72000kVA矿热电炉冶炼镍铁生产工艺详解
镍作为冶炼不锈钢的主要合金化元素，可以改变不锈钢的组织结构，从而改善不锈钢的耐腐蚀性、塑性、韧性及焊接性能。但随着不锈钢产量的增大，镍供应量日趋紧张，导致镍的价格持续上涨，迫切需要寻求镍替代。镍铁可以取代镍，缓解镍供应的紧张，降低不锈钢的生产成。
地壳中的镍资源主要为硫化镍矿和红土镍，其中红土镍矿资源占72%，镍平均品位(镍的质量分数)可以达到1.28%，主要分布在南、北回归线一带。中国镍资源总体不足，主要分布在甘肃、云南、新疆、吉林、四川和湖北等地，除了金川以外，多为小型贫矿。
中国目前发现的镍矿资源非常有限，很难满足国内不锈锕陕速生产的需要，因此研究利用国外资源十分必要。中国有色集团和太原钢铁集团有限公司在海外共同投资的年产8.5万t缅甸达贡山镍矿项目，是目前国内企业在海外开发的最大红土镍矿工程。
红土镍矿生产镍铁的方法有湿法冶金和火法冶金，但工艺比较成熟的规模化生产仍以火法冶金为主。主要的镍铁生产工艺为高炉冶炼和电炉冶炼，但高炉冶炼污染严重、能耗较耐，国家已于2007年明令禁止高炉生产低品位镍铁。而回转窑-电炉工艺(RKEF法)由于工艺简单、生产率高、质量优良等优点逐渐取代了传统的镍铁生产工艺，成为目前生产镍铁的主要方法。
以下是根据生产现状对达贡山红土镍矿72000KVA矿热电炉冶炼镍铁的生产工艺进行的详细探讨。
回转窑-电炉(RKEF)工艺对红土镍矿的要求有三点：一是ω(Ni)大于1.5%，二是m(Fe)/m(Ni)要在6~10之间，如果此值过大，则难以控制回转窑中铁氧化物的还原度，造成镍铁的含镍量降低;三是m(MgO)/m(SiO2)要在0.55~0.65之间，有利于低熔点炉渣的生成。
中色镍业(缅甸)有限公司所用的红土镍矿属于硅镁型镍矿，含镍品位较高，同时含有较高的镁和硅。矿石平均成分中铁镍比在7.04，二氧化硅和氧化镁比=2.24，主要成分见表1.
表1 红土镍矿主要成分含量
煤作为燃料和还原剂用，其中用于干燥窑和回转窑的煤需要制成煤粉，而且要求煤的含硫量低。煤成分见表2.
表2煤成分工业分析
该公司采用回转窑-电炉熔炼RKEF工艺生产镍铁，并采用喷吹法进行精炼。此工艺属于火法冶炼，是目前处理红土镍矿的主要工艺流程，技术可靠、工艺成熟。具体的镍铁生产工艺流程如图1所示。
此工艺主要包括以下几个工艺：回转窑干燥和焙烧还原、矿热电炉熔炼、喷吹精炼和粒化包装。在熔炼前首先将红土镍矿原料和煤粉加入回转窑进行脱水干燥和预还原，干燥和预还原分别在两架回转窑中进行，通过干燥可以去除原矿中的大量附着水和结晶水，预还原过程中除了进一步脱除结晶水外，可以在高温下将部分镍、铁氧化物进行预还原，一般将炉料出窑温度控制在650~900℃。高温的预还原炉料直接通过高位料仓被加入矿热电炉进行冶炼得到粗制镍铁采用喷吹法进一步进行精炼，去除多余的杂质，控制成分和温度，粒化后得到精制镍铁。
图1 镍铁生产工艺流程图
2.1
红土镍矿中水分(包括吸附水和结晶水)含量(水的质量分数)较高，可达到30%～35%，直接将原矿加入矿热炉中进行冶炼，不仅能量消耗大，而且会导致炉内出现塌料，造成爆炸事故，影响生产顺行。首先对原矿进行干燥，脱除部分自由水，这样可以减轻焙烧还原任务，提高焙烧的还原效率。本厂采用两台5.0m×40m的回转窑干燥，用煤粉作燃料，可以将炉料中的含水量(水的质量分数)干燥至20%～22%。
2.2
焙烧还原采用两台5.5m×115m回转窑，将干燥后的炉料和还原煤粉通过胶带运输机加入回转窑中，该公司收集回收的烟尘通过制粒也可以同时加入。为了提高焙烧过程中的还原效率和燃烧效率，该公司采用中间加煤系统技术，直接将还原煤粉加入到回转窑的高温区。通过在回转窑中进行选择性的焙烧预还原，使镍、铁氧化物得到部分还原，可大大降低矿热电炉中的冶炼任务，提高了电炉的生产率。产出的高温(775℃)焙砂通过高位料仓直接加入矿热电炉，可以提供热量，降低冶炼能耗。
焙烧还原温度一般控制在780~830℃之间，在还原性气氛的回转窑中可将镍、铁等氧化物还原成金属或低价氧化物。炉内的主要化学反应有：
C+CO2=2C0，NiO+CO=Ni+CO2，NiO+C=Ni+CO。
2.3
采用两台72000kVA长方形交流矿热电炉进行遮弧熔炼，六根直径为1400mm的自焙电极直线型排列，渣线面积达到288m2，大大提高了矿热电炉的冶炼强度和热利用效率，提高了生产率，降低了吨铁电耗。该电炉是中国恩菲工程技术有限公司目前设计的功率最大、炉体尺寸最大、电极直径最大的电炉。其中一台已于2012年8月13日点火，同年10月3日成功放出镍铁，另一台也于2013年6月点火开炉。
电炉主要操作参数见表3。电炉操作采用高电压、低电流模式，侧墙渣线部分采用铜水套冷却，以提高电炉寿命。
表3电炉主要操作参数
红土镍矿中除了有价元素镍、铁的氧化物之外，还有MgO、SiO：、CaO、CaO、Al2O3、Cr2O3等多种氧化物，各种氧化物在电炉中的还原顺序及还原量可通过操作予以控制。在1300～1400℃的熔炼温度条件下，根据几种主要氧化物与氧结合能力的大小，通过选择性还原可使红土镍矿中的镍氧化物优先还原。通过控制炉内还原剂焦粉的加入量，可使铁的氧化物部分还原为金属，未完全还原的FeO与脉石进入炉渣，以调整炉渣的流动性。
焙烧预还原后的高温焙砂在电炉内熔化反应后形成金属液和炉渣，金属液中含有硫磷等杂质，为粗制镍铁，不能直接用作不锈钢的原料，需要后续进一步精炼。粗镍铁直接放人铁水包，出铁温度为1460℃。炉渣通过排渣孔定期排出，通过溜槽流入因巴渣处理系统，经水淬后运往渣场，放渣温度为1560℃。
RKEF工厂中产生大量含有较高镍量的烟尘，将烟尘制粒后返回回转窑。烟尘和干矿混合采用圆盘制粒机制粒，增加了烟尘粒料的强度，减少粒料在回转窑中的破碎和再生成烟尘。
2.4
粗镍铁中含有S、P、Si等有害元素，需要精炼后才能作为不锈钢的原料。该公司采用镍铁精炼新工艺对粗镍铁金属液进行喷吹和升温。根据粗镍铁的成分，在一个操作位进行喷吹粉剂、喷气升温，扒渣等操作，有选择地进行脱硫、脱硅、脱碳、脱磷等工序。精炼周期为130min左右，精炼后的镍铁产品符合ISO6501-1988。精炼后镍铁成分见表4，镍铁品位可达25.49%。该技术的应用降低了项目投资，提高 了生产效率，能够为不象锈钢生产提供合格的镍铁原料。
表4 镍铁成分及其含量
本文中采用回转窑-电炉熔炼工艺 (RKEF)生产镍铁。主要工艺包括：干燥、焙烧、预还原、电炉熔炼和精炼。采用两台72000KVA长方形交流电炉进行熔炼，六根直径为1400mm的自焙电极直线型排列，渣线面积达到288平方，电炉操作采用高电压、低电流模式，侧墙渣线部分采用铜水套冷却，提高电炉寿命。 为了得到满足不锈钢生产所需的合格镍铁原料，有选择地进行脱硫、脱硅、脱碳和脱磷，采用镍铁精炼新工艺对粗镍铁金属液进行喷吹和升温 。