紅土礦生產(chǎn)高品位鎳鐵的工藝改進(jìn)和生產(chǎn)實(shí)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(jìn)和生產(chǎn)實(shí)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(dá)貢山鎳礦冶煉高品位鎳鐵的工藝改進(jìn)和生產(chǎn)實(shí)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(qiáng)化系統(tǒng)原料控制等措施，有效解決了電爐長(zhǎng)期存在的泡沫渣和翻料等工藝問題，產(chǎn)能達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能108%以上，各項(xiàng)消耗指標(biāo)大幅下降。關(guān)鍵詞：紅土礦；高品位鎳鐵；泡沫渣；選擇性預(yù)還原；石灰石；生產(chǎn)實(shí)踐中圖分類號(hào)：TF815文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(duì)鎳市場(chǎng)的需求，在我國(guó)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(guó)外建廠生產(chǎn)鎳鐵，這也是我國(guó)政府支持與鼓勵(lì)的。簽于高昂的運(yùn)輸費(fèi)用、嚴(yán)格的環(huán)保約束、低能耗的產(chǎn)業(yè)要求等，“走高端”同時(shí)探索高品位鎳鐵冶煉逐步成為發(fā)展趨勢(shì)，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(dá)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(fèi)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(guó)紅土礦冶煉鎳鐵行業(yè)起步較晚，長(zhǎng)期以來多以中低品位鎳鐵（Ni10%）生產(chǎn)為主，工藝技術(shù)及裝備基礎(chǔ)總體較為薄弱，對(duì)于高品位鎳鐵冶煉，諸多問題的解決均缺乏成熟的經(jīng)驗(yàn)和措施，只能探索性進(jìn)行改進(jìn)。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(dá)貢山鎳礦項(xiàng)目采用目前主流的RKEF工藝流程1-2(回轉(zhuǎn)窯電爐)進(jìn)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(zhuǎn)窯尺寸5.5 m115 m、電爐變壓器324 MVA、每臺(tái)電爐功率55.22 MW、設(shè)計(jì)產(chǎn)能21.538 kt/a、設(shè)計(jì)品位25.49%。開產(chǎn)后電爐為控制渣溫并改進(jìn)流動(dòng)性，一直采用在干礦原料中配加石灰石熔劑的方法進(jìn)行冶煉；同時(shí)在入爐原料方面也存在焙砂溫度較低、入爐原料成分波動(dòng)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(nèi)產(chǎn)生泡沫渣，沸騰劇烈，形不成料坡，導(dǎo)致爐頂溫度一直較高（一度達(dá)到1 100 ），遠(yuǎn)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(nèi)翻料和爐頂串火極為嚴(yán)重，頻繁發(fā)生排煙煙道堵塞和設(shè)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(fēng)險(xiǎn)極大，對(duì)緬甸達(dá)貢山鎳礦項(xiàng)目進(jìn)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(jiǎn)介：羅紅衛(wèi)（1966-），男，山西太原人，工程師.1.2 分析對(duì)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?。?rùn)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(jìn)行了反復(fù)、曲折的摸索，如：調(diào)整電極位置及供電檔位、調(diào)整爐內(nèi)布料方式等，雖然也出現(xiàn)過階段性的好轉(zhuǎn)，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(jìn)行研究、改進(jìn)。1.2.1 石灰石熔劑緬甸達(dá)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(diǎn)復(fù)合化合物，從而降低渣的熔點(diǎn)，并且也在一定程度上改善了熔渣的導(dǎo)電性和流動(dòng)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(zhuǎn)窯焙燒后加入電爐。由于焙砂溫度達(dá)不到850 要求，石灰石在窯內(nèi)未能完全分解，加入電爐后方進(jìn)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(yīng)，體積成倍增加，造成熔渣內(nèi)大量氣體產(chǎn)生，成為泡沫渣形成的主要?dú)庠础４送?，生成大量的CO在爐內(nèi)劇烈燃燒，也形成爐頂嚴(yán)重串火問題。從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，石灰石與干礦按一定比例配入，對(duì)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(jì)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(dá)到安全警戒限，導(dǎo)致電爐無法進(jìn)行正常安全生產(chǎn)，被迫恢復(fù)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(dòng)在20%45%。還原度在此區(qū)間波動(dòng)時(shí)，鎳鐵熔點(diǎn)也會(huì)劇烈波動(dòng)，基本上鐵還原度波動(dòng)1個(gè)百分點(diǎn)，鎳鐵熔點(diǎn)波動(dòng)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(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)量不穩(wěn)定，工況波動(dòng)較大；并且由于回轉(zhuǎn)窯窯體較大(是目前亞洲最長(zhǎng)的回轉(zhuǎn)窯)，窯內(nèi)工況和紅土礦的礦相變化均較復(fù)雜。導(dǎo)致窯皮形成的原因也較多，回轉(zhuǎn)窯窯皮問題一直是困擾生產(chǎn)的技術(shù)難題，長(zhǎng)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(shí)候Fe2+含量占全鐵含量比不足20%，回轉(zhuǎn)窯未能有效實(shí)現(xiàn)焙砂的預(yù)還原作用。從氧化物還原的熱力學(xué)角度分析，由各級(jí)氧化鐵間接還原反應(yīng)平衡曲線與碳?xì)饣磻?yīng)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(shì)增高)，各種反應(yīng)加劇，氣量增大，爐況運(yùn)行不穩(wěn)定。此外由氧化物標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯能圖38-9也可看出，只有達(dá)到705 以上，C燃燒產(chǎn)物才主要是CO，才能保障窯內(nèi)充分的間接還原反應(yīng)。2)回轉(zhuǎn)窯是完成選擇性還原、實(shí)現(xiàn)鎳富集的主要階段，從焙砂溫度低對(duì)鎳的還原影響還看，對(duì)于達(dá)貢山硅鎂型紅土礦，鎳不以獨(dú)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(dá)到520650 ，蛇紋石和針鐵礦才進(jìn)行脫羥基并發(fā)生相變，蛇紋石在此階段的變化也較為復(fù)雜，雖然到目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，但一般認(rèn)為，蛇紋石相變分解形成無定型硅鎂酸鹽，同時(shí)形成裂隙，溫度只有進(jìn)一步提高才能保證鎳的充分選擇性還原。3)干礦經(jīng)回轉(zhuǎn)窯焙燒后結(jié)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(jié)晶水則需500 以上的溫度及一定的時(shí)間。結(jié)晶水在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)未能有效脫除，加入電爐后也增加了爐內(nèi)氣量。4)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部分還原煤基單質(zhì)碳雖然滲入到了干礦顆粒表面或礦相晶格內(nèi)，但因溫度條件不夠，未能發(fā)生應(yīng)有的還原反應(yīng)，加入電爐后在高溫下才進(jìn)行大規(guī)模物理化學(xué)反應(yīng)，大量產(chǎn)生氣體。在爐內(nèi)氧勢(shì)較高情況下隨即產(chǎn)生劇烈燃燒、導(dǎo)致嚴(yán)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(duì)鎳進(jìn)行選擇性還原以后，大量鐵的氧化物未進(jìn)行還原，爐內(nèi)高溫條件下氧化氣氛較強(qiáng)，電爐對(duì)原料成分波動(dòng)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(jìn)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(dá)貢山鎳礦項(xiàng)目原料混料能力明顯不足。原料現(xiàn)場(chǎng)僅有4個(gè)料條，取料時(shí)最多只能選擇2個(gè)料條進(jìn)行混料取料；同時(shí)對(duì)礦床三維數(shù)學(xué)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(dòng)較大。由于原料成分的不穩(wěn)定，也是造成電爐運(yùn)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(nèi)泡沫渣嚴(yán)重存在形不成料坡，為控制爐頂溫度，同時(shí)提高渣溫保證排渣，操作時(shí)只能被迫降低爐料熔煉設(shè)定的電阻，使電極在渣層內(nèi)插入較深。在爐內(nèi)溫度場(chǎng)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(nèi)氧化嚴(yán)重，工作不良；2)在渣層深處局部溫度較高，進(jìn)一步促進(jìn)了各種反應(yīng)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(shí)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(nèi)流體下部溫度高，上部溫度低，也造成了動(dòng)力學(xué)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(dǎo)致了電爐泡沫渣、翻料等問題的發(fā)生。2 研究和改進(jìn)1）分步驟解決窯皮問題，提高焙砂溫度2014年9月，在逐步強(qiáng)化系統(tǒng)原料控制的同時(shí)，根據(jù)以往實(shí)踐總結(jié)，通過采取控制窯內(nèi)灰分、取消油煤混燃、調(diào)整內(nèi)外風(fēng)比例、改進(jìn)風(fēng)煤比等多種措施，分步驟進(jìn)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(jìn)并穩(wěn)定后再進(jìn)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(jì)劃按770 進(jìn)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(shí)依據(jù)達(dá)貢山紅土礦特點(diǎn)、爐內(nèi)物化反應(yīng)特性、鎳回收率以及其它經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)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(shí)減少還原煤配入提高品位，兩者同步進(jìn)行實(shí)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(shí)鎳品位也均達(dá)到35%左右。3 改進(jìn)后效果及指標(biāo)3.1 電爐爐況提高品位與取消石灰石對(duì)減弱爐內(nèi)各種反應(yīng)、減少爐內(nèi)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(shí)因鎳品位提高，顯然FeOFe的還原得到進(jìn)一步限制，爐渣FeO含量增大，不僅渣熔點(diǎn)得到控制，而且FeO增大也一定程度代替CaO抑制了硅氧復(fù)雜陰離子形成，流動(dòng)性也得到改善。從改進(jìn)后實(shí)踐運(yùn)行來看，1#電爐爐況逐步出現(xiàn)了好轉(zhuǎn)，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(nèi)長(zhǎng)期存在的泡沫渣轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅苄腿墼⑶矣捎跓崛菰龃?，長(zhǎng)期排渣困難的問題得到明顯改進(jìn)，生產(chǎn)也穩(wěn)定好轉(zhuǎn)。3.2 技術(shù)指標(biāo)3.2.1 改進(jìn)前后爐渣成分（表1）表1 改進(jìn)前后電爐爐渣成分Table 1 Composition of electric furnace slag before and after improvement /%項(xiàng)目試樣編號(hào)NiFeSiO2MgOCaOPAl2O3Cr2O3MnOCoFe2+改進(jìn)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(jìn)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(jìn)后渣中全鐵增加30%左右，MgO增加11%，CaO降低了91%。基本達(dá)到了預(yù)期控制目標(biāo)。3.2.2 渣、粗鎳鐵熔點(diǎn)1)渣熔點(diǎn)由爐渣成分及FeO-MgO-SiO2三元系相圖6分析，改進(jìn)后渣熔點(diǎn)位于相圖1 445 及1 500 等溫線狹窄區(qū)域內(nèi)，實(shí)際排放溫度為1 5501 570 ，較改進(jìn)前提高55 。2)鎳鐵熔點(diǎn)（表2）表2 改進(jìn)前后電爐粗鎳鐵成分Table 2 Composition of electric furnace Ni-Fe alloy before and after improvement /%項(xiàng)目編號(hào)分析時(shí)間NiSiCSPCrCoAlCu備注改進(jìn)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(jìn)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