镍铁生产工艺课件

1、镍铁生产工艺镍铁生产工艺1、镍铁的来历、成分和消费市场、镍铁的来历、成分和消费市场 我国不锈钢和电池行业的快速发展，国内镍产品供应将面临长期短缺的局面。2005年以来国际市场镍价非理性的不断上涨对国内钢铁业发展构成了新的挑战。我国民营企业使用火法冶炼从菲律宾和印度尼西亚进口的红土镍矿矿石，大量生产镍铁合金作为冶炼不锈钢的配料，成功狙击了国际市场的疯狂炒作，镍价大幅下降，市场将逐步恢复理性。 我国镍金属生产技术已有重大突破，拥有自主知识产权，红土镍矿经高炉冶炼镍铬生铁，生产出大批镍生铁的实际成效。技术变革及其快速进入生产应用领域，成功狙击了国际市场的疯狂炒作，2007年6月国际市场镍价大幅下降。

2、在市场高镍价的情况下，2005年开始，国内民营企业开始利用炼钢高炉转产冶炼红土镍矿矿石生产镍生铁。我国民营企业开始大规模利用从菲律宾和印度尼西亚进口的红土镍矿矿石冶炼镍生铁，此后进口矿石量逐月增加，到2007年底利用进口矿石约300多万吨，产出镍生铁的含镍量约3万吨。2007年全国生产镍生铁的中小企业达到100多家，l9月进口矿石1200万吨左右。 目前我国中小企业生产的镍生铁的含镍量多在4 8，只能用作冶炼不锈钢的配料，在冶炼不锈钢时，尚需加入一定量的精炼纯镍。只有提高技术使镍生铁中的含镍量达到l215，才能在冶炼不锈钢时完全替代纯镍。这就是产生矿石积压在港口的原因，也是今后民营企业需要攻克

3、的技术难关。据最新资料，个别技术先进的企业已经可以生产出镍含量10以上的镍生铁了。我国使用火法利用红土镍矿冶炼镍生铁，使不锈钢生产原料构成发生了重大变革，改变了全球不锈钢生产原料镍的供需格局，也改变了世界不锈钢产业发展的格局。低成本利用矿石质量较差的红土镍矿资源，符合资源节约型的历史发展趋势，翻开了我国不锈钢生产史的新篇章。目前，高炉法的低品位产品市场容量已经饱和，加快发展10以上品位的回转窑工艺，可以进一步扩大红土矿火法镍的市场容量。2、红土镍矿用回转窑生产镍铁的工艺和技术、红土镍矿用回转窑生产镍铁的工艺和技术大型焙烧还原回转窑是整个红土镍矿冶炼工艺流程中关键设备之一，矿石经干燥后进入回转窑

4、，在回转窑内加热到800后去除矿石表面水分及结晶水，并部分还原矿石中的铁、镍和钴氧化物，进入电炉熔炼。 回转窑工艺与高炉法或电炉法等工艺相比有如下优点： （1）、熔炼的主要能源为煤, 而不是昂贵的焦炭或电能。 （2）、原料的自由选择, 可用东南亚的各种红土镍矿。 （3）、所产高镍镍铁质量高（含Ni20%左右），可直接用作不锈钢的生产原料。 （4）、同时可作为钢水熔炼时的冷却剂。熔炼方法和工艺如下： 预处理步骤是将原料红土镍矿磨细后, 与含碳物料和熔剂石灰石混合, 然后连续给入回转窑。在回转窑中, 物料与煤燃烧所产生的热气流逆流运动,经受所有熔炼步骤干燥, 脱水, 还原和金属成长。金属是在窑中半

5、熔融条件下生成的。烧成的物料熔块从回转窑出来就将它水碎,磨细后, 用重选和磁选机将还原成的镍铁合金从排出的熔块中分离出来。分离出来的镍铁呈直径23毫米的沙状颗粒, 并夹带12%炉渣, 其化学组成为C 0.1%, Ni1822%, S 0.45%, P 0.015% 。此产品不管含硫多高均适用于炼钢过程, 因炼钢时有很好的脱硫能力。沙状颗粒在炼钢过程中相当有利于连续加料和作为冷却剂物料快速溶解。回转窑生产工艺镍和铁的回收率都很高，均在90%以上。3、财务分析、财务分析 目前镍市场处于低谷，电解镍大约10万元/吨，相当于镍铁为1000元/吨度（1%Ni或称一个Ni，相当于10Kg镍）。当前进口红土

6、镍矿国内港口价为400元左右/湿吨（低铁高镍矿，约2%左右Ni，10%左右Fe），相当于200元/吨Ni。 以上述红土镍矿为例，加工一吨红土镍矿可得20%左右高镍镍铁100Kg左右，生产总费用约250元/吨矿，矿石成本500元（加运费），吨成品约需10吨原矿，总成本约7500元，售价约2万元左右（20%Ni），利润1万元以上，利润率100% 。有适合镍铁生产的回转窑生产线，无须固定资产投资，投资1000万元流动资金即可租赁生产线生产（租金极其低廉）。该生产线年加工能力为原矿10万吨，可生产高镍镍铁1万吨，产值2亿元，利润1亿元。一、镍、镍铁与镍矿一、镍、镍铁与镍矿 镍是略带黄色的银白色金属，是

7、一种具有磁性的过渡金属。镍的应用在于镍的抗腐蚀性，合金中添加镍可增强合金的抗腐蚀性能。不锈钢与合金生产领域是镍最广泛应用领域。全球约23的镍用于不锈钢生产，因此不锈钢行业对镍消费的影响居第l位。镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加镍的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构，从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性，所以镍被称为奥氏体形成元素。目前全球有色金属中，镍的消费量仅次于铜、铝、铅、锌，居有色金属第5位。因此，镍被视为重要战略物资，一直为各国所重视。 镍铁主要成分为镍与铁，同时还含有Cr、Si、S、P、C等杂质元素。根据国际标准（ISO）镍铁按含镍量分为Fe

8、Ni20（Ni 1525）、FeNi30（Ni 2535）、FeNi40（Ni 3545）和FeNi50（Ni 4560）。又再分为高碳（C 1.02.5）、中碳（C 0.0301.0）和低碳（C 0.03）；低磷（P 0.02）与高磷（P CoOFeO，Ni比铁优先还原，所以合金中镍的品位高。随焦粉用量增加，更多地镍、钴、铁的氧化物被还原，金属回收率增加。镍的回收率在焦粉用量超过一定值后增长平缓，说明焦粉用量达到一定值后再增加，对提高镍的回收率作用不大，要想继续增加镍的回收率，应该从减少渣中镍的损失方面考虑。金属回收率增加的同时，由于被还原的铁的量比镍多，因此合金中镍的品位降低，下降的趋势先

9、快后慢，焦粉用量超过一定值以后，镍的品位降低，且焦粉用量多导致合金中的C含量明显增加，合金质量变差。焦粉用量还影响渣中FeO的量，焦粉用量越多，被还原的铁越多，渣中FeO的量就越少。FeO对熔渣的反应能力及物理性能有重要的影响，它能大大降低炉渣熔化温度和粘度，起着稀释炉渣的作用，对冶炼有一定好处。FeO的含量还决定炉渣的氧势，从而决定镍铁中碳、硅、铬、磷等杂质的含量，熔渣FeO过低，造渣困难，炉渣的反应能力低，FeO过多又会增加金属损失及炉衬侵蚀。因此，焦粉用量应适当。焦粉用量直接影响还原熔炼的气氛，决定镍的品位和金属回收率。镍铁的品位是镍铁生产的重要参数，影响产品价格、镍的回收率、电炉的产量

10、、运输成本等。焦粉用量少时，镍的品位高，由于熔炼过程中，镍在合金和渣中存在一个平衡，镍铁中Ni品位高，渣含镍也高，而且渣的化学损失(镍的氧化物)和物理损失(渣中夹带)也增加，镍的回收率降低。但镍铁品位过低则不能满足不锈钢厂用镍铁合金替代电解镍的要求，且低的镍品位需要还原较多的铁，增加焦粉用量和能量消耗。焦粉用量对合金中S含量的影响渣中FeO含量对LS的影响随着焦粉用量的增加，合金中S含量减少。焦粉用量对S分布的影响一方面是通过影响渣FeO含量来实现，另一方面，合金中C含量增加有利脱S。另外，不可忽视的是，随焦粉用量增加，合金质量大大增加，在进入合金中的总S改变不大的情况下，合金中的S质量分数会

11、下降。随着渣中FeO含量增加，硫分配比呈下降趋势。随焦粉用量增加，被还原的铁就会增加，因此渣中FeO含量减少，对脱硫有利，从而合金中S含量降低。焦粉用量对合金中P含量的影响渣中FeO含量对LP的影响焦粉用量对P分布的影响主要是通过影响合金质量，其次是影响渣中FeO含量来体现的，随渣中FeO含量增加LP增加。此外，在一定的条件下，增加炉渣中FeO含量会使炉渣的粘度显著降低，流动性增强。因此炉渣中FeO含量越高，越有利于脱磷反应的进行。总的来说，由于酸性渣中脱磷效果不明显，在渣量很大的情况下仍有相当一部分P进入合金，且LP随焦粉用量增加、渣中FeO含量减少而减少时对进入合金的总P的改变不大，但随焦

12、粉用量增加，被还原的金属增加，合金质量的相对增加量大，导致合金中P含量降低。 红土镍矿中有一部分Fe203未被还原为金属，而是还原为FeO进入渣，渣中一定量FeO的存在使得CaO一MgO一SiO2相图中CaOMgO2SiO2的初晶区扩大，并能稀释炉渣。加入一定量石灰石使渣的组成进入CaOMgO2SiO2的初晶区。当炉渣组成在这一初晶区时，炉渣的熔点最低，低熔点使得熔炼条件易于达到并能节省能源。 所用红土镍矿含SiO2高达43.9%，MgO含量为17.01%，CaO只有2.44%，炉渣的自然碱度低，粘度大，对于金属与渣的分离和金属回收率的提高十分不利，需往炉料中加入石灰石作为熔剂造渣，增加渣中所

13、必需的成分氧化钙，降低渣的熔化温度，降低粘度，增加碱度，还可减少渣的比重，这对熔炼操作很有价值，因为炉渣可以在更低的温度下保持良好的流动性。镍的硅化物较碳化物和硫化物稳定，因此当合金中硅含量增高时，碳含量和硫含量低。炉渣与合金成分关系表明：增加渣中CaO含量能抑制硅的还原。石灰石用量对熔炼的影响石灰石用量对熔炼的影响（仅供参考）（仅供参考）石灰石用量对合金质量的影响 石灰石用量对镍品位的影响 石灰石用量对金属回收率的影响 结果表明，若不加石灰石或石灰石加入量少于一定值时，渣的熔点高，粘度大，流动性差，被还原的镍铁不能沉降和渣分离，而是夹杂在渣中；随着石灰石用量的增加，渣的组成趋于合理，性能得到

14、改善，保证了熔炼过程的顺利进行，金属在渣中的传质更为充分，夹杂损失少，因此所得合金质量增加，金属回收率上升。金属回收率:镍钴铁，符合选择性还原原理，镍优先还原。 如前所述，合金质量少时，镍的品位高，而随着金属的回收率增加，被还原的镍的质量比铁少，镍在合金中的品位有所下降。但当石灰石用量超过一定值以后，石灰石的分解产生的CO2增加，这些CO2在高温下和焦粉反应，消耗部分还原剂，使得熔炼的有效还原剂减少，因而造成合金质量下降，金属回收率下降，镍的品位上升，这与焦粉用量少时镍铁品位高而金属回收率低的规律一致。另外，加入石灰石太多造成渣量过大，对耐火材料侵蚀严重，且机械夹杂和溶解损失多，导致Ni的回收

15、降低。 综上所述，石灰石的加入不仅调整了碱度，降低了炉渣的熔点和粘度，也影响着金属的回收率和合金中镍的品位。综合考虑镍铁品位和金属回收率，选择最佳的石灰石用量。用石灰石脱硫，碳酸钙受热分解，形成的CaO有很高的活性，脱硫能力强，并且放出的C02能起到搅拌作用，加强传质，CaO脱硫时，在固体石灰表面生成的CaS是多孔质的，利于S2-向其内的CaO表面扩散。石灰石用量对S分布的影响主要是通过影响渣中CaO含量和碱度来实现。石灰石在熔炼的时候分解为CaO和C02，CaO在熔炼温度下不会被还原，因此随石灰石用量增加，渣中CaO含量就增加。石灰石用量对合金中S含量的影响渣中CaO含量对LS的影响随着渣中

16、CaO含量增加，硫分配比呈上升趋势。按照分子理论，石灰石分解产生的氧化钙(CaO)是脱硫反应的反应物，炉渣中(CaO)增多，能大大地促进在金属炉渣界面上进行的脱硫反应，此外，石灰石降低渣的熔点，减少粘度，有利于脱硫。而根据离子理论，CaO带入脱S反应所需的02-，虽然所有的碱性氧化物都能提供02-，但Ca2+带入的02-的作用最大，又因S2-的半径比02-的半径大，所以Ca2+主要集中在S2-的周围，形成弱离子对，降低rs2-，硫分配比增大。此外，在其他条件不变的情况下，(CaO)增加还使炉渣碱度提高，渣中02-浓度提高，复杂的硅氧复合阴离子解体分裂形成较简单的硅氧复合阴离子，故炉渣的脱硫能力

17、提高。但是CaO含量增加到一定程度后，Ls增加的趋势不再明显，这是因为石灰石用量达到一定值后，分解产生的CO2会削弱体系中的还原气氛，对脱S不利，因此Ls改变不大，合金中S含量下降变缓。石灰石用量对合金中P含量的影响渣中CaO含量对LP的影响石灰石用量对P分布的影响主要是通过影响渣中CaO含量和碱度来实现。随着渣中CaO含量增加，P分配比呈上升趋势。依分子理论，CaO的脱磷能力表现在它与P2O5结合成2CaOP2O5，3CaOP2O5和4 CaOP2O53种磷酸盐而使P2O5固定于炉渣中，CaO还会与SiO2结合消除其对脱磷的有害作用，因此随石灰石用量增加，合金中P含量降低。根据离子理论，加入

18、CaO能提高碱度，引入的Ca2+能与PO43-形成弱离子对，提高PO43-的稳定性，降低其活度系数，同时CaO供给的O2-促进PO43-的形成的同时还与Fe2+形成Fe2+O2-对，提高FeO(Fe2+O2-)的活度。因此，石灰石用量越多，LP越大，合金中P含量越低。镍铁状态图温度对熔炼的影响温度对熔炼的影响从铁镍状态图可知，Fe与Ni组成的任何比例的固溶体其熔点均在1400以上，而含Ni20%的镍铁的熔点在1460左右，因此冶炼温度必须控制在此温度以上，考虑到需一定的过热度，可将冶炼温度选择在1550一1600左右。温度对合金质量的影响温度对合金中Ni品位的影响温度对金属回收率的影响 当温度

19、为1400时，在渣中发现镶嵌的镍铁珠，但没有镍铁合金块沉积在坩埚底部。说明在1400的温度下，渣的粘度很大，被还原的镍铁不能顺利沉降，渣铁分离不好。 温度为1450和1500时，有镍铁合金出现，且合金的质量较大，但合金中Ni的品位较低，这是因为合金和渣分离不好，渣在合金中的夹杂比较严重，导致合金的质量不佳。温度为1550和1600时，合金与渣分离良好，合金质量略有减少，但镍的品位增加，合金表面光滑并有一定的金属光泽。 从温度对金属回收率影响的图中可以看出，温度高于1500时对金属回收率的影响不明显。兼顾合金的产品质量和节能降耗、设备要求等，选择最佳熔炼温度为1550，温度低于1500时，渣在合

20、金中的夹杂严重，影响合金质量，温度过高则增加炉子的升温负担且对耐火材料的消耗加大。时间对熔炼的影响时间对熔炼的影响时间对合金质量的影响时间对金属中Ni品位的影响时间对金属回收率的影响 由图可知，时间对熔炼影响不大，合金中镍的品位保持在20%左右，Ni的回收率随熔炼时间增加而增加，继续延长时间，镍的回收率增加速度变缓。钴和铁的回收率随时间增加略有增加，但一定时间后，回收率反倒有下降的趋势。 试验表明，当还原温度一定时，由于金属相和渣相的传质更充分，镍、铁回收率随着还原时间的延长而提高;但是随着时间的延长，还原剂逐渐被消耗至尽，炉内的还原气氛逐渐减弱，局部会出现氧化性气氛，可能会出现镍和铁的重新氧

21、化，导致合金质量减少，金属回收率降低，而且冶炼时间越长，生产效率越低，电耗也越高。综合考虑能耗和生产效率等因素，应控制合适的冶炼时间。最佳熔炼条件下渣的化学成分分析成分TFeFeOSiO2Al203CaOMgOCONi含量6.455.0251.070.899.5427.080.00160.048电炉冶炼镍铁使用的镍矿NiO、FeO含量低。多数厂家由于对FeO存在不同程度的选择性还原，造成炉料配焦量少，料层导电能力差，炉渣碱度低，使电极容易深插；而铁水量少，造成炉底铁水层薄，导电强，极容易造成电弧高温区对炉底极心圆区域的熔蚀和铁水对该区域耐火材料的冲刷及渗透性侵蚀。在对多家镍铁厂拆炉现场观察中，

22、可以看到，不管是以碳砖或镁砖砌筑炉底还是镁质材料打结炉底，在炉底的中下部砖缝或打结料冷热收缩缝处，均出现渗铁现象，特别是碳砖砌筑炉底，开炉不到2个月，铁水已渗入第二层碳砖底部；因而，镍铁冶炼宜采用高二次电压、大电极直径、降低极心圆和炉底功率密度，缓解上述现象的发生并减轻炉渣对炉衬耐火材料的侵蚀。表3-1 冶炼镍铁不同功率矿热炉使用参数（供冶炼技术分析用）电炉功率/MVA12.524.027.045.05163.0电极直径/mm125015001380200018001500极心圆直径/mm3150400038504150468050406400炉膛直径/mm900097001250012500

23、13200168001900016750炉壳直径/mm110001500015000180002100018000炉膛湿度/mm2800300021005750极心圆功率密度/(KVA/m2)16051910214926651959炉底功率密度/(KVA/m2)160196196197222180291二次电压范围/V1802702005002605204901090从表3-1数据可以看出，与生产硅铁、锰硅、高碳铬铁同等功率矿热电炉参数相比，镍铁矿热电炉电极直径偏大，极心圆功率密度、炉底功率密度明显偏低，而使用的二次电压较高。4、电硅热法、电硅热法镍矿烘干破碎高温脱水煅烧成块配入熔剂矿热电炉熔

24、化NiO熔体倒人反应包向反应包加入45硅铁倒包反应粗镍铁降P、Si精炼镍铁。电硅热法工艺是以Si作还原剂，在高温条件下，对NiO、FeO等氧化物进行还原，生成镍铁。 据资料介绍，国外电硅热法工艺是在炉外，通过倒包操作，使加入的Si对熔体中的NiO进行还原，生成镍铁，与热兑法生产微碳铬铁的反应机理和工艺操作基本相同，因而，可称之为热兑法工艺。 火法冶炼工艺火法冶炼工艺硅镁镍矿通常采用火法冶金工艺处理。火法主要有两种：一种是用鼓风炉或电炉还原熔炼得到镍铁，又称镍铁法；另一种是添加硫化剂进行硫化熔炼生产镍硫，又称镍锍法。镍铁法是采用电炉熔炼，可以达到较高的温度，炉内的气氛也比较容易控制。但为了保证矿

25、石处理的经济性，通常要求矿石达到一定品位，所以在开始熔炼前，首先需对矿石进行筛选，排除风化程度低，品位低的矿石。 炉料需预先在回转窑中干燥脱水，在700800条件下进行预焙烧。所得焙砂与粒度在1030mm的挥发性煤混合一起加入电炉进行还原熔炼，产出粗镍铁合金。在电炉还原熔炼的过程中几乎所有镍和钴的氧化物都被还原成金属，而铁则不必全部还原成金属，铁的还原程度可通过还原剂的加入量加以调节。粗镍铁合金再经过精炼产出成品镍铁合金，镍铁合金主要供生产不锈钢。采用该法生产镍铁合金的工厂主要有法国的新喀里多尼亚多尼安博冶炼厂、哥伦比亚塞罗马托莎厂和日本住友公司的八户冶炼厂，镍铁产品中含镍2030%，全流程回

26、收率为9095%，钴进入合金。火法工艺主要应用于处理硅镁镍矿，适合于处理镍含量1%，铁含量30%左右，钴含量低的红土镍矿。其最大特点是处理工艺简单，流程短。缺点是钴也进入镍铁合金或镍锍中，失去了钴应有的价值。火法工艺处理氧化镍矿生产镍铁合金具有流程短、效率高等优点，但能耗较高，其操作成本中的最大构成项是能源消耗，如采用电炉熔炼，仅电耗就约占操作成本的50%，再加上氧化镍矿熔炼前的干燥、焙烧等预处理过程的燃料消耗，能耗成本可能要占65%以上。而矿石含镍品位的高低对火法工艺的生产成本起着重要的作用，低品位的矿由于冶炼时矿石量大，能耗高，冶炼成本就高，矿石含镍提高0.1%，生产成本大约可以降低3-4

27、%，因此目前火法工艺主要处理高品位的红土镍矿。湿法工艺成本上比火法低，但处理氧化镍矿工艺复杂、流程长、工艺条件对设备要求高，因此从投资、建设周期、技术成熟的角度出发，火法仍将是镍铁冶炼的主导工艺，火法冶炼镍铁还可以同时回收镍和铁，用于不锈钢生产，具有较强的价格竞争及产能优势。综上所述，解决火法工艺能耗高的难题以及开发新的湿法工艺处理中低品位镍红土矿将是今后镍冶炼的发展方向。存在的问题和展望存在的问题和展望(1) 红土镍矿是镍资源的主要形式,因此以红土镍矿为原料生产镍铁将成为未来发展趋势。目前的镍铁冶炼工艺都存在一定的问题,中国现有的镍铁生产工艺多为高炉冶炼或矿热电炉等高能耗高污染的落后工艺,而相对成熟先进的生产工艺掌握在少数发达国家手中,因此对现有工艺进行改进或研发新的冶炼工艺无疑会