紅土礦生產(chǎn)高品位鎳鐵的工藝改進和生產(chǎn)實踐.doc

doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2017.08.005紅土礦生產(chǎn)高品位鎳鐵的工藝改進和生產(chǎn)實踐羅紅衛(wèi)，姬鶴志，楊利忠(中色鎳業(yè)（緬甸）有限公司，北京 100029)摘要：介紹緬甸達貢山鎳礦冶煉高品位鎳鐵的工藝改進和生產(chǎn)實踐。通過取消石灰石熔劑的配入、將鎳品位由25%提高到35%、焙砂溫度提高到700 以上、強化系統(tǒng)原料控制等措施，有效解決了電爐長期存在的泡沫渣和翻料等工藝問題，產(chǎn)能達到設計產(chǎn)能108%以上，各項消耗指標大幅下降。關鍵詞：紅土礦；高品位鎳鐵；泡沫渣；選擇性預還原；石灰石；生產(chǎn)實踐中圖分類號：TF815文獻標志碼：A文章編號：1007-7545（2017）08-0000-00Technical Improvement and Plant Practice of Production of High Grade Ni-Fe Alloy from Nickel LateriteLUO Hong-wei, JI He-zhi, YANG Li-zhong(Myanmar CNMC Nickel Co., Ltd, Beijing 100029, China)Abstract：Technical improvement and plant practice of production of high grade Ni-Fe alloy from nickel laterite in Myanmar Dagaung Taung were introduced. With measures including canceling limestone addition, improving nickel grade from 25% to 35%, raising calcine temperature to 700 above, and strengthening raw material control etc, long term technical problem of foaming slag in electric furnace is solved effectively, production capacity is 108% of the designed capacity, and consumption index drops sharply.Key words：laterite; high grade nickel iron; foaming slag; selective reduction; limestone; plant practice鎳作為一種戰(zhàn)略性資源，近來年隨著不銹鋼和高端合金鋼迅速發(fā)展對鎳市場的需求，在我國紅土礦資源缺乏、印尼不再允許鎳礦直接出口的情況下，紛紛選擇“走出去”的戰(zhàn)略，在國外建廠生產(chǎn)鎳鐵，這也是我國政府支持與鼓勵的。簽于高昂的運輸費用、嚴格的環(huán)保約束、低能耗的產(chǎn)業(yè)要求等，“走高端”同時探索高品位鎳鐵冶煉逐步成為發(fā)展趨勢，也成為抓資源的有效途徑。目前世界上高品位鎳鐵（Ni20%）生產(chǎn)廠為數(shù)較少，尤其是鎳品位達到35%以上的生產(chǎn)廠只有為數(shù)較少的幾家，例如，馬其頓的費尼馬克冶煉廠為35%50%(產(chǎn)量0.7 萬t)；多米尼加的Falcondo為38.9%(2.85 萬t)；哥倫比亞的塞羅馬托薩廠為34%36%(4.91 萬t)。由于我國紅土礦冶煉鎳鐵行業(yè)起步較晚，長期以來多以中低品位鎳鐵（Ni10%）生產(chǎn)為主，工藝技術及裝備基礎總體較為薄弱，對于高品位鎳鐵冶煉，諸多問題的解決均缺乏成熟的經(jīng)驗和措施，只能探索性進行改進。1 高品位鎳鐵冶煉初期存在問題及分析1.1 主要問題緬甸達貢山鎳礦項目采用目前主流的RKEF工藝流程1-2(回轉窯電爐)進行紅土礦火法冶煉生產(chǎn)鎳鐵，初始品位定位在25%左右，共2條生產(chǎn)線，2012年10月1#線投產(chǎn)，2013年6月2#線投產(chǎn)。主要參數(shù)概況如下：礦品位1.99%、回轉窯尺寸5.5 m115 m、電爐變壓器324 MVA、每臺電爐功率55.22 MW、設計產(chǎn)能21.538 kt/a、設計品位25.49%。開產(chǎn)后電爐為控制渣溫并改進流動性，一直采用在干礦原料中配加石灰石熔劑的方法進行冶煉；同時在入爐原料方面也存在焙砂溫度較低、入爐原料成分波動較大等諸多問題。2013年1月，1#爐鎳品位逐步提高到25%以后電爐工況開始出現(xiàn)惡化，主要體現(xiàn)在：1)爐內產(chǎn)生泡沫渣，沸騰劇烈，形不成料坡，導致爐頂溫度一直較高（一度達到1 100 ），遠超過安全要求范圍；2)排渣過程渣流量較小，無法滿足正常生產(chǎn)要求；3)爐內翻料和爐頂串火極為嚴重，頻繁發(fā)生排煙煙道堵塞和設備燒損問題，電爐被迫頻繁停工，生產(chǎn)極不穩(wěn)定。2#爐從2013年6月投產(chǎn)后以上問題也相繼同樣出現(xiàn)。由于電爐存在上述問題，不僅鎳鐵產(chǎn)能低，能耗較高，而且生產(chǎn)過程安全風險極大，對緬甸達貢山鎳礦項目進行高品位鎳鐵冶煉帶來了極大的挑戰(zhàn)。收稿日期：2017-03-14作者簡介：羅紅衛(wèi)（1966-），男，山西太原人，工程師.1.2 分析對紅土礦冶煉高品位鎳鐵形成泡沫渣，顯然一方面是由于焙砂在電爐熔化過程產(chǎn)生氣體量較大；另一方面由于熔渣特性原因，產(chǎn)生氣體與爐渣的界面張力較小（潤濕性好），氣泡難以順利脫離渣層排除，造成爐渣呈泡沫化。初期解決電爐泡沫渣及翻料問題也進行了反復、曲折的摸索，如：調整電極位置及供電檔位、調整爐內布料方式等，雖然也出現(xiàn)過階段性的好轉，但都未能在根本上砌底解決，最終仍以減少爐渣氣源產(chǎn)生方面著手，從系統(tǒng)上進行研究、改進。1.2.1 石灰石熔劑緬甸達貢山鎳礦屬高硅、高鎂型紅土礦(Si/Mg=2.26、Fe/Ni=6.42)，原礦成分(月平均值，%）：Ni 1.99、Fe 12.34、SiO2 43.97、MgO 19.84、CaO 0.45、P 0.007、Al2O3 1.69、Cr2O3 0.87、MnO 0.25、Co 0.026、H2O 29.8。配入一定量的石灰石熔劑經(jīng)煅燒后生成的CaO能與熔渣中SiO2、FeO、MgO等形成多種低熔點復合化合物，從而降低渣的熔點，并且也在一定程度上改善了熔渣的導電性和流動性。因此，從開產(chǎn)后一直在干礦中配入6%10%的石灰石，與干礦經(jīng)回轉窯焙燒后加入電爐。由于焙砂溫度達不到850 要求，石灰石在窯內未能完全分解，加入電爐后方進行分解，分解產(chǎn)生的CO2再次與焙砂中的殘?zhí)蓟螂姌O中的碳發(fā)生布多爾反應，體積成倍增加，造成熔渣內大量氣體產(chǎn)生，成為泡沫渣形成的主要氣源。此外，生成大量的CO在爐內劇烈燃燒，也形成爐頂嚴重串火問題。從經(jīng)濟性方面考慮，石灰石與干礦按一定比例配入，對規(guī)模性的熔煉生產(chǎn)而言，消耗量無疑也是巨大的，不經(jīng)濟的。為了解決電爐工藝問題，也先后努力嘗試過取消石灰石熔劑的配入，但取消后隨之出現(xiàn)了渣溫升高的問題，出渣溫度由之前的1 500 左右迅速升高到1 600 以上，即便如此爐渣仍不能順暢排放。爐體冷卻水溫度差也迅速達到安全警戒限，導致電爐無法進行正常安全生產(chǎn)，被迫恢復石灰石的配入。1.2.2 鎳品位開產(chǎn)后鎳品位基本控制在20%30%，而鐵的還原度波動在20%45%。還原度在此區(qū)間波動時，鎳鐵熔點也會劇烈波動，基本上鐵還原度波動1個百分點，鎳鐵熔點波動11.5 。1.2.3 焙砂溫度自投產(chǎn)后，由于電爐生產(chǎn)極不穩(wěn)定導致回轉窯產(chǎn)量不穩(wěn)定，工況波動較大；并且由于回轉窯窯體較大(是目前亞洲最長的回轉窯)，窯內工況和紅土礦的礦相變化均較復雜。導致窯皮形成的原因也較多，回轉窯窯皮問題一直是困擾生產(chǎn)的技術難題，長期受窯皮制約，焙砂溫度一直控制較低，在400500 ，造成以下問題：1)焙砂中氧化鐵還原度極低，很多時候Fe2+含量占全鐵含量比不足20%，回轉窯未能有效實現(xiàn)焙砂的預還原作用。從氧化物還原的熱力學角度分析，由各級氧化鐵間接還原反應平衡曲線與碳氣化反應平衡曲線疊加圖3可看出：在656710 ，浮氏體FexO及FeO方穩(wěn)定存在，570 以下很難得到FexO、FeO，此溫度下的焙砂加入電爐后因Fe2O3、Fe3O4含氧量較多，在電爐高溫下分解、還原后，無形中造成了爐渣氧分壓的增高(氧勢增高)，各種反應加劇，氣量增大，爐況運行不穩(wěn)定。此外由氧化物標準生成吉布斯能圖38-9也可看出，只有達到705 以上，C燃燒產(chǎn)物才主要是CO，才能保障窯內充分的間接還原反應。2)回轉窯是完成選擇性還原、實現(xiàn)鎳富集的主要階段，從焙砂溫度低對鎳的還原影響還看，對于達貢山硅鎂型紅土礦，鎳不以獨立的氧化礦物存在，與鎂、鐵以近似相同形式存在于蛇紋石及其它硅酸鹽礦物中，其中在蛇紋石中鎳含量最高且較難還原。只有在焙燒溫度達到520650 ，蛇紋石和針鐵礦才進行脫羥基并發(fā)生相變，蛇紋石在此階段的變化也較為復雜，雖然到目前還沒有一個統(tǒng)一認識，但一般認為，蛇紋石相變分解形成無定型硅鎂酸鹽，同時形成裂隙，溫度只有進一步提高才能保證鎳的充分選擇性還原。3)干礦經(jīng)回轉窯焙燒后結晶水去除較少。普通吸附水脫水溫度為100110 ，而脫除干礦中的結晶水則需500 以上的溫度及一定的時間。結晶水在回轉窯內未能有效脫除，加入電爐后也增加了爐內氣量。4)回轉窯內部分還原煤基單質碳雖然滲入到了干礦顆粒表面或礦相晶格內，但因溫度條件不夠，未能發(fā)生應有的還原反應，加入電爐后在高溫下才進行大規(guī)模物理化學反應，大量產(chǎn)生氣體。在爐內氧勢較高情況下隨即產(chǎn)生劇烈燃燒、導致嚴重爐頂串火問題。1.2.4 系統(tǒng)原料冶煉高品位鎳鐵，通過控制還原煤劑量對鎳進行選擇性還原以后，大量鐵的氧化物未進行還原，爐內高溫條件下氧化氣氛較強，電爐對原料成分波動變化尤為敏感4-5，如：Fe/Ni過高，鎳的選擇性還原難度增大，焙砂中Fe2O3、Fe3O4含量也隨之增加；Si/Mg過高則爐渣黏度增大；Fe/Ni、Si/Mg過低則焙砂熔化困難，能耗較高。與世界先進紅土礦鎳鐵生產(chǎn)企業(yè)如巴西淡水河谷公司的混料能力相比，緬甸達貢山鎳礦項目原料混料能力明顯不足。原料現(xiàn)場僅有4個料條，取料時最多只能選擇2個料條進行混料取料；同時對礦床三維數(shù)學建模的管理和采扒也存在諸多不足，因此，同一料條成分也經(jīng)常波動較大。由于原料成分的不穩(wěn)定，也是造成電爐運行不穩(wěn)定，促發(fā)泡沫渣等問題周期性發(fā)生的重要原因之一。1.2.5 工藝操作由于爐內泡沫渣嚴重存在形不成料坡，為控制爐頂溫度，同時提高渣溫保證排渣，操作時只能被迫降低爐料熔煉設定的電阻，使電極在渣層內插入較深。在爐內溫度場的整體分布上，高溫區(qū)位置處于渣層下部，帶來如下影響：1)電極在渣層內氧化嚴重，工作不良；2)在渣層深處局部溫度較高，進一步促進了各種反應的發(fā)生，產(chǎn)生氣體在渣層深處又不易上浮排除；3)渣、鐵溫差較小，多數(shù)情況僅1020 ，有時甚至出現(xiàn)鎳鐵水溫度高于爐渣溫度現(xiàn)象，造成鐵水溫度過熱。此外爐內流體下部溫度高，上部溫度低，也造成了動力學上的不平衡。綜上，冶煉高品位鎳鐵以上系統(tǒng)性存在的問題，綜合作用導致了電爐泡沫渣、翻料等問題的發(fā)生。2 研究和改進1）分步驟解決窯皮問題，提高焙砂溫度2014年9月，在逐步強化系統(tǒng)原料控制的同時，根據(jù)以往實踐總結，通過采取控制窯內灰分、取消油煤混燃、調整內外風比例、改進風煤比等多種措施，分步驟進行提高焙砂溫度。溫度每提高一檔后，視窯皮產(chǎn)生情況，改進并穩(wěn)定后再進行下一檔提升。到2015年8月焙砂溫度逐步提高了到700730 ，基本滿足了電爐正常生產(chǎn)的工藝要求。為避免超過800 橄欖石的形成，最終計劃按770 進行控制。2）取消石灰石熔劑的配入，提高品位至35%2014年底決定再次取消石灰石熔劑的配入，同時依據(jù)達貢山紅土礦特點、爐內物化反應特性、鎳回收率以及其它經(jīng)濟性指標等，決定把電爐粗鎳鐵品位提高到35%。從2014年12月起電爐開始嘗試逐步減少石灰石熔劑配入比例，同時減少還原煤配入提高品位，兩者同步進行實施。到2015年2月底，2條生產(chǎn)線先后全部取消了石灰石配入，同時鎳品位也均達到35%左右。3 改進后效果及指標3.1 電爐爐況提高品位與取消石灰石對減弱爐內各種反應、減少爐內氣量、解決泡沫渣、翻料及爐頂串火問題直接起到了“抽薪止沸”的作用。同時因鎳品位提高，顯然FeOFe的還原得到進一步限制，爐渣FeO含量增大，不僅渣熔點得到控制，而且FeO增大也一定程度代替CaO抑制了硅氧復雜陰離子形成，流動性也得到改善。從改進后實踐運行來看，1#電爐爐況逐步出現(xiàn)了好轉，主要體現(xiàn)為：1)料坡逐步形成，爐頂溫度也隨之下降到安全范圍(900 以下)；2)翻料和爐頂串火問題得到了有效控制，熔煉焙砂過程趨于平緩；3)爐內長期存在的泡沫渣轉變?yōu)橹旅苄腿墼⑶矣捎跓崛菰龃?，長期排渣困難的問題得到明顯改進，生產(chǎn)也穩(wěn)定好轉。3.2 技術指標3.2.1 改進前后爐渣成分（表1）表1 改進前后電爐爐渣成分Table 1 Composition of electric furnace slag before and after improvement /%項目試樣編號NiFeSiO2MgOCaOPAl2O3Cr2O3MnOCoFe2+改進前1DLZ140501-90.148.1754.2125.485.790.0072.071.040.260.0087.251DLZ140501-210.097.6854.8725.815.910.0062.161.050.270.0086.202DLZ140502-90.118.2154.225.285.270.0062.281.000.270.0086.452DLZ140502-210.128.3354.2725.145.220.0082.281.000.270.0096.25改進后1DLZ151203-220.1710.9055.4528.520.510.0042.161.010.290.0091DLZ151204-100.1210.6355.0828.270.490.0022.091.010.30.0092DLZ151203-220.1511.2354.4328.380.480.0022.201.000.280.0102DLZ151205-100.1410.9254.2827.450.590.0092.051.000.290.010由表1可看出，改進后渣中全鐵增加30%左右，MgO增加11%，CaO降低了91%。基本達到了預期控制目標。3.2.2 渣、粗鎳鐵熔點1)渣熔點由爐渣成分及FeO-MgO-SiO2三元系相圖6分析，改進后渣熔點位于相圖1 445 及1 500 等溫線狹窄區(qū)域內，實際排放溫度為1 5501 570 ，較改進前提高55 。2)鎳鐵熔點（表2）表2 改進前后電爐粗鎳鐵成分Table 2 Composition of electric furnace Ni-Fe alloy before and after improvement /%項目編號分析時間NiSiCSPCrCoAlCu備注改進前D2005332014-06-0121.660.032.940.250.0220.250.241.090.017Mn、Sn、Pb、As均低于0.01D2005342014-06-0121.750.062.640.230.0290.280.240.480.017D2005352014-06-0121.090.042.990.240.0270.370.241.270.016D2005362014-06-0120.870.092.910.240.0260.450.230.710.018D2005412014-06-0320.460.192.910.240.0240.680.230.130.015改進后D1017682015-12-0535.850.020.060.270.0760.060.410.410.028Mn、Sn、Pb、As均低于0.01D2015982015-12-0635.140.010.040.230.0800.080.420.470.027D1017692015-12-0635.540.010.060.260.0720.060.410.560.029D2015992015-12-0635.060.020.050.250.0790.070.410.340.027D1017702015-12-0636.010.010.050.270.0740.060.420.170.029根據(jù)下面公式