利用小型高炉生产镍铁合金.docx
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利用小型高炉生产镍铁合金
利用小型高炉生产镍铁合金
摘要
过去镍铁合金的生产曾经使用过高炉和反射炉，然而，如今因为运营成本较低，通常镍铁合金的生产都是通过埋弧电炉完成的。
最近，由于较高的需求，并且因为没有相应的设备，在中国出现了利用高炉生产镍铁合金的工厂。
本文的主要目的是从出现的原因、条件、局限性和经济可行性等方面对该工艺过程进行鉴定。
为评价其可行性，参阅了相关的现存高炉生产合金的资料。
另外，出于原料和运行条件方面考虑，在巴西利用小高炉生产含镍铁锭也具有一定的可能。
文中计算对比了高炉和电炉两种工艺的成本，对这种工艺的可行性进行了论述。
1引言
含镍1.5～8%的镍铁锭能够利用高炉完成，超过这一含量水平的镍铁合金是通过电炉完成的，通常含镍水平在20%甚至更高。
含镍7～8%的镍铁锭中次要元素为Si、P、Cr、C。
含镍物料在高炉内冶炼并不是什么新奇事物，实际上，反射炉也是同期产物，但冶炼镍铁合金的工艺过程主要还是由高炉完成的。
第一座用于生产镍铁锭的高炉建于19世纪，其后，随着电炉的出现，因为其具有更高的适应性和生产效率，并且镍铁品味得以提高，所以得到了推广。
2006年以来，中国陆续出现了利用高炉生产镍铁合金的工厂，这是因为不断激增的不锈钢需求，由于不能购买到足够的含镍富矿用于电炉生产所导致的，所以他们采用了小高炉（～300M3）用于低品位含镍矿物的冶炼。
生产出的不同品级的镍铁应用在了不同品级不锈钢生产上。
本文将对这一过程以及在世界不同区域内的实践进行可行性分析。
2相关过程参数的依据
为了对镍铁锭生产进行技术和经济条件评价，考虑了不同的工艺参量带来的影响，诸如原料、还原剂、能源利用以及其它投资、运行成本等经济因素。
2.1工艺过程关键点
对于电炉冶炼镍铁工艺，遮弧操作替代了埋弧运行（如图1）。
图1电炉遮弧操作
在遮弧操作中，因为电极处于熔渣层，所以电极中的碳不能参与到还原反应中来，过程中消耗的仅仅是还原剂（焦炭、木炭）。
在这个过程中，镍的选择性还原可以达到。
高炉操作中，碳质还原剂来源于焦炭或木炭，它们既是还原剂也是热能来源，所以加入的还原剂必须过量。
那么铁氧化物就会过还原，图2就是高炉运行状态。
图2高炉运行状态
中国冶炼镍铁选择的200M3高炉利用热风升温，这种方式在巴西炼铁工艺中非常普遍，这一方式具有投资成本较低的灵活性，在巴西的MinasGerais具有近七百万吨生铁的生产能力。
2.2原料
含镍红土矿遍布于世界各地，图3给出了红土矿矿床的分布断带。
图中说明了适用于火法冶炼的矿物。
图中根据矿物组分不同给出了不同的提取方法，其中两个主要的矿层是腐泥土及其下部的褐铁矿层，两者因矿物学和化学成分的区别可采用不同的工艺，且两者的矿层互为过渡。
两种矿物类型的加工方式非常多，镁质硅酸盐型适合于火法冶炼，而褐铁矿型更适用于湿法提取。
贫矿的冶炼在技术上不成问题，但是会使能耗大大增加。
这可以使铁氧化物过还原来抵消消耗的增加，不过生产出的合金其镍含量会大大降低。
在这种情况下，可以用来生产含镍的生铁。
图3红土矿矿床剖面图
因此，生产含镍生铁与传统意义上的镍铁相比具有更多的“自由”，如果矿物适宜，可以采用电炉和湿法工艺加工，如果矿物品质不足，那么采用高炉生产含镍生铁也不失为一种方式，当然，这取决于对于含镍生铁的市场需求状况。
2.3最终用途———不锈钢产品
表1列出了不同牌号的不锈钢组分。
表1不同牌号不锈钢的组分构成
生产300系列的不锈钢需要添加8%以上的镍元素，而这些是需要从电炉产品中获得的。
200系列不锈钢自1930年诞生以来，在1940～1950年期间于美国发生了很多改变，因为在那个历史阶段镍资源短缺。
这一系列产品因为其价格较低，甚至比300系列不锈钢还受欢迎。
建筑业中主要消耗的是200系列不锈钢产品，所以这一系列产品得到了广泛的应用。
在过去的几年中，200系列不锈钢占有市场总量的10%。
200系列不锈钢中的镍含量在0～6%，那么，生产这种类型的产品，采用含镍生铁是完全可以的。
2.4参考价格
为验证高炉冶炼镍铁的可行性，考虑的是其过程基本稳定的前提，否则按照实践条件考量会得出错误的结论。
因此假定世界范围内的传统意义上的镍铁生产趋于平衡，镍的价格在通常浮动区间内是稳定的。
图4是伦敦金属交易所前十二个月镍金属价格。
从图上可以看出价格低谷阶段和回归阶段，其低点和峰值都不是很好的参考点，但是分析不远的将来会有一个相对平稳的趋势。
考虑到图中的平均值，首先采纳了第一种假设方案。
图42009年度伦敦金属交易所镍价格趋势
3工艺过程模拟
为鉴定高炉生产含镍生铁能够和电炉相对比，利用两者运行过程中的每一个典型条件中的质量和热平衡，根据热力学模型，对两者的工艺过程进行了模拟。
参考了图3中的矿层分布特性，当然这些矿体不是真实存在的，但是其结构说明了分布范围。
从矿物的本体，选择了两种冶炼工艺路径。
首先模拟的是电炉生产工艺。
3.1传统的镍铁生产（电炉工艺）
采用的是RKEF工艺过程。
这个过程选择了适宜的镍含量，也就是图3当中最合适的硅酸盐、腐泥土和蛇纹石矿层。
具体组分含量见表2。
表2选择较深矿层的矿物组分
表中的是煅烧后的组分含量。
镍铁冶炼步骤已知，这里不再叙述。
工艺过程的主要特性如下：
·采用遮弧工艺
·添加的碳质还原剂复合矿物中NiO含量，所产生的CO足以保证氧化物的还原
·SiO2/MgO在1.4～1.9之间，FeO含量根据合金需要及能量消耗确定
许多其它因素也已经考虑，但上面提到的几点足以说明整个过程的特性。
含镍合金中的镍含量目标值是30%，下限值是保证20%。
还原剂采用的是焦炭，碳含量85%，灰分8%。
工艺过程模拟中采用了质量和热平衡的热化学模型，考虑到了传统的镍铁冶炼运行状态及设备，模拟的物料是干燥烧结矿。
根据合金和熔渣的特性，形成了物料平衡表。
在表中，运行条件（烧结矿温度、SiO2/MgO、合金组分）和热力学因素（金属与熔渣分离、平衡条件和相互作用系数）不断的调整直到反应过程的结束。
具体结果见表3。
熔渣具有较高的熔点温度，可在图5中看出。
模拟的结果以及当今主要镍铁冶炼的数据在图中已经做了标识，可以看出来，数据结果与实际工厂运行相似，因此可确认模拟过程的有效性。
主矿层物料电炉能量单位消耗是11294KWH/t合金。
之后使用的是褐铁矿层的物料，这一结果见表4。
因为FeO含量较高，所以熔渣的熔点温度比之前主矿层物料的熔渣温度要低，这一点，从图5中可以看出。
表3主矿层物料平衡表
主要参数
合金
熔渣
Kg/t矿
Kg/t矿合金
Co
0.26
CoO
0.02
加入
Si
0.18
SiO2
47.68
烧结矿
1000
11686
Fe
69.64
Cr2O3
1.09
焦炭
34
398
Cu
0.14
NiO
0.51
电极
6
70
Cr
0.17
MgO
33.02
产出
Ni
29.54
FeO
17.34
合金
86
1000
P
0.06
Cu2O
0.00
熔渣
701
8194
系数
1.83
SiO2/MgO
1.44
表4褐铁矿层物料平衡表
主要参数
合金
熔渣
Kg/t矿
Kg/t矿合金
Co
0.24
CoO
0.01
加入
Si
0.20
SiO2
48.86
烧结矿
1000
10982
Fe
79.21
Cr2O3
0.95
焦炭
43
476
Cu
0.14
NiO
0.32
电极
6
66
Cr
0.16
MgO
25.15
产出
Ni
19.99
FeO
24.41
合金
91
1000
P
0.06
Cu2O
0.00
熔渣
804
8834
系数
220.58
SiO2/MgO
1.94
褐铁矿层物料模拟的能量消耗是13888KWH/t合金。
从相图中可以看出，计算的主矿层物料熔渣熔点温度在1670℃左右，操作运行温度1700℃；褐铁矿的熔渣熔点温度是1470℃，操作运行温度为1500℃。
3.2高炉含镍生铁的生产
木炭高炉（200M3以上）在巴西已经运行了数十年，利用焦炭或者木炭以及熔剂作为炉料添加，担负着铁矿烧结的工作。
热风加热温度在700℃以上。
这个环节中，高炉能量必须通过碳取得，这使得还原反应过程中铁氧化物过还原，熔渣中的FeO含量很小甚至没有。
通过两个主要因素能够判定，首先是合金中的Ni/Fe比不能够调整改善，也就解释了高炉生产镍铁含镍量很低的原因；再者就是熔渣中的FeO含量极低，熔渣的成分几乎都是硅酸物和氧化镁，如果没有富氧喷吹，那么会导致很高的熔渣温度。
然而，添加石灰石熔剂能够降低熔渣温度。
图5镍铁熔渣相图
考虑到图3的论述过程，任意矿层中的矿物都可能经高炉处理，也就是富矿可以通过电炉或者是湿法工艺处理，贫矿交由高炉处理的观点。
许多已经验证的观点是，高炉生产生铁处理的原料是赤铁矿。
那么这一观点下，矿物中如果含镍将不被考虑在内，因为这样会造成资源浪费，应该作为更高层面的资源加以利用。
模拟早期高炉镍铁冶炼流程，其矿物特性见表5。
表5挑选的矿物化学组分
Ni
Co
Fe
Cu
SiO2
MgO
Cr2O3
表土层
0.8
0.064
35.0
0.01
44.0
3.0
0.70
褐铁矿层
1.6
0.064
35.0
0.01
38.0
10.0
0.70
小高炉生产生铁的模拟过程由包含质量和能量平衡的程序执行。
生产生铁的小高炉在巴西采用的燃料是木炭（碳70%、灰分3%、水分21%），模拟过程同样采用这种方式进行。
前文已经提及，几乎所有的铁和镍都进入到金属相中，为了达到低熔点温度和熔渣顺行的目的，加入石灰石使CaO+MgO/SiO2比值为0.8，投入和产出由程序计算完成如表6。
表6表层土生产含镍生铁成分
主要参数
合金
熔渣
Kg/t矿合金
Co
0.13
CoO
0.00
加入
Si
0.28
SiO2
49.31
烧结矿
2760
Fe
93.71
Cr2O3
1.03
木炭
1016
Cu
0.00
NiO
0.01
石灰石
2086
Cr
0.19
MgO
8.68
产出
Ni
2.19
FeO
1.30
合金
1000
P
0.10
Cu2O
0.00
熔渣
2450
C
3.50
CaO/SiO2
0.80
熔渣属于CaO—MgO—SiO2三元系统，属假硅灰石范围。
其组分特性与小高炉相对较低的风温一致。
模拟的褐铁矿型物料采用的是相同的程序以及运行条件、还原剂等。
其结果见表7。
表7褐铁矿型物料生产含镍生铁成分
主要参数
合金
熔渣
Kg/t矿合金
Co
0.18
CaO
33.21
加入
Si
0.38
SiO2
47.44
烧结矿
2760
Fe
90.17
Cr2O3
1.15
木炭
1016
Cu
0.00
NiO
0.03
石灰石
2086
Cr
0.20
MgO
16.99
产出
Ni
6.01
FeO
0.93
合金
1000
P
0.15
Cu2O
0.00
熔渣
2450
C
3.00
CaO/SiO2
0.80
熔渣相态同样属于CaO—MgO—SiO2三元系统，属钙镁黄长石。
图6展示了上述两种模拟情况下熔渣的位置。
4模拟结果的评估
模拟的参数肯定了小高炉生产含镍生铁的可行性，并且生产出的产品相对于传统的镍铁冶炼方式具有一定的竞争力。
从生产设施方面看，传统的生产工艺中包括电炉、矿物干燥和回转窑。
在产品精炼时需要钢包、吹氧转炉等。
图6小高炉模拟熔渣相图
木炭小高炉设施非常简单，不需要干燥和烧结矿，而且木炭中的含硫量极低，因此不需要脱硫用钢包。
在巴西的实践生产中，有很多冶炼生铁的小高炉，可以改为生产含镍生铁。
小高炉和电炉各自的经营成本主要项目列于表8和表9当中。
图4中的平均价格采用的是合理并能够接受的价格，核计镍的价格是＄16000/t。
矿物的价格必须考虑到市场稳定性，甚至于冶炼厂的固定资产也要考虑到计算当中。
矿物价格随着镍含量调整，参考的是非投机价格，数据来源是伦敦金属交易所。
矿物等级及支付溢价按照下列公式计算：
矿物价格=金属交易所价格×镍含量×（镍含量×支付溢价）
支付溢价是根据市场条件、镍品味和矿物特性设定。
表8电炉生产成本价格
主矿层Ni矿2.5%；Ni合金30%
褐铁矿Ni矿1.8%；Ni合金20%
u/t合金
＄/u
＄/t合金
u/t合金
＄/u
＄/t合金
矿，t
11.686
100.00
1168.60
10.982
51.84
569.30
能量，kwh
11294
0.083
937.40
13888
0.083
1152.70
电极，t
0.070
500
35.00
0.066
500
33.00
焦炭，t
398
250
99.50
476
250
119.00
木炭，t
1260
266.70
336.00
1260
266.70
336.00
总计
2576.50
2210.01
表9小高炉生产成本
表层土Ni矿0.8%；Ni合金2.2%
褐铁矿Ni矿1.6%；Ni合金6.0%
u/t合金
＄/u
＄/t合金
u/t合金
＄/u
＄/t合金
矿，t
2.760
10.24
28.26
3.790
40.96
155.24
木炭，t
1.016
266.70
270.93
1.641
266.70
437.60
石灰石，t
2.086
150.00
312.10
2.052
150.00
307.80
总计
612.10
900.64
根据以上的图表和合金及矿物中的镍含量，计算出的镍单位成本由图7表达出来。
图7矿物和合金中镍含量成本对比
成本线是在不同条件下计算的总成本分界线（传统镍铁合金和含镍生铁的对比）。
商业价值的计算考虑了镍和铁两者，按照如下公式计算：
传统镍铁合金价格/t=Ni价×镍含量+生铁价格×（100-Ni%）/Ni%
式中的镍含量是合金中含量
含镍生铁价格/t=Ni价×镍含量+生铁价格×Fe%
按照伦敦金属交易所镍的价格为＄16000/t，生铁的价格按照巴西2009年8月离岸价＄350/t。
高品味镍铁中的镍价占据全部价格的90%，含镍生铁中的镍价占到全部价格的85%。
最终可以看到，成本和价值之间几乎恒定不变。
两种工艺采用的能源不同，在传统冶炼中，由于还原剂用量较小熔渣中含有FeO，所以产品中含镍较高，最小镍含量为20%。
因使用贫矿，造成大量能耗并且产生大量的熔渣。
利用小高炉生产中，不可能减少还原剂的添加比例，所以矿种变化的前提下，能源消耗几乎恒定不变，只有镍和铁含量发生变化。
5结论
根据以上的分析，得出含镍生铁生产的可行性结论。
主要条件如下：
·适用于从贫矿或者其它小矿床中回收镍金属，以及其它加工设施不完善的条件下使用该工艺
·适用于从移除的表层土和褐铁矿层中回收镍金属
·巴西国内很多正在运行的小高炉适合改为生产含镍生铁
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