日本大江山厂用直接还原硅镁镍矿法生产镍铁资料

1、日本大江山厂用直接还原硅镁镍矿法生产镍铁TetsuyaWatanabe 等 摘要第二次世界大战期间，日本冶金工业公司大江山厂用克鲁帕一雷恩汝KruPP RennProcos) 从附近大江山矿开采的红土矿中生产海绵铁.1952年，该厂改用进口硅镁镣矿作原料，开始 生产制造不锈钢用的镣铁.从开始产镣铁以来，巳作了许多改进。费用低.原料预处理后，可用回转窑低能耗地生产粗镣铁.(2)产品销路好.粗镣铁可用于作氢氧脱碳法(AOD)炼不锈钢的原料. 目前，只有大江山厂在工业上采用硅镁镣矿的直接还原法.本文介绍大江山法的技术和操作特点。前言在第二次世界大战期间，日本冶金工业公司在宫津建起一个 熔炼低品位镣红

2、土矿的工厂二镣矿来自附近的大江山矿山。用克 鲁帕一雷恩熔炼法生产低镣生铁，在本公司的川崎厂用作生产低 合金钢.战后，原料从镣红土矿改用从新喀里多尼亚的进口矿， 并生产供日本国内用的炼不锈钢用的粗镣铁，熔炼方法没有改 变.现在该厂以四台回转窖处理从新喀里多尼亚，菲律宾和印度 尼西亚进口的矿石成功生产约1000吨镣/月.熔炼方法很独特，称 为日本冶金大江山法.此法为不锈钢生产提供充足的镣源.它还使 我们建起从镣原料到成品不锈钢的一条龙生产法，本法与埠尔一 凯姆法(El KemProee:s)之类等的镣铁法相比，有如下优点：熔炼主要能源为煤，而不是昂贵的电能.原料的自由选择，能可用东南亚的硅镁镣矿.

3、所产粗镣铁质量可直接用作不锈钢生产原料，并且同时作 为熔炼的冷却剂.熔炼方法是简单的，预处理步骤是将原料（硅镁镍矿）磨细后， 与含碳物料和熔剂石灰石混合，后者用于调节含水量，然后制团. 接着通过预热器将团块连续给入回转窑。在回转窑中，团块与煤 燃烧所产生热气流逆流运动，经受所有熔炼步骤一干燥，脱水， 还原和金属成长一金属是在窑中半熔融条件下生成的。这烧成的 物料叫熔块从夸出来就将它水碎，磨细后，用跳汰和磁选机将 还原成的镍铁合金从排出的熔块中分离出来。然后将此产召运往 川崎钢厂作为不锈钢生产的镍源.粗镍铁呈直径2-3毫米的沙状颗粒，并夹带1-2%炉渣，其 化学组成为C0.10%, Ni 182

4、2%, S0.45%, P0.015%.此产品不管含硫多高均适用于AOD炼钢过程，因AOD法 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.当只采用回转窑进行大江山法操作时，熔炼实践应在半熔化 而不在熔化条件下进行.在实践中，使含脉石高的硅镁镍矿的氧化镍在半熔化条件苹还原和 使镍铁合金聚集成粒是困难的。二、技术改进的历程在详细介绍本方法之前，让我们简单回顾以往技术改进的历 史。从进口高品位镍矿生产镍铁始于1952年，为炼不锈钢厂提 供原料。从那时起，努力提高生产能力、镍回收率、产品性量和 节省能耗。表1所示为主要生产过程的技术改进历史。图1为目前的生产流程

5、。如表中所示，我们通过增建回转窑、几项设施改进和改善原 料预处理等，成功地逐步提高生产能力，满足川崎钢厂生产不锈 钢方面不断增长的需要。至于能源问题，镍熔炼过程消耗大量能 源.为解决石油危机后能耗费用增加的问题，采取种种措施降低 此项费用，如提高预热器热效率，用煤代油，用新的预处理技术 以降低供入回转窑的原料含水量。19521984年的过程改进 表1年改进项耳每台窑恰矿地（吨）镰产最（毗年）竦回收率能耗（千卡/吨矿）,1952恢轻握生产， 一台窑污转139928S02750 XK31954两台密运转13Q13S3812 75C M19M.三会窑运转13016766J262G X1031956扩

6、大矿石处理 址的方法 1532685812620 X I03J357在两成窑中装1902L2ei2390 X I03195S装悯生洗险塔193AG1ST239C XIS119扪在第三台客装细43 ItBB21 CO X L 31967四台密运粹，源3646682CJ(J X LQ3J 570改谜T石处理 过程3808S40；93O 乂 151577 1节能计妇380849992110X1331D78油为燃料3899470皿,31510 X1Q31981由烧油改为烧 粉煤38。535394.35.G X IC/31曲.采用制固注4 2095M95*0132J X 以石灰石无烟煤陛 混捏机关于镍回

7、收率，一般认为，因原料中脉石含量高，只用回转 窑法不能达到足够高回收率。事实上，大江山法应用初期镍回收率仅约80%。但装设烟尘 返回系统，改进原料预处理工艺和烧渣分离工艺就使此低回收率 大为改观。同时，用热化学的观点，对在半熔条件下还原出来的 金属颗粒的聚集机理进行了研究.三、工艺特点表2列出了主要设备的规格。处理过程分为如下三个阶段：原料预处理一矿石进行磨细，混合和压团作业，使回转窑 有效地运行。(2)在回转窑内进行熔炼作业，其中有焙烧，金属氧化物的还 原和还原出的金属颗粒进行团聚.用重力和磁力分选法从窑产品（烧渣）中分离出团聚的镍 铁金属颗粒.主宴设备规格 2设备台数能力尺 寸管磨机265

8、吨矿（干）/时米M8米气篇式磨矿秋J4。吨矿（干）/时$49 米 XI.6 米矿浆槽73狷米事力6米贮矿仕5325 米，4殊转鼓过推机418.5吨射济艰）/时过谴面我70米，棒磨机245吨矿（干）/时$3米）U.E米压团机4队,5吨矿（干）/时4。.72米 XL6光，预愚器42T吨（干）/时4 米 xnX回转带4纣吨（干）/时马西磨矿机5是峋（干）/HT*2.4米 X I .B米13话吨（干）/酎磁选机；815吨（干）/时分钗机1300米/冠$1 .S米 M 1。米原料准备过程生产质量良好的团块是回转窑成功操作的重要因素一如团 块有利于热效率提高，有利于形成理想的温度分布，防止窑结圈 故障，并

9、降低烟尘率。（1）原料。所用原料由硅镁镍矿，无烟煤和焦粉还原剂，燃料 煤和石灰石熔剂所组成。这些物料典型的化学成分列于表35. 因镍铁产品直接用于不锈钢生产过程，产品中磷含量限制在最高 不应超过0.02%。因此使用特殊品级的低磷煤，至于产品的硫含 量，由于AOD法有很好的脱硫效率，故没有特别限制。后面将 要讨论到，硫在回转窑中使还原金属颗粒的团聚方面起着重要作用。矿石实型化学组成（为）表3石水份垮失率SiOl 1FtAlg,Ni + GOCrOaCadMgOMeO/SiO2A24*110.542.51L80,92.55】.QOJW70.58B25.710-640.613.01.02.561 .

10、10 + l24.60.61C28.745.812.12,12.seC ,921 .20.46D29.510.E41IS.2。92.32二.0l20*7&顷燃料典型化学成分表4水慕水内灰分挥发分固定混磷硫T卡/千克无烟血4.0小TT.30 + 0040.146240第粉 6.2-J2.0B4. U0.60煤a!11.04.$15.63旺41.01,563】。煤15.07.0T.D40 .054.0C .235400石灰石典型化学成分（勿） 米5烧失率SiO3a OsAhO,| CaOMgOrs43. S3O.SSI.100J5&5.C8D.370. D04a.007（2）压团。以前采用“湿法”

11、压团。这就是把所有原料湿磨和 过滤后，用低压成形和将约含32%水分的滤饼制成条状.1984年 此法已改为压团法，其原因主要是为节省能耗，提高窑的矿石处 理量和窑的稳定操作需要含水分低（约18%）和强度高的团块.此工艺改进借增添下面新设备来实现:其中有磨细干燥和矿 石的气落式磨矿机、混捏机和混合磨矿机和压团机。通过严格控 制水分，按矿石的矿物特性进行适当配比和充分混捏，可产出优 质团块。在此工序，所有无烟煤、焦粉和石灰石均与矿石一起压团。优质团块能有效地确保窑稳定操作的条件。图2表示矿石的 粘土含量和水分对生团块性质的影响。3010矿B16 1B粘土含量矿AA矿BA矿C）团块尺寸43 X 43

12、X 20mm水份图2生团矿的强度熔炼（1）窑操作特点。图3表示典型的工艺操作条件。如 图所示，团块不断送给链篦机，团块与热气流逆流热交换后 再加入窑中。在窑内团块以平均速度6m/h前进。在团块前 进过程中。与燃料煤燃烧所产生的热气流逆流运动时，完成 脱水，还原，团块破坏，造渣。还原的金属颗粒团聚等熔炼 步骤。嵌入团块中含碳物料既作燃料又作还原剂。窑稳定操 作最重要的技术因素是恒定的团块供给速度和保持窑中的 稳定温度分布。很好地控制团块中含碳质物料的加入量和预热器中恒定的抽风条件就可保证窑中稳定的温度分布。团块 质量差，窑给料速度变化无常，含碳物散乱均会造成物料和 窑壁局部过热或过冷，增加粉尘，

13、抽风情况异常和含碳物偏 析分布。这一切都是引起窑结圈故障，耐火衬里寿命缩短和 金属颗粒团聚不好的原因。（2）窑中反应特性。根据计算机模拟和停窑后研究结 果，窑内温度分布和反应特性如图4所示，从图可见。由于 优质团块层通风阻力小且恒定，在篦上（预热器）发生有效 的热交换。通过炉篦后的废气温度约90C。在团块沿窑运动中。可完成矿石脱水，蒸发结晶水和石灰石 的分解，当铁和镍氧化物开始被还原性气体和嵌入其中的含碳物 还原时，由于体积膨胀团块可能破坏，并逐步软化。为有效利用 团块中含碳物作还原剂和燃料，控制团块的反应率是重要因素之 一。当物料运动到离窑口约30m处，物料温度上升至约1100C 以上。此时

14、，造渣反应开始与还原反应同时进行镍氧化物有橄榄 石结构（Ni，Hg） ,SiO2，铁氧化物可能也有相同结构Fe2SiO4。 在高温下它们均跟游离二氧化硅起反应，而且两种氧化物似乎都 形成固溶体。所以从热化学观点看来，在半熔融条件下氧化镍还 原是相当困难的。如图4所示，不管铁和镍氧化物之间生成自由 能差别有多大。两种氧化物几乎同时还原为金属。要确切说明在温度范围为1250C-1400C，半熔融渣条件下 还原金属颗粒聚结的机理是很困难的。我们提出如下团聚模型。 金属颗粒以非稳定态存在于渣中的悬浮系统可能适用于该过程。 所以金属颗粒和渣相间界面现象可能对，团聚有重大影响。根据 经验，加硫，石灰或三氧

15、化铝很有利于促进团聚过程.渣相中的 氧化铁似乎对团聚有作用，相反，渣相中过多的残留碱有害于团 聚。硫往往富集在金属颗粒的表面上，这就局部地降低了金属颗 粒的熔点和表面张力。大家认为这些现象引起了金属颗粒的粘 结。就渣相表面现象而论，为便金属颗粒较易运动，并使它们聚 集，选用较低粘度的渣。虽然将离子结构引入渣系统会有某些困 难，但因SiO44-是表，面活性的，它会集中在渣一金属界面上. 此外，像CaO, Al2O3，或FeO这些“网状结构破坏者”也可能 移至界面，变成活性组分。CaOCa2+ +O2-AI2O32AI3+302-FeOFe2+O2-这样，金属颗粒和渣相之间的界面可能粘度较小，有利

16、于促 进金属颗粒的运动。渣中过多残余碳可能增加渣的表观粘度，可 能不利于更好的团聚。低粘度层一一渣招图5用分散系统的悬浮模型简示金属团 聚反应过程上述模型简示在图6中。图6是用电子探针显微分析法对渣 和金属颗粒界面的扫描分布图。如图6-9（略）所示，Ca和Fe集中 在渣表面，而S集中在金属颖粒表面。同样、Si和AI也集中在 渣表面。界面区域分析结果可与所提出模型很好地符合。从实践观点看，档料圈高度，燃咀位置和渣中残碳量控制等 是促进还原出金属颗粒团聚的重要因素。这些条件确保适当的窑 渣粘度和有效团聚的通过时间。事实上，自从改为压团法备料以来，有关异常结圈，金属产 率，热效率等窑中实际条件已大为

17、改善。这些可能是窑给料中水分减少，烟尘率降低和含碳物料匀速 前进的结果。经缎烧后，原料在窑末端变成含团聚镍铁合金的“烧结块”。 为防止氧化和使熔块更易破碎，当熔块离窑时即水碎.然后将水碎烧结块运往分离车间。在分离车间，用马西磨矿机将熔块磨至-2毫米碎屑，再用图 1流程所示的跳汰机和磁选机分离为金属和窑渣。磁选精矿中金 属部分约占10%，将它返回窑中。分离后余下的熔块尾渣，部分 出售作建筑材料。所谓粒铁的镍铁典型成分见表6。虽然镍铁含 有少量窑渣，但它可直接用作生产不锈钢的原料。表7列出典型 的窑渣组成。从矿物学上讲，它由顽辉石(MgO - SiO2),少量镁 橄榄石(2MgO SiO2)和游离

18、二氧化硅所组成.熔化一吨干矿产出 80%渣和10%金属。铳铁典型化学成分(啊)襄6Ni + COCPSCrSi渣21.90.030.019Q.440.190.012.0毒渣典型化学组成(啊) 7Ni+COSiOaAlxO.MgOCaOCs0,253.46.02.S28f46.70,20,07热量平衡表8热延收入热量支出项目千卡/吨矿%1项目千卡/吨矿无烟煤847.6X I0374,6熔块显热389.5X 1。334,3和焦粉287.5X 10325.4蒸发潜热171,2X 10315.1煤反应热32 7.0X103,28,3废气显热弓。.5X108,0热损失和 其他择6.9女仍子13,8总首F最后整和链蓖机（预热器）中熔炼过彳程热平衡