日本大江山厂用直接还原硅镁镍矿法生产镍铁

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1、日本大江山厂用直接还原硅镁镍矿法生产镍铁TetsuyaWatanabe等 摘要第二次世界大战期间，日本冶金工业公司大江山厂用克鲁帕一雷恩法(KruPP 一 RennProcos)从附近大江山矿开采的红土矿中生产海绵铁.1952 年，该厂改用进口硅镁镍矿作原料，开始生产制造不锈钢用的镍铁.从开始产镍铁以来，巳作了许多改进。(l)费用低 .原料预处理后，可用回转窑低能耗地生产粗镍铁. (2)产品销路好 .粗镍铁可用于作氢氧脱碳法(AOD) 炼不锈钢的原料. 目前，只有大江山厂在工业上采用硅镁镍矿的直接还原法. 本文介绍大江山法的技术和操作特点。前言在第二次世界大战期间， 日本冶金工业公司在宫津建起

2、一个熔炼低品位镍红土矿的工厂二镍矿来自附近的大江山矿山。用克鲁帕一雷恩熔炼法生产低镍生铁，在本公司的川崎厂用作生产低合金钢 .战后，原料从镍红土矿改用从新喀里多尼亚的进口矿，并生产供日本国内用的炼不锈钢用的粗镍铁，熔炼方法没有改变. 现在该厂以四台回转窖处理从新喀里多尼亚，菲律宾和印度尼西亚进口的矿石成功生产约1000 吨镍/月.熔炼方法很独特， 称为日本冶金大江山法.此法为不锈钢生产提供充足的镍源.它还使我们建起从镍原料到成品不锈钢的一条龙生产法，本法与埠尔一凯姆法 (El 一 KemProee:s)之类等的镍铁法相比，有如下优点: (l)熔炼主要能源为煤，而不是昂贵的电能. (2)原料的自

3、由选择，能可用东南亚的硅镁镍矿. (3)所产粗镍铁质量可直接用作不锈钢生产原料，并且同时作为熔炼的冷却剂 . 熔炼方法是简单的， 预处理步骤是将原料(硅镁镍矿 )磨细后，与含碳物料和熔剂石灰石混合，后者用于调节含水量， 然后制团 .接着通过预热器将团块连续给入回转窑。在回转窑中， 团块与煤燃烧所产生热气流逆流运动，经受所有熔炼步骤一干燥，脱水，还原和金属成长金属是在窑中半熔融条件下生成的。这烧成的物料叫熔块从夸出来就将它水碎，磨细后，用跳汰和磁选机将还原成的镍铁合金从排出的熔块中分离出来。然后将此产召运往川崎钢厂作为不锈钢生产的镍源. 粗镍铁呈直径2-3 毫米的沙状颗粒，并夹带1-2%炉渣，其

4、化学组成为 C0.10%，Ni 1822%，S0.45%，P0.015%. 此产品不管含硫多高均适用于AOD 炼钢过程，因AOD 法有很好的脱硫能力.沙状颗粒在炼钢过程中相当有利于连续加料和作为冷却剂物料快速溶解. 当只采用回转窑进行大江山法操作时，熔炼实践应在半熔化而不在熔化条件下进行.在实践中，使含脉石高的硅镁镍矿的氧化镍在半熔化条件苹还原和使镍铁合金聚集成粒是困难的。二、技术改进的历程在详细介绍本方法之前， 让我们简单回顾以往技术改进的历史。从进口高品位镍矿生产镍铁始于1952 年，为炼不锈钢厂提供原料。从那时起，努力提高生产能力、镍回收率、产品性量和节省能耗。表 1 所示为主要生产过程

5、的技术改进历史。图 1 为目前的生产流程。如表中所示， 我们通过增建回转窑、 几项设施改进和改善原料预处理等， 成功地逐步提高生产能力，满足川崎钢厂生产不锈钢方面不断增长的需要。至于能源问题， 镍熔炼过程消耗大量能源.为解决石油危机后能耗费用增加的问题，采取种种措施降低此项费用，如提高预热器热效率，用煤代油，用新的预处理技术以降低供入回转窑的原料含水量。关于镍回收率，一般认为，因原料中脉石含量高，只用回转窑法不能达到足够高回收率。事实上，大江山法应用初期镍回收率仅约80%。但装设烟尘返回系统，改进原料预处理工艺和烧渣分离工艺就使此低回收率大为改观。同时，用热化学的观点，对在半熔条件下还原出来的

6、金属颗粒的聚集机理进行了研究. 三、工艺特点表 2 列出了主要设备的规格。处理过程分为如下三个阶段: (l)原料预处理矿石进行磨细，混合和压团作业， 使回转窑有效地运行。(2)在回转窑内进行熔炼作业，其中有焙烧， 金属氧化物的还原和还原出的金属颗粒进行团聚. (3)用重力和磁力分选法从窑产品(烧渣 )中分离出团聚的镍铁金属颗粒 . 原料准备过程生产质量良好的团块是回转窑成功操作的重要因素如团块有利于热效率提高， 有利于形成理想的温度分布，防止窑结圈故障，并降低烟尘率。(1)原料。所用原料由硅镁镍矿， 无烟煤和焦粉还原剂，燃料煤和石灰石熔剂所组成。这些物料典型的化学成分列于表35.因镍铁产品直接

7、用于不锈钢生产过程，产品中磷含量限制在最高不应超过 0.02%。因此使用特殊品级的低磷煤，至于产品的硫含量，由于 AOD 法有很好的脱硫效率，故没有特别限制。后面将要讨论到，硫在回转窑中使还原金属颗粒的团聚方面起着重要作用。(2)压团。以前采用 “湿法”压团。这就是把所有原料湿磨和过滤后，用低压成形和将约含32%水分的滤饼制成条状.1984 年此法已改为压团法， 其原因主要是为节省能耗，提高窑的矿石处理量和窑的稳定操作需要含水分低(约 18%)和强度高的团块 . 此工艺改进借增添下面新设备来实现:其中有磨细干燥和矿石的气落式磨矿机、 混捏机和混合磨矿机和压团机。通过严格控制水分， 按矿石的矿物

8、特性进行适当配比和充分混捏，可产出优质团块。在此工序，所有无烟煤、焦粉和石灰石均与矿石一起压团。优质团块能有效地确保窑稳定操作的条件。图 2 表示矿石的粘土含量和水分对生团块性质的影响。熔炼（1）窑操作特点。图3 表示典型的工艺操作条件。如图所示，团块不断送给链篦机， 团块与热气流逆流热交换后再加入窑中。在窑内团块以平均速度6m/h 前进。在团块前进过程中。 与燃料煤燃烧所产生的热气流逆流运动时，完成脱水，还原，团块破坏，造渣。还原的金属颗粒团聚等熔炼步骤。嵌入团块中含碳物料既作燃料又作还原剂。窑稳定操作最重要的技术因素是恒定的团块供给速度和保持窑中的稳定温度分布。 很好地控制团块中含碳质物料

9、的加入量和预热器中恒定的抽风条件就可保证窑中稳定的温度分布。团块质量差，窑给料速度变化无常， 含碳物散乱均会造成物料和窑壁局部过热或过冷， 增加粉尘， 抽风情况异常和含碳物偏析分布。这一切都是引起窑结圈故障，耐火衬里寿命缩短和金属颗粒团聚不好的原因。（2）窑中反应特性。根据计算机模拟和停窑后研究结果，窑内温度分布和反应特性如图4 所示，从图可见。由于优质团块层通风阻力小且恒定，在篦上（预热器）发生有效的热交换。通过炉篦后的废气温度约90。在团块沿窑运动中。 可完成矿石脱水， 蒸发结晶水和石灰石的分解，当铁和镍氧化物开始被还原性气体和嵌入其中的含碳物还原时，由于体积膨胀团块可能破坏，并逐步软化。

10、为有效利用团块中含碳物作还原剂和燃料，控制团块的反应率是重要因素之一。当物料运动到离窑口约30m 处，物料温度上升至约1100以上。此时，造渣反应开始与还原反应同时进行镍氧化物有橄榄石结构（ Ni，Hg）,SiO2，铁氧化物可能也有相同结构Fe2SiO4。在高温下它们均跟游离二氧化硅起反应，而且两种氧化物似乎都形成固溶体。 所以从热化学观点看来，在半熔融条件下氧化镍还原是相当困难的。 如图 4 所示，不管铁和镍氧化物之间生成自由能差别有多大。两种氧化物几乎同时还原为金属。要确切说明在温度范围为1250-1400，半熔融渣条件下还原金属颗粒聚结的机理是很困难的。我们提出如下团聚模型。金属颗粒以非

11、稳定态存在于渣中的悬浮系统可能适用于该过程。所以金属颗粒和渣相间界面现象可能对，团聚有重大影响。 根据经验，加硫，石灰或三氧化铝很有利于促进团聚过程.渣相中的氧化铁似乎对团聚有作用，相反，渣相中过多的残留碱有害于团聚。硫往往富集在金属颗粒的表面上，这就局部地降低了金属颗粒的熔点和表面张力。大家认为这些现象引起了金属颗粒的粘结。就渣相表面现象而论，为便金属颗粒较易运动，并使它们聚集，选用较低粘度的渣。 虽然将离子结构引入渣系统会有某些困难，但因SiO44-是表，面活性的，它会集中在渣一金属界面上.此外，像 CaO，Al2O3，或 FeO 这些“网状结构破坏者”也可能移至界面，变成活性组分。CaO

12、Ca2+ +O2-AI2O32AI3+302-FeOFe2+O2-这样，金属颗粒和渣相之间的界面可能粘度较小，有利于促进金属颗粒的运动。 渣中过多残余碳可能增加渣的表观粘度，可能不利于更好的团聚。上述模型简示在图6 中。图 6 是用电子探针显微分析法对渣和金属颗粒界面的扫描分布图。如图 6-9(略)所示，Ca和 Fe集中在渣表面，而S集中在金属颖粒表面。同样、Si 和 AI 也集中在渣表面。界面区域分析结果可与所提出模型很好地符合。从实践观点看， 档料圈高度， 燃咀位置和渣中残碳量控制等是促进还原出金属颗粒团聚的重要因素。这些条件确保适当的窑渣粘度和有效团聚的通过时间。事实上，自从改为压团法备

13、料以来，有关异常结圈，金属产率，热效率等窑中实际条件已大为改善。这些可能是窑给料中水分减少，烟尘率降低和含碳物料匀速前进的结果。经缎烧后， 原料在窑末端变成含团聚镍铁合金的“烧结块”。为防止氧化和使熔块更易破碎，当熔块离窑时即水碎.然后将水碎烧结块运往分离车间。在分离车间， 用马西磨矿机将熔块磨至-2 毫米碎屑， 再用图1 流程所示的跳汰机和磁选机分离为金属和窑渣。磁选精矿中金属部分约占 10%，将它返回窑中。 分离后余下的熔块尾渣，部分出售作建筑材料。所谓粒铁的镍铁典型成分见表6。虽然镍铁含有少量窑渣， 但它可直接用作生产不锈钢的原料。表 7 列出典型的窑渣组成。从矿物学上讲，它由顽辉石(M

14、gOSiO2)，少量镁橄榄石 (2MgOSiO2)和游离二氧化硅所组成.熔化一吨干矿产出80%渣和 10%金属。最后，窑和链蓖机 (预热器 )中熔炼过程热平衡列于表8。总热效率接近78%。从表 8 可见，熔炼主要热量由无烟煤和煤供给，不用电能加热.原料准备，熔块处理和其它机械操作耗电能约为 5000 千瓦小时 /吨镍产品。 因此，电耗远比其他镍铁法(如埃尔一肯姆法 )低。可以说日本冶金大江山法在能耗上是很廉价的方法。四、结论概述了日本冶金大江山法的特点。炼镍铁消耗大量的能源，因此对本工艺的主要技术措施都以利用低价能源，降低能耗为目标。通过各种改进措施 (采用压团法，良好控制熔炼作业等)我们成功地创立了回收率相当高，成本低的镍铁法。 这方法还给不锈钢生产提供优质的镍源.这就使我们能建成直接从原料开始的不锈钢联合生产线。