当代大容量镍铁冶炼工厂的设计要点

1、当代大容量镍铁冶炼工厂的设计R. Degel, J. Kempke n, J. Kunze and R. KonigSMS Demag, Eduard Schloema nn 4, Dsseldorf, Germa nyE-mail: rolf.degelsms-, jen s.kempke n sms-.juerge n.kun zesms-,rola nd.k on igsms-摘要镍铁生产工艺中大功率埋弧电炉占据主导地位，经常将冶炼厂设计成 双线流程。为了发挥出更大的效率，对于矿物、还原剂和综合规划在工厂 整体设计中寻求较好的相关性是非常重要的。本文将就镍铁产品的一般性 质，针对大容量镍

2、铁冶炼厂的设计原则，通过一些创新实例和关于镍铁的 研究方案进行详细综述。1历史、应用和趋势埋弧电炉（SAF）技术应用的100年中，值得注意的成果是西马克德 马格技术有限公司（SMS DEMAG），而回过头看，在冶炼技术发展的过程 中SMS DEMAG扮演了重要的角色，也足以让我们感到自豪。表1主要使用埋弧电炉的工业使用工业合金/产品钢铁工业（主要应用）镍铁、硅铁、铬铁、锰铁及硅锰合金等钢铁工业（附加应用）钨铁、钽铁、铌铁、硅钙合金、钒铁等有色金属工业铜、铅、锑/铋、锌、镍/铜锍、铂等耐火材料行业刚玉、莫来石、电熔镁、电熔氧化物、矿渣棉等化学电子工业碳化钙、钛渣、磷、结晶硅等在上世纪，埋弧电炉产

3、生了除冶金行业之外的令人惊讶的多种熔炼单 位，迄今为止在超过20个不同的工业领域中得到应用，其中包括了铁合 金、冶铁业、结晶硅行业、铜、铅、锌、耐火材料、钛氧化物制取、碳化 钙、制磷和材料回收等行业门类。SMS DEMAG公司研制发展这项技术超 过了 100年，已经向各个应用领域设计了 700座电炉及其电炉零部件，不 断地向各方面的用户提供着服务。这样的发展历程使我们在大型电炉的研 制和设计中积累了更多的经验。2在镍铁冶炼矩形电炉中的经验截止目前，SMS DEMAG公司在世界各地提供的大规模镍铁冶炼电炉是最多的，这些电炉分布在委内瑞拉、新喀里多尼亚、希腊和马其顿。在 之前的40年中，我们向各地

4、提供了 40座电炉，参考记录证明了我们在大 型矩形电炉这里领域中的出众的市场地位。UNION MINIEREFENI.-.SAMIM-Ji -Af rvii- W'-fcERAMET 2问HMUFULIRA.COMJNCO ASARCO图1大规模矩形电炉所处的位置1S71New Cal«domaLe hhquelFeNi34& MVA32.5 m x13.5m1S77Maced 口 niaFeNi KawadarcliF»Ni3S4l M VA34 m x14.3nn1S04BelgiumMHOPb/Zn slag27 MVA158 m x5.8m19

5、71;3USAAurcoiCu吝1旳1S MVA14.0 m x5.4m1S64ItalySAMIMPb1S MVA10.8 m x6.0:m1994CanadaCOMINCOPb slag19 MVA10 .8 m x6 0m2004ZambiaMUFUURACu -sl-ag112 MVA10.fi m xG.Ojin2004Wew CalledcmiaER A WETFeNi1SS MVA33.0 m x15.0 m2006New Caledcn taERAMETFeNi Study for placing next SAF by end cf 2l>02OOCBrazilMOP2

6、120 MVA36.5 m x1 3.3msoijir：作为最成熟技术的代表，应当提到位于新喀里多尼亚的镍铁生产用电 炉，该用户已经宣布了自己的意图，就是购买第二台与99MVA相同功率的电炉。我们已经提供的世界最大的电炉在巴西的 Onca Puma是CVRD公司 的分支机构。这是两座120MVA的电炉，设计的年平均生产能力是 60000t 镍。新建的工厂不仅仅包含了当前最有效的科学技术，也要从逻辑角度考 虑，灵活运用已经被证明的设计解决方案，从而保证顺畅操作，这座工厂 预计在2008年投入使用。3镍铁生产的普遍趋势和工业需求镍铁生产的主要方式是通过埋弧电炉进行活法冶炼，而镍的湿法生产 是使用高

7、压酸浸工艺来完成的，到目前为止还没有资料显示符合经济性和 获得技术津贴的湿法项目。由于埋弧电炉的强大竞争力，使得其作为大功率冶炼单元的先进设 备，赢得了在铁合金行业中的主要位置。之前的十年中，众多的进步更加 证明了大规模镍铁电炉操作上的高效性和安全性。因为新兴的需求使得侧墙冷却和交流半导体控制的概念得以发展，这些容许了更加良好的操作控制、较高的更加高效的功率输入并减少了电炉 的机械应力。侧墙冷却和交流半导体控制系统在新近安装完成的新喀里多尼亚的 Eramet应用中是非常成功的，它是世界大规模镍铁冶炼厂最有效的代表。 更多的细节将在后文中提及。另外的趋势是在设计中完成最大限度的可能容量，造成这一

8、趋势的原 因是：更高的能源效率更加安全和清洁的工作条件更少的备件和减少关键零件的磨损减少维护以便达到更高的工厂工作效率（98%）减少人工获得更低的生产和投资消耗获得高标准的环境在较低的投资前提下提高除尘效率 就高的能源效率而论，可以依赖于容量开发的基础上将炉体设计成圆 形或矩形。SMS DEMAG公司能够承接6070MW以上载荷的电炉，从技术、 经济性和操作上看，矩形电炉是最佳的解决方案。说到矩形电炉将会提到工艺种类，例如铜冶炼中的熔渣清理， 10MW 这种较小的矩形埋弧电炉是最好的解决方案。 SMS DEMAG 公司向市场上 引进了新一代三根电极的矩形电炉。4 大规模镍铁冶炼厂的设计原则镍铁

9、冶炼厂的组成部分是：焙砂运输系统熔渣和金属放出部件尾气排放系统精炼车间金属粒化车间 每一个装置的能力都是经过计算后，按照工艺系统煅烧矿年平均用量 这一原则，符合质量和能量平衡。电炉内部容量的设计也是要与工厂的辅助系统和输送系统相适应的，一个完善的设计方案关键是能够满足工厂的整体规划，满足顺畅、平稳、 灵活的操作运行，特别是物料运输系统和装料系统的合理性是非常重要 的，此外还要考虑到一定的存储量。假设煅烧车间和冶炼单元以95%的工作效率作为基础，那么整个工厂 的工作效率接近于90%，换言之就是年平均运行约 7900个小时。对于一 个大规模的镍铁生产厂，以两台矩形电炉作为基础，SMS DEMAG公

10、司推荐推荐的双线流程见图2。图2双线矩形电炉解决方案5焙砂的运输热焙砂从回转窑向电炉料仓转移的时候是通过带耐火材料衬里的器 皿运输的，这种运料包由运料车在回转窑卸料料仓下部的卸料点及电炉料 仓间移动，有四台起重机轮番作业。这些起重机将盛料包提起到电炉料仓 上部进行卸料，两台电炉中的每条料仓线与两台起重机相配合。两台运料车和两台起重机的能力配置与电炉进料仓主线相适应，确保 了各组成部分的交替工作，这就允许如果运料车和起重机出现故障也能够 确保电炉的操作运行的顺畅。该解决方案提供了最好的适应能力，这就实现了从生料进入到最终流 出产品的整个路径清楚顺畅。这证明了我们设计和生产的几个大规模工厂 的系统

11、效率具有最好的适应性。6埋弧电炉6.2大规模镍铁冶炼矩形电炉冶炼厂的设计原则 一般来说双线矩形埋弧冶炼电炉的结构形式如图6.1埋弧电炉的原则埋弧电炉的原则是电阻加热，电能转换成热能并被负担的电阻或作用 于熔化熔渣而减少，有些时候，例如镍铁生产的案例中，电极和熔渣之间 的电弧为克服电阻而增强。图3 SMS DEMAG公司的六电极电炉3,有代表性的电炉图4镍铁冶炼电炉双线供料系统在矩形壳体外部设有46个放渣口，2个金属放出口。电炉壳体有耐火材料衬里，如果附加壳体冷却系统则需要添加的装置为特殊设计的水冷侧墙 铜冷却系统，壳体底部的冷却是采用风冷系统。电炉顶的炉砖类型全部制成密封压盖形式，方便开启和密

12、封，主要是 因为电极、下料管和尾气通道。根据不同的煅烧矿物的品质，每一座电炉 有多达 40 根下料管，以确保提供最佳的冶炼条件和侧墙保护。电能的传递是通过六根处于电路中心线位置的自焙电极来完成的，电 极的布置是依赖于工艺条件和安装功率。电极的消耗是因为熔渣池内的自由空间内的氧化作用造成的，自焙电 极是定期向保护套管内添充物料进行延长的，电极在操作中以半自动的形 式滑入熔池中，从而确保连续不断的电力负荷和高炉操作。电极本体包含 的所有部件为把持器、滑落装置和自动调节装置。所有作用在电极上的操 作是由液压装置来完成的。电能是从变压器经由大容量电线传递的，水冷系统采用柔性管路，这 些管路是通过连接在

13、电极上的夹具固定的。 今天，监控系统被 PLC 和可视 化系统替代，控制室内备有手动控制系统。熔渣和金属的放出是通过钻孔机的作业来完成的，关闭放出口是用人 工放置砌体或泥炮机完成的。 金属流出后进入盛料罐， 熔渣或锍进入渣罐、 容渣坑或者是进入粒化系统。工艺过程中产生的烟气在电炉内充分地燃烧，产生的烟气配入冷却空 气经由管道送入过滤系统。如果工艺过程中产生的尾气包含相当数量的 CO 气体，或者是另外一 些危险物质，那么电炉设计中应考虑设计成为封闭型。6.3 工艺过程和电炉的确定成功的操作运行始终是依赖于电炉设计中正确的选择和恰当的电炉 规模尺寸， SMS DEMAG 公司在冶金方面卓越的技术水

14、平和工艺设计中的 专门技术是得到世界同行业认可的，我们专业团队的设计步骤展示如下：与客户经常性的沟通中确定原料与每小时产品实现的比例关系冶金计算实用技术和能源输入方式的选择热量损失的设定确定机械参数核算热量损失-用电损耗的计算-用电平衡的确定-最终确定额定负载-定义保证条款当然，如果客户的提出特别的先决条件和约束，上面所描绘的步骤会 进行改变，例如特殊电极直径的考虑。这些方案中的各项条件将重新进行 核对、讨论，如果有必要会提出选择建议。原料的选择要符合客户提出的工艺过程中最大加入量，在电炉内部影 响熔渣的组分构成和另外的冶炼模式如图 5 （根据物理性质和能量输入数量）。用于镍铁生产用于熔渣清理

15、用于铬铁、硅铁生产决定冶炼是否进行的物理性质：使用传统阻抗模式时熔渣的电阻采用遮弧操作时熔渣和电弧的电阻 -操作时混合物料的电阻电炉在处理矿石的时候所产生的熔渣熔化的范围如果低于熔化所需 液相线温度，那么遮弧模式和电极穿透焙砂的方法都将无法完成操作。在熔渣组分所允许的范围内，当代大容量镍铁冶炼电炉大都采用的是 遮弧方式，这种案例在后文中将会有详细的描述。下面的图片展示的就是 冶炼操作过程中，内部的遮弧模式（图 6）和浸没电极模式（图7）。熔渣中的组分构成影响液相线温度，这些就需要操作中保证熔渣温 度、冷却的构思和熔渣的导电性，而最后一点也是最为重要的，是为了确 定运行要点而计算电炉的阻抗与电能

16、之间的平衡。图 8展示的是不同特有的熔渣其尽可能的分布范围。图中标明了电炉所处的相关位置，能够确认 矿物对地区的依赖性从而得出矿物的品质。图6遮弧模式图7电阻模式图8部分工厂的熔渣组分1 FENIKavadarci2 CERROTOSO3 LOMA DE NIQUEL4 AMEKATAMBAMG5 ERAMET6 BARRO ALTO7 IDCOL8 LARCO1.5268rN1划叫i IMPSX:IT7SrOi/MqO这里能够说明的是，在设计阶段需要我们精心考虑的是电炉的尺寸确 定要最大程度地贴近临界点，其它附加的因素例如镍铁电炉的案例：根据 焙砂性质的填装方案、装料类型、电弧和功率的比率、

17、独特的炉床荷载、 还原率、能量供应和冷却系统的类型等相关因素都要合并在电炉尺寸设计 中考虑（见图9）。图9镍铁冶炼电炉外观尺寸Specific calcine inputReduction rateSpecific hearth loadCoolin9 5冏旳6.4 3D流体运动模型SMS DEMAG公司运用了模型工具，这使得对规模化的新工艺的理解 变得更加透彻。一个大规模的埋弧电炉 3D模型展示在图10当中，该模型 第一次成功应用在智利建设的两座大规模电炉中，它为专有规格的电炉提 供了重要的数据并纠正了冷却系统的配置尺寸。此外，它还给出了在操作 条件确定中的现实方向。图10矩形电炉的温度分布

18、模型中考虑的主要因素：产生热能的电阻成分：熔渣、金属、电弧和电极在料堆和料堆与熔渣界面因为还原及熔化吸热的热量损耗熔渣和金属之间传导和对流热耐火材料、壳体和电极之间的传导热通过壳体与冷却水、壳体与空气界面的对流作用产生的热能传递 在熔渣和烟气、料堆和烟气、电极和烟气、耐火材料和烟气之间界 面，因为辐射和对流的热能传递熔渣和金属因为浮力所导致的运动（自然对流） 我们认为，在大型工业化冶炼工厂的模拟化上，被我们应用的模型是 最为适用的。之前的应用模型的实施有助于以下几个方面： 能够对新的工艺处理方式更好的理解 在电炉设计中能够清楚地定向 利用这个模型工具可以获得长效的经验 能够提供给客户对新工艺的

19、形象描述 针对于侧墙冷却的概念有了更加清晰的理解 能够大幅度地削减规模化所带来的风险6.5 控制和操作系统 新一代的半导体冶炼控制系统针对电炉提供了更加完善的维护，半导 体控制系统的优点如下：对于快速调节电流和电压提高了功能 因为更加平稳的电弧功率使更多的能量输入电炉，使进一步扩大操 作范围变为可能（更高的电炉阻抗变为可能）因为减少了电极运动使冶炼和还原性能得以提高，从而使操作变得 更为顺畅因为电网不平衡造成的工艺过程紊乱现象得到了削减 电极和液压系统的平稳运行减少了维护量，同时也削减了变压器的 压力抵消了焙砂品质和性能之间的波动基本的控制规律见图 11。图 11 SMS DEMAG 公司镍铁

20、电炉控制系统6.6电炉的完整性和冷却SMS DEMAG公司埋弧冶炼电炉设计上，整体电炉的完整性是得到公 认的，尤其是既安全又可靠的侧墙冷却系统所需要的是完善的解决方案（见图12）。在2001年我们主要的业务进展是为新喀里多尼亚的Eramet研制了前墙冷却系统，与其它的铜冷却系统相比较，无论是在安全性上， 还是在电炉的完整性及投资上都远远领先。从安全角度考虑，冷却水管网放置在电炉壳体外部。为保证提供最好的方案，将理论计算数据与使用需求相结合，SMSDEMAG公司在德国本部的工厂建立了全尺寸的测试装置。冷却概念的主要特征是：为保障安全，冷却水路置于壳体外部一避免了爆炸的危险机械部件稳定，在设计中嵌

21、入电炉熔渣区域的冷却运行均匀、无死点、温和熔渣区域内壁耐火材料表面全部都能够生成凝渣层，避免了熔渣的 化学和机械侵蚀熔渣的冷却可能形成潮汐面铜板的间距和它们的厚度能够适应较大范围内的变化，因此所有合 理的热载荷按照预期发生的情况发生变化；这种方式为每一个选择它的单 位提供了一个完美的成本解决方案-冷却系统的各组员的加工制造非常容易和低廉-冷却板的厚度考虑了电炉衬里的热膨胀-耐火砖和铜冷却组件之间有足够的连接冷却水置于箱体内，避免了突然爆裂的危险图12 SMS DEMAG公司的专利墙体冷却系统电炉炉底拐角用楔形砖锁紧，这样就将炉墙的耐火材料竖直滑落的现 象减到最小，这就使频繁维护造成的昂贵费用得

22、以减少。依赖于调节冷却铜板的间距和尺寸规格，热量传递的比例最高可达约 250KW/M 2，这已经在Aachen大学的试验台上得到了成功的证明。在后面 的章节中，机会看到附加的外观形貌。在实践中已经证明了铜冷却系统不 是一个水暖系统，它仅仅是为了维护电炉安全稳定运行的保护措施，正常 情况下它带走的热量损失限制在1015KW/M 2。正如之前提到的，这一冷却系统安装在新喀里多尼亚，一座六电极、 运行功率75MW、变压器等级99MVA的矩形埋弧冶炼电炉上。针对已有的电炉进行改进，保持原有的电炉尺寸，其目标值是输入功 率或功率容量双倍于原有电炉，图13是电炉水冷系统实际应用。6.7电炉铜冷却系统的进一

23、步应用另外利用前面提到的电炉模型，我们在德国Hilchenbach制造了和Aachen大学实验电炉一样大小的模型，实验工作证明了分别在1300C和1650C温度、液相铁橄榄石熔渣条件下，铜冷却系统的性能。随后的测试 工作中，从电炉的剖面获得了耐火材料被侵蚀的状况，这个结果也是我们期待的图13矩形镍铁电炉的墙体冷却系统图14测试通过铜板的电炉热流图14展示了试验电炉的机构，通过探入试验电炉熔池的冷却铜板测TC for heat ba量热流量，看到冷却铜板的附近并没有受到磨损试验期间最高的热通量是280KW/M2,这就意谓着耐火材料衬里在接 触有着较高过热量和化学能量熔渣的条件下，运行状态平稳，正

24、如我们预 期的那样内壁建立的凝渣层保护了墙体7附加技术的亮点 7.1 SMS DEMAG公司的放出机械放出机械是非常重要的，SMS DEMAG公司提供安全可靠的放出机 械，提供30升和50升的机械（见图16）。这些机械也已经安装在巴西的Onca Puma矩形电炉上。图15试验期间测试的热通量Heat tliiK densityWO 120di stance io frcrrt (mm* 1aI Former test：max. 23 kW/m*140f0O180图16 SMS DEMAG公司的放出机械7.2尾气系统工艺过程中电炉内产生的烟气，通过向电炉内部添加的冷却空气完全 燃烧并使温度降低到

25、约1000C。这一概念避免了电炉内部形成的一氧化碳和空气混合爆炸物，同时在 抽出管道内聚集增长并后燃。为将收尘单位容量降到最低水平，抽出烟气 管道要穿过水冷管道，之后抽出烟气的进一步冷却在发卡式冷却器中完 成。进入袋式过滤器之前，熄灭的烟气温度降低到入口允许温度和二次烟 气集中后经由位于金属和熔渣放出口之上的风帽放出（见图17）。图17尾气处置系统图8工厂的启动运作实践证明，为了镍铁生产厂的收益率，冶炼工厂迅速地顺次试车投产 是非常必要的。电炉设计工作中包含了为顺畅投产试车所必需的条件，而 电炉本身的准备工作对于热试车是非常重要的。一些错误的升温曲线能够迅速导致耐火材料的损坏，有的甚至能够导

26、致电炉壳体受到损伤。变压器所允许的启动阻抗形式也是很重要的，甚至 于之后的遮弧操作中也应提前预判。9镍铁的精炼由于关系到从冶炼厂产出的生镍铁的品质与客户要求的产品品质的 衔接，所以精炼步骤是非常严格的。镍铁精炼的最为简单的形式就是按照 计划的温度控制和脱硫技术的应用，更多复合物的处理如图18所展示的那样。上文所说的必要步骤是在电炉钢包内完成的，分为化学反应加热区和 造渣区域。为确保最大限度地适应性，钢包和汲取车配备有电感搅拌装置。 10结论和展望第一台埋弧冶炼电炉在100年前的德国投入使用，自从那时以来这种 冶炼工具取得了巨大的发展，纵观全世界，埋弧冶炼电炉运行在不下20余个主要工业领域中。S

27、MS DEMAG公司在大规模电炉领域当中如同一个 领导者，在这个领域的历史当中扮演了独特的、高效的角色，尤其是在矩形电炉领域中SMS DEMAG公司增强了自己的市场位置，最近订购的矩形 电炉证明了由于我们先进的解决方案取得了用户的信任（例如墙体冷却系 统，电炉整体性构造），我们最近的革新目标已经关注在液相熔渣中贵金 属回收上来。图18 复合物精炼一一Si、C、P、S ereCT B ere W -ji 二nirL.finn 二参考文献1 Degel, R.; Kun ze, J.: History, curre nt status of submerged arc furnace techn

28、ology for ferro alloy metals, Steel Grips 1 (2003), No.3.2 Kempken, J.; Degel R.: A hot technology, Metal bulleting monthly, Nov. 2005, ferro alloys supplement, pp. 23-26.3 Degel, R.; Kunze, J.: New trends in submerged arc furnace technology, 10th international ferro alloy congress -NFACONX, 1 - 4 F

29、ebruary 2004, Capetown, South Africa.4 Degel, R.; Rath, G.; Kunze, J.: Status report on pyrometallurgical ferro nickel production, 8th Infacon conference,September 2001, Quebeque, Canada.5 Degel, R.; Borgwardt, D.: New trends in submerged arc furnace technology, Technical seminars at 100 years SMS in China, October 2004, Beijing/China.6 Lembgen H.-E.; Kunze, J. , Degel, R.: Pyrometallurgical ferronickel production and experiences at Minera Loma de Niquel in Venezuela; proceeding EMC conference Friedrichshafen 2001.7 Degel, R.; Borgwardt, D.: Efficient recycling with S