CN103276278A - 一种用于红土镍矿冶炼的熔融还原炉 - Google Patents

Abstract

一种用于红土镍矿冶炼的熔融还原炉，属于镍铁生产领域。本发明为斜竖井入料区、二次燃烧区、预熔送料区、熔融还原区和保温沉淀区五个区域；采用氧气烧嘴对炉气进行二次燃烧，并利用调节煤氧枪的喷吹压力改善对熔体进行搅拌达到改善反应动力学条件。采用本发明熔融还原炉，能将主要含有Ni：1.52％～3.16％Fe：9.58％～39.58的红土镍矿完成干燥脱水、焙烧、控制性还原、熔融分离渣和金属，生产出含有Ni：13％～20％的镍铁合金产品。生产工艺可以采用红土镍矿原矿压球，也可直接投入炉内冶炼，相对于增加冷料干燥过程，可大幅降低生产成本。

Description

一种用于红土镍矿冶炼的熔融还原炉

技术领域

本发明属于镍铁生产领域，涉及一种用红土镍矿冶炼镍铁的熔融还原设备及工艺，适用于冶炼红土镍矿。

背景技术

含镍矿石类型主要包括硫化镍矿和氧化镍矿(也称红土镍矿)，以前各国主要以硫化镍矿为原料，通过电炉冶炼；近年来由于硫化镍矿资源已濒临枯竭，世界各国的镍冶炼企业纷纷把目光转移到氧化镍矿资源的开采和利用上来。

对红土镍矿的冶炼大致可分为湿法冶炼工艺和火法冶炼工艺。采用湿法冶炼对红土镍矿进行处理，可得到的产品主要是镍的硫化物或氧氧化物，但由于该工艺存在诸如：生产后的废渣废液对环境污染严重、工程建设投资大、设备维护费用高、适合湿法冶炼的资源少等缺点，因此目前红土镍矿冶炼企业较少选择此工艺。采用火法冶炼生产出的产品主要为镍铁，目前主要包括高炉冶炼工艺(BF)、回转窑+矿热炉工艺(RKEF)和回转窑固态直接还原三种工艺。其中高炉冶炼工艺的能源和还原剂为焦炭，消耗量大，生产成本高，同时无法在冶炼过程实现选择性还原生产高品位镍铁，产品含镍较低一般在3～6％；回转窑+矿热炉工艺(RKEF)电力消耗大，在电力供应紧缺的地方生产成本高，难以推广。而回转窑固态直接还原红土镍矿法，是以煤作为主要燃料，在回转窑内同时完成对镍团矿的脱水和焙烧，但不能实现熔分。矿石中的NiO、FeO等氧化物还原为金属颗粒难以聚集，还原生成夹渣镍铁粒需再进行磁选。该工艺生产成本较低，流程相对较短。但回转窑直接还原生产镍铁的过程中，由于回转窑需要实现镍氧化物的还原，其高温段温度高于1150℃，如果温度波动和物料成分发生波动，在回转窑在旋转过程中极容易出现结圈，严重影响设备正常运行，导致在实际生产过程中效率较低，设备维护费用高。尽管国内进行了大量的实验，但并没有得到广泛的应用和推广。因而针对在电力供应紧缺和焦炭成本相对较高的地区，采用何种冶炼方案建设镍红土矿冶炼厂成为急需解决的问题，需要适时地开发出一种以煤为主要燃料的新冶炼工艺及设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种以红土镍矿为原料，以煤做燃料，利用红土镍矿熔融还原炉，实现控制性还原生产镍铁的方法。生产工艺采用原矿按一定比例配入碳质还原剂和助熔剂，作为炉料投入炉内进行冶炼。并在生产过程中通过控制反应温度和反应时间来控制铁的还原度。由于是以煤作为主要燃料，因此不仅可以解决高炉工艺的焦炭成本过高、还可以解决由于电力供应紧张而导致回转窑+矿热炉(RKEF)工艺成本过高、或在部分地区因电力供应短缺而必须建设发电厂导致投资过大等问题。另外，由于熔炼方式是采用在熔炼炉的基础上进行改进，因此还解决了回转窑在生产过程中结圈的问题。

一种用于红土镍矿冶炼的熔融还原炉，分为斜竖井入料区、二次燃烧区、预熔送料区、熔融还原区和保温沉淀区五个区域。斜竖井入料区位于预熔送料区的前端部，长度75～80米，截面直径4～6米，倾斜角度为1～3°；预熔送料区倾角43～47°，上面通道为二次燃烧区，二次燃烧区和预熔送料区位于熔融还原炉中部，熔融还原区倾斜角度为5～7°，与预熔送料区相连，保温沉淀区位于熔融还原炉最末端。斜竖井上部主要是炉料烘干和预还原系统。

斜竖井区温度为1000℃以上，区内采用-50～-200Pa负压操作。靠近斜竖井下方的烟气排出区安放氧枪用于排出气体的二次燃烧。

1000℃以上的炉料进入预熔送料区，经过二次燃烧区进行升温后温度达到1200～1350℃进入熔融还原区。为避免炉料在入料口拐角粘结，在二次燃烧区安放煤氧枪向预熔送料区吹氧喷煤进行预熔、划入炉料。

熔融还原区域的上部配置了多支煤氧枪，煤氧枪支数应根据矿量或处理能力确定，煤氧枪垂直插入炉膛内，是冶炼过程主要的热源，并在加热过程中调整喷吹压力对熔体进行一定的搅拌，使得反应更加充分，达到改善冶炼过程的动力学条件。熔融还原区内温度1350～1500℃。

保温沉淀区设置平焰烧嘴用于镍铁沉淀及炉渣的保温，保温沉淀区内温度1300～1450℃。保温沉淀区设有出铁口与出渣口，出铁口与出渣口分布可依据炉子在生产现场的规划布局而定。

预熔送料区可以很好的将氧气与空气进行混合，形成均匀的富氧混合气体送入炉内，并可随时调节氧气的浓度以及送风量的大小，以达到控制炉内温度和还原气氛的目的。斜竖井区内表面可以采用砌筑捣打料或耐火砖，预熔送料区和二次燃烧区用50～80mm镁碳砖做为内衬材料。因为温度变化、炉渣酸碱度、机械破坏等作用，炉料对二次燃烧区和预熔送料区有一定侵蚀，工作面也会遭受冲刷、磨损及侵蚀，使其命寿缩短。在镁碳砖外面喷有耐火喷涂料，厚度为10mm～80mm，在熔融还原区内壁同样也喷耐火喷涂料，既能对炉壁起到保护作用，同时也增加了熔融还原区内壁的挂渣能力。

炉内配置了热电耦、CO浓度检测和高温压力探头。可通过控制室内监视各区温度、CO浓度和炉膛压力来调节引风机的风量、风速(进入炉内)、氧浓度、水冷却系统中水流速度，以控制炉内的反应温度。

斜竖井入料区以回转干燥筒为主要设备，利用回转式干燥筒的方式对物料进行预热、干燥脱水和Ni的预还原。

煤氧枪的供能强度控制数据为未预热未还原炉料，每吨料供能强度大于600～800千焦/秒；当炉料温度大于1000℃，每吨料供能强度大于300千焦/秒。

本发明冶炼工艺以预热到1000℃以上的预还原料、已部分还原的红土镍矿为主要原料，镍收得率90％以上，根据来料情况不同，煤氧枪喷煤30～70kg/t干矿，氧气消耗量为1.7Nm³/kg煤，入料竖井区控制温度在1100℃时耗煤350kg。如处理能力为每小时45吨干料(镍矿+熔剂)，具有将炉料温度在45分钟以内从1000℃升温至1500℃的能力，平均每分钟升温10℃。45吨干炉料耗煤1350kg，全天消耗煤32.4吨，全天消耗氧气55000Nm³，需要配备3000Nm³/h的制氧站。二次燃烧区内设置燃烧枪，测量CO炉气的同时进行反馈控制二次燃烧，煤的热值尽可能大于25000千焦。为保证这样的处理能力和升温速度，功率应保证每吨干矿料的供能功率为300～500焦/秒，炉子容量小时取上限值，如果采用常温干料，供能功率应为每吨干矿500焦/秒以上。

由于燃料在熔融还原区燃烧，产生的烟气由于负压作用与炉料进料形成逆流运动，因而热交换条件好，烟气用于预热来自斜竖井的炉料。当炉料不断向斜下运动时，炉内会产生有大量的水蒸气蒸发，炉料水分蒸发后体积缩小，同时水分蒸发后使得炉料变的疏松，增大了炉料与炉内CO气体接触的面积，可以同时提高还原效率。

主要的反应有：

NjO+C→Nj+CO↑T＝420℃ (1)

FeO+C→Fe+CO↑T＝650℃ (2)

Cr₂O₃+C→Cr+CO↑ (3)

SiO₂+C→Si+CO↑ (4)

2CO+O₂→2CO₂ (5)

由反应式(1)、(2)可以看出Ni比Fe更容易还原，在Ni先基本还原完的情况下尽量控制低炉温1010℃～1400℃，减慢Fe的还原速度。为了提高产品镍含量，调节斜竖井的转速后可以控制铁的还原程度。

采用本发明熔融还原炉，能将主要含有Ni：1.52％～3.16％Fe：9.58％～39.58的红土镍矿完成干燥脱水、焙烧、控制性还原、熔融分离渣和金属，生产出含有Ni：13％～20％的镍铁合金产品。

生产工艺可以采用红土镍矿原矿压球，也可直接投入炉内冶炼，相对于增加冷料干燥过程，可大幅降低生产成本。直接入炉的供能强度为600～800kW/t料。

附图说明

图1为本发明熔融还原炉结构示意图，

1：斜竖井入料区 2：二次燃烧区 3：氧枪 4：预熔送料区 5：熔融还原区 6：煤氧枪 7：保温沉淀区 8：保温平焰烧嘴

图2为本发明熔融还原炉结构俯视图，

具体实施方式

本发明熔融还原炉结构由1：斜竖井入料区 2：二次燃烧区 3：氧枪 4：预熔送料区 5：熔融还原区 6：煤氧枪 7：保温沉淀区 8：保温平焰烧嘴组成。斜竖井位于二次燃烧区的前端部，长度75～80米，截面直径4.5米，倾斜角度为1～3°；二次燃烧和预熔送料区位于熔融还原炉中部，保温沉淀区位于最末端。开炉时采用天然气或石油气作为燃烧稳定剂，烘炉的时候天然气耗量不大于4000m³/h，压力不低于200kPa，温度15-20℃，发热量，40.11MJ/kg。本发明结构要点为：

A.采用煤氧枪供热、二次燃烧烧嘴废气燃烧、平焰烧嘴保温和沉淀分离

B.隧道式预熔至1100℃

C.二次燃烧区入口拐角处安设煤氧枪预熔、划入炉料

D.保温沉淀区安设平焰烧嘴用于镍铁沉淀及炉渣保温

E.熔融还原区燃烧产生的烟气进行二次燃烧并用于斜竖井的炉料预热焙烧

F.熔融还原区以煤氧枪集中供热，强化反应，快速升温

G.当入炉料温度大于1000℃时，每吨料烧嘴供能强度应大于300焦/秒

H.当冷料入炉时，每吨料烧嘴供能强度应大于600～1000焦/秒

本发明可将含Ni1.52％～3.16％的红土镍矿在熔融还原炉内冶炼出含Ni13％～20％的NiFe合金。

以上所述仅是本发明的最佳优选实施范围，在最佳优选实施范围附近延展正负若干个设计也属于该发明保护范围。

Claims (9)

1.一种用于红土镍矿冶炼的熔融还原炉，其特征在于分为斜竖井入料区(1)、二次燃烧区(2)、预熔送料区(4)、熔融还原区(5)和保温沉淀区(7)五个区域；斜竖井入料区位于预熔送料区的前端部，长度75～80米，截面直径4～6米，倾斜角度为1～3°；预熔送料区倾角43～47°，上面通道为二次燃烧区，二次燃烧区和预熔送料区位于熔融还原炉中部，熔融还原区倾斜角度为5～7°，与预熔送料区相连，保温沉淀区位于熔融还原炉最末端，斜竖井上部主要是炉料烘干和预还原系统。 

2.如权利要求1所述一种用于红土镍矿冶炼的熔融还原炉，其特征在于斜竖井区温度为1000℃以上，区内采用-50～-200Pa负压操作；靠近斜竖井下方的烟气排出区安放氧枪(3)用于排出气体的二次燃烧。 

3.如权利要求1所述一种用于红土镍矿冶炼的熔融还原炉，其特征在于1000℃以上的炉料进入预熔送料区，经过二次燃烧区进行升温后温度达到1200～1350℃进入熔融还原区；为避免炉料在入料口拐角粘结，在二次燃烧区安放煤氧枪(6)向预熔送料区吹氧喷煤进行预熔、划入炉料。 

4.如权利要求1所述一种用于红土镍矿冶炼的熔融还原炉，其特征在于熔融还原区域的上部配置了多支煤氧枪(6)，煤氧枪垂直插入炉膛内，是冶炼过程主要的热源，并在加热过程中调整喷吹压力对熔体进行一定的搅拌，使得反应更加充分，达到改善冶炼过程的动力学条件，熔融还原区内温度1350～1500℃。 

5.如权利要求1所述一种用于红土镍矿冶炼的熔融还原炉，其特征在于保温沉淀区设置平焰烧嘴(8)用于镍铁沉淀及炉渣的保温，保温沉淀区内温度1300～1450℃；保温沉淀区设有出铁口与出渣口，出铁口与出渣口分布依据炉 子在生产现场的规划布局而定。 

6.如权利要求1所述一种用于红土镍矿冶炼的熔融还原炉，其特征在于斜竖井区内表面采用砌筑捣打料或耐火砖，预熔送料区和二次燃烧区用50～80mm镁碳砖做为内衬材料，外面喷耐火喷涂料，厚度为10mm～80mm，在熔融还原区内壁同样也喷耐火喷涂料，既对炉壁起到保护作用，同时也增加了熔融还原区内壁的挂渣能力。 

7.如权利要求1所述一种用于红土镍矿冶炼的熔融还原炉，其特征在于炉内配置了热电耦、CO浓度检测和高温压力探头，能通过控制室内监视各区温度、CO浓度和炉膛压力来调节引风机的风量、进入炉内的风速、氧浓度、水冷却系统中水流速度，以控制炉内的反应温度。 

8.如权利要求1所述一种用于红土镍矿冶炼的熔融还原炉，其特征在于斜竖井入料区以回转干燥筒为主要设备，利用回转式干燥筒的方式对物料进行预热、干燥脱水和Ni的预还原。 

9.如权利要求1所述一种用于红土镍矿冶炼的熔融还原炉，其特征在于煤氧枪的供能强度控制数据为未预热未还原炉料，每吨料供能强度大于600～800千焦/秒；当炉料温度大于1000℃，每吨料供能强度大于300千焦/秒。 

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