金川鎳閃速爐渣還原提鐵試驗研究

王樹清, 馬曉東, 馬永峰

(金川鎳鈷研究設(shè)計院， 甘肅 金昌 737100)

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金川鎳閃速爐渣還原提鐵試驗研究

王樹清, 馬曉東, 馬永峰

(金川鎳鈷研究設(shè)計院， 甘肅 金昌 737100)

介紹了金川鎳閃速爐渣電弧爐熔化—還原提取鐵、鎳、鈷、銅等有價金屬的試驗研究。該工藝可控制二次渣含鐵小于5%，鐵的回收率在90%以上，鎳、鈷、銅的回收率在95%以上。

鎳閃速爐渣； 電弧爐； 還原提鐵； 合金鐵； 二次渣

0 前言

目前，金川集團公司鎳冶煉系統(tǒng)每年產(chǎn)出鎳冶煉爐渣約160萬t，銅冶煉系統(tǒng)每年產(chǎn)出銅冶煉爐渣約90萬t，而且自1963年冶煉系統(tǒng)投產(chǎn)以來累計堆存的鎳銅冶煉爐渣約3 300萬t。這些冶煉爐渣含F(xiàn)e 30%～50%、Ni 0.02%～0.5%、Cu 0.1%～1.0%、Co 0.0%～0.2%。在產(chǎn)生的160萬t鎳冶煉渣中，含有鎳3 428 t、銅3 883 t、鈷1 510 t、鐵675 783 t，鐵、鎳、銅、鈷分別按噸金屬0.1萬元、12萬元、4萬元、30萬元計價，則160萬t鎳銅冶煉爐渣的潛在利用價值約為16.95億元。如能經(jīng)濟有效地回收爐渣中的鐵、鎳、銅、鈷等有價金屬，不僅可以降低爐渣對環(huán)境的污染獲得較好的社會效益，而且更能為集團公司帶來較大的經(jīng)濟效益，成為公司新的經(jīng)濟增長點，對于金川資源的綜合利用意義重大。

自1987年以來，金川集團公司聯(lián)合鋼鐵研究總院、鞍山熱能研究院、蘭州鋼廠、西安建筑科技大學(xué)、北京科技大學(xué)等單位開展了金川冶煉爐渣綜合利用課題的深入研究。各種規(guī)模的試驗結(jié)果都表明，金川鎳銅冶煉爐渣完全可以實現(xiàn)綜合利用。

經(jīng)過多年不斷研究，金川鎳銅冶煉爐渣綜合利用的方向基本確定為：渣中的鐵、鎳、銅、鈷等被還原互熔形成粗鐵合金——“合金鐵”，其除雜和調(diào)整組分后生產(chǎn)合金鋼并加工成型材；產(chǎn)生的二次渣調(diào)整組分適當處理后作為生產(chǎn)水泥和其它產(chǎn)品的主要原料；產(chǎn)出的含一氧化碳煙氣作為燃料或生產(chǎn)化工產(chǎn)品的主要原料。

為了提高資源綜合利用的深度和廣度，為今后鎳渣還原提鐵工程化提供技術(shù)參數(shù)，從2008年開始，金川公司展開深入研究，先后完成了實驗室實驗，80 kVA電弧爐試驗、630 kVA電弧爐試驗、1 250 kVA電弧爐試驗，電熱噴吹還原試驗和氧煤供熱熔融還原試驗，以及金川鎳銅冶煉渣還原鐵生產(chǎn)鋼材等工作。

本文主要介紹1 250 kVA電弧爐試驗情況。

1 電弧爐還原提鐵試驗工藝流程

試驗原料為金川鎳閃速爐渣，含F(xiàn)e 39.47%、Ni 0.51%、Cu 0.25%、Co 0.14%。將含水小于3.0%的閃速爐渣加入電弧爐內(nèi)，同時在爐渣上面鋪一層焦炭進行引弧。待爐渣完全熔化后，加入混合均勻的還原劑塊煤和熔劑石灰，使硅酸鐵中被石灰置換出來的氧化亞鐵被還原劑煤粉還原，硅酸鐵中的二氧化硅與氧化鈣結(jié)合為硅酸鈣。被還原出來的鐵、鎳、銅、鈷等互熔形成合金鐵溶液，經(jīng)過爐內(nèi)靜置后渣鐵混出，并再經(jīng)扒渣、澆鑄、冷卻、渣鐵分離，得到合金鐵和二次渣。

試驗工藝流程如圖1所示。

圖1 金川鎳渣電弧爐還原試驗工藝流程

2 試驗

金川鎳冶煉爐渣還原提鐵試驗分為條件試驗和擴大驗證試驗，其中條件試驗在實驗室完成。根據(jù)條件試驗確定的爐渣還原的基本技術(shù)參數(shù)，進行擴大試驗，驗證合金鐵中Fe、Ni、Cu、Co的含量以及二

次渣含F(xiàn)e的穩(wěn)定性，同時考察合金鐵中C、S的含量，為下一步的深入研究提供依據(jù)。

2.1 實驗室實驗

實驗室實驗的條件與結(jié)果見表1。

實驗結(jié)果初步表明：

(1)在合理的碳質(zhì)還原劑、鈣質(zhì)熔劑配比條件下，金川冶煉爐渣還原提鐵反應(yīng)溫度的合理控制范圍為1 450～1 550 ℃；

(2)還原提鐵的效果主要取決于碳質(zhì)還原劑與爐渣的接觸程度(即傳質(zhì)傳熱狀況)；

(3)反應(yīng)溫度越高，碳質(zhì)還原劑利用率越高，鈣質(zhì)熔劑利用率越高，碳質(zhì)還原劑與鈣質(zhì)熔劑和爐渣的接觸程度(即傳質(zhì)傳熱狀況)越好，則爐渣的還原反應(yīng)越劇烈，還原提鐵效果越好；

定義圖像對{Ia，Ib}各自有{N，M}個特征點，χ={w1，w2，wi，…，wN}是從圖像 Ia到圖像 Ib 中所有點最近的特征匹配，又定義{a，b}為圖像{Ia，Ib}所分割出來的子區(qū)域，并且在兩個子區(qū)域中各自擁有{n，m}個特征點。vi為第i個特征匹配，fa為在圖像Ia部分區(qū)域a中的一個特征，Tab為區(qū)域{a，b}表示的是同一位置，F(xiàn)ab為{a，b}表示的是不同位置。表示fa的匹配的是一個正確的匹配表示 fa的匹配是錯誤的匹配為最近的一個特征是在b區(qū)域中。

(4)熔體中過多的游離碳將會增加生鐵中的含碳量(滲碳)，影響生鐵沉降；

(5)冶煉爐渣還原生鐵重熔實驗表明，在1 350～1 400 ℃時，還原生鐵熔融狀況良好，因此金川冶煉爐渣還原提鐵的生鐵熔體和二次渣排放溫度的合理控制范圍為1 350～1 400 ℃。

表1 對比條件實驗結(jié)果匯總表

續(xù)表1

說明：1)還原劑率除石墨外，其余實際消耗均小于表中設(shè)定的數(shù)據(jù)；同樣，實際的石灰石率也無法測出；未沉降的生鐵樣在計量上存在一定的正誤差。2)ff——閃速爐渣。

2.2 擴大驗證試驗

金川鎳渣還原提鐵的擴大驗證試驗在1 250 kVA電弧爐中進行，試驗的主要設(shè)備、參數(shù)、合金鐵成分及二次渣成分如表2～表5所示。

表2 試驗主要設(shè)備一覽表

表3 鎳閃速爐渣單爐試驗物料配比及電爐工藝參數(shù)

表4 合金鐵成分分析結(jié)果 %

表5 二次渣成分分析結(jié)果 %

2.3 試驗結(jié)果及討論

2.3.1 合金鐵中Fe、Ni、Cu、Co的含量

將熔融的合金鐵熔體澆鑄到取樣模中，經(jīng)冷卻、清理表面雜物后得到合金鐵樣品。合金鐵中Fe、Ni、Cu、Co以及C、S在不同爐次中的變化情況如圖2～圖7所示。

圖2 合金鐵中Fe含量

圖3 合金鐵中Ni含量

圖4 合金鐵中Cu含量

圖5 合金鐵中Co含量

圖6 合金鐵中C含量

可以看出，在確定的還原劑率、石灰率條件下，可以實現(xiàn)鎳冶煉爐渣中Fe、Ni、Cu、Co的有效回收，合金鐵中的Fe含量穩(wěn)定在92%～94%之間。而C、S的含量波動較大，特別是S含量波動異常，因此，進行還原熔煉時，除充分考慮S的脫除外，還應(yīng)選擇S含量較低的優(yōu)質(zhì)煤做還原劑。

圖7 合金鐵中S含量

2.3.2 二次渣含F(xiàn)e

在敝渣過程中，將二次渣熔體澆鑄到取樣模中，經(jīng)冷卻、清理表面雜物后獲得二次渣樣品。二次渣中Fe在不同爐次中的變化情況如圖8所示。

圖8 二次渣中Fe含量

由圖8可以看出，鎳渣還原二次渣含F(xiàn)e可穩(wěn)定控制在5%以下，完全實現(xiàn)了Fe回收率大于90%的目標。

3 結(jié)論

(1)采用電弧爐熔化—還原工藝可以實現(xiàn)金川鎳閃速爐渣的穩(wěn)定還原，其中二次渣含F(xiàn)e小于5%，F(xiàn)e回收率大于90%，Ni、Cu、Co回收率大于95%。

(2)該研究成果為今后利用“連續(xù)噴吹還原”工藝進行金川鎳冶煉爐渣還原提鐵的進一步研究提供參考。

Experimental research of Jinchuan nickel flash furnace slag reduction and iron extraction

WANG Shu-qing, MA Xiao-dong, MA Yong-feng

This article describes melting, reduction and extracting iron, nickel, cobalt, copper from Jinchuan nickel slag with electric arc furnace, the process can realize stable control of iron content of secondary slag less than 5%, recovery of iron is more than 90%, and recovery of nickel, cobalt, copper are above 95%.

nickel flash furnace slag; electric arc furnace；reduction and iron extraction；alloy iron; secondary slag

王樹清(1964—)，男，湖南省雙峰縣人，本科學(xué)歷，高級工程師，主要從事有色冶金專業(yè)技術(shù)工作。

2015-- 05-- 21

TF815; X756

B

1672-- 6103(2015)04-- 0018-- 05