董訓(xùn)祥  秦涔

 （中冶南方工程技術(shù)有限公司）

摘  要  對(duì)紅土鎳礦高爐工藝技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。從燒結(jié)及脫水、造渣制度、出鐵制度、爐型設(shè)計(jì)、鎳鐵產(chǎn)品等方面，分析了紅土鎳礦高爐的工藝技術(shù)。認(rèn)為，從萬(wàn)元能耗指標(biāo)考察，紅土鎳礦高爐冶煉鎳鐵工藝本身就是一種有效的節(jié)能技術(shù)，應(yīng)該鼓勵(lì)發(fā)展；在今后很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，高爐法與其他鎳礦冶煉工藝將會(huì)是并存的發(fā)展模式，并展望了在燒結(jié)礦質(zhì)量、高爐大型化、大噴煤技術(shù)、爐缸長(zhǎng)壽技術(shù)、高鎳底鐵紅土鎳礦高爐冶煉技術(shù)、節(jié)能環(huán)保技術(shù)等方面的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞  紅土鎳礦  高爐  鎳鐵合金  爐型設(shè)計(jì)

隨著硫化鎳礦資源的日益枯竭，紅土鎳礦越來(lái)越多地引起人們的關(guān)注。紅土鎳礦高爐治煉法為鎳產(chǎn)業(yè)開(kāi)辟了一條新的道路，生產(chǎn)實(shí)踐表明紅土鎳礦是可以采用高爐進(jìn)行治煉的。近些年，紅土鎳礦高爐工藝技術(shù)發(fā)展迅猛，高爐容積已經(jīng)由原來(lái)的幾十立方米擴(kuò)大到了580m3。

1  紅土鎳礦高爐工藝技術(shù)

紅土鎳礦是低品位復(fù)合型鐵礦，其礦床可分為三層:①礦床的上層的含鐵高，鎳與褐鐵礦共生，稱為褐鐵礦型紅土礦;②礦床的下層硅酸鹽礦物富集，鎳與硅酸鹽礦物共生在一起，形成硅鎂鎳礦，稱為硅鎂鎳礦型紅土礦;③處于褐鐵礦和硅鎂鎳礦之間的礦床稱為過(guò)渡型紅土鎳礦。三種紅土鎳礦的主要成分見(jiàn)表1。不同于普通高爐治煉采用的富鐵礦，紅土鎳礦高爐冶煉工藝有著自身的工藝技術(shù)特點(diǎn)。

(1)脫水及燒結(jié)。紅土鎳礦表面含水量高達(dá)20％，另外結(jié)晶水一般約15％。這種高水量的礦石是不能直接用于燒結(jié)的，多數(shù)企業(yè)采用生石灰攪拌脫水，其原理是利用生石灰的吸濕性和放熱達(dá)到脫水的目的。生石灰脫水一般要求5～10d，脫水時(shí)間不宜太短，脫水時(shí)間過(guò)短將給燒結(jié)礦的質(zhì)量帶來(lái)極壞的影響。有的鎳鐵生產(chǎn)廠家在添加生石灰攪拌前，先采用干燥窯預(yù)處理，可將紅土鎳礦表面含水量脫至8％～10％。

某180m3高爐直接采用生石灰脫水，要求紅土鎳礦提前15d進(jìn)場(chǎng)，采用純度90％以上的生石灰，而生石灰攪拌脫水時(shí)間要求不低于10d，能將紅土鎳礦表面含水量脫至5％左右。提前加入的生石灰也將作為高爐工藝的造渣原料。

通常8mm以下的粉料采用燒結(jié)機(jī)進(jìn)行燒結(jié)處理，大顆粒的粒礦則通過(guò)破碎后再燒結(jié)，也可以直接進(jìn)高爐冶煉鎳鐵。燒結(jié)過(guò)程中不僅僅在于將8mm以下的粉料結(jié)塊，同時(shí)，還可以脫除原料的表面水及結(jié)晶水含量。另外，在燒結(jié)過(guò)程中還可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)燒結(jié)礦的堿度，以滿足高爐造渣的要求。

(2)造渣制度。高爐煉鐵造渣的目的是為了得到熔點(diǎn)及黏度適宜的爐渣。普通高爐爐渣一般以CaO-SiO2相為主，通過(guò)添加熔劑，控制渣中(MgO)與(A1203)含量。普通高爐爐渣中，(Cao)、(SiO2)、(Mg0)及(AL203)這4種主要成分占渣量的95％以上，其中，(Mg0)在5％～10％、Al2O3＜15％，爐渣的二元堿度在1.0～1.23。

張博等人研究了不同CaO、Mg0含量對(duì)CaO-Al2O3-SiO2-MgO系相圖低熔點(diǎn)區(qū)域的影響，認(rèn)為，CaO從0變化到45％的過(guò)程中，隨著Ca0含量的提高，CaO-SiO2-Al203-Mg0系相圖低熔點(diǎn)區(qū)域面積百分?jǐn)?shù)呈顯著提高趨勢(shì)，近似于呈線性增加。MgO在低于15％的范圍內(nèi)，低熔點(diǎn)區(qū)域面積隨著MgO含量的增加而顯著增加;在Mg0為15％時(shí)，低熔點(diǎn)區(qū)域面積達(dá)到最大;而隨著Mg0含量的繼續(xù)增加，低熔點(diǎn)區(qū)域面積稍有降低;MgO超過(guò)25％之后，低熔點(diǎn)區(qū)城面積迅速下降。

合理的造渣制度能有效的降低紅土礦治煉成本，紅土鎳礦由于其成分的特殊性，造流制度不能延用普通高爐的造渣制度。例如，硅鎂鎳礦型紅上礦，MgO含量較高，如果沿用普通高爐的造渣制度，就需要加入大量的造渣原料。大量造渣原料的加入意球著會(huì)產(chǎn)生大量爐渣，從而導(dǎo)致高能耗。因此，紅土礦高爐的造渣制度需要根據(jù)礦物自身的成分來(lái)合理確定。

文獻(xiàn)[7]指出爐渣堿度范圍為0.85-1.15時(shí)，爐渣流動(dòng)性好。而文獻(xiàn)[8]認(rèn)為，當(dāng)MgO為15％~35％時(shí)，爐渣堿度的范圍是0.6-0.8。筆者考察的某180m3紅土鎳礦高爐，其爐渣堿度控制在0.55以上，也取得了非常好的應(yīng)用效果?？梢?jiàn)，對(duì)于紅土鎳礦高爐而言，合理的造渣制度還需要在理論與實(shí)踐中不斷摸索進(jìn)步。

(3)出鐵制度。普通高爐爐缸內(nèi)爐渣高度與鐵水高度大致相等，而紅土鎳礦高爐渣量遠(yuǎn)比普通高爐大，其爐渣高度為液態(tài)鎳鐵合金高度的5-6倍。而由于紅土鎳礦軟熔區(qū)間寬，再加上渣量大，造成高爐透氣性差，影響高爐的順行。為了保證紅土鎳礦高爐順行，在操作上應(yīng)以發(fā)展中心氣流為主，適當(dāng)發(fā)展邊沿氣流，并配以合適的鼓風(fēng)動(dòng)能。在高爐透氣性差的情況下，采取適當(dāng)增加焦比，中心加焦，改善燒結(jié)礦質(zhì)量等措施來(lái)處理。

過(guò)厚的渣層還造成爐缸透液性差，上部液態(tài)鐵水難以穿透渣層到達(dá)爐缸下部，影響渣鐵分離。由于渣層太厚，容易導(dǎo)致下部鐵水溫度低，最終造成液態(tài)鎳鐵合金不易流出的問(wèn)題。小高爐由于爐缸小，鐵水流動(dòng)性差的問(wèn)題相對(duì)不明顯;而大高爐的鐵水流動(dòng)性差的問(wèn)題突出，對(duì)出鐵不利。對(duì)于這種問(wèn)題，可以通過(guò)提高風(fēng)口區(qū)的鼓風(fēng)動(dòng)能與理論燃燒溫度，讓高爐上部的爐料經(jīng)過(guò)風(fēng)口區(qū)獲得更多的物理熱來(lái)緩解。而對(duì)于設(shè)計(jì)有渣口的高爐，還可以通過(guò)增加出渣次數(shù)，使?fàn)t缸內(nèi)渣層厚度始終保持在一個(gè)合適的范圍，可以有效改善爐缸的透液性，達(dá)到提高下部鐵水溫度的目的。筆者考察的180m紅土鎳礦高，一個(gè)班8h中差不多有6h在出渣，高爐穩(wěn)定順行。

(4)爐型設(shè)計(jì)。當(dāng)前，我國(guó)紅土鎳礦高爐多數(shù)利用淘汰的小高爐進(jìn)行治煉，功能上基本能夠滿足紅土鎳礦冶煉的需求。但由于紅土鎳礦具有不同富鐵礦的特點(diǎn)，合理的內(nèi)型更容易實(shí)現(xiàn)紅土鎳礦高爐的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于新建的紅土鎳礦高爐，其內(nèi)型設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題:①治煉紅土鎳礦高爐的爐容不宜過(guò)大，對(duì)于鎳含量高、鐵含量低的鎳礦，爐容更要小。筆者考察的80m3紅土鎳礦高爐可以治煉得到鎳高達(dá)9.5％以上的鎳鐵合金。(②為適應(yīng)低品位、大渣量的特點(diǎn)，紅土鎳礦冶煉高爐應(yīng)考慮加大爐缸直徑，具體加大到多少需根據(jù)原料成分來(lái)確定。③由于紅土鎳礦軟熔帶位置偏上，軟熔區(qū)間大，透氣性差，高爐內(nèi)型宜矮，即高爐的高徑比不宜太大。④紅土鎳礦治煉高爐是否設(shè)計(jì)渣口需根據(jù)礦石品位來(lái)確定，對(duì)于含鐵量高的褐鐵礦型紅土鎳礦，高爐可不必設(shè)計(jì)渣口。而對(duì)于鐵含量較低的硅鎂鎳礦型紅土鎳礦，高爐應(yīng)考慮設(shè)計(jì)渣口。

(5)鎳鐵產(chǎn)品。雖然，鎳鐵合金中Ni、Cr、Fe等均是治煉不銹鋼的重要原料，但由于紅土鎳礦本身成分的不穩(wěn)定，導(dǎo)致治煉得到的鎳鐵合金成分也不穩(wěn)定，特別是Ni含量波動(dòng)較大，這給不銹鋼的成分調(diào)節(jié)帶來(lái)了麻煩，客觀上也阻礙了高爐鎳鐵產(chǎn)品的應(yīng)用。因此，高爐鎳鐵產(chǎn)品目前多數(shù)用于低檔不銹鋼生產(chǎn)的原料。

2   紅土鎳礦高爐工藝的發(fā)展趨勢(shì)

(1)發(fā)展模式。早些年，部分治金工作者曾預(yù)言，高爐法治煉鎳鐵是即將被淘汰的技術(shù)。而近年來(lái)，我國(guó)通過(guò)克服小高爐治煉紅土鎳礦生產(chǎn)鎳鐵合金的技術(shù)難題，并且通過(guò)爐容不斷大型化提高了能量利用率和生產(chǎn)效率，帶動(dòng)了技術(shù)革新，改變了世界不銹鋼行業(yè)的格局。同時(shí)也要看到，高爐治煉鎳鐵技術(shù)尚處于起步上升階段，還有很長(zhǎng)的路要走，在今后很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，高爐法與其他鎳礦治煉工藝將會(huì)是并存的發(fā)展模式。

(2)改善燒結(jié)礦質(zhì)量。紅土鎳礦燒結(jié)礦的質(zhì)量對(duì)于高爐操作的影響很大，由于紅土鎳礦自身的特殊性及處理的技術(shù)難度，其燒結(jié)礦強(qiáng)度往往較普通燒結(jié)礦要低，成品率低、易粉化、易軟化，這是造成紅土鎳礦高爐透氣性差的根本原因。如果能從根本上改善紅土鎳礦燒結(jié)礦的質(zhì)量，以適應(yīng)高爐冶煉的需求，鎳礦高爐治煉工藝將會(huì)取得巨大進(jìn)步。

某530m3紅土鎳礦高爐，在紅土鎳礦采用了烘干脫水處理的前提下，燒結(jié)礦成品率約為70％。而類似的高爐，幾乎采用同樣原料的紅土鎳礦，由于沒(méi)有采用烘干脫水處理，燒結(jié)礦成品率僅為50％左右。而筆者考察的某180m3鎳礦冶煉高爐，在采取措施將燒結(jié)礦質(zhì)量明顯改善，且調(diào)整了操作制度等措施后，高爐利用系數(shù)達(dá)到了原來(lái)的2倍。

(3)高爐大型化。隨著高爐的大型化，能量利用率和生產(chǎn)效率得到了提高，因此，紅土鎳礦高爐大型化將是一種發(fā)展方向。當(dāng)然，這受紅土鎳礦自身的成分影響較大，對(duì)于含鐵量高的紅土鎳礦，更容易實(shí)現(xiàn)高爐大型化。目前，經(jīng)過(guò)我國(guó)民營(yíng)企業(yè)和設(shè)計(jì)單位的共同努力，由我公司設(shè)計(jì)的紅土鎳礦冶煉高爐的爐容最大已經(jīng)達(dá)到了580m3。有理由相信隨著技術(shù)的不斷更新，紅土鎳礦治煉高爐的爐容將會(huì)進(jìn)

一步擴(kuò)大。

(4)大噴煤技術(shù)。目前，紅土鎳礦高爐工藝焦比高，煤比低，有的甚至采用全焦治煉。如果通過(guò)技術(shù)革新，能通過(guò)大噴煤來(lái)降低焦比，將有效降低紅土鎳礦高爐的治煉成本。但要想降低焦比、增加煤比，必須要解決好兩個(gè)難題:①紅土鎳礦治煉高爐軟熔帶靠上，軟熔區(qū)間寬，透氣性差，焦比的降低將惡化了高爐上部料層的透氣性;②在增加高爐的煤比時(shí)，還要求加大從風(fēng)口穿過(guò)軟熔帶的風(fēng)量，這也對(duì)高爐的透氣性提出了更高的要求。因此，紅土鎳礦高爐大噴煤、降焦比技術(shù)的突破還需要治金工作者的共同努力。

(5)爐缸長(zhǎng)壽技術(shù)。在爐底水冷技術(shù)出現(xiàn)以后，高爐的壽命主要取決于在爐缸。紅土鎳礦高爐治煉，由于風(fēng)口區(qū)域溫度高，有時(shí)還添加洗爐料來(lái)改善渣鐵得流動(dòng)性，這些大多數(shù)都會(huì)加速爐缸耐材的破壞，影響爐缸壽命。因此，紅土鎳礦高爐的爐缸長(zhǎng)壽技術(shù)，需在開(kāi)發(fā)合適的耐材及加強(qiáng)爐缸冷卻強(qiáng)度上做工作。

(6)高爐冶煉技術(shù)。紅土鎳礦中共生的鎳、鐵元素具有這樣的特點(diǎn):鎳含量高的紅土鎳礦，其鐵含量往往較低。目前的治煉技術(shù)，紅土鎳礦的鐵品位一般控制在19％-49％，得到的鎳鐵合金中鎳含量較低。而鎳元素的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鐵的，如果能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，使高爐能有效利用高鎳低鐵紅土鎳礦生產(chǎn)出更高鎳含量的鎳鐵合金，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值將更高，這恰恰也是值得治金工作者研發(fā)的方向。

(7)節(jié)能環(huán)保技術(shù)。紅土鎳礦高爐煤氣熱值、噸鐵的煤氣量都明顯高于普通高爐，高爐煤氣綜合利用是紅土鎳礦高爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)的重點(diǎn)。高爐煤氣的余壓回收可以采用BPRT工藝，煤氣燃燒的熱量可用于熱風(fēng)爐燒爐、紅土鎳礦燒結(jié)，過(guò)剩的煤氣可以用來(lái)發(fā)電，熱風(fēng)爐燒爐后產(chǎn)生的煙氣還可以用于煤粉烘干等。在高爐煤氣綜合利用的情況下，按單位產(chǎn)值能耗計(jì)算紅土鎳礦高爐的能耗將低于1170kg標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元，遠(yuǎn)低于普通高爐的1680kg標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元。從這個(gè)層面來(lái)講，紅土鎳礦高爐治煉鐵工藝本身就是一種有效的節(jié)能技術(shù)，應(yīng)該數(shù)勵(lì)發(fā)展。

高爐液顯熱回收是一個(gè)熱門話題，很多高校、科研院所正在進(jìn)行研究，這也是紅土鎳礦高爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)的一個(gè)研究方向。金屬治煉行業(yè)是高能耗、大污染的行業(yè)，是我國(guó)環(huán)保政策發(fā)力的重點(diǎn)領(lǐng)域。隨著我國(guó)節(jié)能環(huán)保工作的穩(wěn)步推進(jìn)，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值也得到不斷提升，紅土鎳礦高爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)也迎來(lái)發(fā)展契機(jī)。隨著高爐大型化等先進(jìn)技術(shù)的實(shí)施，紅土鎳礦高爐治煉生態(tài)圈將逐步建成。

3  結(jié)語(yǔ)

通過(guò)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)出紅土鎳礦高爐治煉法，為我國(guó)鎳產(chǎn)業(yè)成功開(kāi)辟了一條新的道路，實(shí)踐證實(shí)了紅土鎳礦是可以采用高爐法進(jìn)行治煉的。從萬(wàn)元能耗指標(biāo)考察，紅土鎳礦高爐治煉鎳鐵工藝本身就是一種有效的節(jié)能技術(shù)，應(yīng)該鼓勵(lì)發(fā)展。在今后很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，高爐法將會(huì)是與其他鎳礦治煉工藝并存的發(fā)展模式。高爐法治煉紅土鎳礦技術(shù)還將在提高燒結(jié)礦質(zhì)量、高爐大型化、大噴煤技術(shù)、爐缸長(zhǎng)壽技術(shù)、高鎳低鐵紅土礦冶煉技術(shù)、節(jié)能環(huán)保技術(shù)等方面進(jìn)一步提升技術(shù)水平。

4  參考文獻(xiàn)

[1]  張莓.我國(guó)火法治煉紅土鎳礦進(jìn)展[J].國(guó)土資源情報(bào)，2008(2)129-32.

[2]  劉沈杰.不含結(jié)晶水的氧化鎳礦經(jīng)高爐治煉鎳鐵工藝:中國(guó)，zl2005101029845[P].2006-02-15.

[3]  張邦勝，蔣開(kāi)喜，王海北，等.我國(guó)紅土鎳礦火法治煉進(jìn)展[J].有色治金設(shè)計(jì)與研究，2012，33(5):16-19.

[4]  李武蘭，秦小三，劉長(zhǎng)明.紅土鎳礦原料的綜合處理[J].鐵合金，2012(4):17-19.

[5]  周傳典.高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手[M].北京:治金工業(yè)出版社，2005.344.

[6]  張博，王福明，李長(zhǎng)榮.SiO2-Al2O3-CaO-MgO系夾雜物低熔點(diǎn)區(qū)域優(yōu)化及控制的熱力學(xué)計(jì)算[J].鋼鐵，2011(1):39-44.

[7]  周若愚，李仲愷，寄海明.紅土礦還原生產(chǎn)鎳鐵熔煉條件的研究[J].四川治金，2009，31(6)155-58.

[8]  郭培民，趙沛，龐建明.高爐治煉紅土礦生產(chǎn)鎳鐵合金關(guān)鍵技術(shù)分析與發(fā)展方向[J].有色金屬(治煉部分)，2011(5):3-6.