CN101323898A - 粗制镍铁氧气一步除杂精炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种粗制镍铁氧气一步除杂精炼方法，将粗制镍铁在精炼炉内金属炉料全部熔化后，或直接将电炉或高炉冶炼出来的粗制镍铁铁水倒在精炼炉内，按一定比例配料后加入碳酸钠、石灰石、萤石组成的复合造渣助剂及还原剂硅铁混合定进行吹炼，投入造渣助剂和还原剂10～20分钟后，向精炼炉内通过顶吹或底吹方式输送氧气，吹炼时间15～40分钟，吹炼温度1450℃～1700℃，将氧化精炼制得的镍铁合金液注入铁水包内进行浇铸，冷却脱模后即可制得所需合格的精制镍铁合金产品；本发明只在一个炉内一次性操作，就把粗镍铁中的各种杂质元素一次性脱除，可以按产品标准或客户要求进行灵活控制，适用于生产各种牌号精制镍铁产品。
Description
技术领域
本发明涉及火法精制镍铁合金的冶金技术，是一种从粗制镍铁合金中冶炼精制镍铁合金的氧气一步除杂精炼方法。
背景技术
众所周知，镍是冶金行业中重要的合金元素，由于镍金属具有独特的性能，在生产特殊钢、高温合金、精密合金、耐热合金、形态记忆合金、储氢合金、电子及电气电池、磁性材料、传感器和化学催化剂等众多技术领域中都具有非常广泛的应用，镍合金材料在国民经济建设和国防军事建设中都占有十分重要的地位，属于重要的战略金属。同时，随着全球不锈钢和特殊钢的广泛应用，造成冶炼不锈钢和特殊钢的最主要元素一一镍金属供应短缺，引起价格飞涨。
从全球不锈钢产量看，近几年来，不锈钢产量呈现稳步增长的态势，2008年的产量预计在3000万吨左右。我国不锈钢生产从2000年开始大幅度增长，2006年已经超过日本的400万吨/年，一直稳居世界第一位，2008年预计生产760万吨。世界上2/3的镍消费用于生产不锈钢，简单计算，镍/不锈钢比值一般为4％，所以，2008年我国仅不锈钢用镍消费量就达在30万吨以上，据估计，我国在2010年不锈钢的产量将达到1000万吨，镍消费量达到40万吨的规模。从国际不锈钢生产技术来看，不锈钢生产主要原料为合格的精制镍铁，因此达到国际标准的精制镍铁市场需求空间非常广阔。
目前，国内所有用红土镍矿生产镍铁的生产工艺，一般是采用高炉和电炉，镍铁冶炼技术基本上属于粗放型、小规模、低技术、高污染的状况，生产出来的镍铁指标为：Ni：：6～12％、S：0.1～1％、P：0.08～0.15％、Si：0.3～7.5％、C：1～7％、Cr：0.6～3％。
国内目前还没有哪家公司生产出的镍铁各项指标能同时达到国际发达国家的镍铁标准：Ni：≥16％、S：≤0.03％、P：≤0.03％、Si：≤0.2％、C：≤1％、Cr：0.1～2.5％。
随着国家行业整合度进一步提高，镍铁生产工艺将向集约型、大规模、完整工艺、低污染、低成本高技术型方向发展，因此开发达到发达国家精制镍铁指标的镍铁生产工艺技术和方法，对我国的镍铁发展至关重要。如何寻找一种冶炼工艺或精炼方法，把粗镍铁中有害金属元素脱除到下游产品需求的指标，已成为镍冶炼行业内急待解决的课题。当前国内外开发出来的生产方法一般为两步法或是三步法，生产成本较高。
发明内容
本发明的目的是解决国内现有高炉、电炉冶炼镍铁方法炼出的粗镍铁产品杂质含量高、镍含量低，炼不出国际上精制镍铁的技术难题。同时解决的技术难题是克服国外现有技术在粗制镍铁精炼除杂过程中，工艺分为几步进行，工艺流程过长，导致投资和运行成本增加的技术难题。因此本发明提出一种在同一精炼炉内进行吹炼，一步除去镍铁合金中有害杂质元素的精炼方法，即粗制镍铁氧气一步除杂精炼方法。
本发明为一步法，所有杂质均在同一炉内脱除，工艺流程简单，操作简便，可调、有效，相对于目前国内外同类技术，投资成本和运行成本更低，更具市场价值。因此无论是对粗镍铁的精炼技术还是对投资成本和运行成本来说，都更具有重要推广意义和市场价值。
本发明采用下述技术方案实现其发明目的：将成份按重量％为Ni：6～12％、S：0.1～1％、P：0.08～0.15％、Si：0.3～7.5％、C：1～7％、Cr：0.6～3％的粗制镍铁放在精炼炉内进行熔炼，在精炼炉内金属炉料全部熔化后，或直接将电炉或高炉冶炼出来的粗制镍铁铁水倒在精炼炉内后，具体步骤按以下次序进行：
A、加入复合造渣助剂及还原剂硅铁：
①复合造渣助剂包括：碳酸钠、石灰石、萤石，
②根据粗制镍铁成份与复合造渣助剂以及还原剂成份按以下重量百分比例配料后混合投入：
粗制镍铁∶碳酸钠∶石灰石∶萤石∶还原剂＝100∶1～10∶3～18∶1～6∶1～3，其中石灰石成分按重量百分比为：CaO不低于85％、P＜0.02％、S＜0.2％，粒度5～30mm；萤石中CaF2＞70％，粒度5～30mm；硅铁为75硅，粒度5～30mm；碳酸钠为市场上出售的标准。
B、投入造渣助剂和还原剂10～20分钟后，通过气源接管接通气源，向精炼炉内输送气源气体，所述气源气体是氧气和氩气；顶部为氧气，底部为氩气搅拌。
C、吹炼方式：顶吹、通过透气砖底吹和顶底复合吹炼三种吹炼方式，顶吹气源气体压力为0.2～0.4MPa，底吹气源气体压力1.4～4Mpa；顶底复合吹炼时，顶部气源气体为氧气，底部气源气体为氩气。
D、吹炼时间：15～40分钟，
E、吹炼温度：1450℃～1700℃，
待精炼反应完成后，磷、硫、碳、硅等杂质元素大部份分别生成稳定化合物进入渣相，倾渣后即制得合格的精制镍铁合金液，吹炼渣返回电炉或高炉熔炼回收镍。
F、精制镍铁合金产品：
将氧化精炼制得的镍铁合金液注入铁水包内进行浇铸，冷却脱模后即可制得所需合格的精制镍铁合金产品。精制镍铁合金成份可根据客户需求控制在Ni：16～50％、S：0.02～0.001％、P：0.02～0.004％、Si：0.2～0.001％、C：0.1～0.001％、Cr：0.5～0.03％。
本发明中所述的精炼炉为非真空中频感应炉、LF炉、转炉、电弧炉、工频感应炉、AOD炉、VOD炉，在以上操作过程中，当精炼炉为LF炉、转炉、AOD炉、VOD炉时，如果是使用顶吹方式操作时需要同时从底部吹入氧气或氩气进行搅拌，所述各种精炼炉在炼钢过程中均为成熟操作技术和设备，在本发明中，只是将该类设备用于镍铁的精炼，同时对精炼炉标准设备进行简单改造，即在顶部或底部加上透气砖气源接管接通气源，向精炼炉内输送气源气体。
本发明具有如下优点和积极效果：
1、整个工艺流程简捷、合理。仅用一步法进行吹炼操作，即只在一个炉内一次性操作，就完全可以把粗镍铁中的各种杂质元素一次性脱除。
2、本发明生产所得精制镍铁合金中的C、Si、P、S、Cr等各种杂质以及镍品位可以按产品标准或客户要求进行灵活控制，适用于生产各种牌号精制镍铁产品，应用范围广阔；此种方法还可以生产超纯镍铁。
3、本发明对原料的适应性强，能适应成分复杂、波动大及各种成份不同的粗镍铁的精炼，有较好的推广价值。
4、本发明工艺简捷，便于规模化实施，直接用于大型工业化生产。
5、氧气一步法生产的精制镍铁合金中，对各杂质元素的杂质含量远远低于国内外公布的数据，即氧气一步法生产的精制镍铁达到的标准更高。
6、对改进和简化镍铁冶炼工艺将更具市场价值和行业推广意义。
具体实施方式
实施例1：冷料顶吹
本实施例中应用的精炼炉为容量160kg的顶吹式非真空中频感应炉，原料为红河恒昊矿业股份公司华通锰业生产的粗制镍铁，成份见表1，
表1 粗制镍铁化学成分表(重量％)
| Ni | P | S | C | Si | Cr | Cu | Co | Mn |
| 10.84 | 0.111 | 0.107 | 2.95 | 4.54 | 1.83 | 0.084 | 0.07 | 0.13 |
将100kg粗制镍铁放在精炼炉内进行升温熔炼，在精炼炉内金属炉料全部熔化后按以下次序实施具体步骤：
A、合金液温度1470℃，加入复合造渣助剂和还原剂，配方如下：
B、投入复合造渣助剂和还原剂10分钟后，通过气源接管接通气源，所述气源气体是氧气；根据工况调整气体调节器上设置的调节阀，向精炼炉内输送氧气。
C、吹入氧气方式为顶吹，顶吹压力为0.2Mpa，
D、吹炼时间：20分钟，
E、吹炼温度：1450℃～1700℃，
F、精制镍铁合金产品：本实例生产出的产品指标见表2，
表2 精制镍铁化学成分表(重量％)
| Ni | P | S | C | Si | Cr | Cu | Co | Mn |
| 19.25 | 0.007 | 0.0041 | 0.0054 | 0.044 | 0.018 | 0.14 | 0.24 | 0.0009 |
。
实施例2：冷料顶吹
本实施例中的精炼炉为容量160kg的顶吹式非真空中频感应炉，原料为红河恒昊矿业股份公司华通锰业生产的粗制镍铁，成份见表3
表3 粗制镍铁化学成分表(重量％)
| Ni | P | S | C | Si | Cr | Cu | Co | Mn |
| 10.93 | 0.089 | 0.126 | 2.89 | 4.66 | 1.39 | 0.11 | 0.072 | 0.083 |
将100kg粗制镍铁放在精炼炉内进行升温熔炼，在精炼炉内金属炉料全部熔化后按以下次序实施具体步骤：
A、合金液温度1470℃，加入复合造渣助剂，配方如下：
B、投入复合造渣助剂和还原剂10分钟后，通过气源接管接通气源，所述气源气体是氧气；根据工况调整气体调节器上设置的调节阀，向精炼炉内输送氧气。
C、吹入氧气方式为顶吹，顶吹压力为1.5MPa。
D、吹炼时间：40分钟，
E、吹炼温度：1450℃～1700℃，
F、精制镍铁合金产品：本实例生产出的产品指标见表4，
表4 精制镍铁化学成分表(重量％)
| Ni | P | S | C | Si | Cr | Cu | Co | Mn |
| 54.91 | 0.004 | 0.002 | 0.001 | 0.076 | 0.004 | 0.2 | 0.29 | 0.001 |
实施例3：热料顶吹
本实施例中应用的精炼炉为容量160kg的顶吹式非真空中频感应炉，原料为红河恒昊矿业股份公司华通锰业生产、刚出电炉的粗制镍铁合金液体，成份见表5，
表5 粗制镍铁化学成分表(重量％)
| Ni | P | S | C | Si | Cu | Co | Mn | Cr |
| 9.1 | 0.111 | 0.623 | 3.15 | 0.163 | 0.48 | 0.12 | 0.14 | 0.177 |
将刚出炉的粗制镍铁合金液110kg，计量后倒入非真空中频感应炉内，具体步骤按以下次序进行：
A、合金液温度1457℃，加入复合造渣助剂和还原剂，配方如下：
B、投入复合造渣助剂15分钟后，通过气源接管接通气源，所述气源气体是氧气；根据工况调整气体调节器上设置的调节阀，向精炼炉内输送氧气。
C、吹入氧气方式为顶吹，压力为0.2MPa。
D、吹炼时间：25分钟，
E、吹炼温度：1450℃～1700℃，
F、精制镍铁合金产品：本实例生产出的产品指标见表6，
表6 精制镍铁化学成分表(重量％)
| Ni | P | S | C | Si | Cu | Co | Mn | Cr |
| 24.54 | 0.0054 | 0.02 | 0.051 | 0.0001 | 0.0076 | 0.129 | 0.29 | 0.0003 |
实施例4：电弧炉冷料顶吹
本实施例中应用的精炼炉为容量3t的顶吹式电弧炉，电弧炉参数为：额定容量3t，最大容量为5t，炉壳内径2.5m，电极直径200mm。原料为红河恒昊矿业股份公司华通锰业生产的粗制镍铁，成份见表7，
表7 粗制镍铁化学成分表(重量％)
| Ni | P | S | C | Si | Cr | Cu | Co | Mn |
| 10.93 | 0.089 | 0.126 | 2.89 | 4.66 | 1.39 | 0.11 | 0.072 | 0.083 |
将1000kg成品粗制镍铁放在精炼炉内进行升温熔炼，在精炼炉内金属炉料全部熔化后实施，具体步骤按以下次序进行：
A、合金液温度1510℃，加入复合造渣助剂和还原剂，配方如下：
B、投入复合造渣助剂和还原剂15分钟后，通过气源接管接通气源，所述气源气体是氧气；根据工况调整气体调节器上设置的调节阀，向精炼炉内输送氧气。
C、吹入氧气方式为顶吹，顶吹压力为0.3MPa。
D、吹炼时间：15分钟，
E、吹炼温度：1450℃～1700℃，
F、精制镍铁合金产品：本实例生产出的产品指标见表8，
表8 精制镍铁化学成分表(重量％)
| Ni | P | S | C | Si | Cr | Cu | Co | Mn |
| 15.81 | 0.009 | 0.0081 | 0.019 | 0.033 | 0.038 | 0.15 | 0.26 | 0.0006 |
实施例5：工频炉冷料顶吹
本实施例中应用的精炼炉为容量0.5t的顶吹式工频感应炉，工频感应炉参数为：额定容量0.5t，感应输入功率450KW，感应器额定电压380V，相数3。原料为红河恒昊矿业股份公司华通锰业生产的粗制镍铁，成份见表9
表9 粗制镍铁化学成分表(重量％)
| Ni | P | S | C | Si | Cr | Cu | Co | Mn |
| 10.84 | 0.111 | 0.107 | 2.95 | 4.54 | 1.83 | 0.084 | 0.07 | 0.13 |
将1000kg成品粗制镍铁放在精炼炉内进行升温熔炼，在精炼炉内金属炉料全部熔化后实施，具体步骤按以下次序进行：
A、加入复合造渣助剂和还原剂，合金液温度1460℃，配方如下：
B、投入复合造渣助剂和还原剂15分钟后，通过气源接管接通气源，所述气源气体是氧气；根据工况调整气体调节器上设置的调节阀，向精炼炉内输送氧气。
C、吹入空气方式为顶吹，顶吹压力为0.3MPa。
D、吹炼时间：20分钟，
E、吹炼温度：1450℃～1700℃，
F、精制镍铁合金产品：本实例生产出的产品指标见表10，
表10 精制镍铁化学成分表(重量％)
| Ni | P | S | C | Si | Cr | Cu | Co | Mn |
| 21.17 | 0.01 | 0.009 | 0.019 | 0.029 | 0.028 | 0.15 | 0.2 | 0.0008 |
。
实施例6：工频炉热料顶吹
本实施例中应用的精炼炉为容量0.5t的顶吹式工频感应炉，工频感应炉参数为：额定容量0.5t，感应输入功率450KW，感应器额定电压380V，相数3。原料为红河恒昊矿业股份公司华通锰业生产、刚出电炉的粗制镍铁合金液体，成份见表9，
表11 粗制镍铁化学成分表(重量％)
| Ni | P | S | C | Si | Cr | Cu | Co | Mn |
| 10.84 | 0.111 | 0.107 | 2.95 | 4.54 | 1.83 | 0.084 | 0.07 | 0.13 |
将刚出炉的粗制镍铁合金液400kg，计量后倒入精炼炉内，具体步骤按以下次序进行：
A、合金液温度1470℃，加入复合造渣助剂和还原剂，配方如下：
B、投入复合造渣助剂和还原剂20分钟后，通过气源接管接通气源，所述气源气体是氧气；根据工况调整气体调节器上设置的调节阀，向精炼炉内输送氧气。
C、吹入氧气方式为顶吹，顶吹压力为0.4MPa。
D、吹炼时间：15分钟，
E、吹炼温度：1450℃～1700℃，
F、精制镍铁合金产品：本实例生产出的产品指标见表10，
表12 精制镍铁化学成分表(重量％)
| Ni | P | S | C | Si | Cr | Cu | Co | Mn |
| 17.88 | 0.012 | 0.008 | 0.017 | 0.009 | 0.011 | 0.14 | 0.22 | 0.0017 |
。
实施例7：转炉热料顶底吹
本实施例中应用的精炼炉为容量5吨转炉，原料为红河恒昊矿业股份公司华通锰业生产的钢出电炉的粗制镍铁合金液体，成份见表13，
表13 粗制镍铁化学成分表(重量％)
| Ni | P | S | C | Si | Cr | Cu | Co | Mn |
| 9.4 | 0.109 | 0.223 | 3.45 | 0.363 | 1.48 | 0.12 | 0.17 | 0.187 |
将刚出炉的粗制镍铁合金液1200kg，计量后倒入精炼炉内，具体步骤按以下次序进行：
A、加入复合造渣助剂和还原剂，合金液温度1460℃，配方如下：
B、投入复合造渣助剂15分钟后，通过气源接管接通气源，所述气源气体是氧气和氩气；根据工况调整气体调节器上设置的调节阀，向精炼炉内输送氧气和氩气。
C、吹炼方式为顶底复合吹，顶吹入气源气体为氧气，顶吹压力为0.2MPa。底吹入气源气体为氩气，底吹压力为3MPa。
D、吹炼时间：20分钟，
E、吹炼温度：1450℃～1700℃，
F、精制镍铁合金产品：本实例生产出的产品指标见表14
表14 精制镍铁化学成分表
| Ni | P | S | C | Si | Cr | Cu | Co | Mn |
| 20.54 | 0.0054 | 0.006 | 0.001 | 0.0001 | 0.076 | 0.129 | 0.29 | 0.0003 |
实施例8：LF炉热料顶底吹
本实施例中应用的精炼炉为容量20吨LF炉，该LF炉参数为：实际装入量13～23吨，钢桶尺寸外径2200mm，内径1676mm，总高2300mm，内高1995mm，在额定容量时熔池深1260mm。原料为红河恒昊矿业股份公司华通锰业生产的钢出电炉的粗制镍铁合金液体，成份见表15，
表15 粗制镍铁化学成分表
| Ni | P | S | C | Si | Cr | Cu | Co | Mn |
| 10.84 | 0.111 | 0.107 | 2.95 | 4.54 | 1.83 | 0.084 | 0.07 | 0.13 |
由于红河恒昊矿业股份公司华通锰业生产现场没有建设LF炉，为模拟实现热料情况，采取先将成品粗制镍铁冷料投放到电弧炉中熔化，待粗镍铁合金液温度达到电炉出炉温度状态时，再将合金液倒入LF精炼炉内，重量为6000kg，具体步骤按以下次序进行：
A、加入复合造渣助剂和还原剂，合金液温度1510℃，配方如下：
B、投入造渣助剂15分钟后，通过气源接管接通气源，所述气源气体是氧气和氩气；根据工况调整气体调节器上设置的调节阀，向精炼炉内输送氧气和氩气。
C、吹炼方式为顶底复合吹，顶吹入气源气体为氧气，顶吹压力为0.2MPa。底吹入气源气体为氩气，底吹压力为3MPa。
D、吹炼时间：20分钟
E、吹炼温度：1450℃～1700℃
F、精制镍铁合金产品：本实例生产出的产品指标见表16
表16 精制镍铁化学成分表
| Ni | P | S | C | Si | Cr | Cu | Co | Mn |
| 21.44 | 0.009 | 0.005 | 0.004 | 0.009 | 0.096 | 0.149 | 0.39 | 0.0007 |
本发明出来后，在研究实验的实际操作过程中，因我公司没有AOD炉、VOD炉，所以没有这几种炉子的实验数据，但理论上这几种精炼炉子的操作控制条件要比转炉、电弧炉、工频感应炉和非真空感应炉更为理想，因此把以上几种炼钢精炼炉用于粗制镍铁的精炼及本发明一步精炼除杂方法，同样可靠可行，而且效果会更理想。
Claims (7)
1、粗制镍铁氧气一步除杂精炼方法，其特征在于将成份按重量％为Ni：6～12％、S：0.1～1％、P：0.08～0.15％、Si：0.3～7.5％、C：1～7％、Cr：0.6～3％的粗制镍铁放在一个精炼炉内进行熔炼得到精制镍铁，具体步骤如下：
A、将粗制镍铁放在精炼炉内，金属炉料全部熔化后，加入复合造渣助剂及还原剂硅铁进行吹炼：
①复合造渣助剂包括：碳酸钠、石灰石、萤石，
②根据粗制镍铁的重量份，复合造渣熔剂以及还原剂按以下重量百分比例配料后混合投入：
粗制镍铁∶碳酸钠∶石灰石∶萤石∶还原剂＝100∶1～10∶3～18∶1～6∶1～3；
B、投入复合造渣助剂和还原剂10～20分钟后，通过气源接管接通气源，向精炼炉内输送气源气体，所述气源气体是氧气和氩气；
C、吹炼方式：顶吹、通过透气砖底吹和顶底复合吹炼三种吹炼方式，顶吹气源气体压力为0.2～0.4MPa，底吹气源气体压力1.4～4Mpa；顶底复合吹炼时，顶部气源气体为氧气，底部气源气体为氩气搅拌，吹炼时间：15～40分钟，吹炼温度为1450℃～1700℃；
D、将氧化精炼制得的镍铁合金液注入铁水包内进行浇铸，冷却脱模后即可制得所需的精制镍铁合金产品。
2、根据权利要求1所述的粗制镍铁氧气一步除杂精炼方法，其特征在于直接将电炉或高炉冶炼出来的粗制镍铁铁水送入精炼炉内，加入复合造渣助剂及还原剂硅铁进行吹炼。
3、根据权利要求1所述的回转窑红土镍矿富集镍铁精矿的方法，其特征在于所述精炼炉为现有的非真空中频感应炉或LF炉或转炉或电弧炉或工频感应炉或AOD炉或VOD炉；在炉体顶部或底部装上用于接通气源的透气砖气源接管，向精炼炉内输送气源气体。
4、根据权利要求3所述的回转窑红土镍矿富集镍铁精矿的方法，其特征在于精炼炉为LF炉、转炉、AOD炉、VOD炉时，使用顶吹方式操作时同时从底部吹入氧气或氩气进行搅拌。
5、根据权利要求1所述的回转窑红土镍矿富集镍铁精矿的方法，其特征在于复合造渣助剂中的石灰石按重量百分比为：CaO不低于85％、P＜0.02％、S＜0.2％，粒度5～30mm。
6、根据权利要求1所述的回转窑红土镍矿富集镍铁精矿的方法，其特征在于萤石中CaF2＞70％，粒度5～30mm。
7、根据权利要求1所述的回转窑红土镍矿富集镍铁精矿的方法，其特征在于硅铁为75硅，粒度5～30mm。
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