薛正良，宋生強(qiáng)，杭桂華，胡智超

武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院
 

2020年我國不銹鋼粗鋼產(chǎn)量突破3000萬噸，在全球不銹鋼粗鋼產(chǎn)量中的占比達(dá)到59.22%。目前，我國不銹鋼生產(chǎn)消耗的鎳主要依靠來自于紅土鎳礦經(jīng)火法冶煉獲得。在BF法、RHFEF法、RKEF法、RKDR法等已開發(fā)成功的火法冶煉工藝中，回轉(zhuǎn)窯干燥/預(yù)還原-電爐熔分法，即RKEF（Rotary Kilm Electric Furnace）法，因工藝成熟，原料適應(yīng)性強(qiáng)，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定而得到廣泛應(yīng)用。RKEF法始于20世紀(jì)50年代，由法國鎳公司在新喀里多尼亞的多尼安博（Doniambo）冶煉廠開發(fā)成功[1]，我國于2006年前后從烏克蘭引進(jìn)該技術(shù)開始了用紅土鎳礦生產(chǎn)含鎳鐵水的工業(yè)實(shí)踐，特別是在2011年發(fā)改委第9號令《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011年本）》中明確將“高效利用紅土鎳礦冶煉鎳鐵的回轉(zhuǎn)窯－礦熱爐（RKEF）工藝技術(shù)”列為鼓勵(lì)類產(chǎn)業(yè)后，已先后建成數(shù)十條RKEF生產(chǎn)線[2]。經(jīng)過十多年的生產(chǎn)實(shí)踐積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)RKEF生產(chǎn)中存在一些共性的問題[3]，如預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯的還原氣氛和溫度難以有效協(xié)調(diào)控制，為避免預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈通常采用較低的預(yù)還原溫度，再加上為抑制氧化鐵的還原采用缺碳配料法，造成紅土鎳礦中的鎳和鐵的氧化物預(yù)還原度均較低，礦熱爐熔融還原比高，熔煉時(shí)間長，鐵水鎳含量低，單位鎳點(diǎn)（1%Ni）電耗高等問題。鑒于此，本文提出了一種針對RKEF工藝的革新方案[4]供大家討論：“紅土鎳礦內(nèi)配煤壓塊預(yù)還原—預(yù)還原焙燒產(chǎn)物選擇性氧化—礦熱爐熔分”工藝，把這種工藝取名為：“RKOEF”工藝，“O”代表對預(yù)還原焙燒產(chǎn)物進(jìn)行選擇性氧化，可望用貧鎳紅土礦通過該工藝成倍提高含鎳鐵水的鎳含量。

1 RKEF工藝現(xiàn)狀及問題

RKEF含鎳鐵水生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。其主要特征包括：（1）原礦破碎后先經(jīng)烘干回轉(zhuǎn)窯將游離水脫除至20%左右；（2）配料中加入石灰石做溶劑、加入少量煤粉做還原劑，然后混勻；（3）混勻料在預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯內(nèi)脫除結(jié)晶水（~800℃），然后進(jìn)入高溫段（~1000℃）進(jìn)行選擇性預(yù)還原；（4）預(yù)還原后的焙砂熱裝進(jìn)入礦熱爐內(nèi)，用蘭炭做還原劑在1550~1600℃完成終還原及渣鐵熔分。根據(jù)鎳礦品位和選擇性預(yù)還原程度不同，鐵水含鎳品位變化在10~20%。一般認(rèn)為，RKEF工藝適合于處理含鎳大于1.8%，含鈷小于0.05%的紅土鎳礦[2]。

圖1 RKEF工藝鎳鐵生產(chǎn)流程示意圖

實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，RKEF工藝仍然存在一些問題制約著生產(chǎn)過程的穩(wěn)定順行和單位鎳點(diǎn)生產(chǎn)成本。

（1）紅土鎳礦含鎳品位下降。我國進(jìn)口的紅土鎳礦主要來自印尼和菲律賓，但隨著印尼政府2014年出臺的《礦產(chǎn)與煤炭法》的實(shí)施，逐漸縮減礦產(chǎn)資源的出口配額，到2020年1月全面停止紅土鎳礦出口。因此，目前國內(nèi)冶煉鎳鐵所用的紅土鎳礦主要來自菲律賓，這種鎳礦SiO2、MgO含量高，鎳含量低（0.8~1.2%），礦熱爐熔煉渣量大，電耗高。

（2）為降低礦熱爐熔煉時(shí)爐渣熔點(diǎn)，在配料中加入了一定量的石灰石，降低了混合料的軟熔溫度，在回轉(zhuǎn)窯高溫段預(yù)還原過程中易產(chǎn)生結(jié)圈現(xiàn)象。生產(chǎn)中被迫通過降低預(yù)還原溫度（~950℃）來降低圈堰形成速度，但仍然不能完全避免結(jié)圈，影響生產(chǎn)過程的穩(wěn)定順行。另一方面，還原劑中碳的氣化反應(yīng)速度決定于溫度，低溫不利于碳的氣化，因而影響紅土鎳礦中鎳、鐵氧化物的預(yù)還原率。

（3）若采用紅土鎳礦內(nèi)配煤壓塊向回轉(zhuǎn)窯供料，可改善作為還原劑的煤粉與紅土鎳礦顆粒的緊密接觸程度，從而改善還原動力學(xué)條件，提高預(yù)還原效率。但內(nèi)配煤壓塊強(qiáng)度低，在窯內(nèi)滾動過程中破碎，因而又退回到粉料入窯。

（4）氧化鎳較氧化鐵更易被還原成金屬，為達(dá)到選擇性還原氧化鎳的目的，生產(chǎn)中采用缺碳配煤工藝，同時(shí)受預(yù)還原溫度低的綜合影響，紅土鎳礦中氧化鎳的還原同樣受到抑制，最終主要依靠礦熱爐熔融還原實(shí)現(xiàn)鎳和鐵的氧化物的終還原和渣鐵熔分。

（5）生產(chǎn)穩(wěn)定順行對RKEF工藝冶煉鎳鐵是否能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益影響巨大。為了徹底避免回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈對正常生產(chǎn)的干擾，部分企業(yè)取消了回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原的功能，而只對爐料加熱到700~800℃脫除紅土鎳礦中的結(jié)晶水，然后將溫度低于700℃的爐料通過料罐轉(zhuǎn)運(yùn)熱裝進(jìn)入礦熱爐，在1550~1600℃下用蘭炭作還原劑對熔體中的金屬氧化物完成熔融還原，并實(shí)現(xiàn)渣鐵分離。紅土鎳礦熔融還原的大渣量稀釋了氧化鎳和氧化鐵在熔渣中的濃度，熔融還原速率低，熔煉時(shí)間長。

這些問題導(dǎo)致的最終結(jié)果是生產(chǎn)的鐵水鎳含量下降，單位鎳點(diǎn)電耗居高不下，合金鐵水生產(chǎn)成本高。當(dāng)原料價(jià)格上漲、合金的單位鎳點(diǎn)售價(jià)下滑時(shí)，還會出現(xiàn)虧損現(xiàn)象。

2 RKOEF的工藝特點(diǎn)和需要解決的問題

2.1 RKOEF工藝的工藝特點(diǎn)[4]

RKOEF工藝的基本特征是：（1）紅土鎳礦經(jīng)回轉(zhuǎn)窯干燥后足量配入還原劑，混勻料壓成塊（或球）；（2）壓塊在預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯的低溫段脫除結(jié)晶水后，進(jìn)入高溫區(qū)（1100~1250℃）充分預(yù)還原；（3）預(yù)還原塊熱裝進(jìn)入氧化罐，從氧化罐底部通入煙氣對預(yù)還原塊進(jìn)行選擇性氧化，利用煙氣中的CO2把金屬鐵氧化成氧化鐵；（4）氧化后的焙燒塊熱裝進(jìn)入礦熱爐完成熔分，獲得高鎳含量的含鎳鐵水。

圖2 Ni、Fe被CO₂氧化的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能^[5]

RKOEF工藝區(qū)別于RKEF工藝的核心特征是在回轉(zhuǎn)窯與礦熱爐之間設(shè)置了一道選擇性氧化工序。圖2給出了金屬鐵和鎳被CO₂氧化的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變化，可以發(fā)現(xiàn)在570℃以上金屬鐵可以被CO₂氧化成FeO和Fe₃O₄，而不能將金屬鎳氧化成NiO。氧化反應(yīng)溫度越高，越有利于金屬鐵的氧化。

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