轉(zhuǎn)底爐處理低品位紅土鎳礦的中試研究

胡長松

(北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司， 北京 100043)

試驗研究

轉(zhuǎn)底爐處理低品位紅土鎳礦的中試研究

胡長松

(北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司， 北京 100043)

進行了轉(zhuǎn)底爐直接還原—電爐熔煉處理紅土鎳礦的中試研究，考察了還原溫度、還原時間、煤配比和石灰石配比對鎳、鐵金屬化率和回收率的影響，得出最佳還原方案以指導工業(yè)生產(chǎn)。研究表明：還原溫度1 300 ℃、還原時間20 min、煤配比1.0%、石灰石配比6%時，鎳鐵金屬化率和回收率最高，金屬化率分別為68.61%、91.22%，回收率分別為81.76%、91.66%。紅土鎳礦在此條件下還原后再在1 450 ℃熔煉，得到的鎳鐵合金品位較高，為鎳10.77%、鐵82.00%，可滿足不銹鋼、合金鋼與合金鑄鐵工業(yè)生產(chǎn)對鎳合金原料的要求。

轉(zhuǎn)底爐； 直接還原； 熔煉； 鎳鐵

0 引言

近年來，占陸基鎳資源30%的硫化鎳礦越來越少，占70%的紅土鎳礦開始被企業(yè)重視，逐漸被開采利用。以鎳鐵作為冶煉不銹鋼、合金鋼與合金鑄鐵的鎳合金原料，可以大大減少電解金屬鎳的消耗，且成本遠低于電解鎳[1]。

轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝備受冶金界關注，尤其在處理鋼鐵廠含碳、含鋅塵泥和低品質(zhì)含鐵原料方面更加引人注目，其具有工藝簡單，建設費用低，還原溫度高，還原速度快，生產(chǎn)效率高，對原料適應性強，對原料機械強度要求不高等優(yōu)點[2]。而采用轉(zhuǎn)底爐直接還原-電爐熔煉工藝處理紅土鎳礦生產(chǎn)不銹鋼原料，極具市場發(fā)展?jié)摿3]。

1 試驗原料和方法

1.1 原料成分與特點

試驗所用紅土鎳礦含(%)：Ni 1.80、Fe 12.22、MgO 24.76、SiO238.5、Al2O33.79、Cr2O30.87、MnO 0.50、K2O 0.19、Co3O40.11、ZnO 0.02、S 0.016、自由水7.08%、結(jié)合水8.77%，燒損為13.12%。煤的組成為(%)：灰分13.14、揮發(fā)分36.56。固定碳46.18、分析水4.12。可以看出，紅土鎳礦中鎳、鐵含量較低，屬于低品位紅土鎳礦。常見的紅土鎳礦水分含量一般為30%左右，而該紅土鎳礦的含水量只有15.85%，大部分為結(jié)合水，并且MgO和SiO2的含量高。煤的固定碳含量低，灰分偏高，不利于鎳、鐵的還原。

圖1為紅土鎳礦礦物組成。可以看出，Ni和Fe大多被包含在蛇紋石、輝石、橄欖石和綠泥石之中，較難還原，故此類紅土鎳礦在轉(zhuǎn)底爐還原過程中，對還原溫度、還原時間、還原劑和還原助熔劑要求比較苛刻，而且還原效果不會太好，即鎳、鐵的還原率、金屬化率和回收率都不會太高。

(a)正交偏光—輝石礦物；(b)正交偏光—Chs-橄欖石；(c)反射光—1—石英、2—蛇紋石、3—輝石；(d)反射光—1—蛇紋石、2—磁鐵礦

圖2 轉(zhuǎn)底爐結(jié)構(gòu)圖

1.2 試驗設備與方法

試驗采用的蓄熱式轉(zhuǎn)底爐見圖2[4]。該轉(zhuǎn)底爐內(nèi)徑18 m，外徑20 m，采用天然氣加熱，溫度可達1 350 ℃。

干燥后的紅土鎳礦破碎至-10 mm，配入一定比例的煤和石灰石，加水、混勻、壓球、干燥后入轉(zhuǎn)底爐還原，還原后檢測金屬鎳、金屬鐵的含量，計算鎳鐵金屬化率。還原后的金屬化球團取少量放入高溫電爐內(nèi)在1 450 ℃下熔煉，熔煉結(jié)束后渣和鎳鐵采用磁選分離，計算分析鎳鐵的回收率[5]，由此得出轉(zhuǎn)底爐處理此類紅土鎳礦的優(yōu)化制度以指導工業(yè)生產(chǎn)。

1.3 煤配比計算

按照公式(1)計算煤的添加量：

Q=N(0.75KO2)/C

(1)

式中：Q為煤粉添加量，g；N為配加還原劑的系數(shù)；K為礦石質(zhì)量，g；O2為礦石中氧含量，%；C為煤粉中的固定碳，%。

2 結(jié)果與討論

本試驗采用單因素試驗，考察還原溫度、還原時間、煤配比、石灰石配比對鎳、鐵金屬化率及熔煉后鎳鐵回收率的影響。試驗條件及結(jié)果見表1。

表1 轉(zhuǎn)底爐煤基還原紅土鎳礦的試驗條件及結(jié)果

2.1 還原溫度對鎳、鐵金屬化率和回收率的影響

試驗在煤配比1.0，還原時間20min，還原溫度分別為1 250 ℃、1 300 ℃、1 350 ℃下進行。還原后取少量礦樣制粉化驗金屬鎳、鐵，計算鎳、鐵金屬化率。取部分還原后的礦樣在1 450 ℃下熔煉，1 300 ℃還原得到的礦樣熔煉時，鎳、鐵凝聚，形成粒鐵和大塊鎳鐵合金，見圖3(a)；1 250 ℃還原礦樣熔煉時，由于還原不充分，金屬鎳、鐵分散，凝聚情況不理想，只在坩堝底部出現(xiàn)少量的粒鐵，見圖3(b)；1 350 ℃還原礦樣由于有低熔點化合物熔化粘結(jié)或包覆在鎳鐵表面，鎳、鐵還原也不充分，并在熔煉時隨著鎳、鐵凝聚，形成充滿氣泡的泡沫渣，見圖3(c)。用磁選的方法將珠鐵和脈石分離，化驗分析珠鐵中鎳、鐵的含量，計算其回收率，結(jié)果還原溫度1 300 ℃時效果理想，鎳鐵回收率最高分別為72.21%和85.14%。

1—粒鐵；2—熔渣；3—大塊鎳鐵合金

2.2 還原時間對鎳、鐵金屬化率和回收率的影響

試驗在煤配比1.0，還原溫度1 300 ℃，還原時間分別為15 min、20 min、25 min下進行，結(jié)果如圖4所示。

圖4 還原時間對鎳、鐵金屬化率和回收率的影響

由圖4可見，鎳、鐵金屬化率和回收率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，還原時間15 min時，由于時間較短，鎳、鐵還原不充分，因此熔煉時只有少量析出。而還原25 min時，鎳鐵還原狀況變化不大，從節(jié)約能源、降低消耗、提高生產(chǎn)效率考慮，還原時間20 min為佳，此時鎳、鐵金屬化率分別為64.24%、88.24%，回收率分別為72.21%、85.14%。

2.3 煤配比對鎳、鐵金屬化率和回收率的影響

煤有兩部分可作為還原劑，分別為固定碳和可燃性揮發(fā)分。取煤配比系數(shù)分別為1.0、1.2和1.4，在還原溫度1 300 ℃，還原時間20 min下進行試驗，結(jié)果如圖5所示。

圖5 煤配比對鎳、鐵金屬化率和回收率的影響

由圖5可見，鎳、鐵金屬化率和鎳的回收率隨著煤配比增加變化并不明顯，而鐵的回收率卻呈下降趨勢，綜合考慮，煤配比1.0時最佳。該條件下還原樣的熔煉照片如圖3(d)所示。

2.4 石灰石配比對鎳、鐵金屬化率和回收率的影響

在煤配比1.0，還原溫度1 300 ℃，還原時間20 min，石灰石配比分別為3%、6%、9%下進行試驗，結(jié)果如圖6所示。

圖6 石灰石配比對鎳、鐵金屬化率和回收率的影響

圖6可見，鎳、鐵的金屬化率隨著石灰石配比的增大而增大，石灰石配比9%時最大，但是此條件下還原樣由于熔劑過多，還原結(jié)束時有剩余。在之后的熔煉過程中，大量低熔點化合物熔化生成玻璃相，部分鎳和鐵溶入其中，回收率大幅度下降。綜合多方面因素，石灰石配比在6%時較好，鎳、鐵金屬化率分別為68.61%、91.22%，回收率分別81.76%、91.66%，此條件下的還原樣熔煉后得到的鎳鐵合金品位也較高，為鎳10.77%、鐵82.00%，滿足了冶煉不銹鋼、合金鋼與合金鑄鐵對鎳合金的要求。

3 結(jié)論

(1)所處理的紅土鎳礦含水量低，為15.85%，大部分為結(jié)合水，干燥難度大；MgO和SiO2含量高，還原過程中容易形成低熔點共熔相，其導致的粘結(jié)和包覆作用對鎳、鐵的還原極為不利；

(2)煤的固定碳含量低，灰分高，不利于鎳、鐵的還原熔煉；但其作為還原劑是有效的，但配量過多效果并不好；

(3)由紅土鎳礦的正偏光和反射光照片可知，此類紅土鎳礦中Ni和Fe被包含在蛇紋石、輝石、橄欖石和綠泥石之中，較難還原；

(4)對影響鎳鐵金屬化率和回收率的各因素進行比較分析，得出的最佳還原條件為：還原溫度1 300 ℃、還原時間20 min、煤配比1.0、石灰石配比6%。此條件下，鎳、鐵的金屬化率分別為68.61%、91.22%，回收率分別81.76%、91.66%。此條件下的還原后再熔煉得到的鎳鐵合金品位也較高，分別為鎳10.77%、鐵82.00%，可作為冶煉不銹鋼、合金鋼與合金鑄鐵的鎳合金原料。

[1]劉巖,翟玉春,張紀謙,袁磊.從鎳精礦中提取鎳鐵合金的還原工藝[J].過程工程學報,2005,5(6):626-630.

[2]吳龍忠.利用轉(zhuǎn)底爐還原紅土礦的可行性分析[J].江蘇冶金,2008,36(6):64-66.

[3]黃潔.談轉(zhuǎn)底爐的發(fā)展[J].中國冶金,2007,17(4):23-25.

[4]曹志成,孫體昌,楊慧芬,王靜靜,仵曉丹.紅土鎳礦直接還原焙燒磁選回收鐵鎳[J].北京科技大學學報,2010,32(6):708-712.

[5]織田博史,等.新日鐵的轉(zhuǎn)底爐法粉塵回收系統(tǒng)[J].鞍鋼技術(shù)，2007,346(4):56-60.

Pilotstudyoflowgradenickellateriteoretreatmentwithrotaryhearthfurnace

HU Chang-song

The pilot study of direct reduction with rotary hearth furnace-electric furnace smelting of nickel laterite ore was conducted. The effects of reduction temperature, reduction time, the ratio of coal and limestone mixture on nickel and iron metallization ratio and recovery were investigated, and the optimal reduction plans were obtained to guide the industrial production. The results show that when the reduction temperature is 1 300 ℃, reduction time is 20 min, coal ratio is 1.0%, and limestone ratio is 6%, the ferronickel metallization ratio and recovery ratio reaches a maximum, the metallization ratio are 68.61% and 91.22%, respectively, and the recoveries 81.76% and 91.66%, respectively. After reduction under these conditions, the nickel laterite ore was smelted at 1 450 ℃, and the obtained ferronickel alloy grade was high, the nickel and iron were 10.77% and 82.00%, respectively, which satisfies the requirements of nickel alloy raw material in stainless steel, alloy steel and alloy cast iron industrial production.

rotary hearth furnace; direct reduction; smelting; ferronickel

胡長松(1983—)，男，河南人，碩士研究生，畢業(yè)學校：北京科技大學，工作單位：北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司。

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