日本大江山用回转窑直接还原针铁矿生产镍铁的工艺过程

1、日本大江山用回转窑直接还原针铁矿生产镍铁的工艺过程摘 要 第二次世界大战期间，日本Yakin Kogyo有限公司在大江山冶炼厂，采用Krupp Renn工艺处理红土矿及大江山周边的矿物。1952年，我们改变了矿物结构转而利用硅镁镍矿生产镍铁。自从生产镍铁产品以来，进行了不同的改造过程。 这些过程包括： 1、经济方面，粗镍铁产品由于在预处理之后使用了回转窑，使能源成本得以下降。 2、产品的实用性方面，粗镍铁产品能够作为AOD法冶炼不锈钢时的原料。 目前阶段，利用回转窑直接还原硅镁镍矿的工艺过程，应用在大江山冶炼厂。 本文将介绍大江山工艺的技术和操作特点。引 言 二次世界大战期间，日本大江山冶炼厂

2、采用Krupp Renn工艺处理含镍量极低的周边的矿物，生产的低镍生铁用于合金钢的原料。战争结束之后，我们改变了原料，开始使用来自新喀里多尼亚的红土矿，为不锈钢企业生产粗镍铁。 现阶段，我们使用来自新喀里多尼亚、菲律宾和印度尼西亚的原料，利用四台回转窑成功地达到1000吨镍/月的产量。这一工艺过程我们称之为“大江山工艺”，这一独特的工艺方式为不锈钢生产提供了足够的含镍原料，也使我们建立了一套从含镍原料到不锈钢最终产品的综合工业体系。和其它的镍铁生产工艺相对比，诸如El-kem过程，我们的工艺过程具有如下的优点： 1、使用的能源主要是煤，而不是昂贵的电能。 2、原料可以从东南亚自由的选择。 3、

3、生产的粗镍铁的质量可以直接作为不锈钢生产的原料，作为炼钢冷却剂使用。 冶炼工艺过程是比较简单的，如预处理阶段，原料进行破碎并与含碳原料及溶剂混合，石灰石作为水分调节的手段，之后制团。在下一个阶段，团矿通过预热器连续不断地进入回转窑，在回转窑当中，团矿与煤燃烧生成的热烟气逆流进行，经历所有的冶炼步骤，干燥、脱水、还原和金属生长，这一切都是在熔渣半熔融条件下进行的。经历灼烧后的物料我们称之为“渣块”，从回转窑流出后进行水淬，还原后的金属以渣块的形式放出后，经过破碎、研磨之后利用磁选分离。最终产品运送至川崎工厂作为不锈钢添加原料使用。 粗镍铁颗粒呈沙砾状，直径约为23mm，当中约有12%的熔渣夹杂。

4、化学组分是C0.10%、Ni 1822%、S 0.45%、P 0.015%。 产品中的高硫含量对于AOD法冶炼不锈钢来说，是比较容易脱出的，而沙砾状的形态可以实现连续性添加，在不锈钢冶炼过程中作为冷却剂可以实现迅速溶解。 大江山工艺过程仅是通过回转窑完成的，冶炼实践过程是在半熔融条件下进行，并不是一种熔化状态。过程中的氧化物还原和半熔融条件下的金属聚集是比较困难的，因为矿物当中脉石成分较大。基于这个原因，以热化学角度对其基本原理进行研究是必要的。技术改进的过程 在进行详细论述之前，让我们首先回顾一下技术改进的历史过程。表1 19521984年期间的技改过程年 份改进项目投入矿物t/day镍产品

5、t/year回收率%能源消耗kcal/t矿1952一台窑运行130928802750×1031954两台窑运行1301335812750×1031955三台窑运行1301676812620×1031956扩展矿物处理过程1552685812620×1031957在两台窑上安装了预热器1902121812390×1031958安装了灰尘洗涤装置1901467872390×1031961在三台回转窑上安装了预热器2304341882160×1031967四台窑运行2906466882030×1031970改进矿物处理过

6、程3808540921930×1031977进行能源节省项目3808490921510×1031978将燃烧器用油改为改为高硫重油380947092.31510×1031981将燃烧器用燃料改为煤粉380935394.31510×1031984完善制团工艺过程420958595.01320×103 于1952年将原料改为含镍量较高的红土矿之后，在产品的回收率、能源消耗以及产品质量等各方面都不断地享受到了技术改进的成果。 表1中罗列了工艺环节改进的各个阶段和步骤，图1则是目前该流程的流程图。 表中值得注意的是，通过添加其它的回转窑，并且改善了原料

7、处理环节，我们已经成功地增加了生产能力以满足不断增长的不锈钢生产的需求。关于能源问题，镍冶炼工艺过程所消耗的能源的数量较大。石油危机之后整个工艺过程的成本大幅增加，通过诸如预热系统的改进、燃料用油改为煤粉、以及将原有在回转窑中还原含水量较高的原料改为预热烘干等方式，我们已经在这个方面取得了若干项成果。图1 大江山法镍铁工艺过程图 关于镍的回收率一般观点是，由于矿物成分中含有大量的脉石成分，仅仅通过回转窑冶炼这一工艺过程是无法完成较高的回收率的。实际上，大江山工艺开始的早期阶段，镍的回收率仅为80%。这样低的回收率通过设立烟尘回收系统、改善原料预处理和渣块窑内偏析技术，已经得到了明显的改观。在同

8、一时间内，关于还原金属颗粒在半熔融条件下团聚的机理，利用热化学观点进行的研究也已经完成。工艺过程的特点 在表2中，展示了工艺过程的主要设备，整个工艺过程分为三个组成部分： 1、原料处理阶段，为满足回转窑运行操作而进行的研磨、混料和制团。 2、回转窑内的冶炼灼烧程序包括，金属氧化物的还原和还原后的金属颗粒聚集。 3、产出的渣块通过重选和磁选的方式进行分离。表2 工艺过程主要的设备序号设备名称数量能 力规 格1管式研磨机2台65吨/小时（干基）2.2m×8m2气落实磨矿机1台40吨/小时（干基）6.9m×1.6m3矿浆槽7台325m36m4供料仓5台325m36m5转鼓过滤机4

9、台18.5吨/小时（湿料）过滤面积70m26棒磨机2台45吨/小时（干基）3m×4.2m7制团机4台22.5吨/小时（干基）0.72m×0.6m28预热器4台27吨/小时（干基）4m×17m9回转窑4台27吨/小时（干基）3.6m×72m10马氏磨5台25吨/小时（干基）2.4m×1.8m11跳汰机13台15吨/小时（干基）12磁选机18台15吨/小时（干基）13分级机1台300m3/h1.5m×10m原料制备过程 高品质的团矿是成功完成回转窑操作的必要因素，诸如较好的热效应、理想的温度分布、防止回转窑结圈、减少烟尘含量。表3 矿物典

10、型的组分构成批次含水烧损SiO2FeAl2O3Ni+CoCr2O3CaOMgOMgO/SiO2A24.110.542.511.80.92.551.00.124.70.58B25.710.640.613.01.02.561.10.124.60.61C28.78.945.812.12.12.360.90.621.20.46D29.510.641.715.20.92.321.20.120.70.50 (a)原料 使用的原料是硅镁镍矿，使用无烟煤和焦粉作为还原剂，燃煤和石灰石作为溶剂，典型的化学组分构成见表35。因为产品是直接使用于不锈钢生产中，所以当中的磷含量要控制在0.020%以下，因此我们使用了

11、含磷量较低的特种煤。关于产品中的硫含量不做特别的限制，这是因为AOD法冶炼不锈钢有足够的脱硫能力，同时硫在还原后的金属聚集中还扮演着重要的角色。 (b)制团 我们原来采用浸湿过程，即原料在筛选之后进行湿式研磨，之后利用压力较低的设备制成条状团块，当中的含水率在32%左右。制团这个过程在1984年进行了改善，改进后的团块含水量降为18%，提高了团块的强度并节省了能源，这样做的结果是增加了装料量同时回转窑获得了稳定的运行状态。表4 燃料的典型化学组分项目总水分内水灰分挥发份固定碳磷硫热值无烟煤4.012.36.477.30.0040.146240焦粉26.212.02.084.80.0040.50

12、6920煤A11.04.315.639.141.00.0071.56310煤B15.07.07.040.054.00.0030.236400表5 典型的石灰石化学组分烧损SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOPS43.630.290.100.1555.080.370.0040.007 这些完成的工艺过程改进工作中，添加了气落式磨矿机用于研磨和干燥矿物、混合及混磨机和制团机等新设备。利用矿物特性调整矿物混合比例、通过可靠的含水量的调控生产出高品质的团块，在这一阶段，无烟煤、焦粉和石灰石等所有成分都添加进团块当中。 团块在回转窑的运行过程中起到了安全稳定的作用，图2表示的是矿物中粘土成分和水含量

13、在成块过程中的相关性。冶炼 (a)回转窑的实际特性 图3展示了工艺过程典型的运转条件，如图展示的那样，团块连续不断地进入到炉排当中，与逆流行进的热烟气完成热交换之后进入到回转窑之中。在回转窑里，团块平均行进速度是6m/h。在行进期间，燃料煤燃烧产生的热烟气与其逆流行走，所有冶炼过程的各个阶段为：脱水、还原、团块崩裂、熔渣生成、还原后金属颗粒聚集。碳进入到团块中作为燃料和还原剂参与反应。工艺过程中最重要的技术是，通过团矿均匀地加入到回转窑中，完成了一个稳定的运转状态，同时获得稳定的温度场，团块中的碳质材料通过调控配比给预热器提供了稳定的获取烟气的条件。如团块品质较低，那么入窑供料速率会发生变化，

14、或者内部所含的碳质材料扩散，将会导致物料与回转窑内壁接触部位局部过热或过冷，从而增加细颗粒烟尘，并使窑内抽力情况恶化。这些问题被认为是生成窑环、缩短耐火材料使用寿命、破坏金属聚集的根本问题。图2 团块强度相关条件图3 回转窑的运行 (b)回转窑当中的反应行为 图4是计算机模拟以及我们停产检修后关于温度场和反应状态的调查结果，应该注意在图中，在炉排当中（预热器），由于发生的抽力被品质较好的团块克服而有效地完成了热交换，通过炉排之后的烟气温度为90。 团块行进至回转窑中部的时候，脱水、结晶水蒸发、石灰石分解等过程完成。铁、镍氧化物被还原气还原开始的时候，因为体积膨胀以及逐渐软化的关系，团块崩裂。为

15、了有效利用团块当中碳质材料作为还原剂和燃料的作用，合理地控制其反应性是其中的一项本质因素。图4 回转窑内部反应状况 物料移动至回转窑出口约30米的时候，物料温度上升至1100以上，在这个阶段，熔渣生成反应开始，同时还原反应发生。镍氧化物呈橄榄石结构（Ni,Mg）2SiO4，而铁氧化物也生成同样的结构形式Fe2SiO4，它们在高温下与游离的二氧化硅产生反应生成固溶体。这种半熔融条件下的镍氧化物的还原反应，如果以热化学观点考虑的话，是很难解释的。如图4表示的那样，尽管镍、铁氧化物所生成的自由能相差很大，但是两者的还原反应几乎是同时发生的。 在12501400温度、半熔融条件下，准确地解释还原后金属

16、颗粒的聚集机理是很困难的，我们打算以随后的模型来说明聚集的问题。在熔渣悬浮系统中，金属颗粒在熔渣中的状态是不稳定的，这点适用于我们的工艺过程，金属颗粒和熔渣界面之间在金属聚集上有很大的影响。根据我们的经验，物料当中的硫、氧化钙或者是氧化铝对于促进聚集是非常有帮助的。熔渣中的铁氧化物也几乎同时发生聚集效应，在另一方面，熔渣中过度残留的碳对于金属聚集是有害的。 硫在金属颗粒表面有利于金属的聚集，它能够降低熔点以及金属颗粒局部界面张力，这些现象被认为会导致金属颗粒的趋附性。如同熔渣界面的状态，降低粘度适于金属颗粒的迁移使其聚集。可是在我们的熔渣系统中应用离子结构理论比较困难，SiO4-4在熔渣金属界

17、面的浓缩行为增加了界面的活度。此外，诸如CaO、Al2O3或者是FeO等网状系统的破坏者，能够移动到界面处并增加该处的活度。CaOCa2+O2-Al2O32Al3+3O2-FeOFe2+O2- 由此，金属颗粒和渣相之间界面处大概因粘度的减少而促成了金属颗粒的移动。 熔渣中过度残留的碳能够增加表观粘度使得损害了金属颗粒的团聚。 在图5中，是上文提及的模型简图。而图6则展示了熔渣和金属界面的扫描结果。图中的69是当S在金属颗粒表面浓缩的时候，Ca和Fe在熔渣界面处的富集状态。相似的是，Si和Al在熔渣界面处同时进行浓缩行为。图5 金属团聚反应过程中的弥散系统悬浮模型 界面区域的分析结果与模型所描述

18、的状态非常一致。 围堰的高度、燃烧器的位置、熔渣中残留碳的控制等因素，以促成还原后的金属颗粒团聚的实际角度看，都是非常敏感的因素，这些条件的可靠性都是保证金属团聚所需要的恰当粘度、行走时间的根本条件。 实际上，自从改进制团过程之后，关于回转窑内结圈、料层偏移、热效应的均匀性等问题已经得到了明显改善。 这些得到改进的问题能够保证还原后的物料最终得以水淬，使反应过程中产生的细烟尘和含碳物料的行进过程变得均匀。 原料经回转窑冶炼后生成含金属的渣块最终排出，为了抑制氧化以及便于破碎，排出的渣块马上水淬。水淬后的渣块之后运送至分离工序。 在分离工序中，渣块被马西磨破碎成小于2mm的颗粒，之后如图1中演示

19、的那样，利用跳汰机和磁选机进行熔渣和金属的分离。磁选分离的金属中，约有10%返回回转窑参与冶炼，熔渣主要作为建筑材料的原料。称之为“粒铁”的镍铁产品的典型组分构成见表6。尽管含有少部分熔渣，粒铁也能够直接应用在不锈钢生产当中。表7是典型熔渣的化学组分构成。以矿物学观点看，当中含有顽火辉石（MgO·SiO2）、少量的镁质橄榄石（2MgO·SiO2）和部分游离二氧化硅。冶炼一吨矿物（干基）大约产出80%的熔渣和10%的金属。图6 熔渣金属界面中S在金属表面富集的扫描图片图7 熔渣金属界面中Si在熔渣表面富集的扫描图片 最终，回转窑和预热器在冶炼过程中的热平衡见表8。总的热效率为

20、78%，如表中的描述，冶炼过程中主要的热收入是无烟煤和煤炭，此过程中没有消耗电能。镍产品生产过程中从原料制备、渣块处理以及其它的机械运行等辅助用电大约为5000KWH/t产品。因此上，该工艺过程所消耗的能源成本要远远低于其它生产镍铁诸如El-kem工艺过程，所以说我们的大江山工艺是一种能源成本较低的工艺过程。表6 粒铁典型的化学组分Ni+CoCPSCrSi渣21.90.030.0190.440.190.012.0表7 熔渣的典型化学组分Ni+CoSiO2FeAl2O3MgOCaOCS0.253.46.02.528.45.70.20.07表8 热平衡热收入热支出项 目Kcal/t矿%项 目Kca

21、l/t矿%无烟煤和焦粉847.6×10374.6渣块显热389.5×10334.3燃料煤287.5×10325.4蒸发潜热171.2×10315.1反应热327.0×10328.8废气显热90.5×1038.0热损失及其它156.9×10313.8总 计1135.1×103100.0总 计1135.1×103100.0结 论 我们的大江山工艺是一个非常有特点的工艺过程，在镍铁冶炼上是消耗能源极低的，因此其主要的技术成果就是应用了低能源消耗。 通过不断地改进，我们已经成功地获取了镍铁冶炼低成本的结果，通过改进制团过程，很好的控制了冶炼过程中的实际运行状态，获得了较高的回收率。这一工艺过程同时也为不锈钢生产提供了一个高品质的镍资源，稳定地确立了一条综合性的不锈钢生产线。参 考(1) Boldt, J,R, 1967. The Winning of Nickel, Methuen, London,(2) Arai, H., 1981., In: Nippon-Kogyo-Kalshi. Vol. 57, No, 119,2.(3) Watanabe, T., et al., 1980. High blow rate tuy