镍铁冶炼工艺及原理

镍及镍铁的用途
镍在大气中不易生锈，能耐氟、碱、盐和多种有机物质的腐蚀。镍系磁性金属，具有良好的韧性，有足够的机械强度，能经受各种类型的机械加工如压延、压磨、焊接等。
镍主要用于制作金属材料，约占总量的70%以上;用于电镀，约占镍总消费量的15%;在石油化工的氢化过程中作催化剂;用作化学电源;制作颜料和染料;制作陶瓷和铁素体。
镍铁是镍及铁的合金，其中含有碳、硅、磷及其他元素。镍铁主要用作冶炼不锈钢的合金剂。
采用红土镍矿生产的镍铁的化学成分一般为：Ni10%～15%,Si≤7%,C≤4.5%,P≤0.06%,S≤0.04%~0.35%。
红土镍矿生产镍铁用原料
采用红土镍矿冶炼镍铁的原料有红土镍矿、焦炭和石灰。
红土镍矿的矿物和化学成分波动很大，特别是含镍量、MgO/SiO₂质量比等。典型红土镍矿成分为：Ni1.3%～1.9%,Fe10%～15%,SiO₂35%～45%,Mg017%～25%,P0.001%～0.007%,H₂O25%~33%。红土矿中含有大量化合水，入炉冶炼前需要进行焙烧脱水。
石灰要求CaO≥82%。
焦炭要求固定碳大于82%,灰分小于15%,含S≤0.7%,水分小于6%,粒度10～25mm。
红土镍矿镍铁冶炼原理
红土镍矿中主要含有NiO、Cr₂O₃、Fe₂O₃、Al₂O₃、MgO、SiO₂等多种氧化物。根据氧化物反应自由能数据可知，在红土镍矿的熔点范围内(1600～1700K),红土镍矿中各氧化物在还原性气氛中被还原的顺序由易到难为：NiO>FeO>SiO₂>Fe₂O₃>MgO>Cr₂O₃>Al₂O₃。NiO最先被还原，且NiO还原温度小于FeO还原温度，利用这一选择性还原原理可采取缺碳操作，使红土镍矿中几乎所有的镍氧化物优先还原成金属，而高价的Fe₂O₃适量还原为金属，其余还原为FeO进入熔渣，从而达到富集镍的目的，铁的还原程度通过还原剂焦丁的加入量加以调整。
矿热炉内弧光温度区温度达到2500℃以上，熔池温度可达1800℃以上，在此温度下发生的主要反应为：
NiO+C=Ni+CO
Fe₂O₃+3C==2Fe+3CO
NiFe₂O₄+4C=2Fe+Ni+4CO
Fe₂O₃+C=2Fe0+CO
FeO+C=Fe+CO
Cr₂O₃+3C=2Cr+3CO
MgO+C=Mg+CO
SiO₂+2C=Si+2CO
反应生成镍铬铁合金，并含硅镁等元素。炉内的实际化学反应比上述反应要复杂得多。
红土镍矿镍铁冶炼工艺
采用红土镍矿生产镍铁主要有高炉法、回转窑直接还原法、回转窑-矿热炉联合法三种。
4.1 高炉法冶炼
高炉生产镍铁的流程主要是：矿石干燥筛分(大块破碎)—配料一烧结一烧结矿加焦炭块及熔剂入高炉熔炼—镍铁水铸锭和熔渣水淬一产出镍铁锭和水淬渣。高炉生产低镍铁较多，所用原料为含铁50%左右和含镍1%左右的红土镍矿，生产含镍5%左右的低镍生铁。通常镍铁的焦比在800kg焦炭/吨镍铁左右。
4.2 回转窑直接还原熔炼
回转窑直接还原熔炼被公认是能耗和成本最低的生产方法。基本流程是：原矿干燥(大块破碎和磨矿)—配加还原煤和熔剂—入回转窑还原和熔炼—熔块水淬—水淬渣和镍铁粒破碎、磨矿、磁选—产出镍粒铁和细熔渣。该工艺不用焦炭、不用大量耗电，流程短环节少，具有极强的竞争力和生命力。目前，该工艺在国内还没有规模化生产，主要是对配料、耐火材料、结圈等问题尚未取得圆满解决。
4.3 回转窑—矿热炉冶炼
回转窑一矿热炉冶炼工艺被国内外大量采用，用于生产含镍较高的镍铁合金。熔炼完整的工艺流程是：原矿干燥及大块破碎一配煤及熔剂进回转窑彻底干燥及预还原一矿热炉还原熔炼—镍铁铁水铸锭及熔渣水淬—产出镍铁锭(或水淬成镍铁粒)和水淬渣。
主要工序组成如下：
(1)干燥：镍矿采用回转干燥筒去除水分;
(2)配料：将红土矿与无烟煤和石灰石按比例配料、混合;
(3)预还原：在回转窑内还原;
(4)冶炼：热料直接入炉冶炼;
(5)精炼：对合金进行脱硫和脱硅、脱碳精炼;
(6)浇注或粒化：粒化、干燥、包装或浇铸机铸锭;
(7)烟气净化：废气进除尘器后排放和电炉煤气回收。
红土镍矿由港口运送到料场堆存、混匀。在原料场堆存与预混匀的红土矿先经过干燥窑脱除大部水分后破碎、筛分，石灰石、还原剂在原料场、备料间加以筛分破碎后，与干燥后的红土矿一起配料混匀送入回转窑。
在回转窑中，原料经进一步干燥、焙烧、预还原，制成约900～1000℃的镍渣(部分还原后的产物)。回转窑烟气经余热锅炉、除尘、脱硫化后排放，粉尘与原料混合后再次入窑。
镍渣在封闭隔热状态下(高架送料小车)加入矿热炉料仓(内衬耐火砖)。根据工艺要求，热态还原产物采用电子轻轨衡进行二次配料后，送矿热炉熔炼系统。通过不同位置的下料管分配到矿热炉内。矿热炉为半封闭(或全封闭)式，自焙电极，埋弧冶炼，还原并熔分粗制镍铁和炉渣，同时产生含CO约75%的矿热炉荒煤气，荒煤气经过净化送到回转窑烧嘴，与煤粉一起作为燃料。除尘灰经处理后，返回到原料场。矿热炉炉渣经过水淬后可作为建筑材料，用于道路建设、制砖。
液态镍铁合金从矿热炉定期放入钢包内，由钢包车运到浇铸厂房浇铸，合格镍铁锭入库外销。矿热炉的产品是粗制镍铁，出铁前可预先在铁水包加脱硫剂，出铁同时脱硫。
粗制镍铁含Si、C、P等杂质，需要继续精炼。扒渣后，兑入转炉，吹氧脱硅，同时加入含镍废料以防铁水温度偏高，脱硅后扒渣(或者挡渣出铁),兑入碱性转炉，吹氧脱磷、脱碳，同时加入石灰石造碱性渣，碱性转炉精炼后的镍铁水送往浇注车间，铸成合格的商品镍铁块或热态直接送往炼钢厂。
总体工艺流程如图1所示。

 
图1 镍铁生产工艺流程
镍铁生产节能
矿热炉冶炼含镍生铁的原矿大部分来自国外。原矿石大部分属粉矿，附着水分一般在30%左右，结晶水在10%左右，所以该矿要进行烧结以后才能入炉冶炼。烧结是冶炼的第一步工序，它不仅关系着冶炼能否正常进行，而且也影响着产品的技术经济指标，与此同时烧结过程中还要消耗较高的能量，应合理选择烧结设备及工艺。采用竖窑烧结和回转窑烧结是较佳选择。
热料入炉是节能的主要方向，电耗将大幅度下降，应积极试验。利用回转窑烧结热料入炉，不仅可节约成本，也可增加产品的市场竞争力。
镍铁生产技术指标及原辅料消耗
生产含Ni10%~15%、Si≤7%、C≤4.5%、P≤0.06%、S≤0.04%~0.35%的镍铁的主要原料和动力的消耗为：红土镍矿7200kg/t，石灰2300kg/t，焦炭470kg/t(热料)，电极糊40kg/t，电耗6000kW·h/t(热料)。