镍铁精炼渣对电炉炉况的改善

＊师晓辉 林万明

（1.中色镍业有限公司 北京 100029 2.山西师范大学现代文理学院转设筹备处 山西 041000）

镍铁是不锈钢冶炼的主要镍原料来源，作为合金添加剂应用于200系列和300系列不锈钢的生产中[1]。2022年1月中国特钢企业协会不锈钢分会发布统计数据，2021年世界不锈钢粗钢产量为5830万吨，2021年中国不锈钢粗钢产量为3063.2万吨，占世界总产量的54.42%，同比增加49.3万吨，增长1.64%。

随着不锈钢产量的增加，镍铁需求量也不断增加。但镍矿资源紧张，目前全球镍矿储量9400万吨，其中硫化镍矿床约占36%。氧化镍矿（红土镍矿）床约占64%，由于硫化镍矿的储量资源受限，资源禀赋逐渐贫化，新增产能较少[2-3]。而红土镍矿资源储量丰富，是镍资源开发的重点，可提升不锈钢大规模生产的产能空间。

红土镍矿的冶炼主要分为湿法冶炼和火法冶炼两种工艺，不锈钢冶炼主要镍原料主要采用火法冶炼[4-5]。由于产业结构调整、淘汰落后产能及环保政策日益收紧，传统的高炉生产镍铁工艺逐渐被回转窑＋电炉（RKEF）工艺取代，回转窑＋电炉（RKEF）工艺利用含镍富铁的红土镍矿生产镍铁，具有流程短，能耗低的优势[6-8]。

面对红土镍矿资源的缺乏、原矿品位的下降以及精炼渣的不断堆积，中色镍业有限公司为了开发资源再利用，采用回转窑＋电炉＋精炼工艺，在原料中配入适量含镍精炼渣，进行生产实验，取得了较好的效果。

1.镍铁生产工艺及现状

中色镍业有限公司采用回转窑＋电炉的RKEF工艺生产镍铁，采用喷吹法进行精炼[9]，生产工艺如图1所示。

图1 镍铁生产工艺流程图

目前，生产过程中存在的主要问题：由于焙砂原料品位的下降，原料中Si/Mg高，Fe/Ni低，不利于低熔点炉渣的生成，导致电炉化料困难，渣温和铁温度持续居高不下，对炉体耐材浸蚀严重，影响了生产顺行，增加了冶炼电耗。焙砂的成分见表1。

表1 焙砂的成分

2.配加精炼渣生产

为了保证炉况顺行，降低渣温和铁温，2022年7月22日至7月31日期间进行生产实验，原料中加入3%精炼渣，混合配入回转窑，在回转窑焙烧2.5h，转出混合焙砂，加入矿热炉进行冶炼，根据铁温、渣温情况可及时进行操作调整。为了保证生产期间的安全，配加少量精炼渣（3%）进行实验，电压级采用4档，电阻为25～26mΩ。7月23日—24日，铁温和渣温都明显开始下降。为了判断精炼渣对渣温和铁温的影响，7月25日停止配加精炼渣，25日—26日铁温连续2天走高，重新又达到1568℃，验证了精炼渣对铁温下降是有效果的。为了充分说明加精炼渣对铁温下降有效果，7月27日10：00重新配加3%的精炼渣，铁温再次下降。配加精炼渣的对渣、铁温度的影响如图2所示。

图2 精炼渣对渣温和铁温的影响

图3为7月21日19:26至7月29日7:26（180小时）南侧拱角第3点的温度跟踪图。从图3中可以发现，7月22日22:00至7月25日早5:00，以3%比例配加精炼渣共137t，图中A处拱角173℃，加精炼渣后温度下降，停止加精炼渣后拱脚处温度又有所上升，7月25号当天拱角温度再次到173℃附近（图中B处），7月26号拱角温度升至174℃附近（图中C处）。7月27号10:00重新配加3%精炼渣，拱角温度随后下降。

图3 拱角温度跟踪图

图4是矿热电炉南侧拱角和北侧拱角各取2个最高温度点，每隔2小时检测一次，绘制的折线图。从图中可知，铁水温度确实下降，证明加精炼渣是可行的，对改善炉况有利好。7月29日后提升功率，有个大的波动，随后又平稳，目前已经达产。

图4 拱角温度变化图

3.分析与讨论

(1)渣铁温度

一般认为，镍铁水的温度大于镍铁熔点50℃即能保证铁水良好的流动性，温度过高，炉体容易发生跑漏，造成安全事故。镍铁熔点与成分有关，T熔=1538-∑ΔTjWj（ΔTj钢中某元素含量增加1%时使铁的熔点降低值，Wj钢中某元素质量分数，%），镍铁成分见表2。

表2 镍铁成分

T熔=1538-90[%C]-28[%P]-40[%S]-6.2[%Si]-2.6[%Cu]-1.7[%Mn]-2.9[%Ni]-5.1[%Al]-1.8[%Cr]-1.7[%Co]=1538-90×0.02-28×0.068-40×0.54-2.6×0.031-2.9×35.36-5.1×0.28-1.8×0.08-1.7×0.36≈1408℃。

生产中铁水温度为1566℃，过热158℃，温度严重偏高，进一步制约了再次提高功率。配加镍铁精炼渣的焙砂，在矿热电炉中冶炼，可提前造渣改善炉渣流动性，加速渣铁界面反应，改变铁水成分并降低铁水中有害元素含量，同时降低铁水温度，减小铁水过热度，改善炉况。

(2)精炼渣

为了去除铁水中杂质，采用喷吹＋升温技术结合的精炼新工艺，精炼渣主要是脱Si、脱P和脱S形成的炉渣。

脱Si反应：

氧化钙和二氧化硅反应生成硅酸钙CaSiO3，变成炉渣以此来降硅。冶炼过程中，熔剂CaO与SiO2的波动，还可能生成CaO·SiO2、3CaO·2SiO2、3CaO·SiO2和2CaO·SiO2等化合物。

脱P、S反应：

在脱P、S精炼过程中产生的炉渣成分主要是脱磷产物（4CaO·P2O5）脱硫产物（CaS），在扒渣过程不断从镍铁水中除去。

在精炼前期，主要是脱碳、脱硅、脱磷和脱硫，在精炼后期还需要加入硅铁和碳粉，对镍铁成分进行调整，所以精炼渣中会产生Al2O3、FeS、CaC2和SiC等成分。

除此之外精炼渣中还有大量的铁，在吹氧脱C、Si过程中，以FeO为主存在于炉渣中。

精炼渣成分比较复杂，主要包括有（2FeO·SiO2）、CaO·SiO2、3CaO·2SiO2、3CaO·SiO22CaO·SiO2、MgO·SiO2、（4CaO·P2O5）、CaS、FeS、FeO以及Fe3O4等化合物。精炼渣的主要成分见表3。

表3 精炼渣的成分（%）

精炼渣中FeO、Fe3O4无形中增加了Fe/Ni比，提高了导电性，同等条件下用电较多。精炼渣中铁氧化物以FeO为主，它能显著降低炉渣黏度，并和（SiO2）形成低熔点（2FeO·SiO2）随渣排出。精炼脱P渣（4CaO·P2O5）加到炉内，高温分解，（P2O5）中部分P再次还原到炉内，而分解的（CaO）和炉渣中（SiO2）形成低熔点的硅酸钙。

配加精炼渣的焙砂加入矿热电炉进行冶炼，由于焙砂中存在低熔点的精炼渣化合物，可快速形成流动性良好的炉渣，加速了渣铁之间的界面反应。配加精炼渣熔点相对降低，导致矿热炉中渣温变低，传导和辐射的热量减少，铁温也随之降低。

4.结论

以红土镍矿为原料，采用回转窑—电炉（RKEF）工艺—精炼工艺进行镍铁生产，针对原矿品位下降，原料中Si/Mg高，Fe/Ni低，不利于低熔点炉渣的生成，导致电炉化料困难，渣温和铁温度持续居高不下，对炉体耐材浸蚀严重。经过半个月的生产实验，在回转窑配料中加入3%精炼渣进行焙烧，混合焙砂加入矿热电炉进行镍铁冶炼，铁温和渣温明显下降，在同等操作模式下化料更快，改善了炉况，为以后再提升功率打下良好基础。而且开发了镍铁精炼渣固体废弃物的循环再利用，增加了镍资源的回收。