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RKOEF法制备高品级含镍铁水

2021-09-29 17:03:45 作者:huangj 来源: 浏览次数:0 网友评论 0

本文分析了RKEF工艺用红土镍矿生产含镍铁水的现状及其局限性,并在实验研究的基础上提出了革新RKEF含镍铁水生产工艺的方案“RKOEF”法供读者讨论。
 

薛正良,宋生强,杭桂华,胡智超

武汉科技大学材料与冶金学院
 

 

2020年我国不锈钢粗钢产量突破3000万吨,在全球不锈钢粗钢产量中的占比达到59.22%。目前,我国不锈钢生产消耗的镍主要依靠来自于红土镍矿经火法冶炼获得。在BF法、RHFEF法、RKEF法、RKDR法等已开发成功的火法冶炼工艺中,回转窑干燥/预还原-电炉熔分法,即RKEF(Rotary Kilm Electric Furnace)法,因工艺成熟,原料适应性强,生产过程和产品质量稳定而得到广泛应用。RKEF法始于20世纪50年代,由法国镍公司在新喀里多尼亚的多尼安博(Doniambo)冶炼厂开发成功[1],我国于2006年前后从乌克兰引进该技术开始了用红土镍矿生产含镍铁水的工业实践,特别是在2011年发改委第9号令《产业结构调整指导目录(2011年本)》中明确将“高效利用红土镍矿冶炼镍铁的回转窑-矿热炉(RKEF)工艺技术”列为鼓励类产业后,已先后建成数十条RKEF生产线[2]。经过十多年的生产实践积累了许多宝贵的经验,同时也发现RKEF生产中存在一些共性的问题[3],如预还原回转窑的还原气氛和温度难以有效协调控制,为避免预还原回转窑结圈通常采用较低的预还原温度,再加上为抑制氧化铁的还原采用缺碳配料法,造成红土镍矿中的镍和铁的氧化物预还原度均较低,矿热炉熔融还原比高,熔炼时间长,铁水镍含量低,单位镍点(1%Ni)电耗高等问题。鉴于此,本文提出了一种针对RKEF工艺的革新方案[4]供大家讨论:“红土镍矿内配煤压块预还原—预还原焙烧产物选择性氧化—矿热炉熔分”工艺,把这种工艺取名为:“RKOEF”工艺,“O”代表对预还原焙烧产物进行选择性氧化,可望用贫镍红土矿通过该工艺成倍提高含镍铁水的镍含量。

1 RKEF工艺现状及问题

RKEF含镍铁水生产工艺流程如图1所示。其主要特征包括:(1)原矿破碎后先经烘干回转窑将游离水脱除至20%左右;(2)配料中加入石灰石做溶剂、加入少量煤粉做还原剂,然后混匀;(3)混匀料在预还原回转窑内脱除结晶水(~800℃),然后进入高温段(~1000℃)进行选择性预还原;(4)预还原后的焙砂热装进入矿热炉内,用兰炭做还原剂在1550~1600℃完成终还原及渣铁熔分。根据镍矿品位和选择性预还原程度不同,铁水含镍品位变化在10~20%。一般认为,RKEF工艺适合于处理含镍大于1.8%,含钴小于0.05%的红土镍矿[2]。

 

1 RKEF工艺镍铁生产流程示意图



实际生产中发现,RKEF工艺仍然存在一些问题制约着生产过程的稳定顺行和单位镍点生产成本。

(1)红土镍矿含镍品位下降。我国进口的红土镍矿主要来自印尼和菲律宾,但随着印尼政府2014年出台的《矿产与煤炭法》的实施,逐渐缩减矿产资源的出口配额,到2020年1月全面停止红土镍矿出口。因此,目前国内冶炼镍铁所用的红土镍矿主要来自菲律宾,这种镍矿SiO2、MgO含量高,镍含量低(0.8~1.2%),矿热炉熔炼渣量大,电耗高。

(2)为降低矿热炉熔炼时炉渣熔点,在配料中加入了一定量的石灰石,降低了混合料的软熔温度,在回转窑高温段预还原过程中易产生结圈现象。生产中被迫通过降低预还原温度(~950℃)来降低圈堰形成速度,但仍然不能完全避免结圈,影响生产过程的稳定顺行。另一方面,还原剂中碳的气化反应速度决定于温度,低温不利于碳的气化,因而影响红土镍矿中镍、铁氧化物的预还原率。

(3)若采用红土镍矿内配煤压块向回转窑供料,可改善作为还原剂的煤粉与红土镍矿颗粒的紧密接触程度,从而改善还原动力学条件,提高预还原效率。但内配煤压块强度低,在窑内滚动过程中破碎,因而又退回到粉料入窑。

(4)氧化镍较氧化铁更易被还原成金属,为达到选择性还原氧化镍的目的,生产中采用缺碳配煤工艺,同时受预还原温度低的综合影响,红土镍矿中氧化镍的还原同样受到抑制,最终主要依靠矿热炉熔融还原实现镍和铁的氧化物的终还原和渣铁熔分。

(5)生产稳定顺行对RKEF工艺冶炼镍铁是否能产生经济效益影响巨大。为了彻底避免回转窑结圈对正常生产的干扰,部分企业取消了回转窑预还原的功能,而只对炉料加热到700~800℃脱除红土镍矿中的结晶水,然后将温度低于700℃的炉料通过料罐转运热装进入矿热炉,在1550~1600℃下用兰炭作还原剂对熔体中的金属氧化物完成熔融还原,并实现渣铁分离。红土镍矿熔融还原的大渣量稀释了氧化镍和氧化铁在熔渣中的浓度,熔融还原速率低,熔炼时间长。

这些问题导致的最终结果是生产的铁水镍含量下降,单位镍点电耗居高不下,合金铁水生产成本高。当原料价格上涨、合金的单位镍点售价下滑时,还会出现亏损现象。

2 RKOEF的工艺特点和需要解决的问题

2.1 RKOEF工艺的工艺特点[4]

RKOEF工艺的基本特征是:(1)红土镍矿经回转窑干燥后足量配入还原剂,混匀料压成块(或球);(2)压块在预还原回转窑的低温段脱除结晶水后,进入高温区(1100~1250℃)充分预还原;(3)预还原块热装进入氧化罐,从氧化罐底部通入烟气对预还原块进行选择性氧化,利用烟气中的CO2把金属铁氧化成氧化铁;(4)氧化后的焙烧块热装进入矿热炉完成熔分,获得高镍含量的含镍铁水。


 

2 Ni、FeCO2氧化的标准吉布斯自由能[5]


RKOEF工艺区别于RKEF工艺的核心特征是在回转窑与矿热炉之间设置了一道选择性氧化工序。图2给出了金属铁和镍被CO2氧化的标准吉布斯自由能变化,可以发现在570℃以上金属铁可以被CO2氧化成FeOFe3O4,而不能将金属镍氧化成NiO。氧化反应温度越高,越有利于金属铁的氧化。

……

 

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