鎳鐵生產(chǎn)工藝
一、鎳、鎳鐵與鎳礦
鎳是略帶黃色的銀白色金屬，是一種具有磁性的過渡金屬。鎳的應(yīng)用在于鎳的抗腐蝕性，合金中添加鎳可增強(qiáng)合金的抗腐蝕性能。不銹鋼與合金生產(chǎn)領(lǐng)域是鎳最廣泛應(yīng)用領(lǐng)域。全球約2／3的鎳用于不銹鋼生產(chǎn)，因此不銹鋼行業(yè)對鎳消費(fèi)的影響居第l位。鎳在不銹鋼中的主要作用在于它改變了鋼的晶體結(jié)構(gòu)。在不銹鋼中增加鎳的一個主要原因就是形成奧氏體晶體結(jié)構(gòu)，從而改善諸如可塑性、可焊接性和韌性等不銹鋼的屬性，所以鎳被稱為奧氏體形成元素。目前全球有色金屬中，鎳的消費(fèi)量僅次于銅、鋁、鉛、鋅，居有色金屬第5位。因此，鎳被視為重要戰(zhàn)略物資，一直為各國所重視。
鎳鐵主要成分為鎳與鐵，同時還含有Cr、Si、S、P、C等雜質(zhì)元素。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）鎳鐵按含鎳量分為FeNi20（Ni 15％～25％）、FeNi30（Ni 25％～35％）、FeNi40（Ni 35％～45％）和FeNi50（Ni 45％～60％）。又再分為高碳（C 1.0％～2.5％）、中碳（C 0.030％～1.0％）和低碳（C <0.03％）；低磷（P <0.02％）與高磷（P <0.030％）鎳鐵。目前國內(nèi)廠家生產(chǎn)的鎳鐵品位主要集中在1.6～2.0％、4～8％以及10～15％，同時也有小部分廠家能生產(chǎn)含鎳量在20％以上的鎳鐵。
世界上可開采的鎳資源有二類，一類是硫化礦床，另一類是氧化礦床。由于硫化鎳礦資源品質(zhì)好，工藝技術(shù)成熟，現(xiàn)約60％~70％的鎳產(chǎn)量來源于硫化鎳礦。而世界上鎳儲量的65％左右貯存在氧化鎳礦床中，由于其因含有氧化鐵的緣故而呈紅色，因此也俗稱紅土鎳礦。目前發(fā)現(xiàn)的紅土鎳礦多分布在南、北回歸線一帶，如澳大利亞、巴布亞新幾內(nèi)亞、新喀里多尼亞、印度尼西亞、菲律賓和古巴等地。
二、工藝原理
雖然紅土鎳礦處理工藝主要分為濕法冶煉工藝和火法冶煉工藝，但目前世界范圍內(nèi)比較成熟的利用紅土鎳礦冶煉鎳鐵合金的工藝方法仍舊以火法冶煉為主。
火法冶煉鎳鐵是在高溫條件下，以C（或Si）作還原劑，對氧化鎳礦中的NiO及其他氧化物（如FeO）進(jìn)行還原而得。同時采用選擇性還原工藝，合理使用還原劑，按還原順序NiO、FeO、Cr2o3、SiO2進(jìn)行還原反應(yīng)。
因不同產(chǎn)地的鎳礦成分不同，NiO及各種氧化物之間組成的化合物也有所不同，因而，在鎳鐵冶煉過程中，其實(shí)際反應(yīng)較復(fù)雜。反應(yīng)生成的Ni和Fe能在不同比例下互溶，生成鎳鐵。
從上述（1）、（2）反應(yīng)式中可看出：NiO、FeO還原反應(yīng)開始溫度較低，而且，NiO的開始反應(yīng)溫度比FeO約低200℃；因而，火法冶煉鎳鐵過程中，盡管所采用的鎳礦NiO含量較低，但NiO 90％以上被還原，而且，在Ni／Fe很低的情況下，可通過不同的工藝操作，使產(chǎn)品含Ni量提高到較高水平，與鐵合金其他產(chǎn)品（如高碳鉻鐵、錳硅合金等）相比，電爐粗鎳冶煉難度相對較低。
三、紅土鎳礦預(yù)處理
紅土鎳礦屬非結(jié)晶型礦種。不同鎳礦類型，成分波動范圍為：Ni 0.87％～3.85％，Fe 6％～50％，MgO 1.5％～32％，Si02 5％～58％，Al2o3 1％～15％，P 0.000 4％～0.000 2％，S 0.00l％～0.08％。
紅土鎳礦另一個特點(diǎn)是水分較高，尤其是目前我國紅土鎳礦主要進(jìn)口國菲律賓和印尼兩國氣候多雨潮濕，鎳礦中水分基本在30~35％范圍波動。為確保鎳鐵冶煉爐況穩(wěn)定，鎳礦在入爐前必須進(jìn)行脫水，造塊處理。不同的鎳鐵生產(chǎn)廠家對入爐前 鎳礦的脫水燒結(jié)處理普遍使用 如下幾種預(yù)處理方式：
①回轉(zhuǎn)窯烘干→造塊→回轉(zhuǎn)窯高溫脫水、預(yù)熱。
②回轉(zhuǎn)窯烘干→造塊→豎爐燒結(jié)、預(yù)還原。
③回轉(zhuǎn)窯烘干→脫水、燒結(jié)（包括預(yù)還原）。
不同的鎳礦處理工藝的投資費(fèi)用及工藝操作難度不同，對整個鎳鐵冶煉工藝綜合能耗及產(chǎn)品質(zhì)量的影響也有所不同，因而，隨著我國鎳鐵生產(chǎn)的規(guī)模化，選擇何種鎳礦預(yù)處理方式，值得分析。
四、數(shù)種工藝流程
1、回轉(zhuǎn)窯直接還原法
鎳礦→烘干→破碎→配入焦炭、熔劑混合制團(tuán)→預(yù)熱→回轉(zhuǎn)窯脫水、還原→固融態(tài)渣鐵混合物→水淬→磨碎→跳汰、強(qiáng)磁選等多級渣鐵分離→細(xì)粒鎳鐵→電爐重熔→精煉脫硫→鎳鐵。
該工藝?yán)没剞D(zhuǎn)窖全程對鎳團(tuán)礦進(jìn)行脫水、焙燒，NiO、FeO等氧化物還原，金屬物聚集，最后生成融態(tài)海綿狀夾渣鎳鐵。熔煉過程熱能來自煤粉（或重油）燃燒放出的熱量，其是火法冶煉鎳鐵生產(chǎn)中，設(shè)備最簡單、生成金屬流程最短、綜合能耗最低的生產(chǎn)工藝。
2、鼓風(fēng)爐法
鎳礦→回轉(zhuǎn)窯烘干→制塊→配入焦炭→鼓風(fēng)爐冶煉→粗鎳鐵→精煉降Si、C、P、S→鎳鐵。
該工藝在冶煉設(shè)備結(jié)構(gòu)方面與高爐法冶煉鎳鐵有相似之處。冶煉過程中以焦炭燃燒放熱作為熱源，但反應(yīng)機(jī)理有所不同。高爐直接冶煉出的鎳鐵，其含Ni量基本取決于入爐鎳礦中的Ni／Fe比值，而鼓風(fēng)爐法生產(chǎn)的粗鎳，其含Ni量，不只受限于該比值的大小。
鼓風(fēng)爐工藝是最早出現(xiàn)的紅土鎳礦冶煉鎳鐵的技術(shù)，1875年，在新喀里多尼亞小高爐就已應(yīng)用，后法國也有采用，但該法因消耗大量優(yōu)質(zhì)焦炭、污染嚴(yán)重而為人詬病。最終該工藝在市場競爭和環(huán)保壓力下停止，1985年日本礦業(yè)公司佐賀關(guān)冶煉廠的最后一座鎳鐵高爐熄火，標(biāo)志著鼓風(fēng)爐冶煉鎳鐵技術(shù)在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家壽終正寢。
3、高爐法
鎳礦→脫水、燒結(jié)、造塊→配入焦炭、熔劑→高爐冶煉→粗鎳鐵→精煉降Si、C、P、S→鎳鐵。
在國內(nèi)，近年采用的火法冶煉鎳鐵較為普遍，主要是借用于現(xiàn)有煉鐵小高爐直接轉(zhuǎn)產(chǎn)，具體操作與小高爐生產(chǎn)生鐵操作相似，特別適合于使用低Ni、高Fe鎳礦生產(chǎn)低Ni鎳鐵（含鎳生鐵）。
該工藝仍以焦炭燃燒放熱作為冶煉熱能，入爐鎳礦中FeO可被焦炭中的C充分還原，故粗鎳鐵中的Ni含量高低基本受限于入爐鎳礦Ni／Fe的比值大小。
由于國家限制400 m3以下小高爐的使用，而使用礦熱電爐，利用低鎳高鐵鎳礦，直接生產(chǎn)低Ni鎳鐵，其工藝的合理性和易操作性，似乎不及高爐法，因而采用大容量高爐冶煉低Ni鎳鐵值得關(guān)注和研究。
4、電碳熱法
鎳礦→脫水、造塊→配入焦炭、熔劑→電爐冶煉→粗鎳鐵→降C、Si、P、S精煉→鎳鐵。
電碳熱法是以C作還原劑，在電能高溫條件下，對鎳礦中的NiO、FeO等氧化物進(jìn)行還原，冶煉出鎳鐵，因而，在電爐冶煉過程中，調(diào)整合適的配炭量，限制FeO還原，可生產(chǎn)出Ni含量較高的電爐鎳鐵。
國外火法冶煉鎳鐵主要采用此工藝，國內(nèi)廠家生產(chǎn)含Ni大于10％的產(chǎn)品時亦普遍采用。主要冶煉設(shè)備為礦熱電爐，國內(nèi)個別廠家也有使用與電弧爐結(jié)構(gòu)相似的電爐生產(chǎn)（其設(shè)備最大容量為9 MVA），其鎳礦預(yù)處理方式，冶煉工藝的具體操作，精煉工藝設(shè)備配套情況及精煉效果均不盡相同，各項(xiàng)指標(biāo)對比也存在一定差異。
5、電硅熱法
鎳礦→烘干→破碎→高溫脫水煅燒成塊→配入熔劑→礦熱電爐熔化→NiO熔體→倒人反應(yīng)包→向反應(yīng)包加入45％硅鐵→倒包反應(yīng)→粗鎳鐵→降P、Si精煉→鎳鐵。
電硅熱法工藝是以Si作還原劑，在高溫條件下，對NiO、FeO等氧化物進(jìn)行還原，生成鎳鐵。
據(jù)資料介紹，國外電硅熱法工藝是在爐外，通過倒包操作，使加入的Si對熔體中的NiO進(jìn)行還原，生成鎳鐵，與熱兌法生產(chǎn)微碳鉻鐵的反應(yīng)機(jī)理和工藝操作基本相同，因而，可稱之為熱兌法工藝。
五、鎳鐵產(chǎn)業(yè)的意義
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平提高，不銹鋼生產(chǎn)消費(fèi)快速增長。鉻鎳系不銹鋼是消費(fèi)鎳的主要不銹鋼品種，由于其優(yōu)異的綜合性能，得到廣泛應(yīng)用，占不銹鋼總產(chǎn)量的60％～75％。不銹鋼產(chǎn)量的增長將拉動鎳金屬消費(fèi)量增長。隨著金融危機(jī)影響的漸漸消退，鎳價(jià)重回2萬美元以上，鎳鐵合金對降低不銹鋼冶煉成本的優(yōu)勢逐漸得到體現(xiàn)，鎳鐵在不銹鋼原料中占據(jù)了重要的地位，國內(nèi)的鎳鐵冶煉行業(yè)在經(jīng)歷了08年的蕭條衰敗后重新迎來了另一個發(fā)展良機(jī)。
此外，由于電解鎳主要是由硫化鎳礦冶煉所得，而硫化礦提取工藝成熟，長時間的大量開采使得世界近期可供開發(fā)的硫化礦資源已經(jīng)不多，加之硫化礦資源勘探周期和建設(shè)周期均較長，開發(fā)和利用相對比較困難，與硫化鎳礦情況相反的是紅土鎳礦資源豐富，貯存在紅土礦中鎳金屬量占據(jù)了鎳儲量的65％，而每年從氧化鎳礦中提取的鎳只占世界鎳產(chǎn)量的30％，因此隨著世界上硫化鎳礦資源的逐步減少，從氧化鎳礦中提取鎳金屬將具有極大的發(fā)展前景。
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氧化鋅生產(chǎn)線 回轉(zhuǎn)窯、烘干機(jī)
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活性石灰生產(chǎn)線 除塵器、脫硫塔
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滑石回轉(zhuǎn)窯 球磨機(jī)、棒磨機(jī)
鎳鐵、鋁礬土生產(chǎn)線 立窯、回轉(zhuǎn)窯
土壤改良劑生產(chǎn)線 鉀肥、有機(jī)肥
固、危廢處理回轉(zhuǎn)窯 污染土修復(fù)、污泥陶粒
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