吉恩镍业转炉吹炼生产高冰镍生产实践

2020-01-07司俊起王传强

中国有色冶金 2019年6期

司俊起，赵云，王传强

(吉恩镍业股份有限公司生产技术部，吉林磐石 132311)

0 引言

转炉吹炼工序是冶炼厂生产高冰镍的最后一道工序，主要是通过向转炉添加低冰镍、熔剂，鼓风，放渣几个连续接替作业后进行筛炉，得到高冰镍产品。

转炉吹炼具体生产步骤：由沉降电炉产出的熔融状态的低冰镍液体通过冰镍包运至转炉(3～3.5包)开风吹炼；吹炼30～40 min，铁的硫化物充分氧化后，炉内温度达到1 200 ℃时，加入石英石造渣；等排渣后再加入新的低冰镍(冷料)，持续加低冰镍、加熔剂、鼓风、放渣几个连续接替的作业(反复进冷料/热料)，进行到溶体占炉内容积1/3时即炉内冰镍含Fe 8%～10%时就可筛炉；筛炉是吹炼的关键，在铁留的少(2%～4.5%)、渣放的净、石英石加的适当前提下，筛炉操作时间短，金属回收率高，产生的效益大。冶炼厂一个吹炼周期进6～7包低冰镍(约50～70 t低冰镍)，排6～9遍渣(约50～80 t渣)。随着吹炼过程的进行，冰镍中铁逐渐被氧化造渣，Fe含量从47%～50%降至2%～4.5%，同时镍含量由22%～30%富集为57%～65%。

吉恩镍业冶炼厂采用卧式转炉吹炼生产高冰镍有30多年的历史，有着丰富的生产经验，转炉各项指标控制都优于内控标准，产品合格率达到99%以上。

1 吹炼原理

冶炼厂吹炼采用卧式转炉火法冶炼，原理主要是利用炉内金属对硫和氧的结合力不同对镍进行富集，发生的主要化学反应见式(1)～(9)[1]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

低冰镍主要由FeS、 Cu2S和Ni3S2组成，三者之和约占低冰镍总量的97%[2]。当向转炉内熔融的低冰镍鼓入空气时，由于Ni和Cu对氧的亲和力不及Fe大，而且熔体中FeS占主体，所以FeS先被氧化，少量被氧化的Cu2S和Ni3S2在有FeS存在时又再被还原成硫化物。FeS氧化生成的氧化物与加入炉内石英熔剂可通过造渣除去，SO2进入烟气送去制硫酸，吹炼炉渣返回沉降电炉处理。转炉吹炼只除去Fe和部分S,而保留Ni和Cu继续以Cu2S和Ni3S2形态存在。筛炉后滞留在炉内Ni3S2(硫化镍)和Cu2S(硫化亚铜)的熔融物称为高冰镍，含镍57%以上，含铁2%～4.5%。在吹炼过程中，转炉内熔体Ni含量和Fe含量成强负线性相关，见图1。

图1 转炉熔体Ni含量和Fe含量线性关系图

2 吹炼工艺流程

吉恩镍业冶炼厂转炉吹炼生产高冰镍的工艺流程见图2。

图2 卧式转炉生产高冰镍工艺流程图

3 吹炼前准备工作

转炉吹炼之前需要作如下准备工作。

1)新砌筑炉体需要进行烤炉，烤炉使炉衬砌体内的水份蒸发，并继续升温以满足吹炼温度的要求。烤炉要点：缓慢升温；慢热均匀；温度逐步上升。

2)检查设备。检查传动设备运转、仪表显示、捅风眼机运转等是否正常，并清理风眼、糊好炉口。

4 吹炼过程

4.1 加料期

炉子准备好后，进3～3.5包低冰镍熔体(每包8～10 t)，开风吹炼，吹30～40 min，火焰由红转白，目视冰镍品位高低加入相应量的石英熔剂。吹60～70 min，火焰由白转蓝，判定炉内交互反应开始，待渣层浮起，造渣将近结束，放第一遍渣，然后加入1斗冷料、1包低冰镍熔体，并加入石英，继续开风吹炼。这样周而复始，每个生产班进料低冰镍6～7包，加冷料3～4斗，放渣6～9遍，吹炼5～7 h，产高冰镍15～18 t。

4.2 筛炉

筛炉是转炉吹炼的重要过程，是指吹炼结束前对炉内高冰镍质量做最后的判断，正确的判断可使高冰镍中铁含量达到工艺要求的范围。高冰镍按含铁量不同分为以下几等：含铁量2%～4.5%为合格品，在这个范围内一般判断取上限，这样可以尽量减少镍、钴由于过吹造成损失；含铁量高于4.5%为不合格品，不利于下游单位的生产；含铁量低于2%，则为过吹，高冰镍中镍、钴损失增大。所以说铁含量的判断是筛炉的重要依据和关键环节，也是影响高冰镍产量质量的关键要素。

筛炉期转炉停止进料，加入石英吹炼45～55 min，观其火焰由白转蓝，火花由大到小，由密到稀，并且有少部分火花在炉口上方飘动，这表明造渣接近完成，吹炼期近终点。取样凭肉眼进行判定，如果断面呈金黄色，颗粒大小程度不同，表面发亮呈银灰色，有较强的金属光泽，说明含铁在2%～4.5%之间；如果表面发黑，断面呈暗黄色，颗粒发细，倒入高冰镍模子内生成一种黑灰，说明含铁低于2%以下；如果表面发白呈淡灰色，皱纹很少，断面呈浅黄色，颗粒很大，说明含铁在5%以上，需继续吹炼[3]。

筛炉过程中易出现的问题及处理方法如下所述。

1)温度过低。温度过低时，炉口火焰呈暗红色，炉内熔体黏稠，炉口粘结严重，而且炉内渣镍不易分离，严重时石英被渣裹住，炉内熔体反应缓慢。温度过低主要由下列因素造成：进料前炉内温度较低；风压低；炉后工送风不及时导致风眼有粘结物，妨碍送风；石英加的过早或过多。出现上述问题时，应立即组织炉后工连续捅风眼，清除风眼黏结物，使风眼畅通，同时暂缓加冷料、石英，等进入一包低冰镍，造出一包渣后，恢复正常进料。

2)温度过高。温度过高时，炉口火焰白亮，炉衬明亮耀眼，砖缝明显，渣的流动性好。温度过高的主要原因：冷料加入过少且不及时；石英加入过晚或过少；风压过大。主要危害是侵蚀炉衬严重，影响转炉寿命，喷溅物过多，且金属回收率低。

3)髙冰镍过吹。过吹时，断面颗粒大，并呈灰白色，这时要缓慢向炉内加入低冰镍进行还原操作，适当吹炼，等质量合格后出炉。

4)渣过吹。冰镍造渣吹炼到终点(高冰镍中残留的FeS含量约为1.0%～2.0%)时，未及时放渣，会造成大量的磁性氧化铁生成，并且渣层温度降低，渣发黏，流动性变差，倒入渣包易粘结，渣壳较厚[4]。渣过吹原因主要是放渣不及时而造成的渣过氧化，使得渣温降低，黏度增大，熔体内的气体不能畅快的排出炉口，最后引起喷炉事故。处理方法：追加适量的热冰镍(一般要一包冰镍)，稍吹炼一段时间，待转炉炉温上来后即停风放渣，把前面造好的渣放出炉体后，再加适量的石英，继续吹炼造渣。

5)石英加入过多、过早。造渣期石英加入过多，会使渣性恶化，渣黏度增大，且易在渣表层形成一层絮状物(游离态石英)，致使气体不易排出，造成喷炉事故。处理方法：加入热冰镍继续吹炼，改变渣型，造出良性渣。

5 吹炼原料、产品及指标

吉恩镍业转炉吹炼生产高冰镍原料(低冰镍)、产品及生成的转炉渣的成分分别见表1、表2、表3。

表1 原料(低冰镍)成分 %

表2 产品(高冰镍)成分 %

表3 生成的转炉渣成分 %

生产工艺参数：鼓风压力50～120 MPa，鼓风量12 800 Nm3/h，送风时率75%～80%，吹炼时间5～7 h，镍回收率98.5%，吹炼温度1 200～1 400 ℃。

6 转炉吹炼事故及操作技术

转炉吹炼过程中会出现各种意外事故，笔者对不同事故的应对及操作作了总结，如下所述。

1)停电停水。工业电停电造成停风时，如果自动控制系统失灵，应立即启动备用直流电机，转动炉子，让风眼露出液面，防止风眼被熔体灌死。突然停水时，应立即将炉子转动到停吹位置，待正常后再开风吹炼。

2)恶性喷炉。恶性喷炉预兆出现后，应立即拉开炉后挡板，转动炉体，使炉口朝前，同时减少鼓风，转至停吹位置后加入木柴还原，现象消除后放渣，加入一定量的低冰镍开风吹炼。

3)铁渣引起的喷炉。事故原因：在造渣时投入的石英熔剂量不足，致使部分FeO无法与SiO2造渣，使其继续氧化成Fe3O4，生成磁铁渣；这种渣比重大、黏度高、且流动性差，使鼓入炉内的气体不易穿透熔体表面渣层，鼓入的气体在熔体内越来越多，当气压大大超过上层熔体的静压时，就会引起喷炉事故。处理方法：增加半包或者1包热冰镍，且加入足够量的石英熔剂，继续进行吹炼作业，使磁铁还原造渣。

4)渣过吹引起的喷炉。事故原因：放渣不及时造成渣过氧化，使得渣温降低，黏度增大，熔体内的气体不能畅快的排出炉口，最后引起喷炉事故。处理方法：追加适量的热冰镍(一般要1包冰镍)后，稍吹炼一段时间，待转炉炉温上来后即停风放渣，把前面造好的渣放出炉体后，再加适量的石英，继续吹炼造渣。

5)造渣期石英过量引起的喷炉。事故原因：造渣期石英加入过多，会使渣性恶化，渣黏度增大，且易在渣表层形成一层絮状物(游离态石英)，致使气体不易排出，造成喷炉事故。处理方法：加入适量的热冰镍，继续吹炼，改变渣型，造出良性渣。

6)加料过多引起的喷炉。事故原因：造渣期，冷料一次性投入过多，引起熔体表面温度偏低，熔体黏度大，送风阻力大，往往夹带着熔体呈团块状喷出炉口。处理方法：及时修正冷料加入量，适当降低送风量，加大用氧量，调整炉子的送风角度，以尽快促使熔体温度回升，待正常后可恢复以前的作业状况。

7)炉内熔体过冷。事故原因：因停电或设备故障等原因，造成转炉进料后无法起吹或续吹，使熔体停留在进料位置60°处，若保温不当且时间超过6 h后，会使熔体表面冻结成厚壳；向熔体内直投冷料过多，热量收支失衡，造成炉内熔体冻结或局部凝结成团，无法倾出炉口。熔体过冷现象：主要表现为炉膛发暗红或黑色，熔体后盖打不开，用炉口清理机打一个洞，渗出的液体呈暗红色，黏稠且很快凝结；送风吹炼时，不见熔体的喷溅物和浓烟出现，越吹越凉。处理方法：在液面角允许的范围内最大限度地追加热冰镍，并立即送风吹炼，增加富氧率，推迟加入石英熔剂的时间，修正冷料的加入量，必要时可以不加冷料吹炼，以确保炉内反应正常。