日本大江山廠用直接還原硅鎂鎳礦法生產(chǎn)鎳鐵資料

1、日本大江山廠用直接還原硅鎂鎳礦法生產(chǎn)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(chǎn)海綿鐵.1952年，該廠改用進(jìn)口硅鎂鐐礦作原料，開始 生產(chǎn)制造不銹鋼用的鐐鐵.從開始產(chǎn)鐐鐵以來，巳作了許多改進(jìn)。費(fèi)用低.原料預(yù)處理后，可用回轉(zhuǎn)窯低能耗地生產(chǎn)粗鐐鐵.(2)產(chǎn)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(shù)和操作特點(diǎn)。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(gè) 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(chǎn)低鐐生鐵，在本公司的川崎廠用作生產(chǎn)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(jìn)口礦， 并生產(chǎn)供日本國(guó)內(nèi)用的煉不銹鋼用的粗鐐鐵，熔煉方法沒有改 變.現(xiàn)在該廠以四臺(tái)回轉(zhuǎn)窖處理從新喀里多尼亞，菲律賓和印度 尼西亞進(jìn)口的礦石成功生產(chǎn)約1000噸鐐/月.熔煉方法很獨(dú)特，稱 為日本冶金大江山法.此法為不銹鋼生產(chǎn)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(chǎn)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(diǎn)：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(chǎn)粗鐐鐵質(zhì)量可直接用作不銹鋼生產(chǎn)原料，并且同時(shí)作 為熔煉的冷卻劑.熔煉方法是簡(jiǎn)單的，預(yù)處理步驟是將原料（硅鎂鎳礦）磨細(xì)后， 與含碳物料和熔劑石灰石混合，后者用于調(diào)節(jié)含水量，然后制團(tuán). 接著通過預(yù)熱器將團(tuán)塊連續(xù)給入回轉(zhuǎn)窯。在回轉(zhuǎn)窯中，團(tuán)塊與煤 燃燒所產(chǎn)生熱氣流逆流運(yùn)動(dòng)，經(jīng)受所有熔煉步驟一干燥，脫水， 還原和金屬成長(zhǎng)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(xì)后，用跳汰和磁選機(jī)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(chǎn)召運(yùn)往 川崎鋼廠作為不銹鋼生產(chǎn)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(xué)組成為C0.10%, Ni 182

4、2%, S0.45%, P0.015%.此產(chǎn)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(dāng)有利于連續(xù)加料 和作為冷卻劑物料快速溶解.當(dāng)只采用回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行大江山法操作時(shí)，熔煉實(shí)踐應(yīng)在半熔化 而不在熔化條件下進(jìn)行.在實(shí)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(shù)改進(jìn)的歷程在詳細(xì)介紹本方法之前，讓我們簡(jiǎn)單回顧以往技術(shù)改進(jìn)的歷 史。從進(jìn)口高品位鎳礦生產(chǎn)鎳鐵始于1952年，為煉不銹鋼廠提 供原料。從那時(shí)起，努力提高生產(chǎn)能力、鎳回收率、產(chǎn)品性量和 節(jié)省能耗。表1所示為主要生產(chǎn)過程的技術(shù)改進(jìn)歷史。圖1為目前的生產(chǎn)流程

5、。如表中所示，我們通過增建回轉(zhuǎn)窯、幾項(xiàng)設(shè)施改進(jìn)和改善原 料預(yù)處理等，成功地逐步提高生產(chǎn)能力，滿足川崎鋼廠生產(chǎn)不銹 鋼方面不斷增長(zhǎng)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(jī)后能耗費(fèi)用增加的問題，采取種種措施降低 此項(xiàng)費(fèi)用，如提高預(yù)熱器熱效率，用煤代油，用新的預(yù)處理技術(shù) 以降低供入回轉(zhuǎn)窯的原料含水量。19521984年的過程改進(jìn) 表1年改進(jìn)項(xiàng)耳每臺(tái)窯恰礦地（噸）鐮產(chǎn)最（毗年）竦回收率能耗（千卡/噸礦）,1952恢輕握生產(chǎn)， 一臺(tái)窯污轉(zhuǎn)139928S02750 XK31954兩臺(tái)密運(yùn)轉(zhuǎn)13Q13S3812 75C M19M.三會(huì)窯運(yùn)轉(zhuǎn)13016766J262G X1031956擴(kuò)

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(xiǎn)塔193AG1ST239C XIS119捫在第三臺(tái)客裝細(xì)43 ItBB21 CO X L 31967四臺(tái)密運(yùn)粹，源3646682CJ(J X LQ3J 570改謎T石處理 過程3808S40；93O 乂 151577 1節(jié)能計(jì)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(wú)煙煤陛 混捏機(jī)關(guān)于鎳回

7、收率，一般認(rèn)為，因原料中脈石含量高，只用回轉(zhuǎn) 窯法不能達(dá)到足夠高回收率。事實(shí)上，大江山法應(yīng)用初期鎳回收率僅約80%。但裝設(shè)煙塵 返回系統(tǒng)，改進(jìn)原料預(yù)處理工藝和燒渣分離工藝就使此低回收率 大為改觀。同時(shí)，用熱化學(xué)的觀點(diǎn)，對(duì)在半熔條件下還原出來的 金屬顆粒的聚集機(jī)理進(jìn)行了研究.三、工藝特點(diǎn)表2列出了主要設(shè)備的規(guī)格。處理過程分為如下三個(gè)階段：原料預(yù)處理一礦石進(jìn)行磨細(xì)，混合和壓團(tuán)作業(yè)，使回轉(zhuǎn)窯 有效地運(yùn)行。(2)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)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(jìn)行團(tuán)聚.用重力和磁力分選法從窯產(chǎn)品（燒渣）中分離出團(tuán)聚的鎳 鐵金屬顆粒.主宴設(shè)備規(guī)格 2設(shè)備臺(tái)數(shù)能力尺 寸管磨機(jī)265

8、噸礦（干）/時(shí)米M8米氣篇式磨礦秋J4。噸礦（干）/時(shí)$49 米 XI.6 米礦漿槽73狷米事力6米貯礦仕5325 米，4殊轉(zhuǎn)鼓過推機(jī)418.5噸射濟(jì)艱）/時(shí)過譴面我70米，棒磨機(jī)245噸礦（干）/時(shí)$3米）U.E米壓團(tuán)機(jī)4隊(duì),5噸礦（干）/時(shí)4。.72米 XL6光，預(yù)愚器42T噸（干）/時(shí)4 米 xnX回轉(zhuǎn)帶4紂噸（干）/時(shí)馬西磨礦機(jī)5是峋（干）/HT*2.4米 X I .B米13話噸（干）/酎磁選機(jī)；815噸（干）/時(shí)分釵機(jī)1300米/冠$1 .S米 M 1。米原料準(zhǔn)備過程生產(chǎn)質(zhì)量良好的團(tuán)塊是回轉(zhuǎn)窯成功操作的重要因素一如團(tuán) 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(jié)圈 故障，并

9、降低煙塵率。（1）原料。所用原料由硅鎂鎳礦，無(wú)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(xué)成分列于表35. 因鎳鐵產(chǎn)品直接用于不銹鋼生產(chǎn)過程，產(chǎn)品中磷含量限制在最高 不應(yīng)超過0.02%。因此使用特殊品級(jí)的低磷煤，至于產(chǎn)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(zhuǎn)窯中使還原金屬顆粒的團(tuán)聚方面起著重要作用。礦石實(shí)型化學(xué)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(xué)成分表4水慕水內(nèi)灰分揮發(fā)分固定混磷硫T卡/千克無(wú)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(xué)成分（勿） 米5燒失率SiO3a OsAhO,| CaOMgOrs43. S3O.SSI.100J5&5.C8D.370. D04a.007（2）壓團(tuán)。以前采用“濕法”

11、壓團(tuán)。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(tuán)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(qiáng)度高的團(tuán)塊.此工藝改進(jìn)借增添下面新設(shè)備來實(shí)現(xiàn):其中有磨細(xì)干燥和礦 石的氣落式磨礦機(jī)、混捏機(jī)和混合磨礦機(jī)和壓團(tuán)機(jī)。通過嚴(yán)格控 制水分，按礦石的礦物特性進(jìn)行適當(dāng)配比和充分混捏，可產(chǎn)出優(yōu) 質(zhì)團(tuán)塊。在此工序，所有無(wú)煙煤、焦粉和石灰石均與礦石一起壓團(tuán)。優(yōu)質(zhì)團(tuán)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(duì)生團(tuán)塊性質(zhì)的影響。3010礦B16 1B粘土含量礦AA礦BA礦C）團(tuán)塊尺寸43 X 43

12、X 20mm水份圖2生團(tuán)礦的強(qiáng)度熔煉（1）窯操作特點(diǎn)。圖3表示典型的工藝操作條件。如 圖所示，團(tuán)塊不斷送給鏈篦機(jī)，團(tuán)塊與熱氣流逆流熱交換后 再加入窯中。在窯內(nèi)團(tuán)塊以平均速度6m/h前進(jìn)。在團(tuán)塊前 進(jìn)過程中。與燃料煤燃燒所產(chǎn)生的熱氣流逆流運(yùn)動(dòng)時(shí)，完成 脫水，還原，團(tuán)塊破壞，造渣。還原的金屬顆粒團(tuán)聚等熔煉 步驟。嵌入團(tuán)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(shù)因素是恒定的團(tuán)塊供給速度和保持窯中的 穩(wěn)定溫度分布。很好地控制團(tuán)塊中含碳質(zhì)物料的加入量和預(yù)熱器中恒定的抽風(fēng)條件就可保證窯中穩(wěn)定的溫度分布。團(tuán)塊 質(zhì)量差，窯給料速度變化無(wú)常，含碳物散亂均會(huì)造成物料和 窯壁局部過熱或過冷，增加粉塵，

13、抽風(fēng)情況異常和含碳物偏 析分布。這一切都是引起窯結(jié)圈故障，耐火襯里壽命縮短和 金屬顆粒團(tuán)聚不好的原因。（2）窯中反應(yīng)特性。根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬和停窯后研究結(jié) 果，窯內(nèi)溫度分布和反應(yīng)特性如圖4所示，從圖可見。由于 優(yōu)質(zhì)團(tuán)塊層通風(fēng)阻力小且恒定，在篦上（預(yù)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(tuán)塊沿窯運(yùn)動(dòng)中?？赏瓿傻V石脫水，蒸發(fā)結(jié)晶水和石灰石 的分解，當(dāng)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(shí)，由于體積膨脹團(tuán)塊可能破壞，并逐步軟化。為有效利用 團(tuán)塊中含碳物作還原劑和燃料，控制團(tuán)塊的反應(yīng)率是重要因素之 一。當(dāng)物料運(yùn)動(dòng)到離窯口約30m處，物料溫度上升至約1100C 以上。此時(shí)

14、，造渣反應(yīng)開始與還原反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行鎳氧化物有橄欖 石結(jié)構(gòu)（Ni，Hg） ,SiO2，鐵氧化物可能也有相同結(jié)構(gòu)Fe2SiO4。 在高溫下它們均跟游離二氧化硅起反應(yīng)，而且兩種氧化物似乎都 形成固溶體。所以從熱化學(xué)觀點(diǎn)看來，在半熔融條件下氧化鎳還 原是相當(dāng)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(shí)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(jié)的機(jī)理是很困難的。我們提出如下團(tuán)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(duì)，團(tuán)聚有重大影響。根據(jù) 經(jīng)驗(yàn)，加硫，石灰或三氧

15、化鋁很有利于促進(jìn)團(tuán)聚過程.渣相中的 氧化鐵似乎對(duì)團(tuán)聚有作用，相反，渣相中過多的殘留堿有害于團(tuán) 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(diǎn)和表面張力。大家認(rèn)為這些現(xiàn)象引起了金屬顆粒的粘 結(jié)。就渣相表面現(xiàn)象而論，為便金屬顆粒較易運(yùn)動(dòng)，并使它們聚 集，選用較低粘度的渣。雖然將離子結(jié)構(gòu)引入渣系統(tǒng)會(huì)有某些困 難，但因SiO44-是表，面活性的，它會(huì)集中在渣一金屬界面上. 此外，像CaO, Al2O3，或FeO這些“網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(jìn)金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)。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(tuán)聚。低粘度層一一渣招圖5用分散系統(tǒng)的懸浮模型簡(jiǎn)示金屬團(tuán) 聚反應(yīng)過程上述模型簡(jiǎn)示在圖6中。圖6是用電子探針顯微分析法對(duì)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(jié)果可與所提出模型很好地符合。從實(shí)踐觀點(diǎn)看，檔料圈高度，燃咀位置和渣中殘?zhí)剂靠刂频?是促進(jìn)還原出金屬顆粒團(tuán)聚的重要因素。這些條件確保適當(dāng)?shù)母G 渣粘度和有效團(tuán)聚的通過時(shí)間。事實(shí)上，自從改為壓團(tuán)法備料以來，有關(guān)異常結(jié)圈，金屬產(chǎn) 率，熱效率等窯中實(shí)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(jìn)的結(jié)果。經(jīng)緞燒后，原料在窯末端變成含團(tuán)聚鎳鐵合金的“燒結(jié)塊”。 為防止氧化和使熔塊更易破碎，當(dāng)熔塊離窯時(shí)即水碎.然后將水碎燒結(jié)塊運(yùn)往分離車間。在分離車間，用馬西磨礦機(jī)將熔塊磨至-2毫米碎屑，再用圖 1流程所示的跳汰機(jī)和磁選機(jī)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(chǎn)不銹鋼的原料。表7列出典型 的窯渣組成。從礦物學(xué)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(chǎn)出 80%渣和10%金屬。銃鐵典型化學(xué)成分(啊)襄6Ni + COCPSCrSi渣21.90.030.019Q.440.190.012.0毒渣典型化學(xué)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(xiàng)目千卡/噸礦%1項(xiàng)目千卡/噸礦無(wú)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(yīng)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(jī)（預(yù)熱器）中熔煉過彳程熱平衡