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1、韩国一座新的镍铁冶炼工厂L. Rodd , N. Voermann , F. Stober and B. WasmundS. H. Lee , K. Y. Lim , J.-H. Yoo , S.-J. Roh , and J.-H. ParkHatch, 2800 Speakman Dr., Mississauga, Ontario, Canada; lroddhatch.caSNNC, 700 Gumho dong, Gwangyang-si, Jeonnam, Korea.摘 要 SNNC（Socit du Nickel de Nouvelle Caldonie et Core）在200
2、8年的第三季度启动建设了一项新的镍铁冶炼厂，最早于2009年电炉开始生产并达到满负荷设计水平。这座冶炼厂是根据回转窑结合电炉（RKEF）工艺进行设计的。工艺设置中包括两台回转窑和一座大型的电炉，这样投资与运行的规模化使得其具有相当的经济性。SNNC目前运行着世界上最大功率的镍铁生产电炉，它拥有的功率是94MW/120MVA。该工厂位于韩国Gwangyang ，附近有POSCO 的炼钢厂，这是POSCO和SMSP、Socit Minire du Sud Pacifique的共有设备。无论在工程速度、建筑总量和生产逐步加载运行上，在镍铁生产工业中SNNC都达到了一个前所未有的境地。首先是从工程开始
3、建设到电炉的金属放出仅用了24个月，随后只用了4个月就完成了试车工作并达到了设计的功率水平。 本文主要论述的是电炉以及为了克服完成世界领先规模的镍铁生产企业而面临的技术挑战。1 引 言 SNNC公司是韩国Gwangyang的镍铁冶炼企业，和韩国大型炼钢公司POSCO以及位于新喀里多尼亚的Socit Minire du Sud Pacifique (SMSP)矿业公司为共有的企业集团。SNNC是近来建设的，试车并运行的生产线采用的是回转窑结合电炉的工艺（RKEF），其中包括一座94MW/120MVA的镍铁冶炼电炉和两座回转窑。这些见图1，矿石储存在图中的右侧，即冶炼厂的左侧。它在韩国是第一座冶炼
4、红土矿的工厂，年产能力为30000t镍金属，也是世界上功率最高、生产能力最大的镍铁冶炼电炉，该工厂仅仅开始运行于一年前。 工厂选用的是来自于新喀里多尼亚的红土矿，含镍量是2.22.3%，硅镁比为1.6。矿物首先在单独的回转干燥筒内干燥，之后进入两座直径5.5米，长度为130米的煤粉燃烧回转窑内进行预还原。两座回转窑使用煤斗加入作为还原剂的煤，煅烧后的物料和焦炭一起装入直径22.2米、三电极功率94MW/120MVA的电炉内，采用遮弧模式冶炼运行。使用电能使焙砂熔化并完成进一步的还原反应，最终生产含镍1718%的镍铁产品。矿石当中未还原的组分构成是FeO、SiO2和MgO，这部分以熔渣的形式从电
5、炉内间断放出。每三小时放出金属一次，之后将金属精炼移除杂质。最终产品运送到客户那里，主要是POSCO，以便进一步生产不锈钢。图1 SNNC回转窑结合电炉的镍铁生产线 电炉设计是由Hatch公司完成的，其中主要的技术和关键点是高密度功率和屏蔽电弧的运行方式。SNNC电炉进入连续电弧冶炼这一区域的这些特性，在镍铁工业中是没有先例的。电炉设计和运行方面克服了高功率连续性冶炼的挑战，获得了较低的投资和运行成本。Hatch公司近来已经拥有了较大型镍铁电炉的方案，所以SNNC呈现出的是世界上最大的也是生产能力最大的电炉。 在这里也将论述由SNNC完成的世界规模镍铁生产工业中划时代的项目，整个从项目开始到生
6、产运行的过程仅仅用了28个月。2 电炉简述 SNNC电炉壳体外径为22.2米，高度是7.7米的圆形电炉，由Hatch公司设计，运行功率是94MW。与电炉规格相比，电炉运行输出功率较高，因此功率密度较高（总功率除以炉床面积）。因此，电炉的热损失相对于生产率来讲是很小的，使得电炉发挥了很大的功率效应。产出镍铁品位是18%，电炉的设计生产比例是150t/h的熔渣放出量，21t/h的镍铁金属放出量。电炉的整体容量能够与年产镍30000t的总量相匹配。 炉床和侧墙基本结构是采用氧化镁和氧化镁基底耐火材料组成，支撑衬里和冷却面也使用了氧化铝耐火材料。炉体使用了侧墙嵌入式铜管排冷却技术和炉床强制风冷技术，安
7、装在侧墙下部和炉顶。炉顶是由悬挂耐火材料构成，配备的炉顶钢梁系统作为支撑置放在侧墙上，采用的是强制风冷，具体见图2。炉顶全部的支撑力作用于侧墙耐火材料上，通过炉顶的自重增加了墙体和炉床耐火材料的夹紧力。整个炉体配备了27根料管，焙砂通过这些料管进入到熔池中。输料管的分布和它们的整合形成的供料系统的论述见文章第七部分。图2 电炉的整体构建及外型尺寸剖面3 工艺过程概述3.1 冶金过程 电炉所完成的冶金过程符合如下的还原反应过程：2NiO+C2Ni+CO2 (1)2FeO+C2Fe+CO2 (2)SiO2+CSi+CO2 (3)C+CO22CO (4) 为了完成镍铁1718%的品位，需要将NiO还
8、原成Ni，使足够的FeO还原成Fe，从焙砂到镍铁的工艺过程中，SNNC的金属回收率达到了97%。 如果要达到1718%的品位，那么电炉就需要在高铁回收率的状态下运行，也就是反应式（2）的反应过程为主导，而这样金属中的碳、硅含量就会偏高。在SNNC，由于镍铁当中的碳、硅含量的原因，导致金属液化温度在1300，这一结果，明显的低于镍品位含量更高的镍铁液相温度。熔渣的液相温度在1550，这种温度是因为它的硅镁比偏低。为放出熔渣的需要，熔池的典型运行温度在1600，这样使得金属放出温度大约在15001550。 因此上，在设计中电炉需要调节金属过热温度，过热200的金属需要在电炉本身增强冷却区域。特别重
9、要的是，那些区域受到高速或者说是瞬间变化的金属和熔渣的侵蚀，也就是说，这些区域主要是指金属放出口和熔渣金属界面的侧墙区域。设计使用的冷却器和耐火材料调节了高热通量区域，这些将在后面的章节中进行论述。3.2 产生的气体和在自由空间的燃烧 SNNC电炉是通过在自由空间燃烧的方式运行的，还原过程中产生的一氧化碳在自由空间内与配入的空气进行完全燃烧。配入的空气是通过自由空间的微负压调节的，使用的调速风机使电炉烟气无法泄露，同时为了完成配入空气的调节作用增强自由空间温度也起到了压力调节的作用。为了最大化地发挥出能源效应，电炉产生的热烟气回收供入矿物干燥系统。 电炉运行中高还原率的另一个重要性质就是所产生
10、的烟气速度较高，特别是在电极周边能源释放的比较集中，这就影响到了进入电炉的物料的分布，同时也需要有配入空气的容积以达到空气入口的最佳化。这些因素都是通过进料管锁定在电炉顶部，不但限制物料分布比例同时调节开度使空气渗入。炉顶和供料系统的论述在本文的第八部分。3.3 运行模式 因为较高的还原程度，电炉在设计中面临着浸没电极和屏蔽电弧两种选择方式。这些运行模式的对比见图3。 在屏蔽电弧模式中，电能传递到电炉中的方式是熔池功率和电弧功率相结合的办法。屏蔽电弧的运行好处是能够运行在较高的总功率条件下而不增加熔池的功率，因为过剩的熔池功率能够引起较高的熔渣过热和熔渣搅拌状态，使电炉内的耐火材料被侵蚀的程度
11、增加。形成对比的是，屏蔽电弧模式能够使热量效应直接传递给焙砂，而对比浸没电极的运行状态，也会使金属温度变得最小化，这一点需要着重考虑，因为在很高的金属过热温度下，会导致相对较低的金属品位和较低的金属液化温度。电炉能量传送系统可以在浸没电极和屏蔽电弧两种模式下运行，变压器二次电压为11001500V，电极电流是4050KA，这些符合电弧与熔池功率比值在0.251.5这一范围。图3 电炉的运行模式对比3.4 电能参数和能源供应 设计的电炉功率为94MW，炉床能源密度是270KW/M2，为了运行当中提供更多的灵活性，侧墙冷却系统在设计的过程中设定了在浸没电极模式下运行和较高电极电流条件下，着重考虑了
12、熔池高功率和侧墙热通量较大的问题。 功率供应在22KV、电压4002300V、33V抽头的340MVA变压器安装于SNNC，与电极的连接方式采用Y或角连接。变压器额定最大电极电流是60KA，允许采用浸没电极和屏蔽电弧两种运行方式。从变压器到电炉的能量传递处于高电流状态，经由设定的三个水冷铜母线传输。圆形电极是Soderberg类型，直径为1800mm，滑落夹具采用Hatch公司自主专利技术。电极处于炉顶上方，使用的电极密封构建包括：绝热耐火材料、弹簧支撑、盘根式烟气密封等。4 支撑和结构 设计的SNNC电炉基础可以非常容易地进入电炉底部，基础是由排列的加强混凝土基础墩支撑着水泥板构成的，如图2
13、所示。这种设计最为显著的特点就是在电炉的底部有足够的空间，可以非常方便地进入到下面对热电偶、底部冷却系统或者是炉床结构进行检查维修。 一系列平行的横梁直接作用在水泥墩顶部，同时用碳钢底板进行支撑形成了电炉熔池的基础。这样的支撑结构是一个综合结构和冷却解决方案的实例。底部空间被横梁分隔形成各自的区域，也就形成了风冷通道。 侧墙壳体和墙体夹紧系统的设计如图2，这种设计为熔池侧墙和炉床提供了更高的稳定性，也就是耐火材料维持了三维方向上的压紧力，使侧墙降到最小化并且保证了炉床的使用年限。下部的侧墙钢制壳体这一部分是由较厚的轧制锅炉钢构成的。下部的壳体较厚给炉床提供了一个水平方向上的压紧力，保证了紧密的
14、贴合程度以防止液相金属的渗入。Hatch专利墙体夹紧系统见图4，它们在垂直方向上通过垂直方向上的构件，提供了一个类似的炉床膨胀反作用力。夹紧弹簧和炉顶本身自重相结合，向熔池环梁施加了一个向下的作用力压紧了侧墙耐火材料。这种夹紧系统在SNNC扮演了一个非常重要的角色，它保证了侧墙耐火砖和铜质冷却系统元件的良好结合，也就维持了良好的侧墙冷却状态，使熔池中的液体沿着水平方向的侵蚀变得最小化。这一特点的好处是电炉能够适应周期性地热循环，显著地改善了诸如SNNC电炉在较高过热金属存在条件下的运行状态。图4 Hatch专利技术的电炉侧墙夹紧系统 电炉炉顶是悬挂耐火砖构成的，被炉顶钢质构件支撑，其载荷完全被
15、环梁负担，置于电炉耐火材料墙体的顶部。电炉炉顶的重量也就因此作用于耐火材料侧墙和电炉基础上，这一结构状态在电炉本体上有效地提供了一个三维方向上作用于熔池耐火材料上的夹紧力，确保了砖体和冷却元件的良好接触，也因此使金属和熔渣的渗入变得最小化。电炉顶部的冷却系统是图2中最显著的部分，之后针对炉床采用了一个相似的冷却系统，并且使用了钢制构件提供了一个强制风冷管线，这就同样也保证了结构的强度和刚性。5 侧墙冷却 附加的炉顶风冷和炉床冷却系统、电炉侧墙冷却系统等一些嵌入式和外露的冷却系统包括：在熔渣区域三列植入式铜板冷却器（水冷）熔渣和金属界面区域安装有一列Hatch网状铜冷却器（水冷）两个熔渣及两个金属放出口安装有水冷系统在两侧的金属放出口安装了“Flanker”网状铜质冷却器（水冷）在金属区域安装了风翅冷却系统
