镍铁冶炼.docx

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镍铁冶炼

镍铁冶炼

根据红土镍矿成分的不同，镍生产厂可以选择不同的冶炼工艺。

中国目前还没有一座大型镍铁生产工厂，为了少走弯路可以引进国外成熟的先进技术，在中国国内制造全部设备，以较少的投资，在最短的时间内，选择适宜的沿海地区建设一座大型镍铁生产厂。

为此，比较详细的介绍了乌克兰帕布什镍厂的火法冶炼镍铁的工艺流程和生产指标。

文章还介绍了在镍铁精炼车间，直接冶炼300系列不锈钢工艺的开发。

   1.开发利用海外镍资源满足中国日益增长的镍需求：

尽管中国镍资源的开发与利用近年来得到了快速的发展，但是，发展的速度远远跟不上冶金等行业对镍需求增长的速度。

近几年，中国精炼镍产量在8万吨左右，受到资源的限制，短时间内不大可能快速增长。

合资在国外开发镍矿、建设镍生产厂的几个项目虽然已经签约，但是项目产能有限、实施还需要时间。

目前中国镍的年消费量已经快速的增加到14.6万吨，中国已经成为仅次于日本的世界第二大镍消费国，是近年来全球镍消费增长最快的国家。

随着国民经济的快速发展，人民生活水平的提高，不锈钢的消费量将上升，这将导致镍的需求量增长的速度大大超过目前可以预期的镍的产出量的增长速度。

有色金属工业协会预计到2010年，中国镍消费量将达到24万吨。

   近年来，为了保证国民经济发展对镍的需求，中冶、五矿、太钢、宝钢等大企业实施“走出去”的发展战略，参与海外镍矿资源的开发，这将对中国镍的稳定供应发挥重要作用。

中国的一些民营企业，也积极进行开发利用海外镍资源的探索，取得进展。

利用红土镍矿生产的低镍含量的生铁已经广泛的用于200系列不锈钢的冶炼。

   目前中国镍冶炼工艺基本上处于以电解镍为主的单一产品的局面。

研究开发利用红土型镍矿，生产镍铁的技术是必要的。

红土型镍矿用来生产镍铁在经济上合理，没有必要一定要生产电解镍。

这项技术的开发有利于中国企业参与海外镍矿资源开发，占有更多优势矿产资源。

   2.建设火法冶炼镍铁的工厂的条件分析：

   目前中国还没有大型的镍铁生产厂。

中国金川镍厂以中国产的硫化镍矿为原料，适合于湿法冶金工艺。

吉恩镍业和元江镍业镍虽然以红土镍矿为原料，但是都采用了高压酸浸工艺生产镍。

中国目前有小的炼铁厂，采用传统的烧结技术处理进口红土镍矿，生产镍渣，再加入高炉生产含镍量为1%-3%的低镍生铁，用于冶炼200系列的不锈钢。

   建设镍的冶炼工厂投资大，限制了中国镍业发展。

有报道，国外采用湿法冶金生产镍，每一公斤镍的投资在20-24美元。

如果引进设备，在中国建设火法冶炼镍铁的工厂，投资也相似。

所以本文主要想探讨利用国际先进的技术和设计，在中国制造设备，建设镍的生产工厂的可行性。

这样可以规避风险，收到高利润、低风险的效果。

通过与乌克兰的专家近一年的讨论，利用原苏联的技术和设计，采用国产设备建设一座年产镍1.0万吨（镍铁5万吨）的工厂，每一公斤镍的技资大约为6美元。

   生产镍铁，能源消耗大。

生产一吨含镍20%的镍铁，大约需要80Nm3氧气和4000-6000kwh（矿石含镍为1.2%-2.0%时）电力。

所以厂区周边的电力供应状况很重要。

在建设工厂以前必须落实矿石的来源。

理论上讲，所有的红土镍矿石都可以用火法冶金生产镍铁，但是由于矿石的性质不同，为了降低生产成本，火法工艺优先选择以硅镁镍矿做原料。

而碱性镍矿可以选择还原焙烧一氨浸法处理；褐镁矿型红土矿可以选择加压（或常压）酸浸处理工艺。

有报道：

约有40亿吨红土镍矿适于高温冶炼，平均纯度为1.55%,含量约为6200万吨,约占红土镍矿总数的38%：

约有86亿吨的红土镍矿适于湿法冶金，平均纯度为1.15%,含量约为9900万吨，占红土镍矿总数的62%。

但是，乌克兰国家冶金学院的专家怀疑这组数据,根据他们在帕布什镍厂工作的经验,适合于火法冶金的矿石很容易购买，而且价格便宜。

目前全球镍矿供求基本处于动态平衡。

2004年全球镍矿产总产量为128万吨，约有60%的镍矿产量来源于硫化镍矿石，约25%源自高温冶炼的红土镍矿石，约15%为水冶红土镍矿石。

渣子数量大，要考虑炉渣的处理和利用。

在生产镍铁时，主要是回收了矿石中的镍和铁。

同时结晶水蒸发掉了。

理论上渣子可以用来作为建筑材料，但是由于数量巨大，建筑材料的市场容量要研究。

如果堆存将占用土地。

由于这种炉渣不会对环境造成化学污染，可以用来填海造地。

由于原料量大，运输是重要的问题。

乌克兰帕布什镍铁厂虽然不临海，但是通过第聂伯尔河，原料可以方便的运输到工厂的料场。

   3.这是一个符合中国产业政策的好项目：

中国《有色金属工业长期发展规划（2006-2020年）》指出：

“世界己查明镍资源量1.3亿吨，其中硫化镍矿占40%，红土镍矿占60%。

由于硫化镍矿资源紧缺，开发镍红土矿具有重要意义。

针对不同类型镍红土矿，研究火法工艺处理硅镁镍矿；还原焙烧——氨浸法处理碱性镍矿：

加压或常压酸浸处理褐镁矿型红土矿。

”

   另外，镍是各国重要的战略物质，开发红土镍矿冶炼技术，将强化中国企业参与海外镍矿资源开发的能力，占有更多的矿产资源。

   4.乌克兰帕布什镇铁厂生产工艺流程介绍：

4.1概况：

乌克兰帕布什镍厂建设于苏联时代，于1972年投产。

工厂位于乌克兰著名的冶金和航空航天城的第聂伯尔市的西南部。

工厂不临海，但是可以通过第聂伯尔河将进口红土镍矿运到工厂料场。

这项工程由苏联的国立镇工业设计院承担总体设计，乌克兰国家冶金学院等大学和研究院为这项工程提供了技术支持。

   这个工厂投产以后的十几年间，利用苏联境内的红土镍矿为原料生产含镍14%~20%的镍铁。

红土镍矿石含镍量在1.0%左右，矿石含较高的氧化镁和氧化硅。

为了提高镍铁的产量和提高经济效益，近年来从南太平洋的新克林顿岛购入镍含量比较高的红土镍矿石，进口的红土镍矿石含镍量波动在1.5%~2.0%。

这个工厂设计年产纯镍2.0万吨。

2004年这个工厂生产了8.5万吨镍铁（含镍20%）,折合纯镍1.7万吨，在世界上镍价大约为1.2万美元/吨时，工厂生产的镍的销售额达到2.04亿美元/年。

有乌克兰的冶金专家称这个企业2004年利润率达到200%以上，是乌克兰效益最好的企业。

2005年因为设备检修和技术改造，镍铁产量降低到6.8万吨。

   这个工厂在1972年投产后进行了多次的技术改造，保持了镍铁冶炼工艺的最佳配置，工艺上的创新使这个工厂保持了青春。

   为了扩大工厂的生产能力，这个工厂正在筹划进行扩大生产能力的技术改造。

规划在原有设施的基础上再建设一条相似的镍铁冶炼生产线，使年产镍铁的能力提高一倍。

   帕布什镍厂建设之初立足于使用含氧化硅和氧化镁高的红土镍矿。

独立开发了多项专有技术。

乌克兰冶金专家指出；从整体的工艺流程上看，这个工厂似乎少有特殊之处，

   但是一些具体的工艺技术进步和技术诀窍，保证了这个工厂的生产工艺能更好的适应目前多变的原料条件，保证技术经济指标在同行业中处于领先水平，这样才取得了现在这样好的经济效益。

   4.2粗制镍铁的生产工艺：

   从船上卸下的矿石，运入工厂的原料场。

在原料场红土镍矿被清洁、破碎、筛分、中和混匀。

然后按工艺要求进行配料，通过胶带输送机送入下一工序。

红土镍矿石一般含有30%左右的水分（结晶水）,需要在还原焙烧阶段将其去除。

这个任务是在回转窑中完成的。

矿石在料场破碎、中和混匀以后，向其中加入炭素还原剂（焦粉或煤粉）和熔剂，将其充分混匀后加入到回转窑中，在回转窑中，矿石被焙烧脱水，重量减少30%左右。

在回转窑中,氧化镍被加入的炭素还原剂还原。

回转窑内形成温度为600~700℃镍渣，这些镍渣在隔热的状态下，被送入到矿热炉的供料料仓（内衬耐火保温层），根据生产工艺的要求，镍渣通过一个密封的管状布料装置，均匀的分配到矿热炉内。

   在这种工艺流程中，矿热炉是投资最大的设备。

为了环保、工业卫生和回收粉尘的需要，炉子被密封起来。

在矿热炉中通过电弧冶炼，分离出粗制镍铁和电炉炉渣，同时产生含C075%的还原性气体，这种气体经过净化以后返回到回转窑中作为燃料进行燃烧，提供回转窑所需要的热能，除尘灰返到矿热炉继续参与冶炼。

电炉炉渣是一种很好的建筑材料,但是目前仅利用于道路的建设。

从矿热炉中得到的镍铁含高的硫、硅、炭、磷等杂质,

   不适合冶炼高级不锈钢，还需要进行精炼以后才能作为成品出厂。

在目前的原料条件下，将1吨的原料矿加入回转窑，大约可以得到650~700公斤的镍渣，这些镍渣加入到矿热炉中，大约可以得到120~150公斤的粗制镍铁。

粗制镍铁中的镍含量一般为14%，最高时可以达到18%。

镍的主要物理化学性质为：

　　相对原子质量　　　　58.71 

　　密度/（g/cm3）　　　8.91 

　　熔点/℃　　1455 

　　沸点/℃　　　　　　　2910 

　　摩尔热容（25℃时）/（J/（mol.C））25.51 

   电阻率（0℃时）/（Ω•cm）6.14×10-6 

纯镍呈银白色，镍能与一些元素形成化合物。

　　镍与碳可以形成Ni3C，在380℃以上时分解成镍和碳。

但是看来液体中的Ni3C，直到2000℃以上是稳定的。

　　镍与硅可形成一系列硅化物，如Ni3Si、Ni5Si2、Ni2Si、Ni3Si2、NiSi和NiSi2。

　　镍和氧能形成NiO，NiO系菱面体晶，加热至200℃以上时则变成立方晶。

氧在固态镍中的熔解度，随温度的升高而下降。

　　镍与硫可以形成Ni3S2、Ni6S5、Ni7S6、NiS、Ni3S4和NiS2等硫化镍。

在工业镍铳中，找不到存在于自然界中的硫化镍NiS和NiS2，因为这两种硫化镍在熔点以下就早已分解了。

　　镍和铁在γ区内形成连续固溶体。

液相线在1436℃下，含镍65%－72%时，出现一个不很明显的最低点。

镍可以扩大γ区，在固态时，分成数个相，回火时从这数个相中，都可形成FeNi3。

在图29－1中可以看出镍铁合金中的居里点的变化，α－镍在360℃以下为面心立方晶，β－镍在1130℃以下为六方晶，γ－镍在熔点之前为立方晶。

冶炼方法：

　　现代生产镍的方法主要有火法和湿法两种。

根据世界上主要两类含镍矿物（含镍的硫化矿和氧化矿）的不同，冶炼处理方法各异。

　　含镍硫化矿目前主要采用火法处理，通过精矿焙烧反射炉（电炉或鼓风炉）冶炼铜镍硫吹炼镍精矿电解得金属镍。

氧化矿主要是含镍红土矿，其品位低，适于湿法处理；主要方法有氨浸法和硫酸法两种。

氧化矿的火法处理是镍铁法。

工艺操作：

　　硫化镍精矿的火法冶炼 

　　硫化镍精矿的火法冶炼流程。

其主要工艺特点如下：

（1）熔炼。

镍精矿经干燥脱硫后即送电炉（或鼓风炉）熔炼，目的是使铜镍的氧化物转变为硫化物，产出低冰镍（铜镍锍），同时脉石造渣。

所得到的低冰镍中，镍和铜的总含量为8%－25%（一般为13%－17%），含硫量为25%。

（2）低冰镍的吹炼。

吹炼的目的是为了除去铁和一部分硫，得到含铜和镍70%－75%的高冰镍（镍高硫），而不是金属镍。

转炉熔炼温度高于1230℃，由于低冰镍品位低，一般吹炼时间较长。

　　（3）磨浮。

高冰镍细磨、破碎后，用浮选和磁选分离，得到含镍67%－68%的镍精矿，同时选出铜精矿和铜镍合金分别回收铜和铂族金属。

镍精矿经反射炉熔化得到硫化镍，再送电解精炼或经电炉（或反射炉）还原熔炼得粗镍再电解精炼。

　　（4）电解精炼。

粗镍中除含铜、钻外，还含有金、银和铂族元素，需电解精炼回收。

与铜电解不同的是这里采用隔膜电解槽。

用粗镍做阳极，阴极为镍始极片，电解液用硫酸盐溶液硫酸盐和氯化盐混合溶液。

通电后，阴极析出镍，铂族元素进入阳极泥中，另行回收。

产品电镍纯度为99.85%－99.99%。

　　用火冶法处理氧化镍制取镍铁和金属镍 

　　硅酸氧化矿可以用火冶法熔炼，经还原、熔化和精炼得到镍。

还原时要争取使氧化镍完全变为金属镍。

熔化时流言蜚语镍铁将同较轻的渣分开。

镍铁的含镍量取决于部分还原过程的选择能力。

采用焦炭作还原剂，也可采用硅铁作还原剂。

为了除去粗镍铁中的杂质碳、硫、磷和铬，必须进行精炼。

　　在电炉中用碳直接部分还原炼制镍铁 

　　在矿热炉中采用碳热法将矿石还原成镍铁，随后进行精炼。

　　所用矿石的成分为：

Ni2.8%,CoO0.06%,Fe13%,Cr2O32%,MgO24%,SiO239%,化合水12%。

这种矿石经干燥后，放在回转窑内预热到750℃左右。

重油的消耗量为每吨干矿石65-85L。

在经预热的热矿石中，加入约4%的焦粉，然后即将这种混合料，放在还原电炉中冶炼。

在矿热炉的容量为12500kV.A，电极直径1250mm，炉膛内径11m。

冶炼时每吨矿石的耗电量为600kW.h。

每天可冶炼450t矿石，镍铁出炉温度为1500℃，出渣温度为1600℃。

炉料中90%以上的镍回收到成分为Ni+Co24%，Si3%，C2%，Cr1.6%，P0.03%的粗镍铁中。

　在铸桶中用苏打处理两次而将硫除掉，在酸性转炉中把铬、硅、碳和磷吹掉。

精炼好的镍铁大约1650℃时出炉，铸成约20kg重的锭块。

最终产品含Ni+Co29%，C0.02%，Cr0.02%，余量为铁。

　　用冶炼镍锍的方法制取镍丸  

　　采用的方法是，先将矿石作成球团，经烧结后同焦炭和石膏一起加到低炉身电炉中进行还原冶炼。

硫酸钙被还原后，与镍和铁反应生成硫化物。

约含Ni27%，Fe60%，S10%的铁镍锍，同附加料一起装在转炉中用空气吹炼，使铁渣化，成为约含有Ni78%，S22%的贫铁镍锍。

然后采用流化床法在回转窑中将硫焙烧到0.005%以下。

这种氧化镍经磨细加糊加粘合剂混合后压成3cm×2cm的圆柱形料块。

　　为种料块经干燥后混加大量木炭，放在加热的立式碳化硅马弗炉中，于约1300下用一氧化碳还原，这种炉子与锌竖罐法用的炉子相似。

生产出镍粒约含Ni99%，Cu0.07%，Co0.5%，Fe0.1%，C0.04%，S0.004%。

　　用硅铁部分还原的方法冶炼镍铁  

　　矿石经在回转窑中干燥后，进行分级，并除掉低品位的粗块，这时的成分大致为：

Ni1.65%，Co0.02%，Fe12%，SiO250%，MgO25%，Cr2O31.5%，Al2O31.3%，化合水7%。

　　干燥的矿石经破碎后，筛出小于0.08mm的筛下料，并放在多层焙烧炉中进行预焙烧。

筛上料则放在用煤气加热的回转窑中，加热到700℃左右，以除去水分和预热矿石。

加热好的热料即送到炉前料仓内，接着再从料仓将料装入14000kV.A开口式电炉中，电炉自焙电极直径约1000mm，并配有水冷炉壁。

冶炼每吨矿石的耗电量约为760kW.h，电极消耗量为5kg。

　　往熔化的氧化矿和金属的混合液中添加一种强还原剂，并将矿石、还原剂和液态金属充分混合。

还原剂采用含硅50%的硅铁。

熔池的搅动是通过在两个铸桶间的快速倒来倒去的方法实现的。

其还原顺序如下：

　　（2Fe2O3）+[FeSi]=4（FeO）+（SiO2）+[Fe]   

   （2NiO）＋[FeSi]=2[Ni]+[Fe]+（SiO2）  

　　（2FeO）+[FeSi]=3[Fe]+（SiO2）  

　　硅铁中的铁直接进入金属相。

来自前步工序的1650℃的液态矿石、硅铁（1.5L/kg液态矿石中的镍）和镍铁，采用在两个铸桶（叫做“跳转混合器”）间倒来倒去的方法进行混合。

同硅铁的反应是放热的，所以可防止温度在混合时下降得过多。

每操作一次可生产出400kg镍铁，因而在2500kV.A的电炉中要定期装入4000kg精矿用的炉料。

　　粗镍铁含磷达0.4%，这些磷可在电弧炉中，采用氧化钙含量很高的渣，用铁矿石氧化成P2O5后除掉。

液态镍铁用硅铁脱氧后铸成13kg重的锭，其大致成分如下，Ni48%,S0.005%,P0.01%,C0.02%,Cr0.02%，Si0.9%,Co0.5%，Cu0.1%，其余为铁。

镍铁生产技术成本三种工艺对比-高炉、电炉、回转窑

一、高炉

   高炉生产生铁历史悠久，但普遍使用高炉生产镍铁还是近些年中国人发明（刘光火）和研究的结果（许多高炉厂技术人员的生产实践和技术进步）。

   高炉生产镍铁的流程主要是：

矿石干燥筛分（大块破碎）——配料——烧结——烧结矿加焦炭块及熔剂入高炉熔炼——镍铁水铸锭和熔渣水淬——产出镍铁锭和水淬渣。

   高炉生产镍铁与生产生铁在技术上大同小异，但生产成本却差异巨大。

生铁生产有一个说法是：

原料含铁量每降低一个百分点，焦比将上升两个百分点，产量将下降三个百分点。

生铁原料含铁一般都在60%以上，而红土镍矿最高含铁在50%左右，还有含铁不足20%的低铁镍矿，这将造成生产成本的巨大差别。

    目前国内用高炉生产低镍铁较多，所用原料为含铁50%左右和含镍1%左右的红土镍矿，生产含镍2%左右的低镍生铁。

通常生铁的焦比为0.5左右（500Kg焦炭/吨生铁），以上镍铁的焦比在0.8左右（800Kg焦炭/吨镍铁），当前该种产品吨镍铁的总成本3000余元，售价3400元左右，有300元左右的纯利润。

           正在出铁的128方高炉（生产1.8%镍铁）

   有一家镍铁厂用100立方以下的小高炉生产含镍8%左右的镍铁，焦比在2.0以上（2000Kg焦炭/吨镍铁），吨镍铁总成本7000余元，售价10000余元（按一个镍点1300余元计价）。

但生产该种中镍铁使用含铁20%左右的镍矿，镍铁产量低，约5吨干矿出1吨镍铁。

   从生产实例可以推算，高炉生产镍铁在当前焦炭价格、电价及人工成本下的加工成本约1100元/吨干矿（指无论含镍和铁多少的镍矿除购买矿石及运输以外的总成本）。

              小高炉生产的中镍铁铁锭（含镍7.8%）

    较大高炉（200立方以上）用高铁镍矿生产低镍生铁没有太大问题，但生产中高镍铁时渣量巨大，原来用来生产生铁的高炉其排渣口和排渣量都满足不了要求，同时炉料性质与生铁不同，还有其它一系列技术问题需要创新和解决。

目前100立方以下的小高炉生产中镍铁还算顺利。

二、电炉（矿热炉）

   这里的电炉指被称作矿热炉的电弧炉的一种，完整的工艺流程是：

原矿干燥及大块破碎——配煤及熔剂进回转窑彻底干燥及预还原——矿热炉还原熔炼——镍铁铁水铸锭及熔渣水淬——产出镍铁锭（或水淬成镍铁粒）和水淬渣。

   该工艺通常是指回转窑加矿热炉工艺，在国外已有几十年的生产历史，有一套较成熟的技术和理论，国内也有少数厂家有几年的生产历史，但都是小设备生产，技术问题很多，效益也不好，近期有数家企业陆续投产和正在建设上规模的生产线（单条生产线日加工干矿1000吨以上）。

                    某厂已投产（两条）和在建（三条）的生产线

   该工艺可以用任何铁镍品位的矿石生产任何含镍量的镍铁，技术上是在回转窑阶段控制铁的还原率来实现的（镍全部还原成金属、铁部分还原成金属和低价氧化物），这是该种工艺的最大特点，也是其具有生命力的原因，但由于矿热炉耗电巨大致使其生产成本较高，另外缺电地区也无法建厂。

   该工艺在国外最高水平的矿热炉电耗是500度/吨干矿，国内也有高达1000度/吨干矿的电耗，平均水平一般在700度左右/吨料，矿热炉电耗成本约500元/吨料，加上干燥、回转窑预还原及人工等成本约300元，吨干矿综合加工成本约800元（当前物价条件下除原矿购买和运输以外的总成本）。

三、回转窑直接还原熔炼

   回转窑直接还原熔炼工艺几乎称得上是一项古老的工艺，日本采用该工艺生产镍铁（粒状镍铁，直接用于冶炼不锈钢）已有60余年的历史，被公认是能耗和成本最低的生产方法。

朝鲜由于缺少焦炭，几十年来也一直在用回转窑和普通煤炼铁（粒铁，粒状生铁，直接用于炼钢）。

不断的技术进步和不断变化的市场行情将使该工艺焕发新的生机。

              国内某厂试生产回转窑（2.2×50m）

    该工艺基本流程是：

原矿干燥（大块破碎和磨矿）——配加还原煤和熔剂——入回转窑还原和熔炼——熔块水淬——水淬渣和镍铁粒破碎、磨矿、磁选——产出镍粒铁和细熔渣。

              磁铁作用下的产品（粒状生铁，未分级）

   该工艺不用焦炭、不用大量耗电，流程短环节少也省人工，吨干矿综合加工成本400元左右（视含铁量多少配加更多或更少的还原剂煤造成成本略有增加或减少），大约相当于电炉的1/2和高炉的1/3。

在成本为王的时代，该工艺具有极强的竞争力和生命力。

   目前该工艺在国内还没有规模化生产的先例，投资者顾虑重重，其实该工艺并没有技术难点，本人经过多年研究和实验，对配料、耐火材料、结圈等问题已有很好的解决方案，相信会超过朝鲜和日本的生产指标。