配入熔劑礦熱電爐熔

24、化NiO熔體倒人反應包向反應包加入45硅鐵倒包反應粗鎳鐵降P、Si精煉鎳鐵。電硅熱法工藝是以Si作還原劑，在高溫條件下，對NiO、FeO等氧化物進行還原，生成鎳鐵。 據資料介紹，國外電硅熱法工藝是在爐外，通過倒包操作，使加入的Si對熔體中的NiO進行還原，生成鎳鐵，與熱兌法生產微碳鉻鐵的反應機理和工藝操作基本相同，因而，可稱之為熱兌法工藝。 火法冶煉工藝火法冶煉工藝硅鎂鎳礦通常采用火法冶金工藝處理。火法主要有兩種：一種是用鼓風爐或電爐還原熔煉得到鎳鐵，又稱鎳鐵法；另一種是添加硫化劑進行硫化熔煉生產鎳硫，又稱鎳锍法。鎳鐵法是采用電爐熔煉，可以達到較高的溫度，爐內的氣氛也比較容易控制。但為了保證礦

25、石處理的經濟性，通常要求礦石達到一定品位，所以在開始熔煉前，首先需對礦石進行篩選，排除風化程度低，品位低的礦石。 爐料需預先在回轉窯中干燥脫水，在700800條件下進行預焙燒。所得焙砂與粒度在1030mm的揮發(fā)性煤混合一起加入電爐進行還原熔煉，產出粗鎳鐵合金。在電爐還原熔煉的過程中幾乎所有鎳和鈷的氧化物都被還原成金屬，而鐵則不必全部還原成金屬，鐵的還原程度可通過還原劑的加入量加以調節(jié)。粗鎳鐵合金再經過精煉產出成品鎳鐵合金，鎳鐵合金主要供生產不銹鋼。采用該法生產鎳鐵合金的工廠主要有法國的新喀里多尼亞多尼安博冶煉廠、哥倫比亞塞羅馬托莎廠和日本住友公司的八戶冶煉廠，鎳鐵產品中含鎳2030%，全流程回

26、收率為9095%，鈷進入合金。火法工藝主要應用于處理硅鎂鎳礦，適合于處理鎳含量1%，鐵含量30%左右，鈷含量低的紅土鎳礦。其最大特點是處理工藝簡單，流程短。缺點是鈷也進入鎳鐵合金或鎳锍中，失去了鈷應有的價值。火法工藝處理氧化鎳礦生產鎳鐵合金具有流程短、效率高等優(yōu)點，但能耗較高，其操作成本中的最大構成項是能源消耗，如采用電爐熔煉，僅電耗就約占操作成本的50%，再加上氧化鎳礦熔煉前的干燥、焙燒等預處理過程的燃料消耗，能耗成本可能要占65%以上。而礦石含鎳品位的高低對火法工藝的生產成本起著重要的作用，低品位的礦由于冶煉時礦石量大，能耗高，冶煉成本就高，礦石含鎳提高0.1%，生產成本大約可以降低3-4

27、%，因此目前火法工藝主要處理高品位的紅土鎳礦。濕法工藝成本上比火法低，但處理氧化鎳礦工藝復雜、流程長、工藝條件對設備要求高，因此從投資、建設周期、技術成熟的角度出發(fā)，火法仍將是鎳鐵冶煉的主導工藝，火法冶煉鎳鐵還可以同時回收鎳和鐵，用于不銹鋼生產，具有較強的價格競爭及產能優(yōu)勢。綜上所述，解決火法工藝能耗高的難題以及開發(fā)新的濕法工藝處理中低品位鎳紅土礦將是今后鎳冶煉的發(fā)展方向。存在的問題和展望存在的問題和展望(1) 紅土鎳礦是鎳資源的主要形式,因此以紅土鎳礦為原料生產鎳鐵將成為未來發(fā)展趨勢。目前的鎳鐵冶煉工藝都存在一定的問題,中國現有的鎳鐵生產工藝多為高爐冶煉或礦熱電爐等高能耗高污染的落后工藝,而相對成熟先進的生產工藝掌握在少數發(fā)達國家手中,因此對現有工藝進行改進或研發(fā)新的冶煉工藝無疑會