25500kva大型镍铁矿热炉工程论证报告.docx

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25500kva大型镍铁矿热炉工程论证报告

XX鼎信实业有限公司

25500kV·A大型镍铁矿热炉关键技术工程化可行性研究

四　川　大　学

二○一○年二月

XX成都

XX鼎信实业有限公司

25500kV·A大型镍铁矿热炉关键技术工程化可行性研究

1总论

1.1项目背景

青山控股集团有限公司是青山钢铁董事局麾下一家主要从事不锈钢及相关产品生产和销售的全国无区域企业，它起步于二十世纪八十年代，发展于九十年代。

集团公司注册资本三亿二千万元人民币，现企业总资产人民币46亿元，员工4000余人。

2009年，企业年产量达83万多t，总产值达到121亿元，利税达10亿元，在国内不锈钢行业处于领先地位。

集团公司现下辖XX青山钢铁有限公司、XX瑞浦机械有限公司、XX鼎信实业有限公司、XX青山金汇不锈钢产业有限公司、XX青浦合金材料有限公司、清远市青山不锈钢有限公司、松阳青山不锈钢有限公司等10余家直属企业。

生产基地跨越XX、XX、XX、XX、XX等地；并在XX、XX等地有多家合资或合作的与不锈钢生产有关联的企业。

集团公司在国内外建有完善的营销网络，在温州、XX、无锡、XX设有直属销售公司，销售渠道遍布全国并跻身东南亚、欧美等国际市场。

主要产品有不锈钢连铸、棒线材、板带钢、型钢、镍铁等，产品广泛应用于石油、化工、机械、电力、汽车、造船、航空航天、食品、制药和装潢等领域。

企业技术装备精良、工艺流程先进、质量控制手段完善。

先后通过国内外一系列质量体系认证，拥有当前国际、国内领先水平的炼钢、连铸、连轧、穿孔等设备，并建有技术先进的研发中心和设施完善的产品测试中心，在2008年获得中国合格评定国家认可委员会（CNAS）实验室认可证书。

此外，企业还拥有国外进口的大吨位冶炼设施、全自动冶炼控制系统、装备先进的大方圆坯连铸机及国内同行领先的特钢棒线材连轧生产线等。

集团连续数年荣膺中国民营企业500强、中国制造业500强、中国黑色冶金及压延加工业500强、XX省百强企业、XX省制造业百强、XX省百强民营企业；并被评选为2008年中国民营科技企业500强、思源工程先进单位、“139富民攻坚计划”先进集体；企业注册并使用的“青特”商标被认定为XX省著名商标；公司还是中国金属协会不锈钢分会副会长单位和中华全国工商业联合会冶金业商会副会长单位；企业还先后荣获中国建设银行总行AAA级信用等级客户、中国农业银行XX省分行AAA级资信企业、中国质量信用AAA级企业、XX省对外贸易守信合作单位等荣誉称号。

企业始终秉承“透明、公平、公正”的经营理念，倡导“以人为本、以法治厂、以质兴企、以新兴业”的管理模式，青山控股集团以“咬定青山不放松，无限风光在险峰”的团队协作精神，不断提升核心竞争力，致力于打造中国不锈钢品牌，以期为振兴民族不锈钢产业做出应有的贡献。

近年来，青山控股集团公司在全球范围内寻找资源，开发不锈钢上游原材料，最终选定印尼PTAntam公司为其红土矿资源合作伙伴。

青山控股集团公司与PTAntam公司将合资在印尼开采红土矿，并建设利用红土矿生产镍铁及不锈钢的工厂。

红土矿采用回转窑-电炉工艺炼镍铁在国外是成熟技术，但在国内还没有一家生产工厂；更别说生产镍铁和不锈钢的联合工厂。

为降低海外投资风险，青山控股集团公司决定先在国内投资建设，最终选定在福安湾坞建设本镍铁项目。

建设后将年产60万t/a不锈钢板坯。

该项目采用回转窑干燥焙烧、预还原，得到800～900℃高温预还原焙砂，把铬矿与高温焙砂热装，在大型镍铁矿热炉内，冶炼成含镍铬的不锈钢半成品，液态不锈钢半成品再热装进AOD炉精炼，经连铸成不锈钢坯。

该项目利用境外矿产资源，大力发展民族经济。

其工艺流程紧凑，是冶金工业节能减排的短流程工艺的典型范例，在国内外均处于领先水平。

项目一期工程正处于施工建设阶段，配套的两台33000kV·A国内最大的大型镍铁矿热炉，炉型为矩形炉（长16m×宽8m）。

二期工程配套两台25500kV·A大型镍铁矿热炉，炉型为圆形（Φ16600×6100）。

1.2主要研究依据

（1）青山控股集团有限公司与XX大学签定的研究合同。

（2）青山控股集团有限公司提交相关工程技术资料。

（3）XX大学已撑握的矿热炉工程关键技术资料。

1.3主要研究内容

（1）甲方筹建的25500kV·A大型镍铁矿热炉工程国内外技术现状调研分析。

（2）大型镍铁矿热炉节能型变压器及一、二次侧电压等技术参数的选择及生产厂家考察比选。

（3）大型镍铁矿热炉电极直径、极心圆直径、炉膛直径、炉膛深度、炉壳内径与高度等工艺技术参数比选。

（4）大型镍铁矿热炉把持器关键技术选择。

（5）大型镍铁矿热炉炉体长寿关键技术选择。

（6）大型镍铁矿热炉配料、物料平衡、能量平衡、冶炼电耗等分析计算与预测。

1.4主要研究结论要点

（1）由于25500kV·A镍铁矿热炉，在国内属于最大的利用红土矿生产镍铁的矿热炉；由于国内红土矿资源稀少，对镍铁矿热炉相关研究很少，可供参考借鉴的大型镍铁矿热炉工程数据较少。

本工程关键技术方案，如矿热炉二次侧电压、电极直径与材质、极心圆直径、炉膛直径与深度、炉壳内直与高度、电极把持器形式、炉体内衬结构与耐火材料选取等均存在一定的技术和工程上的风险。

（2）本工程项目建成后，采用红土矿进厂，不锈钢坯出厂，全程热装热送的工艺流程。

生产环节少，流程极短，可有效降低冶炼镍铁的冶炼电耗，以期达到节能减排，节约生产成本的目的。

工艺流程在国内外尚属首次采用，具有先进实用的特点。

（3）二期工程配套两台25500kV·A大型镍铁矿热炉，炉型为三相三电极圆形炉（Φ16600×6100）。

矿热炉变压器由三台8500kV·A单相壳式变压器组合而成，满足长期超载30%。

冶炼镍铁时，二次侧采用Dd0连接，矿热炉二次电压范围：

400～520～690V，全部电压要求恒功率输出。

考虑到以后可能转炼高碳铬铁，将二次侧采用Yd11连接，二次电压范围：

231～399V。

电压级数共60级，采用有载电动调压。

一次电压：

35kV，50Hz。

（4）25500kV·A大型镍铁矿热炉投产初期的1～2年内，电极把持器采用压力环把持器，电极为Φ960石墨电极。

待所有生产设备调试运行正常，同时生产操作人员对设备都能控制自如时，从节约生产成本出发，并根据一期工程33000kV·A投产情况，决定是否将压力环把持器更换为组合把持器，电极改为直径Φ1200自焙电极。

（5）通过对比国内外相似的冶炼红土矿或铜镍精矿的大型矿热炉进行比较，最终确定本工程项目25500kV·A大型镍铁矿热炉工艺技术参数为：

石墨电极直径960mm、极心圆直径4200±100mm、超负荷30%时炉底功率密度188kV·A/m2、炉壳内径16600mm、炉壳高度6100mm、炉膛内径15000mm、炉膛深度3500mm。

（6）通过综合比较，电炉变压器建议选用节能型壳式变压器，因其具有明显的优势，例如机械强度高，抗短路能力强；冷却效果好，过载能力强；噪音小，损耗低；结构紧凑，体积小、重量轻，便于运输安装等。

（7）长寿矿热炉不仅直接减少昂贵的大中修费用，而且可以避免由于停产所引起的巨大经济损失。

为了尽可能地延长本工程项目25500kV·A大型镍铁矿热炉使用寿命，对矿热炉的炉底及炉墙采用了大型高炉炉底炉缸耐火材料内衬的砌筑方案。

炉底的耐火材料内衬采用工作层和导热性永久层型式的内衬。

炉底下部的永久层由高度为261mm的高铝质浇注料、高度为121mm的碳化硅质自流浇注料和高度300mm的石墨碳砖与高度600mm的镁碳砖构成。

石墨碳砖与炉底钢板之间设置有冷拔无缝钢管、工字钢组成的炉底冷却装置。

炉底上部的工作层由一层高度为600mm的镁铝砖、一层高度为800mm的镁铬砖构成。

炉底的石墨碳砖采用1500mm×400mm×300mm的大块碳砖砌筑，其余层均采用具有双向错台外形特征的特异型大块砖砌筑，以获得持续的稳定、密封效果。

炉墙仍然采用永久层和工作层的砌体结构方式。

侧壁中下部的反应区、熔池区的工作层由具有凹凸镶嵌形状的镁铬大块制品构成，侧壁上部砌筑标普型镁砖。

工作层镁铬砖与立式冷却水套（冷却壁）之间，顶紧冷却水套砌筑小块微孔碳砖。

小块微孔碳砖与镁铬砖设60mm宽度的填料缝，缝中填充高性能碳素捣打料。

综上得出：

炉底厚度为2600mm，炉墙厚度800mm；则炉壳内径16600mm、炉壳高度6100mm。

（8）物料需求与煤气发生量

全部使用拉兹红土矿（红土矿A）冶炼1t镍铁需4.99t红土矿A焙砂，5.28t红土矿A干矿，6.35t红土矿A湿矿；焦炭176.15kg；石灰479.04kg。

矿热炉每小时产生的炉气量为1445.24Nm3/h。

（9）冶炼电耗估算

全部使用ZHEHAAIS21红土矿（红土矿B）冶炼1t镍铁需6.52t红土矿B焙砂，6.80t红土矿B干矿，8.20t红土矿B湿矿；焦炭172.78kg。

矿热炉每小时产生的炉气量为1398.80Nm3/h。

全部使用拉兹红土矿（红土矿A）进行冶炼，冶炼1t镍铁所需红土矿A焙砂冷料为4.99t，此时冶炼1t镍铁的理论冶炼电耗为3558.37kW·ht镍铁。

若采用热装法冶炼镍铁时，冶炼1t镍铁理论上节约电能1122.24kW·ht镍铁。

故用热装法冶炼镍铁，红土矿预还原焙砂温度达850℃以上，其冶炼理论电耗2436.13kW·h/t镍铁。

2国内外镍铁矿热炉技术现状

2.1国内外铜镍精矿矿热炉技术现状

目前，国内外采用矿热炉熔炼硫化铜镍精矿的冶炼厂主要有中国的金川、磐石、XX镍业公司、XX冶炼厂、前苏联的北镍、贝辰加、诺里斯克，加拿大的汤普森、鹰桥、南非的瓦特瓦尔、恩施皮雷森、杰兹卡兹干、皮尔多普等厂。

一般来说，加拿大、南非等国家的矿热炉机械化、自动化程度均较高，前苏联次之，我国基本上是停滞不前。

主要是因为1980年以后我国有色冶金重点放在发展闪速炉冶炼技术，关于矿热炉技术的工程化研究，文献报道不多，可资利用的工程数据及设计资料十分有限。

我国用大型矿热电炉熔炼铜镍精矿已经40年多的历史了。

先后建成六台大型矿热电炉，总容量达108500kV·A，在我国的铜镍生产中发挥了重要的作用，创造了可观的经济效益。

曾经的XX冶炼厂先后建设两台30000kV·A电炉是当时我国建设的第一台大型炼铜矿热电炉，熔炼制粒焙烧铜精矿。

该电炉1960年7月投产，当时是根据原苏联五十年代的技术设计建造，炉用变压器由3台10000kV·A单相变压器组成，总容量为30000kV·A，电极直径Φ1200mm，炉型为六电极矩形炉。

电极采用卷扬机升降，用钢带吊挂人工下放，导电系统用软电缆，电极孔基本没有采用密封。

投产时花了四个月的时间才使炉况基本稳定下来，初期生产很不正常，前三年的每吨炉料电耗指标均在850kW·h/t以上。

1968年投产的金川16500kV·A熔炼镍精矿焙砂的1号矿热电炉，也是六电极矩形电炉，采用3台5500kV·A单相变压器供电，炉料经皮带运输机、箕斗、圆盘给料机、上料刮板运输机送入料仓，炉料进入矿热电炉进行冶炼。

炉体和云冶电炉基本相同，电极则是采用液压结构。

投产虽较顺利，但初期生产也不稳定，多次发生漏炉、断电极、漏油着火等重大事故，前三年的每吨焙砂电耗也都在850kW·h/t以上，此期间的最高供电功率为7000kV·A左右，日处理能力不过280t物料。

云冶和金川经过长期生产实践，已逐步掌握了电炉熔炼技术，并对电炉进行了多方面的改造，使电炉生产能力大大提高，基本杜绝了重大事故的发生，单位电耗显著下降。

当时云冶电炉电耗已下降到400kW·h/t料以下，金川电炉电耗曾也降到了670kW·h/t焙砂。

二十世纪七十年代建设的磐石镍矿熔炼镍精矿干燥球团的12500kV·A的矿热电炉，由一台三相变压器供电，为三电极矩形电炉。

该电炉吸取云冶、金川的经验，革新了炉体结构，虽然电极也用卷扬升降，但改为直流电动机传动，而且用可控硅自动控制；另外用软铜带导电系统代替了原来的软电缆导电系统，设计了防磁的电极孔密封装置。

该电炉1979年已顺利投产，未发生任何事故，生产稳定，一开始就取得了电耗670kW·h/t干料的指标。

可以看出，我国铜镍矿热电炉冶炼技术从二十世纪八十年来已有了很大的发展，备料、操作、设备、电气等方面都取得了不少进步。

但目前基本上仍处于这一时期的装备水平，主要是因为闪速炉冶炼技术的发展，使得矿热炉技术几经边缘化，近二十年来几乎没有任何重大的改进。

如云铜公司1992年引进投产了艾萨炉炼铜技术，矿热炉只是作为艾萨炉停产时的备用生产设备。

金川集团公司也引进了闪速炉冶炼冰镍，随后矿热炉就基本停产，近年来为了实现做大做强的目标，才又重开矿热炉，用以冶炼铜精矿。

国内目前各厂基本上均系人工凭经验配料与加料。

只有磐石镍矿曾在1981年，为改善电炉技术经济指标和加料操作条件，取消手动闸板阀，采用了自行开发的炼镍矿热炉电振自动密封加料方法，效果较好。

它是由电磁振动给料机、下料管处设置的活动弧形密封板和控制箱盘、控制线路元件组成，分别安装在电极之间的炉顶两侧。

左右分别各设计一组，有单独的控制盘和控制箱及操作室。

表2-1为国内大型矿热炉主要结构参数及技术经济指标，表2-2为国外大型矿热炉主要结构参数及技术经济指标。

表2-1国内大型矿热炉主要结构参数及技术经济指标

名称

XX冶炼厂

1号炉

XX冶炼厂

2号炉

金川集团

处理物料

铜镍矿

铜镍精矿

处理炉料量/t·d-1

1400

1200

530

炉子内部尺寸：

长×宽×高

24×6.65×5

22.3×5.8×4.5

21.5×5.5×4.0

炉底面积/

159.6

129

118

电极中心距或

分布圆直径/m

3.3

3.2

3.0

电极直径/m

1.2

1.1

电极数量/根

电炉的额定

容量/kV·A

30000（10000×3）

16500（5500×3）

变压器二次侧

电压/V

320～696

310～700

173～275

变压器二次侧

最大电流/A

30000

38100

20000

炉底单位面积

功率/kV·A·m2

188

232

125

熔池深度/m

1.9～2.0

2.0～2.1

锍层厚度/m

600～800

550～800

锍放出口数量

锍放出口距炉底

高度/mm

410、485

100、370、500

100、400、400

放渣口数量

渣放出口距炉底

高度/mm

1365、1440

1368、1277

电极电流密度A·cm-2

2.7

3.4

2.55

单位能耗/kW·h·t-1

420～440

400

600～620

电极糊单耗/kg·t-1

3～4

4～5

4～6

每日电极压放

长度/mm·d-1

200～300

150～200

电极插入深度/mm

400～500

400～700

表2-2国外大型矿热炉主要结构参数及技术经济指标

名称

北镍公司

彼阡克

诺林公司

汤姆逊

瓦特范尔

今贾

恩施皮雷森

处理物料

铜镍矿

铜镍精矿

铜精矿

炉子内部尺寸

长×宽×高或直径

11.2×5.2×4.0

20.5×5.5×3.9

22.7×5.5×5.1

23.2×6.0×5.1

27.4×6.71×3.96

26.0×7.0×4.5

14.1×6.5×3.0

35.66×10.67

炉底面积/

113

126

139

184

182

380

分布圆直径/m

3.0

3.2

3.76

3.4

3.0

电极直径/m

1.2

1.1

1.2

1.22

1.25

1.05

1.8

电极数量/根

电炉的额定容量/kV·A

30000（30000×1）

31500（10500×3）

50000（16667×3）

45000（15000×3）

18000（6000×3）

19500（6500×3）

5500（5500×1）

51000（17000×3）

变压器二次侧电压/V

390～500

314～683

475～800

266～743

160～300

170～350

120～210

150～500

变压器二次侧

最大电流/A

31500

15400

25830

24920

32500

炉底单位面积功率/kV·A·m-2

517

281

396

324

107

134

熔池深度/mm

2500

2300

2700

2500～2700

1118～1219

2300

锍层厚度/m

600～800

600～900

600～750

760

锍放出口数量

放渣口数量

放渣口距炉底高度/mm

1500

1750

1450

1525

1560

965

电极电流密度A·cm-2

2.78

1.64

2.7

2.2

2.65

吨料单位能耗/kW·h·t-1

780～815

710

740

525～625

400～430

689

460

吨料电极糊单耗/kg·t-1

2.9

4.1

2.8～3.4

1.75～1.9

2.7

2.46

吨料烟气量/m3·t-1

1800

1700～1900

1200～1400

吨料耗水量/m3·t-1

4.44

每日电极压放长度/mm·d-1

400～500

450～500

450

130

2.2国外氧化镍矿（红土矿）生产镍铁的矿热炉技术现状

国外先后采用矿热炉熔炼氧化镍矿（红土矿）的冶炼厂主要有法国镍公司新喀里多尼亚多尼安博（Donniambo）冶炼厂、日本太平洋金属公司八户（Hachinohe）冶炼厂、日本住友金属矿业公司日向冶炼厂、印度尼西亚阿尼卡·坦姆邦（AnekaTambang）公司波马拉厂、印度尼西亚国际镍公司梭罗阿科（Sorowako）厂、多米尼加鹰桥镍公司圣多明各厂、哥伦比亚塞罗·马托莎（Cerro·Matoso）公司蒙特利巴诺（Montelibano）厂、希腊拉瑞姆纳（Larymna）公司、美国汉纳（Hanna）矿业公司、乌克兰PFK公司、马其顿FENI公司、委内瑞拉LomadeNiguel公司、巴西Codemin公司等等。

上述这些冶炼厂冶炼红土矿生产镍铁合金，大都是采用RKEF工艺流程，即回转窑-电炉法，又称Elkem法。

虽然都是采用RKEF工艺，但每个冶炼厂的具体工艺制度都不尽相同，比如红土矿脱水的温度，是否在回转窑中进行预还原等。

（1）法国镍公司新喀里多尼亚多尼安博冶炼厂

法国镍公司新喀里多尼亚多尼安博冶炼厂于1958年建立Elkem法。

先后建设10500kV·A电炉八台，33000kV·A电炉三台。

该法借助于新喀里多尼亚矿石的高镍（Ni2.5%）、低铁（Fe10～15%）与MgO/SiO2比值适度（0.6～0.7），不需加熔剂，即可产出含Ni20%的镍铁，而且矿石中的铁60～70%被还原，30～40%进入渣中，渣含镍仅0.1%左右，所以镍的回收率相当高。

由于采用覆盖式熔池，低电极插入，炉顶温度低，电耗仅550～600kW·h/t干矿。

电炉的入炉矿石块度为20mm，经回转窑850℃煅烧后，进入电炉，同时加入约4%的焦炭，在电炉中镍、铁还原后，得到粗镍铁合金，再经精炼后得到镍铁产品。

10500kV·A的电炉，直径11m，设计日处理矿石量500t。

熔炼1t干矿电耗为550kW·h。

三电极埋弧操作，常用二次电压为150V。

电极插入深度根据炉渣电导自动控制。

（2）哥伦比亚塞罗·马托莎公司蒙特利巴诺厂

哥伦比亚塞罗·马托莎公司蒙特利巴诺厂电炉为51000kV·A圆形电炉，炉膛内径为21000mm，炉壳有特殊冷却装置以保护炉墙。

炉顶用吊顶。

满负荷运行时二次电压为490V～1090V，电极直径为Φ1800自焙电极。

（3）日本住友金属矿业公司日向冶炼厂

日本住友金属矿业公司日向冶炼厂建于1956年9月，1968年后进行改造，采用回转窑-电炉流程，建成4座回转窑和4台电炉，其中25000kV·A电炉两台，14000kV·A电炉两台。

年产镍铁12500t。

该厂总结出熔炼过程中几点经验：

1镍铁的RKEF工艺中，电能消耗占成本的65%左右；

2采用高功率负荷操作；

3采用焙砂温度：

850～900℃；

4采用覆盖熔池式操作；

5采用较高的二次电压；

6适当的炉渣碱度：

MgO/SiO2=0.68～0.70；

7适当控制金属的还原：

镍还原近100%，铁60%进入金属中；

8焙砂的运送系统包括：

计量包、运输罐、炉顶料包、落料漏斗等均加保温衬里，并实行自动化操作，可减少热辐射损失4186MJ/h。

、

（4）印度尼西亚国际镍公司梭罗阿科厂

国际镍公司于1974～1978年建立起45000kV·A圆形电炉三台，年产含镍35000t的镍锍工厂与相应的红土矿基地。

最初开采西部矿石镍品位高达2.4%，但酸性过大（SiO2/MgO=2.4）；后与含Ni1.8%、SiO2/MgO=1.6的较碱性的东部矿石配合，得到含Ni2.0%、SiO2/MgO=1.9的混合矿，镍回收率90%。

采用三台45000kV·A电炉、Φ18m圆形电炉处理预还原后的红土矿。

采用大直径Φ2000mm，低单位面积功率的原因是为了尽量保护炉墙不受腐蚀。

但是投产后，炉墙仍发生严重腐蚀，其原因为：

①矿石的SiO2/MgO为2.2～2.4，相对镁砖来讲，酸度过大；②渣的液相线温度相对太低；③熔化粗粒炉料的橄榄石，需要有足够的过热温度。

为此，将炉料的SiO2/MgO降到1.9；使渣液相线温度提高50℃；减少西部矿粗粒中的橄榄石含量，以降低炉渣所需的过热温度。

排渣温度为1550℃。

为了保护炉墙不被腐蚀，在渣线一带采用外壳淋水冷却。

放出口附近，加强结构强度。

炉顶加水冷的钢梁，梁外加耐火材料，减少热损失。

电炉的能耗与经济生产规模和燃料价格相关，用煤代替部分油，电耗由516～580kW·h/t增加到580～600kW·h/t.电炉功率从36MW提高到40MW。

（5）多米尼加鹰桥镍公司圣多明各厂

多米尼加鹰桥镍公司的电炉熔炼原料来自还原车间的产物-经过脱水、制团、竖炉煅烧、部分还原的（850℃）热煅烧球团矿。

不属于RKEF流程，但电炉的配置、构造、电气制度等可以供参考。

该厂建设55500kV·A六电极矩形电炉三台，年产镍铁28750t。

每台电炉有三台18500kV·A单相变压器组成，二次电压为349～1265V。

碳素电极直径为1000mm，单位面积功率263kW/m2。

（6）日本八户冶炼厂

日本八户冶炼厂先后建设60000kV·A电炉一台，25000kV·A电炉一台，40000kV·A电炉一台。

其中只有60000kV·A电炉生产镍铁，电极直径为1700mm，炉壳直径为16.5m，炉壳高度为5.8m。

（7）美国汉纳

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