日本大江山廠用直接還原硅鎂鎳礦法生產鎳鐵

1、日本大江山廠用直接還原硅鎂鎳礦法生產鎳鐵TetsuyaWatanabe等摘要第二次世界大戰(zhàn)期間，日本冶金工業(yè)公司大江山廠用克魯帕一雷恩法(KruPP一RennProcos)從附近大江山礦開采的紅土礦中生產海綿鐵.1952年，該廠改用進口硅鎂鎳礦作原料，開始生產制造不銹鋼用的鎳鐵.從開始產鎳鐵以來，巳作了許多改進。(l)費用低.原料預處理后，可用回轉窯低能耗地生產粗鎳鐵.(2)產品銷路好.粗鎳鐵可用于作氫氧脫碳法(AOD)煉不銹鋼的原料.目前，只有大江山廠在工業(yè)上采用硅鎂鎳礦的直接還原法.本文介紹大江山法的技術和操作特點。前言在第二次世界大戰(zhàn)期間，日本冶金工業(yè)公司在宮津建起一個熔煉低品位鎳紅土礦

2、的工廠二鎳礦來自附近的大江山礦山。用克魯帕一雷恩熔煉法生產低鎳生鐵，在本公司的川崎廠用作生產低合金鋼.戰(zhàn)后，原料從鎳紅土礦改用從新喀里多尼亞的進口礦，并生產供日本國內用的煉不銹鋼用的粗鎳鐵，熔煉方法沒有改變.現(xiàn)在該廠以四臺回轉窖處理從新喀里多尼亞，菲律賓和印度尼西亞進口的礦石成功生產約1000噸鎳/月.熔煉方法很獨特，稱為日本冶金大江山法.此法為不銹鋼生產提供充足的鎳源.它還使我們建起從鎳原料到成品不銹鋼的一條龍生產法，本法與埠爾一凱姆法(El一KemProee:s)之類等的鎳鐵法相比，有如下優(yōu)點:(l)熔煉主要能源為煤，而不是昂貴的電能.(2)原料的自由選擇，能可用東南亞的硅鎂鎳礦.(3)所

3、產粗鎳鐵質量可直接用作不銹鋼生產原料，并且同時作為熔煉的冷卻劑.熔煉方法是簡單的，預處理步驟是將原料(硅鎂鎳礦)磨細后，與含碳物料和熔劑石灰石混合，后者用于調節(jié)含水量，然后制團.接著通過預熱器將團塊連續(xù)給入回轉窯。在回轉窯中，團塊與煤燃燒所產生熱氣流逆流運動，經受所有熔煉步驟一干燥，脫水，還原和金屬成長金屬是在窯中半熔融條件下生成的。這燒成的物料叫熔塊·從夸出來就將它水碎，磨細后，用跳汰和磁選機將還原成的鎳鐵合金從排出的熔塊中分離出來。然后將此產召運往川崎鋼廠作為不銹鋼生產的鎳源.粗鎳鐵呈直徑2-3毫米的沙狀顆粒，并夾帶1-2%爐渣，其化學組成為C<0.10%，Ni1822%，

4、S0.45%，P0.015%.此產品不管含硫多高均適用于AOD煉鋼過程，因AOD法有很好的脫硫能力.沙狀顆粒在煉鋼過程中相當有利于連續(xù)加料和作為冷卻劑物料快速溶解.當只采用回轉窯進行大江山法操作時，熔煉實踐應在半熔化而不在熔化條件下進行.在實踐中，使含脈石高的硅鎂鎳礦的氧化鎳在半熔化條件蘋還原和使鎳鐵合金聚集成粒是困難的。二、技術改進的歷程在詳細介紹本方法之前，讓我們簡單回顧以往技術改進的歷史。從進口高品位鎳礦生產鎳鐵始于1952年，為煉不銹鋼廠提供原料。從那時起，努力提高生產能力、鎳回收率、產品性量和節(jié)省能耗。表1所示為主要生產過程的技術改進歷史。圖1為目前的生產流程。如表中所示，我們通過增

5、建回轉窯、幾項設施改進和改善原料預處理等，成功地逐步提高生產能力，滿足川崎鋼廠生產不銹鋼方面不斷增長的需要。至于能源問題，鎳熔煉過程消耗大量能源.為解決石油危機后能耗費用增加的問題，采取種種措施降低此項費用，如提高預熱器熱效率，用煤代油，用新的預處理技術以降低供入回轉窯的原料含水量。關于鎳回收率，一般認為，因原料中脈石含量高，只用回轉窯法不能達到足夠高回收率。事實上，大江山法應用初期鎳回收率僅約80%。但裝設煙塵返回系統(tǒng)，改進原料預處理工藝和燒渣分離工藝就使此低回收率大為改觀。同時，用熱化學的觀點，對在半熔條件下還原出來的金屬顆粒的聚集機理進行了研究.三、工藝特點表2列出了主要設備的規(guī)格。處理

6、過程分為如下三個階段:(l)原料預處理礦石進行磨細，混合和壓團作業(yè)，使回轉窯有效地運行。(2)在回轉窯內進行熔煉作業(yè)，其中有焙燒，金屬氧化物的還原和還原出的金屬顆粒進行團聚.(3)用重力和磁力分選法從窯產品(燒渣)中分離出團聚的鎳鐵金屬顆粒.原料準備過程生產質量良好的團塊是回轉窯成功操作的重要因素如團塊有利于熱效率提高，有利于形成理想的溫度分布，防止窯結圈故障，并降低煙塵率。(1)原料。所用原料由硅鎂鎳礦，無煙煤和焦粉還原劑，燃料煤和石灰石熔劑所組成。這些物料典型的化學成分列于表35.因鎳鐵產品直接用于不銹鋼生產過程，產品中磷含量限制在最高不應超過0.02%。因此使用特殊品級的低磷煤，至于產品

7、的硫含量，由于AOD法有很好的脫硫效率，故沒有特別限制。后面將要討論到，硫在回轉窯中使還原金屬顆粒的團聚方面起著重要作用。(2)壓團。以前采用“濕法”壓團。這就是把所有原料濕磨和過濾后，用低壓成形和將約含32%水分的濾餅制成條狀.1984年此法已改為壓團法，其原因主要是為節(jié)省能耗，提高窯的礦石處理量和窯的穩(wěn)定操作需要含水分低(約18%)和強度高的團塊.此工藝改進借增添下面新設備來實現(xiàn):其中有磨細干燥和礦石的氣落式磨礦機、混捏機和混合磨礦機和壓團機。通過嚴格控制水分，按礦石的礦物特性進行適當配比和充分混捏，可產出優(yōu)質團塊。在此工序，所有無煙煤、焦粉和石灰石均與礦石一起壓團。優(yōu)質團塊能有效地確保窯

8、穩(wěn)定操作的條件。圖2表示礦石的粘土含量和水分對生團塊性質的影響。熔煉（1）窯操作特點。圖3表示典型的工藝操作條件。如圖所示，團塊不斷送給鏈篦機，團塊與熱氣流逆流熱交換后再加入窯中。在窯內團塊以平均速度6m/h前進。在團塊前進過程中。與燃料煤燃燒所產生的熱氣流逆流運動時，完成脫水，還原，團塊破壞，造渣。還原的金屬顆粒團聚等熔煉步驟。嵌入團塊中含碳物料既作燃料又作還原劑。窯穩(wěn)定操作最重要的技術因素是恒定的團塊供給速度和保持窯中的穩(wěn)定溫度分布。很好地控制團塊中含碳質物料的加入量和預熱器中恒定的抽風條件就可保證窯中穩(wěn)定的溫度分布。團塊質量差，窯給料速度變化無常，含碳物散亂均會造成物料和窯壁局部過熱或過

9、冷，增加粉塵，抽風情況異常和含碳物偏析分布。這一切都是引起窯結圈故障，耐火襯里壽命縮短和金屬顆粒團聚不好的原因。 （2）窯中反應特性。根據計算機模擬和停窯后研究結果，窯內溫度分布和反應特性如圖4所示，從圖可見。由于優(yōu)質團塊層通風阻力小且恒定，在篦上（預熱器）發(fā)生有效的熱交換。通過爐篦后的廢氣溫度約90。在團塊沿窯運動中?？赏瓿傻V石脫水，蒸發(fā)結晶水和石灰石的分解，當鐵和鎳氧化物開始被還原性氣體和嵌入其中的含碳物還原時，由于體積膨脹團塊可能破壞，并逐步軟化。為有效利用團塊中含碳物作還原劑和燃料，控制團塊的反應率是重要因素之一。當物料運動到離窯口約30m處，物料溫度上升至約1100以上。此時，造渣反

10、應開始與還原反應同時進行鎳氧化物有橄欖石結構（Ni，Hg）,SiO2，鐵氧化物可能也有相同結構Fe2SiO4。在高溫下它們均跟游離二氧化硅起反應，而且兩種氧化物似乎都形成固溶體。所以從熱化學觀點看來，在半熔融條件下氧化鎳還原是相當困難的。如圖4所示，不管鐵和鎳氧化物之間生成自由能差別有多大。兩種氧化物幾乎同時還原為金屬。要確切說明在溫度范圍為1250-1400，半熔融渣條件下還原金屬顆粒聚結的機理是很困難的。我們提出如下團聚模型。金屬顆粒以非穩(wěn)定態(tài)存在于渣中的懸浮系統(tǒng)可能適用于該過程。所以金屬顆粒和渣相間界面現(xiàn)象可能對，團聚有重大影響。根據經驗，加硫，石灰或三氧化鋁很有利于促進團聚過程.渣相中

11、的氧化鐵似乎對團聚有作用，相反，渣相中過多的殘留堿有害于團聚。硫往往富集在金屬顆粒的表面上，這就局部地降低了金屬顆粒的熔點和表面張力。大家認為這些現(xiàn)象引起了金屬顆粒的粘結。就渣相表面現(xiàn)象而論，為便金屬顆粒較易運動，并使它們聚集，選用較低粘度的渣。雖然將離子結構引入渣系統(tǒng)會有某些困難，但因SiO44-是表，面活性的，它會集中在渣一金屬界面上.此外，像CaO，Al2O3，或FeO這些“網狀結構破壞者”也可能移至界面，變成活性組分。CaOCa2+ +O2-AI2O32AI3+302-FeOFe2+O2-這樣，金屬顆粒和渣相之間的界面可能粘度較小，有利于促進金屬顆粒的運動。渣中過多殘余碳可能增加渣的表

12、觀粘度，可能不利于更好的團聚。上述模型簡示在圖6中。圖6是用電子探針顯微分析法對渣和金屬顆粒界面的掃描分布圖。如圖6-9(略)所示，Ca和Fe集中在渣表面，而S集中在金屬穎粒表面。同樣、Si和AI也集中在渣表面。界面區(qū)域分析結果可與所提出模型很好地符合。從實踐觀點看，檔料圈高度，燃咀位置和渣中殘?zhí)剂靠刂频仁谴龠M還原出金屬顆粒團聚的重要因素。這些條件確保適當?shù)母G渣粘度和有效團聚的通過時間。事實上，自從改為壓團法備料以來，有關異常結圈，金屬產率，熱效率等窯中實際條件已大為改善。這些可能是窯給料中水分減少，煙塵率降低和含碳物料勻速前進的結果。經緞燒后，原料在窯末端變成含團聚鎳鐵合金的“燒結塊”。為防

13、止氧化和使熔塊更易破碎，當熔塊離窯時即水碎.然后將水碎燒結塊運往分離車間。在分離車間，用馬西磨礦機將熔塊磨至-2毫米碎屑，再用圖1流程所示的跳汰機和磁選機分離為金屬和窯渣。磁選精礦中金屬部分約占10%，將它返回窯中。分離后余下的熔塊尾渣，部分出售作建筑材料。所謂粒鐵的鎳鐵典型成分見表6。雖然鎳鐵含有少量窯渣，但它可直接用作生產不銹鋼的原料。表7列出典型的窯渣組成。從礦物學上講，它由頑輝石(MgO·SiO2)，少量鎂橄欖石(2MgO·SiO2)和游離二氧化硅所組成.熔化一噸干礦產出80%渣和10%金屬。最后，窯和鏈蓖機(預熱器)中熔煉過程熱平衡列于表8。總熱效率接近78%。從表8可見，熔煉主要熱量由無煙煤和煤供給，不用電能加熱.原料準備，熔塊處理和其它機械操作耗電能約為5000