CN101270450B

CN101270450B - 一种镍铁合金及其冶炼方法

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Publication number: CN101270450B
Application number: CN2008100710486A
Authority: CN
Inventors: 李大伦; 李倞; 陈默
Original assignee: 李大伦
Current assignee: Liancheng County front metal furnace charge Factory
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2028-05-09
Also published as: CN101270450A

Abstract

一种镍铁合金及其冶炼方法，涉及一种镍铁合金，尤其是涉及一种利用无烟煤取代冶金焦炭作还原剂，在矿热电炉内冶炼镍铁合金的新工艺技术方法。提供一种利用原料的资源丰富易得，价格便宜的无烟煤取代焦炭作还原剂，用石灰粉取代石灰块，镍矿不需烧结而直接进行冶炼，生产成本较低的镍铁合金及其冶炼方法。其组成为Ni、C、Si、P、S、Cr和Fe。原料处理，配料，搅拌；制成矿球，烘干；送入矿热电炉内冶炼，还原反应阶段完成后，出铁，渣铁流至钢包或渣铁盒进行渣铁分离，分离的渣直接流入水碎渣池进行水碎处理，铁水经分离后流入浇铸机或浇铸模具进行铸锭浇铸，制成粗制镍铁合金。

Description

一种镍铁合金及其冶炼方法

技术领域

本发明涉及一种镍铁合金，尤其是涉及一种利用无烟煤取代冶金焦炭作还原剂，在矿热电炉内冶炼镍铁合金的新工艺技术方法。

背景技术

镍铁合金是一种重要的合金材料，其应用十分广泛。目前国内从含Ni1.5～2.5％的氧化镍矿中制取镍铁合金的传统方法主要是采用镍矿进行烧结，用石灰作熔剂，用焦炭作还原剂在矿热电炉内进行选择还原制得镍铁合金产品，以供生产不锈钢使用，其传统生产工艺流程比较复杂。粗制镍铁产品根据客户需求，也可直接销售，也可进一步精炼成精制镍铁进行销售。

传统生产方法生产粗制镍铁的主要设备为矿热电炉，设备容量在1000～25000KVA均可，烧结镍矿一般可用环式烧结机或土法烧结。

传统生产方法对镍矿石、焦炭、无烟煤、石灰的工艺技术条件范围如表1所示。

表1

传统生产方法制备的粗制镍铁产品的质量标准如表2所示。

表2

传统生产方法的配料计算是根据化学反应方程式NiO+C＝Ni+CO↑，原燃材料的化学成分及元素分配，炉渣碱度以及产品的质量控制而进行计算确定配方。现以生产Ni＝10％的粗制镍铁原料配方计算举例如下：

一、合金元素化学成分参见表3。

表3

元素

Ni

C

Si

P

S

Fe

Cr

含量

10

1.5

4

0.05

0.07

83

余量

二、原燃料化学成分参见表4。

表4

三、原燃材料冶炼过程中各元素分配参见表5。

表5

四、配料计量(以1000kg干基镍矿为计算基础)

1.1000kg干基烧结矿入矿热炉后炼制Ni＝10％的产品可得：

①.合金重量：(1000×90％×1.6)÷10％＝144(kg)

②.合金中Si：4％×144＝5.76(kg)

③.合金中Ni：：10％×144＝14.4(kg)

④.合金中Fe：83％×144＝119.52(kg)

2.烧结用无烟煤：按固定碳80％，需10.8％(干基)即108kg。

3.用碳量计算：

①.还原Ni用碳：NiO+C＝Ni+CO↑

12 58

X1 14.4＝＝＞x₁＝2.97(kg)

②.还原Fe用碳：FeO+C＝Fe+CO↑

12 56

X2 119.52＝＝＞x₂＝25.61(kg)

③.还原Si用碳：SiO₂+2C＝Si+2CO↑

24 28

X3 5.74＝＝＞x₃＝4.92(kg)

④.合金含碳：1.5％×144＝2.16＝＝＞x₄＝2.16(kg)

还原其它元素用碳可由电极消耗等补充，可忽略不计。

合计需用碳为：X＝x₁+x₂+x₃+x₄＝35.66(kg)；

⑤.烧结矿含残碳为1.00％，故需用碳量，合计：35.66-1000×1.0％＝25.66(kg)；

⑥.焦炭固定碳80％利用率90％，配方用碳量为35.64(kg)干基。

4.石灰用量计算：(石灰带入SiO₂与MgO相抵可忽略不计)：

①.炉渣碱度按R＝(CaO+MgO)÷SiO₂＝1.1控制；

②.1000Kg镍矿入渣元素量：

SiO₂：1000×39％×90％＝351(kg)；

CaO：1000×2％×95％＝19(kg)；

MgO：1000×27.5％×95％＝261.25(kg)

按R＝1.1计算，

CaO+MgO＝1.1×351＝386.1(kg)

③.需加CaO量为：386.1-19-261.25＝105.85(kg)

④.石灰含CaO：84％，利用率80％，配方中石灰量为：

105.85÷(0.84×0.8)＝156.92≈157.5。

五、原料的配方(干基)为：

镍矿1000kg，无烟煤108kg，焦炭35.64kg，石灰157.5kg。

六、传统方法单位产品消耗计算。

按上述原料条件及合金质量，每吨合金消耗为：

1.电能消耗：7700度/t(包括烧结机用电)；

2.镍矿：6.94吨/吨产品；

5.石灰：1.09吨/吨产品。

传统生产方法单位(电)合金产品综合能耗指标计算：

1.电能：(按每10000度电折等值标准煤3.5t计算)

(7700/10000)×3.5＝2.695吨标煤/t产品；

综合吨合金产品能耗：∑0.67+0.234+2.695t＝3.599吨标煤/t产品。

传统生产方法冶炼粗制镍铁存在的主要工艺缺点在于：

1.镍矿需经过烧结后进入电炉冶炼，烧结工序无烟煤(或焦炭粉)消耗高。如发热量为6000大卡以上无烟煤，烧结耗煤为镍矿的12％以上，烧结设备投资大，运行费用高，污染大；

2.冶炼过程中所用焦炭价格昂贵。以同等固定碳含量的无烟煤相比较，焦炭价格高于无烟煤60％以上，生产成本高；

3.石灰在生产过程中易粉化，消耗高。

中南大学在公开号为CN101033515的发明专利申请中提供一种红土镍矿熔融还原制取镍铁合金工艺，该工艺首先将红土镍矿中的氧化镍和赤铁矿预还原转化为金属镍和金属铁或四氧化三铁，然后利用湿式磁选，使镍铁大幅度富集的同时，脉石及硫、磷等有害元素被脱除，最后将预还原得到的镍铁精矿进行熔融还原制备镍铁合金。该发明具有工艺流程简单，技术指标先进的特点，可适应不同品位的红土镍矿资源；能综合利用红土镍矿中的镍和铁，有助于解决我国铁矿资源紧缺和镍资源奇缺的状况；利用非焦煤或少量焦作还原剂，成本低，环境好；可生产镍6-10％，铁85-90％的镍铁合金，镍铁收率大于85％，硫磷低于0.03％。

宝山钢铁股份有限公司在公开号为CN101144126的发明专利申请中提供一种利用红土矿粉和煤直接还原生产含镍铁合金的方法，其所述方法的工艺流程为：配料——混料——球团——预还原——金属化球团——水冷并破碎——物理分离——含镍铁合金，所述球团的原料为红土矿粉或含镍粉尘，煤粉和粘接剂。该发明的利用红土矿粉和煤直接生产镍铁合金的生产方法可替代传统的矿热炉冶炼方法，为不锈钢的冶炼生产提供了低成本的含镍铁合金，减少含镍铁合金生产对大量电能和块矿资源的依赖，从而显著降低不锈钢的生产成本。该发明的方法生产的所述含镍铁合金为低P、S含量的含镍铁合金。

发明内容

本发明的目的是针对传统生产方法存在的上述缺点，提供一种利用原料的资源丰富易得，价格便宜的无烟煤取代焦炭作还原剂，用石灰粉取代石灰块，镍矿不需烧结而直接进行冶炼，生产成本较低的镍铁合金及其冶炼方法。

本发明所述的镍铁合金的组成及其按质量百分比的含量为：Ni∶C∶Si∶P∶S∶Cr＝(5％～20％)∶(1.0％～2.0％)∶(1.0％～4.5％)∶(0.03％～0.15％)∶(0.01％～0.07％)∶(1.0％～2.5％)，余量为Fe。

本发明所述的镍铁合金的冶炼方法包括以下步骤：

1)原料处理：

①将氧化镍矿石筛分并破碎至粒度为10mm以下，筛下物≤5mm；

②将无烟煤进行筛分破碎；无烟煤筛下物≤1mm，筛上物经对滚破碎至2mm以下；

2)按质量百分比，对处理好的原料氧化镍矿石、石灰粉、无烟煤按氧化镍矿石∶无烟煤∶石灰＝(82％～86％)∶(3％～5％)∶(11％～13％)(根据原料化学成分及水份进行配料计算调整)配料，搅拌，搅拌过程中加入粘结剂，并将水份控制在7％～12％；

3)将搅拌后的原料制成矿球，烘干；

4)将烘干后的矿球送入矿热电炉内进行冶炼，冶炼操作按每出一炉铁水为一个冶炼周期，每个冶炼周期根据矿热炉容量分3个阶段进行操作；

阶段1：炉料矿球加温，加温的温度为900～910℃，加温的时间为30～90min；

阶段2：化料阶段，化料时间为60～180min，化料的温度为1100～1500℃；

阶段3：还原反应阶段，还原反应阶段时间为60～120min，还原反应阶段的温度为1100～1300℃；

5)还原反应阶段完成后，出铁，出铁后用堵眼材料封堵出铁口，可继续进行第2个冶炼周期操作；

6)渣铁流至钢包或渣铁盒进行渣铁分离，分离的渣直接流入水碎渣池进行水碎处理，铁水经分离后流入浇铸机或浇铸模具进行铸锭浇铸，制成粗制镍铁合金。

粘结剂最好选自水玻璃或聚炳稀酸铵，按质量百分比，粘结剂的加入量按质量百分比为氧化镍矿石总量的3％～5％。

在步骤3)中，所述烘干，最好烘干至按质量百分比矿球中的水份≤3％，烘干温度最好控制在200～500℃。

若客户要求精制镍铁合金产品，则分离后的铁水可不必浇铸，而直接流入另一个钢包吊运至精炼炉(电孤炉或AOD吹氧炉)热装进行精炼处理，经精炼工序炼制出精制镍铁合金。

本发明方法与传统工艺方法比较，其主要优点在于：

1.无烟煤资源易得，单价低。无烟煤单价只有焦炭单价的35％左右，生产费用大幅降低。

2.原料加工工序投资省。原料加工系统同等生产能力与环式烧结机相比较，可节省投资60％左右。

3.节能减排效果显著。以吨合金产品计算，传统生产方法与本发明方法比较：

①节煤：折算为标煤，由0.904t下降为0.4833t，下降46.5％(节约焦炭合计0.992-0.537＝0.455吨，含S％＝0.7)。

②节电：由原7700度下降为7300度，下降5.19％。

综合能耗节约：(折算为标煤)由原3.599t下降为3.0383t，下降0.561吨标煤。综合能耗节约0.561÷3.599＝15.6％。

③减排：按化学反应方程式(吨产品)减少一氧化碳排放量

NiO+C＝Ni+CO↑

12∶28

0.455×0.84∶x

即x＝(28×0.455×0.84)÷12＝0.892(吨)。

吨产品可根据理论推算减少CO气体排放0.892吨，折算为金属量即本发明方法每生产吨金属量镍铁合金与传统方法相比可减少CO气体排放量8.92吨。减少SO₂气体排放量为：排放S，0.455×0.7％×0.6＝1.91kg/t产品，折算SO₂气体排放量为X＝(64÷32)×1.91％＝3.82kg/t产品，吨金属量减少SO₂气体排放38.2kg。

4.石灰用量节约：

由于传统工艺配方，石灰极易粉化，且入炉过程中因与镍矿接触表面较小，石灰利用率低。本发明方法克服了上述缺点，石灰利用率提高15％，相应节约石灰量15％。

具体实施方式

配料计算原理与传统方法一样，举例计算如下：

一、产品质量化学成分与背景技术中的实例相同，参见表3。

二、原燃材料化学成分参见表4。

三、原燃料冶炼过程中的元素分配参见表5。

四、配料计算(以1000kg干基镍矿为计算基础)

1.1000kg干基镍矿炼制含Ni＝10％的合金，其重量分别为：

①.合金重量：(1000×90％×1.6)÷10％＝144(kg)；

②.合金中Si重：4％×144＝5.76(kg)；

③.合金中Ni重：10％×144＝14.4(kg)；

④.合金中Fe重：83％×144＝119.52(kg)。

2.用碳量计算：

①.还原Ni用碳：NiO+C＝Ni+CO↑

12∶28

X₁∶14.4＝＝＞x₁＝2.97(kg)；

②.还原Fe用碳：FeO+C＝Fe+CO↑

12∶56

X₂∶119.52＝＝＞x₂＝25.61(kg)；

③.还原Si用：SiO₂+2C＝Si+2CO↑

24∶28

X₃∶5.74＝＝＞x₃＝4.92(kg)；

④.合金含碳：1.5×144＝2.16＝＝＞x₄＝2.16(kg)；

⑤.还原其它元素用碳可由电极消耗等补充，忽略不计。

合计需用碳：∑X＝X₁+X₂+X₃+X₄＝35.66

⑥.料批配方用无烟煤量为：

35.66÷(C固％×C利用率％)＝35.66÷(0.8×0.8)＝55.72(kg)。

3.石灰用量计算：(石灰带入SiO₂与MgO可忽略不计)

①.炉渣碱度：R＝(CaO+MgO)÷SiO₂＝1.1

②.1000kg镍矿入渣元素量：

SiO₂：1000×39％×90％＝351(kg)；

CaO：1000×2％×95％＝19(kg)；

MgO：1000×27.5％×95％＝261.25，

按R＝1.1控制，CaO+MgO＝1.1×351＝386.10(kg)。

③.需加CaO量为：386.1-19-261.25＝105.85(kg)。

④.配方中石灰配入量：105.85÷(0.84×0.95)＝132.64(kg)

五、本发明方法干基原料配方为：

镍矿无烟煤石灰

1000(kg) 55.72(kg) 132.64(kg)

六、本发明方法单位(吨)合金原燃料消耗为：

1.电能消耗：7300度/吨产品(包括原料制备用电)；

2.镍矿消耗：6.94t/t产品；

5.石灰消耗：0.921t/t产品；

本发明方法单位(吨)合金产品的综合能耗指标计算(折合标准煤耗)：

1.电能：(按每1000度电折3.5t标煤计)7300/10000×3.5＝2.555t/吨产品；

2.无烟煤：折合标煤0.9(0.387+0.15)＝0.4833t/t产品；

综合吨产品能耗：3.0383吨标煤/吨产品。

以下给出具体的工艺操作步骤。

第一步：原料处理。由于镍矿石(红土矿)约70％的粉状，30％为块矿。首先需将块矿筛分并破碎至10mm以下，筛下物≤5mm；石灰进行消化处理为粉灰，无烟煤进行筛分破碎；筛下物≤1mm，筛上物经对滚破碎至2mm以下。

第二步：对处理好的原料，镍矿、消石灰、无烟煤按化学成分及水份经配料计算后，按配比经配料机-皮带输送机送入搅拌机进行匀混搅拌，搅拌过程中加入粘结剂(水玻璃或聚炳稀酸铵粘结剂)，并将水份控制在7％～12％。

第三步：混匀搅拌好的配方原燃料从搅拌机出口经皮带机输送至制球机，制球机制球后经输送带输送至立式烘干炉(或筒式烘干机)进行烘干处理，烘干温度控制在200～500℃，矿球经烘干，水份≤3％后可入仓备用或直接热矿送入矿热电炉。

第四步：制备好的矿球(或热矿)送入矿热电炉内进行冶炼，冶炼操作按每出一炉铁水为一个冶炼周期，每个冶炼周期分三个阶段进行操作：

阶段1：炉料加温，占冶炼周期时间(从加料到出铁水)20％左右，该阶段应一次性集中加料，料应加至平炉口，保温焖烧；该阶段用电负荷应由额定负荷的60％逐步上升至满负荷运行。

阶段2：化料阶段，占冶炼周期时间50％.该阶段的操作应将炉料面加至炉口上200mm左右，并保持三相电极电流平衡，满负荷运行，保持料面成平顶圆锥状，料面下沉应及时补加，减少热损失。

阶段3：还原反应阶段，占冶炼周期时间30％。该阶段操作应视炉况，适当提升电极，用电负荷在80％左右运行，加料操作应勤加、薄盖，保持料面平顶圆锥，不能刺火。

以上三阶段冶炼周期结束，即可出铁。注意冶炼周期的确定以矿热炉容量大小确定；一般情况1000～2400KVA矿热炉冶炼周期6～8h；2400～6300KVA矿热炉冶炼周期4～6h；6300～125000KVA矿热炉冶炼周期4h；1250～25000KVA矿热炉冶炼周期2.5～4h。

第五步：出铁操作。出铁操作前先检查，浇铸机或浇铸模是否干燥不潮湿，如无误，方可打开出铁口放出渣铁，待出铁口渣铁基本出净后，可迅速用堵眼材料堵紧堵牢出铁口后，可继续进行第二个冶炼周期操作，电炉昼夜连续生产。

第六步：渣铁流至钢包或渣铁盒进行渣铁分离，分离的渣直接流入水碎渣池进行水碎处理，铁水经分离后流入浇铸机或浇铸模具进行铸锭浇铸，铸成≤50kg/块重的粗制镍铁合金。

本发明方法与传统方法相比较经济效益计算(主要计算能源成本和石灰成本部分)如下：

(一)、计算单价依据：

1.电：0.50元/度；

2.焦炭(C固＝80％)：2300元/吨；

3.无烟煤(洗煤，C固＝80％)：800元/吨；

4.石灰(CaO＝84％)：300元/吨。

(二)、产品质量要求：Ni＝10％，Si＝4％，P＝0.05％，S＝0.07％，C＝1.5％。

(三)、传统方法吨产品能源和石灰消耗成本费用：以背景技术中的实例消耗计算。

1.电费：7700度×0.50＝3850；

2.焦炭：0.247×2300＝568.10；

3.无烟煤：0.745×800＝596；

4.石灰：1.09×300＝327；

合计费用∑3850+568.1+596+327＝5341.10元(人民币)。

(四)、本发明方法吨产品能源和石灰消耗成本费用：以上述实施例的消耗计算。

1.电费：7300×0.5＝3650；

2.无烟煤：(0.387+0.157)×800＝429.60；

3.石灰：0.921×300＝276.30；

合计费用∑3150+429.60+276.30＝4355.90元。

本发明方法与传统方法相比较，生产含Ni％＝10的同牌号产品，每吨合金产品可节约生产费用：5341.1-4355.9＝985.2元(人民币)。折合金属吨为：每生产吨金属量镍铁合金可节约生产费用9852元人民币。

综上所述，本发明每生产吨金属量镍铁合金可节约综合能耗(折算为标煤)0.561×10＝5.61吨标煤，可节约生产费用9852元，可减少CO气体排放8.92吨，减少SO₂气体排放38.2kg。若全国镍铁合金产量按30万吨金属量计算，本发明方法推广应用后，可年节约标煤30万×5.61＝168.3万吨，减少CO气体排放267.6万吨，减少SO₂气体排放量1.146万吨，效益显著。

Claims

1.一种镍铁合金的冶炼方法，其特征在于，

所述镍铁合金其组成及其按质量百分比的含量为：Ni∶C∶Si∶P∶S∶Cr＝(5％～20％)∶(1.0％～2.0％)∶(1.0％～4.5％)∶(0.03％～0.15％)∶(0.01％～0.07％)∶(1.0％～2.5％)，余量为Fe；

所述冶炼方法包括以下步骤：

1)原料处理：

①将氧化镍矿石筛分并破碎至粒度为10mm以下，筛下物≤5mm；

2)按质量百分比，对处理好的原料氧化镍矿石、石灰粉、无烟煤按氧化镍矿石∶无烟煤∶石灰＝(82％～86％)∶(3％～5％)∶(11％～13％)配料，搅拌，搅拌过程中加入粘结剂，并将水份控制在7％～12％；

3)将搅拌后的原料制成矿球，烘干；

2.如权利要求1所述的一种镍铁合金的冶炼方法，其特征在于粘结剂选自水玻璃或聚丙烯酸铵。

3.如权利要求1或2所述的一种镍铁合金的冶炼方法，其特征在于按质量百分比，粘结剂的加入量按质量百分比为氧化镍矿石总量的3％～5％。

4.如权利要求1所述的一种镍铁合金的冶炼方法，其特征在于在步骤3)中，所述烘干，烘干至按质量百分比矿球中的水份≤3％。

5.如权利要求1所述的一种镍铁合金的冶炼方法，其特征在于烘干温度控制在200～500℃。