紅土鎳礦回轉(zhuǎn)窯焙燒-預(yù)還原工藝簡述

李興杰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

紅土鎳礦回轉(zhuǎn)窯焙燒-預(yù)還原工藝簡述

李興杰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

主要介紹了回轉(zhuǎn)窯焙燒- 預(yù)還原工藝過程、主要紅土鎳礦冶煉廠回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)，分析了回轉(zhuǎn)窯工藝特點(diǎn)、存在問題及改進(jìn)措施。

回轉(zhuǎn)窯； 焙燒- 預(yù)還原； 紅土鎳礦

0 前言

鎳的優(yōu)良性能已使其成為航空工業(yè)、國防工業(yè)和日常生活中不可缺少的金屬，其主要用來生產(chǎn)不銹鋼、耐熱鋼，其次合金結(jié)構(gòu)鋼和合金鑄鐵，其中，不銹鋼生產(chǎn)就占鎳產(chǎn)量的65%[1]。因此，隨著全球不銹鋼需求的迅猛增長，鎳的需求量將進(jìn)一步提高。目前國際上主要利用硫化鎳礦和紅土鎳礦冶煉鎳，但是隨著硫化鎳礦的大量開采，其儲量越來越少，從而為紅土鎳礦冶煉鎳鐵提供了較大的發(fā)展空間，從紅土鎳礦中提取鎳產(chǎn)品的比例也在迅速提高[2]。目前國內(nèi)外冶煉鎳鐵最常用的火法工藝是回轉(zhuǎn)窯- 電爐流程，回轉(zhuǎn)窯是該工藝的關(guān)鍵設(shè)備，其作用包括[3]：脫除礦石中的自由水；脫除礦石中的結(jié)晶水；部分還原礦石中的鎳、鐵和鈷氧化物；加熱生成的焙砂。通過對回轉(zhuǎn)窯焙燒- 預(yù)還原工藝的探討，可以更好的掌握合理的回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)指導(dǎo)生產(chǎn)，為電爐提供合格的高溫焙砂，提高電爐產(chǎn)能，降低生產(chǎn)成本，確保工藝順暢。

1 回轉(zhuǎn)窯焙燒- 預(yù)還原工藝過程和原理

經(jīng)干燥窯干燥后的礦石以及制粒后的煙塵粒料經(jīng)皮帶輸送機(jī)送入回轉(zhuǎn)窯中?；剞D(zhuǎn)窯采用逆流操作，物料由于回轉(zhuǎn)窯的旋轉(zhuǎn)及其坡度緩慢的向排料端移動。干燥后的礦石除了含有約20%～22%的自由水以外，還含有10%～12%的結(jié)晶水，所以進(jìn)入電爐前需要脫除礦石中的自由水和結(jié)晶水。

在回轉(zhuǎn)窯的排料端設(shè)有煤粉燒嘴，通過風(fēng)機(jī)鼓入一次風(fēng)和二次風(fēng)進(jìn)行燃燒加熱物料，產(chǎn)生的熱煙氣向加料端流動，加入的物料被逆流氣體干燥和焙燒。物料中的自由水在干燥區(qū)首先被脫除，隨著物料的移動，其溫度不斷上升，結(jié)晶水開始分解，隨后物料移動到回轉(zhuǎn)窯的還原區(qū)，礦石中的部分鎳、鐵和鈷氧化物被還原，經(jīng)過焙燒后的礦石形成焙砂，焙砂被繼續(xù)加熱至700～900 ℃后排出。通過控制燒嘴的位置、燃燒氣體的流量及其它因素，可以避免焙砂過熱形成結(jié)圈。回轉(zhuǎn)窯排料端設(shè)有格柵，焙砂在排料端排出后經(jīng)過中間緩沖倉進(jìn)入保溫料罐，大塊的焙砂破碎后進(jìn)入電爐?；剞D(zhuǎn)窯焙燒- 預(yù)還原工藝流程如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)窯焙燒- 預(yù)還原工藝流程圖

回轉(zhuǎn)窯焙燒- 預(yù)還原工藝就是將部分鎳和鐵從氧化物還原為金屬或低價(jià)氧化物，以利于下一步的電爐熔煉，這就需要保證回轉(zhuǎn)窯中較強(qiáng)的還原性氣氛，實(shí)踐表明，溫度控制在780～830 ℃時(shí)較適于還原反應(yīng)的進(jìn)行[4-5]。在回轉(zhuǎn)窯焙燒- 預(yù)還原工藝中一般采用煤作為還原劑，在還原過程中可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)包括：

C+CO2=2CO↑

(1)

NiO+C=Ni+CO↑

(2)

NiO+CO=Ni+CO2↑

(3)

3Fe2O3+CO=Fe3O4+CO2↑

(4)

Fe3O4+CO=3FeO+CO2↑

(5)

FeO+CO=Fe+ CO2↑

(6)

固體碳和CO2發(fā)生碳的氣化反應(yīng)(1)，吸收大量熱能，產(chǎn)生的CO參與鎳礦的直接還原，總的結(jié)果不是消耗CO，而是固體碳，這就是目前公認(rèn)的固體碳還原氧化物的二步還原機(jī)理，所以紅土礦焙燒- 預(yù)還原工藝采用高揮發(fā)性的煙煤是可行的。

紅土鎳礦中鎳的還原過程主要是反應(yīng)(3)。在該反應(yīng)中，ΔGθ=747 810-760.7T，常壓(PCO=101 kPa)下，令ΔGθ=0可算出氧化鎳的開始還原溫度T開始=983.06 K，即710.06 ℃。紅土鎳礦還原反應(yīng)的熱力學(xué)平衡曲線如圖2所示，區(qū)域①(T<400 ℃)為Fe2O3、NiO穩(wěn)定區(qū)；區(qū)域②(400 ℃710 ℃)為Fe、Ni穩(wěn)定區(qū)[6]。

圖2 鎳、鐵氧化物CO還原熱力學(xué)平衡圖

從圖2可以看出，CO還原Fe3O4生成Fe對應(yīng)的反應(yīng)溫度為656 ℃，而還原FeO對應(yīng)的反應(yīng)溫度為710 ℃。則理論上，當(dāng)溫度控制在710 ℃以上時(shí)，礦石中的Ni、Fe開始被還原成金屬鎳和金屬鐵。但是由于紅土鎳礦中某些鐵氧化物以復(fù)雜氧化物的形式存在，如Fe2SiO4，其分解壓低，穩(wěn)定性比簡單氧化物高，因此只能在高溫下被還原。

2 國際主要紅土鎳礦冶煉廠回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)

目前世界上正在生產(chǎn)的主要紅土鎳礦冶煉廠回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)如表1所示[7]。

從表1可以看出，回轉(zhuǎn)窯的長徑比為16.3～30.3，平均值為20.5，符合一般回轉(zhuǎn)窯的長徑比范圍。回轉(zhuǎn)窯的單位容積生產(chǎn)率為0.678～3.328，平均值為1.550。由于不同冶煉廠礦石成分不同，回轉(zhuǎn)窯的長徑比及單位容積生產(chǎn)率都不相同，甚至差別很大，所以礦石成分的波動對回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)的影響很大。

表1 世界主要紅土鎳礦冶煉廠回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)

3 我國紅土鎳礦回轉(zhuǎn)窯焙燒存在的主要問題

目前國內(nèi)采用回轉(zhuǎn)窯- 電爐工藝生產(chǎn)鎳鐵的冶煉廠存在的問題包括：焙燒溫度低以及鎳和鐵的還原度不足。國內(nèi)鎳鐵冶煉廠為了防止窯頭結(jié)圈，控制回轉(zhuǎn)窯處于較低的焙燒溫度，進(jìn)而導(dǎo)致紅土鎳礦中的鎳和鐵在回轉(zhuǎn)窯中不能實(shí)現(xiàn)預(yù)還原，這將提高焙砂在電爐熔煉過程的電能消耗，增加了生產(chǎn)成本。國內(nèi)多數(shù)鎳鐵廠焙砂的排出溫度在600 ℃左右，而國際上多數(shù)鎳鐵廠焙砂的排出溫度控制在750 ℃以上，較高的焙砂排出溫度既提高了焙砂的顯熱，又保證了焙砂中鎳和鐵部分被還原，這對降低電爐電耗極為有利。

4 回轉(zhuǎn)窯焙燒- 預(yù)還原工藝特點(diǎn)及改進(jìn)措施

4.1 回轉(zhuǎn)窯焙燒- 預(yù)還原工藝特點(diǎn)

(1)采用逆流方式。其優(yōu)點(diǎn)是出料溫度高，能有效脫除礦石中自由水、結(jié)晶水并對金屬氧化物進(jìn)行預(yù)還原。

(2)窯體背三臺風(fēng)機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是能夠更好的控制溫度和還原氣氛。

(3)在回轉(zhuǎn)窯中選擇性的還原部分Ni和Fe，降低了電爐熔煉的電力消耗。

4.2 回轉(zhuǎn)窯焙燒- 預(yù)還原工藝改進(jìn)措施

(1)在回轉(zhuǎn)窯的干燥段增設(shè)揚(yáng)料板，增加物料與煙氣間的熱交換。

(2)窯內(nèi)增加擋壩，延長物料在回轉(zhuǎn)窯中的停留時(shí)間。

(3)提高回轉(zhuǎn)窯的預(yù)熱溫度與增加還原度，將回轉(zhuǎn)窯的預(yù)熱溫度提高到不結(jié)窯環(huán)的水平(900～1 000 ℃)，以使焙燒完全。

(4)在窯內(nèi)加高揮發(fā)性煤，取代無煙還原煤，不僅可以降低生產(chǎn)成本，而且對礦石還原過程有利。

(5)采用中間加煤裝置。使用勺式加煤機(jī)加入還原煤可以擴(kuò)大回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的高溫區(qū)域以產(chǎn)生高質(zhì)量的焙砂。該裝置還可以減少回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈，控制鐵的還原度，并且可以提高回轉(zhuǎn)窯的處理能力。

5 結(jié)束語

回轉(zhuǎn)窯焙燒- 預(yù)還原流程是紅土鎳礦火法冶煉工藝中一個(gè)重要組成部分，通過對回轉(zhuǎn)窯焙燒- 預(yù)還原工藝的研究，可以更好的掌握合理的工藝參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，確保工藝順暢，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 肖振民.世界紅土型鎳礦開發(fā)和高壓酸浸技術(shù)應(yīng)用[J]. 中國礦業(yè),2002(1): 57-59.

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[3] 北京有色設(shè)計(jì)研究總院等編.重有色金屬冶煉設(shè)計(jì)手冊：銅鎳卷,1996：694

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[6] 張家蕓.冶金物理化學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007.

[7] A. E. M. Warner, C. M. Diaz, A. D. Dalvi, P. J. Mackey, A. V. Tarasov. JOM World Nonferrous Smelter Survey, Part Ⅲ: Nickel: Laterite.

A Brief Description of Calcining and Pre-reduction Process for Laterite Nickel Kiln

LI Xing-jie

This paper mainly introduces the process of kiln calcining and pre-reducting, the kiln parameters of the laterite nickel ore smelters in world, the paper also analyses the process features, existing problems and improvement measures for the kiln.

kiln; calcining and pre-reduction; lateritic nickel

2015-01-12

李興杰(1980—)，男，河北順平人，碩士，工程師，從事有色冶金工程設(shè)計(jì)工作。

TF815； TF802.67

A

1008-5122(2015)02-0018-04