日本大江山廠用直接還原硅鎂鎳礦法生產鎳鐵資料

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汝KruPP RennProcos) 從附近大江山礦開采的紅土礦中生產海綿鐵.1952年，該廠改用進口硅鎂鐐礦作原料，開始 生產制造不銹鋼用的鐐鐵.從開始產鐐鐵以來，巳作了許多改進。費用低.原料預處理后，可用回轉窯低能耗地生產粗鐐鐵.(2)產品銷路好.粗鐐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)上采用硅鎂鐐礦的直接還原法.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 熔煉低品位鐐紅

2、土礦的工廠二鐐礦來自附近的大江山礦山。用克 魯帕一雷恩熔煉法生產低鐐生鐵，在本公司的川崎廠用作生產低 合金鋼.戰(zhàn)后，原料從鐐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鐐鐵，熔煉方法沒有改 變.現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噸鐐/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鐐源.它還使 我們建起從鐐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 KemProee:s)之類等的鐐鐵法相比，有如下優(yōu)點：熔煉主要能源為煤，而不是昂貴的電能.原料的自由選擇，能可用東南亞的硅鎂鐐礦.

3、所產粗鐐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， 還原和金屬成長一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C0.10%, Ni 182

4、2%, 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

5、。如表中所示，我們通過增建回轉窯、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。19521984年的過程改進 表1年改進項耳每臺窯恰礦地（噸）鐮產最（毗年）竦回收率能耗（千卡/噸礦）,1952恢輕握生產， 一臺窯污轉139928S02750 XK31954兩臺密運轉13Q13S3812 75C M19M.三會窯運轉13016766J262G X1031956擴

6、大礦石處理 址的方法 1532685812620 X I03J357在兩成窯中裝1902L2ei2390 X I03195S裝憫生洗險塔193AG1ST239C XIS119捫在第三臺客裝細43 ItBB21 CO X L 31967四臺密運粹，源3646682CJ(J X LQ3J 570改謎T石處理 過程3808S40；93O 乂 151577 1節(jié)能計婦380849992110X1331D78油為燃料3899470皿,31510 X1Q31981由燒油改為燒 粉煤38。535394.35.G X IC/31曲.采用制固注4 2095M95*0132J X 以石灰石無煙煤陛 混捏機關于鎳回

7、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。處理過程分為如下三個階段：原料預處理一礦石進行磨細，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.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.主宴設備規(guī)格 2設備臺數能力尺 寸管磨機265

8、噸礦（干）/時米M8米氣篇式磨礦秋J4。噸礦（干）/時$49 米 XI.6 米礦漿槽73狷米事力6米貯礦仕5325 米，4殊轉鼓過推機418.5噸射濟艱）/時過譴面我70米，棒磨機245噸礦（干）/時$3米）U.E米壓團機4隊,5噸礦（干）/時4。.72米 XL6光，預愚器42T噸（干）/時4 米 xnX回轉帶4紂噸（干）/時馬西磨礦機5是峋（干）/HT*2.4米 X I .B米13話噸（干）/酎磁選機；815噸（干）/時分釵機1300米/冠$1 .S米 M 1。米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一如團 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

9、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。礦石實型化學組成（為）表3石水份垮失率SiOl 1FtAlg,Ni + GOCrOaCadMgOMeO/SiO2A24*110.542.51L80,92.55】.QOJW70.58B25.710-640.613.01.02.561 .

10、10 + l24.60.61C28.745.812.12,12.seC ,921 .20.46D29.510.E41IS.2。92.32二.0l20*7&頃燃料典型化學成分表4水慕水內灰分揮發(fā)分固定混磷硫T卡/千克無煙血4.0小TT.30 + 0040.146240第粉 6.2-J2.0B4. U0.60煤a!11.04.$15.63旺41.01,563】。煤15.07.0T.D40 .054.0C .235400石灰石典型化學成分（勿） 米5燒失率SiO3a OsAhO,| CaOMgOrs43. S3O.SSI.100J5&5.C8D.370. D04a.007（2）壓團。以前采用“濕法”

11、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: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。3010礦B16 1B粘土含量礦AA礦BA礦C）團塊尺寸43 X 43

12、X 20mm水份圖2生團礦的強度熔煉（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 窯壁局部過熱或過冷，增加粉塵，

13、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90C。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1100C 以上。此時

14、，造渣反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1250C-1400C，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象可能對，團聚有重大影響。根據 經驗，加硫，石灰或三氧

15、化鋁很有利于促進團聚過程.渣相中的 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。大家認為這些現象引起了金屬顆粒的粘 結。就渣相表面現象而論，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

16、于促 進金屬顆粒的運動。渣中過多殘余碳可能增加渣的表觀粘度，可 能不利于更好的團聚。低粘度層一一渣招圖5用分散系統(tǒng)的懸浮模型簡示金屬團 聚反應過程上述模型簡示在圖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?是促進還原出金屬顆粒團聚的重要因素。這些條件確保適當的窯 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

17、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

18、二氧化硅所組成.熔化一噸干礦產出 80%渣和10%金屬。銃鐵典型化學成分(啊)襄6Ni + COCPSCrSi渣21.90.030.019Q.440.190.012.0毒渣典型化學組成(啊) 7Ni+COSiOaAlxO.MgOCaOCs0,253.46.02.S28f46.70,20,07熱量平衡表8熱延收入熱量支出項目千卡/噸礦%1項目千卡/噸礦無煙煤847.6X I0374,6熔塊顯熱389.5X 1。334,3和焦粉287.5X 10325.4蒸發(fā)潛熱171,2X 10315.1煤反應熱32 7.0X103,28,3廢氣顯熱弓。.5X108,0熱損失和 其他擇6.9女仍子13,8總首F最后整和鏈蓖機（預熱器）中熔煉過彳程熱平衡