镍铁冶炼的工艺

有关铁冶炼的工艺：
虽然红土镍矿处理工艺主要分为湿法冶炼工艺和火法冶炼工艺，但目前世界范围内比较成熟的利用红土镍矿冶炼镍铁合金的工艺方法仍旧以
火法冶炼为主。

火法冶炼镍铁是在高温条件下，以C（或Si）作还原剂，对矿中的NiO 及其他氧化物（如FeO）进行还原而得。

同时采用选择性还原工艺，合理使用还原剂，按还原顺序NiO、FeO、Cr2O3、SiO2进行还原反应。

NiO+C→Ni+CO↑ T=420℃（1）
FeO+C→Fe+CO↑ T=650℃（2）
Cr2O3+C→Cr+ CO↑
SiO2+C→Si+CO↑
因不同产地的镍矿成分不同，NiO及各种氧化物之间组成的化合物也有所不同，因而，在镍铁冶炼过程中，其实际反应较复杂。

反应生成的Ni 和Fe能在不同比例下互溶，生成镍铁。

从上述（1）、（2）反应式中可看出：NiO、FeO还原反应开始温度较低，而且，NiO的开始反应温度比FeO约低200℃；因而，火法冶炼镍铁过程中，尽管所采用的镍矿NiO含量较低，但NiO 90％以上被还原，而且，在Ni／Fe很低的情况下，可通过不同的工艺操作，使产品含Ni量提高到
较高水平，与铁合金其他产品（如高碳铬铁、硅合金等）相比，电炉粗镍冶炼难度相对较低。

目前我国镍铁冶炼主要采用高炉法和电炉法两种：
1、高炉法：
镍矿→脱水、烧结、造块→配入焦炭、熔剂→高炉冶炼→粗镍铁→精炼降Si、C、P、S→镍铁。

在国内，近年采用的火法冶炼镍铁较为普遍，主要是借用于现有炼铁小高炉直接转产，具体操作与小高炉生产生铁操作相似，特别适合于使用低Ni、高Fe镍矿生产低Ni镍铁（含镍生铁）。

该工艺仍以焦炭燃烧放热作为冶炼热能，入炉镍矿中FeO可被焦炭中的C充分还原，故粗镍铁中的Ni含量高低基本受限于入炉镍矿Ni／Fe的比值大小。

由于国家限制400 立方米以下小高炉的使用，而使用矿热电炉，利用低镍高铁镍矿，直接生产低Ni镍铁，其工艺的合理性和易操作性，似乎不及高炉法，因而采用大容量高炉冶炼低Ni镍铁值得关注和研究。

2、电炉法
镍矿→脱水、造块→配入焦炭、熔剂→电炉冶炼→粗镍铁→降C、Si、P、S精炼→镍铁。

电炉法是以C作还原剂，在电能高温条件下，对镍矿中的NiO、FeO
等氧化物进行还原，冶炼出镍铁，因而，在电炉冶炼过程中，调整合适的配炭量，限制FeO还原，可生产出Ni含量较高的电炉镍铁。

国外火法冶炼镍铁主要采用此工艺，国内厂家生产含Ni大于10％的产品时亦普遍采用。

主要冶炼设备为矿热电炉，国内个别厂家也有使用与电弧炉结构相似的电炉生产（其设备最大容量为9 MVA），其镍矿预处理方式，冶炼工艺的具体操作，精炼工艺设备配套情况及精炼效果均不尽相同，各项指标对比也存在一定差异。

电炉镍铁冶炼技术措施
2009年02月11日08:42 生意社
生意社02月11日讯 ?
由于炼钢技术的进步，原来采用纯镍类原料冶炼合金钢和不锈钢的钢厂，从经济角度考虑已改用非纯镍类，因此，火法冶炼发展很快。

处理红土镍矿的火法冶炼有两种冶炼方法，一种方法是用鼓风炉生产，另一种方法是电炉还原熔炼得到镍铁。

由于鼓风炉冶炼是最早的炼镍方法之一，随着生产规模扩大、冶炼技术进步、炼钢厂对镍类原料要求的提高，以及环境保护要求的提高，这一方法已逐步被淘汰。

采用电炉熔炼：(1)熔池温度易于控制，可以达到较高的温度，可处理含难熔物较多的原料，炉渣易于过热，有利于四氧化三铁的还原，渣含有价金属较少；(2)炉气量较少，含尘量较低；(3)生产容易控制，便于操作，易于实现机械化和自动化。

因此，电炉熔炼是发展趋势。

由于红土镍矿熔点在1600～1700K之间，组成红土镍矿的矿物氧化物稳定性依次为：CaO>SiO2>Fe203>NiO，氧化物稳定性大小决定该元素的还原性大小，因此，红土镍矿中各氧化物在还原性气氛中还原顺序为：NiO>Fe203>SiO2>CaO。

为了提高镍铁产品质量，电炉镍铁冶炼采用选择性还原原理，即缺碳操作：在电炉还原熔炼的过程中几乎所有的镍氧化物都被还原成金属，而铁则不必全部还原成金属铁，铁的还原程度通过还原剂焦炭的加入量加以调整，镍的比重较大，在生产中容易造成炉墙和炉底被侵蚀或烧穿(生产周期短的不到1个月)，电极事故频繁，产品含镍低。

因此，电炉镍铁冶炼关键技术是：(1)延长炉龄，(2)减少电极事故，(3)提
高产品含镍量和镍的回收率。

电炉镍铁冶炼技术措施
1)采用镁质材料筑炉，在筑炉过程中要配好粘合剂并控制用量；捣打时，每一层铺料厚度为40—60mm，并用风镐捣打紧密，捣打完扒毛后，方可铺料捣打下一层；在烘炉过程中要把水分烘干。

2)采用炭砖筑炉，改炭砖平放为竖放，并在炭砖中部打眼用小石墨电
极连接成整体，砖缝用炭质材料填充，同时用风镐捣打紧密。

3)在筑炉时，两个出铁口要有一定高差，生产前期使用高位出铁口，
当炉底侵蚀到一定程度时使用低位出铁口。

4)控制配碳量和提高二次人炉电压，控制电极下插深度，防止炉底侵
蚀。

5)控制好渣型，尤其是渣中的FeO含量，其既影响渣的导电性，又影
响渣的熔点，最终影响镍的回收率。

6)镍矿在人炉前需要预先经过干燥脱水，在干燥和预热时控制好配碳量和水分，有利于减少翻渣事故发生，同时也有利于因翻渣引起的电极事
故。

7)电极压放时，要勤放、少放；有条件的也可改用炭素电极或石墨电
极。

8)加强冶炼操作，勤观查，勤调节。

参考链接：
电能的消耗占镍铁总成本的30％～33％。

每吨商品镍铁的电力消耗与矿石的镍含量相关，在矿石镍含量为1．5％时，电能消耗约为600kWh／t干矿石。

在矿石的镍含量为2．5％时，每吨镍铁的电能消耗降到400kWh。

国外购入的含镍1．5％～2．0％的氧化镍矿石，其消耗量大致是12t／t 镍铁。

还原剂（无烟煤的煤粉）大约占矿石数量的8％；各种燃料的重量是50kg／t镍铁；氧气80m3／t镍铁；石灰5kg／t焙烧前的矿石。

镍铁精炼工艺
为了去除粗制镍铁中的杂质，采用了三步精炼工艺。

首先，从矿热炉放出粗制镍铁水到铁水包中，在这里向铁水包内加入苏打灰，加入的比例是每吨镍铁水14kg，镍铁水中的硫可以降到0．015～0．08％。

也可以向铁水包中喷入钝化的镁颗粒，这需要用特殊的蒸发器将颗粒镁喷入铁包内1．5m左右的深处。

这种工艺可以将镍铁水中的硫含量降到0．015％以下（近年来中国20多家钢铁公司从乌克兰引进这种工艺，应用于高炉铁水脱硫）。

将脱硫处理后的镍铁水上面的渣子倒掉以后，兑入到一座用酸性耐火材料做炉衬的氧气顶吹转炉中。

在酸性氧气顶吹转炉中，通过吹氧，硅被氧化，此时熔池的温度快速提高。

为了控制合适的熔池温度，需要向炉内加入生产过程中产生的金属废弃物或者购入的含镍的废料。

经过脱硅处理后的镍铁水再被装入到一座相同吨位的碱性氧气顶吹转炉中，通过顶吹氧气，去除镍铁水中的碳、磷及其它杂质。

为了造碱性的炉渣和降温，向转炉内加入石灰石。

在有充足的含镍废料时，可以用石灰代替石灰石。

从碱性氧气顶吹转炉中出来的镍铁水中的杂质含量已经符合商品镍铁标准的要求，含镍量提高到20％左右，可以作为商品镍铁出售。

上面这些操作是通过计算机控制系统来完成的。

3．帕布什镍厂的主要工艺装备和主要原料材料的消耗指标
这个工厂有两条平行的工艺生产路线。

每一条生产线上都装备有二台回转窑、一台变压器功率为48MVA的矿热炉（矿石还原炉）、一座容量为40t的酸性顶吹转炉、一座容量为40t的碱性氧气顶吹转炉。

二条生产线2004年产镍铁8．5万t（折合镍金属为1．7万t）。

主要的消耗指标是：
电能的消耗占镍铁总成本的30％～33％。

每吨商品镍铁的电力消耗与矿石的镍含量相关，在矿石镍含量为1．5％时，电能消耗约为600kWh／t干矿石。

在矿石的镍含量为2．5％时，每吨镍铁的电能消耗降到400kWh。

国外购入的含镍1．5％～2．0％的氧化镍矿石，其消耗量大致是12t／t镍铁。

还原剂（无烟煤的煤粉）大约占矿石数量的8％；各种燃料的重量是50kg／t镍铁；氧气80m3／t镍铁；石灰5kg／t焙烧前的矿石。

4．粗制镍铁的二步法精炼工艺
帕布什镍铁厂正在进行的扩建工程将采用多项先进技术。

下面介绍重点研究的二项技术（二步精炼工艺、直接冶炼镍基不锈钢）。

因为硫可以在转炉中脱除，因此可以将铁水包脱硫和酸性转炉脱硅合并在一个转炉中进行。

第一个转炉是酸性转炉，将其改造为顶底复合吹炼的碱性转炉，通过底吹氩气（氮气），在这个转炉中可以实现在还原性气氛下脱硅和脱硫。

从第一个转炉出来的镍铁水再进入第二个转炉内脱磷，在冶炼过程中要向炉内加入石灰石，保证合适的冶炼温度。

在这个转炉中冶炼合格的镍铁水送到铸造车间铸成块，其含镍金属的量为20％。

5．用粗制镍铁直接冶炼不锈钢的工艺
在上面的二步法精炼工艺中，只要将第二个转炉改造为GOR转炉，就可以直接生产出合格的30 0系列的不锈钢。

现在以10tGOR转炉采用这种工艺流程直接生产不锈钢的生产过程为例说明这个流程。

乌克兰冶金学院等大学和科研机构在前苏联时期开发出GOR转炉。

用这种转炉做为粗制镍铁精炼的第二座精炼转炉，可以直接生产X18H9(相当于中国的0Cr18Ni9)为代表的镍基不锈钢系列的各种钢种。

这种转炉是一种顶底复合吹炼的转炉；顶吹氧枪通过向炉内供氧，达到脱磷的目的；底吹喷嘴数量为3个，套管式的底吹喷嘴向炉内输送氧气、氮气、氩气、天然气及其这些气体的混合气体，达到脱磷（吹氧阶段）、深度脱硫、脱碳的目的。

这个炉子的原料除了从第一座脱硅、脱硫的精炼转炉来的热态镍铁水以外，还要加入直接来自矿热炉的粗制镍铁、石灰、大量的铬铁（以保证成分合格为限量），从而得到合格的不锈钢水。

这些钢水被浇铸成钢锭，供给无缝管轧机或带钢的初轧机。

镍厂工程建设并为帕布什厂的建设提供专利技术的乌克兰专家来华进行
技术交流。

这期间，对使用低含镍量的氧化镍矿石直接生产镍基不锈钢的
课题进行了深入的讨论。

第二座精炼转炉在顶吹氧脱磷任务完成以后，可
以直接转入GOR转炉的基本冶炼工艺，这时的主要任务就是进行铬的合金
化。

计算表明，为了冶炼合格的300系列不锈钢，一般要加入300kg／t
的高碳铬铁。

这些铬铁的熔化和提高温度所需要的热量来自加入第二座精
炼转炉（GOR转炉）中的粗制镍铁中的硅氧化产生的热量。

在向GOR转炉
加入铬铁以前，先向GOR转炉中加入这些粗制的镍铁。

会谈得出的结论是，这种方案将是不锈钢生产工艺中最有竞争力的一种创新工艺技术，用这种工艺生产不锈钢可以不用建设电炉熔化废钢以生产初炼钢水，节省了很多的投资。

这种工艺大大的节省了熔化镍铁和生产初炼钢水的电能，还使得镍铁精炼过程中被当做杂质而必须被氧化掉的金属铁直接进入不锈钢中，成为不锈钢中必须含有的金属铁。

在有不锈钢废钢资源时，还可以直接向精炼转炉中加入不锈钢废钢，降低熔化这些冷料所消耗的能量。

乌克兰专家强调：用12t湿的氧化镍矿石，生产1t的粗制镍铁水，其中含有140～180kg的金属镍，利用上述的工艺，只需要加入高碳铬铁，则可以直接生产出2t左右300系列的不锈钢，其成本比普通的冶炼工艺低很多。

这种工艺在不直接生产不锈钢时，也可以生产含镍20％的镍铁直接销售。

6．这种工艺适合于铁合金厂或小型转炉厂生产产品的转型
低镍含量的氧化镍矿石可以从东南亚国家购入，例如可以从新克里多尼亚的巴赫德公司的矿山或印度尼西亚硅镁镍矿购买、这两个矿山的镍矿含镍量为2．0％～2．5％。

中国西南不锈钢有限公司的60tGOR转炉已经采用氧化镍矿生产镍铁的工艺技术，于2006年3月份投入正常生产。

结合这两种技术，可以设计一种低成本的不锈钢冶炼工艺。