开发利用氧化镍矿资源满足中国日益增长的镍需求任丘

开发利用氧化镍矿资源满足中国日益增长的镍需求

开发利用氧化镍矿资源满足中国日益增长的镍需求 2011年12月04日 来源： 中国镍资源的开发与利用近年来得到了迅速的发展。但是，发展的速度远远跟不上冶金等行业对镍的需求的快速增长。随着国民经济的快速发展，人民生活水平的提高，不锈钢的消费量还将增长。尽管我们在努力开发节镍型不锈钢和推广铁素体不锈钢，但是预计镍的需求量的增长速度还将超过目前可以预期的镍的产出量的增长速度。由于我国镍矿资源短缺，为了保证国民经济发展对镍的需求，中国的大型国有企业实施"走出去"的发展战略，参与海外镍矿资源的开发，这将对我国镍的稳定供应发挥重要作用。随着硫化镍矿资源枯竭，氧化镍矿（红土镍矿）的开发利用在世界上已经得到迅猛的发展。氧化镍矿广泛分布于赤道地区，距离我国运距近，海运费用不高，这有利于我国利用氧化镍矿资源。开发和利用红土镍矿资源，成为增加原生镍供给量的一个重要方面。目前我国镍冶炼工艺基本上处于以电解镍为主的单一产品的局面。研究开发利用红土型镍矿生产镍铁的技术是必要的。红土型镍矿用来生产镍铁，经济上合理，没有必要一定要生产电解镍。这项技术的开发有利于我国企业参与海外镍矿资源开发，占有更多优势矿产资源。 1．氧化镍矿的冶炼工艺综述：目前世界上以氧化镍矿为原料生产原生镍的工艺可以分为火法冶金和湿法冶金两种。火法冶金生产镍金属的产量依然占据主要地位。但近年来湿法冶金工艺得到快速发展，新建设了一些采用高压酸浸工艺生产镍和钴的工厂。湿法冶金工艺分为两种：一种是氨浸法，由于受到原料和成本的限制，近年来没有建设新的工厂。另外一种工艺是酸浸法。适合于处理低镁含量的氧化镍矿。新发展起来的火法和湿法结合的工艺显示了其优势：适合任何类型的氧化镍矿、成本较低，但是这种工艺仍存在一些技术问题需要解决。从资源利用和能源节约来讲，高压酸浸工艺具有优势和潜力，已经成为重要的研究课题。但是从投资、建设周期、技术成熟的角度出发，预计还将新建设一批火法冶炼镍铁的工厂。 2 镍的火法冶金工艺综述：火法冶金工艺可以分为两个大类：鼓风炉（BF炉、即高炉）熔炼和回转窑－矿热炉－转炉（RKEF）熔炼工艺。２．１高炉冶炼镍铁的工艺： 1863年发现红土矿后，即开始用高炉冶炼工艺处理这种难熔的镁质硅酸盐氧化镍矿石。由于能源消耗、环境保护、投资和生产成本等原因，这种工艺在世界上已经被淘汰。就我们所知，除了中国以外，目前全世界已经没有采用这种工艺生产镍铁的工厂（最后停产的是俄罗斯乌拉尔镍公司和乌发利镍厂的镍铁生产高炉）。高炉冶炼工艺流程是：根据进入工厂的原料的情况，对原料进行处理（如人工挑选出含镍很低的石块、进行破碎和筛分），然后利用烧结机的混料和配料设备，向氧化镍矿中加入还原剂和熔剂，并混合均匀（也可以使用造球设备造球）。混合后的料通过布料机分布到烧结机的台车上，经过烧结后，得到含镍的烧结矿。烧结矿再被送到高炉料场，经过筛分后加入高炉。高炉冶炼后生产出的含镍生铁含较高的有害杂质含量和较低的镍含量，不宜直接用于冶炼不锈钢，否则将降低粗制镍铁中的镍的价值。为此，需要在高炉的后面建设脱除粗制镍铁中的磷、硅、碳、硫等有害元素的精炼设施。这些精炼设施还可以根据用户的要求，提高镍铁中的镍的含量。鼓风炉熔炼工艺被淘汰的原因：一是，这种工艺的环境污染问题没有有效的解决办法，除了传统的高炉污染因素以外，为了提高炉渣的流动性和减少炉身结瘤，要向炉料中加入萤石（CaF2），为了避免氟化物的污染，这种操作已经被禁止。对于含Aｌ2O3 比较高的氧化镍矿，由于加入炉内的萤石比例大，这个问题更加严重。由于用红土镍矿生产的烧结矿的强度低，不适合于大型高炉冶炼，一般用小型高炉和小型烧结机，生产镍铁。中国生产镍铁的高炉的容积从28ｍ３到３８０ｍ３，其中以１５０ｍ３以下高炉为主。烧结机从１８ｍ２到５０ｍ２。这些镍铁生产工厂缺少必要的环保设施，碳的氧化物、硫的氧化物、氟化物、粉尘已经对工厂周边的环境造成严重污染。利用黑色冶金淘汰的设备转产有色金属的做法，不可取。 二是，镍的回收率低。采用这种工艺生产镍铁的工厂，矿石中镍的回收率普遍低于９０％。多数高炉生产镍铁的工厂，没有建设镍铁的精炼车间，只生产粗制镍铁。从这个意义上讲，我们国内讲的回收率与国外文献中看到的镍的回收率有差别。三是能源消耗高，且必需高价的焦炭。从烧结工序来讲，在小型烧结机固有的浪费能源的特性的基础上，又增加了返回矿比率高的浪费能源的因素。从高炉工序来讲，淘汰小高炉的重要原因之一就是能源浪费，现在又增加了大渣量的因素。这些工厂的高炉煤气和余热没有得到有效的回收利用，宝贵的能源被浪费了，同时又污染了环境。四是产品不经过精炼，杂质含量高，不符合国际镍产品贸易的标准。我们要求镍铁含有较高的镍含量，含有低的碳含量、硅含量、硫含量、磷含量。我国高炉生产的镍铁基本上全部是高炭、低镍、高硅的产品。磷的含量由原料决定，低磷原料紧俏，将迫使这种工艺完善精炼工序。这种半成品中的镍元素的价值远低于合格镍铁中镍元素的价值，而且铁元素基本上无价值的送给用户。五是单位镍产量的投资大：建设机械化料场、烧结机、高炉的投资高于建设RKEF工艺的投资。利用现有的、行业政策要求淘汰的设备生产镍铁，将以牺牲能源和环境为代价换得低投资。这种工艺在目前红土镍矿价格低廉、镍的价位极高、环保政策和能源政策执行不利的情况下得到了发展。相信，红土镍矿的价格还将上涨，镍价将回落到合理的价位，国家环保和节能政策将得到执行，届时，这种工艺在我国也将会被淘汰。２．２ 火法冶金的RKEF工艺 RKEF工艺发明于50年代，目的是取代鼓风炉工艺生产镍铁。这种工艺开创了火法冶炼镍铁的新篇章。据不完全统计，全世界目前采用这种工艺的镍铁冶炼厂有17家。基本的工艺流程：矿石处理和还原剂的准备－－回转窑煅烧－－热装入矿热炉冶炼－－粗制镍铁的炉外脱硫－－在转炉中脱除硅、磷、炭、硫、锰等杂质－－精制镍铁水铸块，另外需要建设回收和利用转炉炉渣中的铁和镍的车间。矿石处理和还原剂的准备：矿石运入原料场后，经破碎、中和混匀、配入还原剂后送入回转窑。也有的工厂在进入到回转窑前对炉料进行预烘干处理，还有的增加炉料的造球工序。炉料的配比是重要的，这对于防止回转窑结圈（炉料粘结在炉内衬上）、控制炉料的导电性、分离矿热炉内的渣子和金属（镍、铁）有决定性的作用。回转窑煅烧：回转窑的工作区可以分为三段，即干燥段、加热段、焙烧段。在回转窑中，矿石被焙烧脱水，重量减少30%左右。同时，氧化镍和部分铁被炉料中的还原剂还原。在回转窑出料端设有密封的出料装置，镍渣以600-９00℃的温度在隔热的状态下，被送入到矿热炉保温的供料料仓 ，再通过一个密封的管状布料装置，均匀的分配到矿热炉内。根据炉料的处理方式不同，回转窑有不同的直径和长度的比值。回转窑的烧嘴结构是重要的，有效的调整火焰的长度和刚度，保证炉内三个工作区的温度在工艺要求的范围内。另外，要充分考虑利用回转窑的烟气烘干炉料，以节能。炉料被热装入矿热炉，矿热炉冶炼：回转窑出来的料经过称量以后，在热态被装入到矿热炉中。矿热炉的加料系统需要适应热装料的需要。热装很重要，除了回收物理热以外，还要保证在物料的转运过程中不被氧化。为了环保、工业卫生、回收粉尘、回收煤气，矿热炉被密封起来。在矿热炉中通过电弧冶炼，分离出粗制镍铁和电炉炉渣，同时产生含CO 75%的还原性气体，气体经过净化以后，做为回转窑的燃料使用，约占回转窑燃料的３０％。根据原料不同，1吨原料矿经回转窑焙烧后，可以得到650-700Kg的镍渣，在矿热炉中冶炼后，可以得到110-150Kg的粗制镍铁。粗制镍铁中的镍含量为10%－18%。粗制镍铁的精炼：（1）在矿热炉向铁水包出铁的过程中，向铁水包加入苏打灰，加入的比例是每吨镍铁水５-15千克，镍铁水中的硫可以降到0.015-0.08%。也可以在出钢后向铁水包中喷入钝化的镁颗粒，这需要用特殊的蒸发器将颗粒镁喷入铁包内1.0米左右的深处，该工艺可将铁水中的硫降到0.015％以下。（2）清除粗制镍铁水上面的渣子，并兑入到酸性转炉中，通过吹氧，硅被氧化。为了控制熔池温度不过高，向炉内加金属废弃物或者含镍废料。（3）脱硅后的镍铁水再被兑入到碱性转炉中，在这里去除镍铁水中的炭、磷和部分铁。冶炼过程中，向转炉内加入石灰石。有充足的含镍废料时，可以用石灰代替石灰石。碱性转炉中出来的镍铁水已经符合商品镍铁标准的要求，可以作为商品镍铁出售。粗制镍铁的二步法精炼工艺：将酸性转炉，改为碱性转炉，采用新工艺实现在第一个转炉内脱硅和脱硫。从第一个转炉出来的镍铁水再进入第二个碱性转炉内脱磷、脱炭。冶炼过程中向炉内加入石灰和石灰石，保证合适的冶炼温度。二步法精炼得到合格的精制镍铁水。粗制镍铁直接冶炼不锈钢的工艺（开发中）：在上述的二步法精炼工艺中，将第二个转炉改为用氩气和氧气的精炼转炉（如GOR转炉），可以直接生产300系列的不锈钢。这种工艺可以不建设用来熔化废钢的电炉、充分利用硅氧化的热量、节省投资和能源，充分利用粗制镍铁中的铁元素。这项技术有诱人的前景，但还在探索。炉渣中镍的回收：由于转炉炉渣和脱硫的炉渣中含有镍，为了回收这些镍，需要建设一个炉渣中镍的回收工段，这样可以提高镍的回收率。 3．建设镍铁生产厂需要考虑的因素：从资源综合利用、中国有色金属工业长远发展规划的战略目标出发，有必要选择中国合适的区域建设大型镍铁生产基地。但是建设镍铁生产基地应该具备下面的五个条件： ----必须落实矿石的来源:不同的矿石适应不同的冶炼工艺。火法工艺优先选择以硅镁镍矿做原料。在决策建设镍铁生产厂前必须落实适合于火法冶金的氧化镍矿石的来源。目前镍矿涨价已经成为定局，镍矿的来源将出现困难。 ----具有比较强的资金实力：相对来讲，建设镍铁生产厂的投资大、占用的流动资金量更大。 ----能源的保证：厂区必须有可靠的电力供应条件。回转窑的燃料选择不但要考虑经济性，还要考虑环境保护的要求。在用高硫煤做燃料时，需要考虑烟气脱硫问题。 ----渣子的利用或具有弃渣的场地： 渣子可以用来作为建筑材料，但是数量巨大，不太可能全部用做建筑材料。这种炉渣不会对环境造成化学污染，沿海地区可以用来填海。 ----运输问题：由于原料运输量大，所以厂址最好选择在沿海或者江河岸边，以利用水运，降低运费。我国山西等省份利用外运煤的车辆，空车返回时载运镍矿，节省运费，也是一个思路。目前建设镍铁厂，要考虑：矿的价格和能源价格还将上涨，但是目前的高镍价有下降的可能，需要慎重决策。４．开创中国原生镍生产的新路：我国在利用红土镍矿生产金属镍和镍铁的工艺技术开发上起步较晚，无论在湿法冶金工艺还是在火法冶金工艺方面都没有形成自己的独特的工艺路线。我们需要急起直追。研究的重点应该放在：湿法冶金的高压酸浸工艺和火法冶金的RKEF工艺两个方面。我国的冶金专家曾经为阿尔巴尼亚做过RKEF工艺生产镍铁的工业性试验，取得了阶段性的成果。利用这些成果，借鉴国外成熟的技术，可以开发出具有中国特色的火法冶金工艺。 我们主要从事钢铁工业发展规划研究和钢铁制造专业的工作，对有色工业的发展方向和镍的冶炼工艺所知有限。这篇文章的内容是我们近年来与国内和国外专家交流，并对国内镍产品生产企业进行调研过程中的一些体会，肯定存在许多问题，甚至存在错误的观点，现在发表出来与同行业的专家讨论，希望得到专家们的指正。(end)

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