红土镍矿回转窑焙烧-预还原工艺简述
2015-08-23李兴杰
李兴杰
(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)
红土镍矿回转窑焙烧-预还原工艺简述
李兴杰
(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)
主要介绍了回转窑焙烧- 预还原工艺过程、主要红土镍矿冶炼厂回转窑工艺参数，分析了回转窑工艺特点、存在问题及改进措施。
回转窑； 焙烧- 预还原； 红土镍矿
0 前言
镍的优良性能已使其成为航空工业、国防工业和日常生活中不可缺少的金属，其主要用来生产不锈钢、耐热钢，其次合金结构钢和合金铸铁，其中，不锈钢生产就占镍产量的65%[1]。因此，随着全球不锈钢需求的迅猛增长，镍的需求量将进一步提高。目前国际上主要利用硫化镍矿和红土镍矿冶炼镍，但是随着硫化镍矿的大量开采，其储量越来越少，从而为红土镍矿冶炼镍铁提供了较大的发展空间，从红土镍矿中提取镍产品的比例也在迅速提高[2]。目前国内外冶炼镍铁最常用的火法工艺是回转窑- 电炉流程，回转窑是该工艺的关键设备，其作用包括[3]：脱除矿石中的自由水；脱除矿石中的结晶水；部分还原矿石中的镍、铁和钴氧化物；加热生成的焙砂。通过对回转窑焙烧- 预还原工艺的探讨，可以更好的掌握合理的回转窑工艺参数指导生产，为电炉提供合格的高温焙砂，提高电炉产能，降低生产成本，确保工艺顺畅。
1 回转窑焙烧- 预还原工艺过程和原理
经干燥窑干燥后的矿石以及制粒后的烟尘粒料经皮带输送机送入回转窑中。回转窑采用逆流操作，物料由于回转窑的旋转及其坡度缓慢的向排料端移动。干燥后的矿石除了含有约20%～22%的自由水以外，还含有10%～12%的结晶水，所以进入电炉前需要脱除矿石中的自由水和结晶水。
在回转窑的排料端设有煤粉烧嘴，通过风机鼓入一次风和二次风进行燃烧加热物料，产生的热烟气向加料端流动，加入的物料被逆流气体干燥和焙烧。物料中的自由水在干燥区首先被脱除，随着物料的移动，其温度不断上升，结晶水开始分解，随后物料移动到回转窑的还原区，矿石中的部分镍、铁和钴氧化物被还原，经过焙烧后的矿石形成焙砂，焙砂被继续加热至700～900 ℃后排出。通过控制烧嘴的位置、燃烧气体的流量及其它因素，可以避免焙砂过热形成结圈。回转窑排料端设有格栅，焙砂在排料端排出后经过中间缓冲仓进入保温料罐，大块的焙砂破碎后进入电炉。回转窑焙烧- 预还原工艺流程如图1所示。
图1 回转窑焙烧- 预还原工艺流程图
回转窑焙烧- 预还原工艺就是将部分镍和铁从氧化物还原为金属或低价氧化物，以利于下一步的电炉熔炼，这就需要保证回转窑中较强的还原性气氛，实践表明，温度控制在780～830 ℃时较适于还原反应的进行[4-5]。在回转窑焙烧- 预还原工艺中一般采用煤作为还原剂，在还原过程中可能发生的化学反应包括：
C+CO2=2CO↑
(1)
NiO+C=Ni+CO↑
(2)
NiO+CO=Ni+CO2↑
(3)
3Fe2O3+CO=Fe3O4+CO2↑
(4)
Fe3O4+CO=3FeO+CO2↑
(5)
FeO+CO=Fe+ CO2↑
(6)
固体碳和CO2发生碳的气化反应(1)，吸收大量热能，产生的CO参与镍矿的直接还原，总的结果不是消耗CO，而是固体碳，这就是目前公认的固体碳还原氧化物的二步还原机理，所以红土矿焙烧- 预还原工艺采用高挥发性的烟煤是可行的。
红土镍矿中镍的还原过程主要是反应(3)。在该反应中，ΔGθ=747 810-760.7T，常压(PCO=101 kPa)下，令ΔGθ=0可算出氧化镍的开始还原温度T开始=983.06 K，即710.06 ℃。红土镍矿还原反应的热力学平衡曲线如图2所示，区域①(T<400 ℃)为Fe2O3、NiO稳定区；区域②(400 ℃
图2 镍、铁氧化物CO还原热力学平衡图
从图2可以看出，CO还原Fe3O4生成Fe对应的反应温度为656 ℃，而还原FeO对应的反应温度为710 ℃。则理论上，当温度控制在710 ℃以上时，矿石中的Ni、Fe开始被还原成金属镍和金属铁。但是由于红土镍矿中某些铁氧化物以复杂氧化物的形式存在，如Fe2SiO4，其分解压低，稳定性比简单氧化物高，因此只能在高温下被还原。
2 国际主要红土镍矿冶炼厂回转窑工艺参数
目前世界上正在生产的主要红土镍矿冶炼厂回转窑工艺参数如表1所示[7]。
从表1可以看出，回转窑的长径比为16.3～30.3，平均值为20.5，符合一般回转窑的长径比范围。回转窑的单位容积生产率为0.678～3.328，平均值为1.550。由于不同冶炼厂矿石成分不同，回转窑的长径比及单位容积生产率都不相同，甚至差别很大，所以矿石成分的波动对回转窑工艺参数的影响很大。
表1 世界主要红土镍矿冶炼厂回转窑工艺参数
3 我国红土镍矿回转窑焙烧存在的主要问题
目前国内采用回转窑- 电炉工艺生产镍铁的冶炼厂存在的问题包括：焙烧温度低以及镍和铁的还原度不足。国内镍铁冶炼厂为了防止窑头结圈，控制回转窑处于较低的焙烧温度，进而导致红土镍矿中的镍和铁在回转窑中不能实现预还原，这将提高焙砂在电炉熔炼过程的电能消耗，增加了生产成本。国内多数镍铁厂焙砂的排出温度在600 ℃左右，而国际上多数镍铁厂焙砂的排出温度控制在750 ℃以上，较高的焙砂排出温度既提高了焙砂的显热，又保证了焙砂中镍和铁部分被还原，这对降低电炉电耗极为有利。
4 回转窑焙烧- 预还原工艺特点及改进措施
4.1 回转窑焙烧- 预还原工艺特点
(1)采用逆流方式。其优点是出料温度高，能有效脱除矿石中自由水、结晶水并对金属氧化物进行预还原。
(2)窑体背三台风机。其优点是能够更好的控制温度和还原气氛。
(3)在回转窑中选择性的还原部分Ni和Fe，降低了电炉熔炼的电力消耗。
4.2 回转窑焙烧- 预还原工艺改进措施
(1)在回转窑的干燥段增设扬料板，增加物料与烟气间的热交换。
(2)窑内增加挡坝，延长物料在回转窑中的停留时间。
(3)提高回转窑的预热温度与增加还原度，将回转窑的预热温度提高到不结窑环的水平(900～1 000 ℃)，以使焙烧完全。
(4)在窑内加高挥发性煤，取代无烟还原煤，不仅可以降低生产成本，而且对矿石还原过程有利。
(5)采用中间加煤装置。使用勺式加煤机加入还原煤可以扩大回转窑内的高温区域以产生高质量的焙砂。该装置还可以减少回转窑结圈，控制铁的还原度，并且可以提高回转窑的处理能力。
5 结束语
回转窑焙烧- 预还原流程是红土镍矿火法冶炼工艺中一个重要组成部分，通过对回转窑焙烧- 预还原工艺的研究，可以更好的掌握合理的工艺参数进行生产，确保工艺顺畅，降低生产成本，提高经济效益。
[1] 肖振民.世界红土型镍矿开发和高压酸浸技术应用[J]. 中国矿业,2002(1): 57-59.
[2] 全雄.氧化镍矿开发工艺技术现状及发展方向[J].云南冶金,2005(12): 34-35.
[3] 北京有色设计研究总院等编.重有色金属冶炼设计手册：铜镍卷,1996：694
[4] 小博尔德.镍提取业绩[M].北京:冶金工业出版社，1997:1-19.
[5] 魏寿昆.冶金过程热力学[M].上海:上海科学技术出版社,1980:19-25.
[6] 张家芸.冶金物理化学[M].北京:冶金工业出版社,2007.
[7] A. E. M. Warner, C. M. Diaz, A. D. Dalvi, P. J. Mackey, A. V. Tarasov. JOM World Nonferrous Smelter Survey, Part Ⅲ: Nickel: Laterite.
A Brief Description of Calcining and Pre-reduction Process for Laterite Nickel Kiln
LI Xing-jie
This paper mainly introduces the process of kiln calcining and pre-reducting, the kiln parameters of the laterite nickel ore smelters in world, the paper also analyses the process features, existing problems and improvement measures for the kiln.
kiln; calcining and pre-reduction; lateritic nickel
2015-01-12
李兴杰(1980—)，男，河北顺平人，硕士，工程师，从事有色冶金工程设计工作。
TF815； TF802.67
A
1008-5122(2015)02-0018-04
