CN107385235B - 采用预还原预热窑和熔池熔炼炉冶炼镍铁的工艺及其装置 - Google Patents

采用预还原预热窑和熔池熔炼炉冶炼镍铁的工艺及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用预还原预热窑和熔池熔炼炉生产镍铁的冶炼工艺及其装置，该工艺先将红土镍矿干燥；将干燥后的红土镍矿、熔剂和粉煤配料并压成球形；将压好的球连续加入预还原预热窑中预还原部分镍和铁；预还原预热窑的出口物料连续加入熔池熔炼炉中熔化和深度还原，往熔池中炉中喷入还原剂和富氧空气，使熔体在强还原气氛下生成含镍10‑20％的镍铁合金，同时将熔池熔炼炉的高温烟气送入预还原预热窑中作为主要热源。具有流程短、能耗低、投资省、产品含镍品位高，可实现过程自动化控制、生产效率高等特点。实施该工艺的主体设备预还原预热窑与熔池熔炼炉采取高低自流配置，熔池熔炼炉的高温烟气通过烟道送入预还原预热窑中加热物料。

Description

采用预还原预热窑和熔池熔炼炉冶炼镍铁的工艺及其装置
技术领域
本发明涉及一种以红土镍矿为原料直接冶炼镍铁的工艺及其装置，具体涉及一种采用预还原预热窑和熔池熔炼炉冶炼镍铁的工艺及其相应的预还原预热窑和熔池熔炼炉装置。
背景技术
镍是一种重要的战略金属，具有抗腐蚀、抗氧化、耐高温、强度高、延展性好等优良性能，广泛的应用于不锈钢、合金钢、电镀和电池等领域。镍资源主要为硫化镍矿和红土镍矿，随着硫化镍矿资源日益枯竭，开发利用红土镍矿成为必然。
目前处理红土镍矿的方法可以分为湿法和火法，湿法有加压酸浸(HPLA)和还原焙烧-氨浸(RRAL)。
火法工艺主要有高炉熔炼法、回转窑-电炉熔炼法、回转窑粒铁法(大江山法)、直接还原法。高炉熔炼法存在原料适应性差、焦炭消耗量大、成本高、炉缸温度不易控制的缺陷。回转窑干燥预还原-电炉还原熔炼工艺存在电耗高的缺陷，不适于电力紧张地区。回转窑粒铁法(大江山法)存在工艺条件苛刻，难于操作和控制等不足，生产过程中极易形成窑内结圈，耐火材料使用周期短。回转窑直接还原工艺，回转窑耐火材料使用周期短，能耗高，磁选产品杂质高，难以在不锈钢冶炼中直接使用。
发明内容
本发明旨在克服目前红土镍矿火法冶炼技术缺点，提供一种高效、节能、环保、投资省、生产成本低的冶炼新工艺及其装置，以廉价的煤作为燃料，电力消耗低，适合各种品位红土镍矿以及电力紧缺地区。
本发明的技术方案为：一种采用预还原预热窑和熔池熔炼炉生产镍铁的冶炼工艺，预还原预热窑与熔池熔炼炉采取高低自流配置，预还原预热窑出口物料直接从熔池熔炼炉炉顶的下料口连续加入，熔池熔炼炉产生的高温烟气通过烟道进入预还原预热窑作为主要热源，包括以下步骤：
(1)将红土镍矿通过干燥器干燥；
(2)将干燥后的红土镍矿、熔剂和粉煤进行配料并压球成型；
(3)将压好成型的球连续加入预还原预热窑中进行预还原；
(4)预还原预热窑出口物料连续加入熔池熔炼炉中，还原剂及富氧空气从熔池熔炼炉的两侧喷入熔池中，控制氧对还原剂的过剩系数α，熔体反应生成含镍10～20％(质量)的镍铁合金和炉渣；
(5)从熔池熔炼炉的上部鼓入富氧空气，使熔池熔炼炉炉膛上部空间烟气中的CO气体燃烧，燃烧热量部分返回熔池。
上述技术方案的一种实施方式中，步骤(1)中干燥器采用回转干燥窑或者立式干燥器，红土镍矿干燥至含水20％～22％(质量)，采用粉煤、天然气或油为燃料，步骤(2)中红土镍矿与无烟煤、石灰或者石灰石配料混匀压球，红土镍矿与无烟煤的配料比为1:0.05～1:0.08，混合料压球的直径为15～25mm；步骤(3)中熔炼渣型为CaO/SiO2＝0.4～1.0(质量)，(CaO+MgO)/SiO2＝1.0～1.2(质量)，还原剂采用粉煤。熔池温度为1400～1700℃。
上述技术方案的一种实施方式中，控制红土镍矿在预还原预热窑中镍的预还原率为70％～80％,铁的预还原率为40％～60％，预还原预热窑出口物料温度为900～1100℃。
上述技术方案的一种实施方式中，往熔池熔炼炉炉膛上部空间鼓入含氧60％～80％(体积)的富氧空气，风嘴出口的风速为180～220m/s，风口压力为0.05Mpa～0.1Mpa；往熔池熔炼炉熔池中鼓入富氧空气的风嘴出口风速为260～320m/s，风口压力为0.1Mpa～0.2Mpa，氧对还原剂的过剩系数α为0.35～0.45。
上述技术方案的一种实施方式中，预还原预热窑的出口物料在熔池熔炼炉内停留时间不小于40min。
本发明还公开了一种利用上述工艺冶炼镍铁的装置，该装置包括预还原预热窑和熔池熔炼炉；预还原预热窑为卧式回转窑，包括窑体、窑体支承装置及窑体转动装置，窑体包括依次前高后低布置的预热带、过渡带和烧成带；熔池熔炼炉采用长方形立式结构的富氧侧吹熔炼炉，布置于预还原预热窑烧成带出口端的下方，主要包括从下往上依次布置的炉缸、炉身和炉顶；炉顶有烟道口和下料口，烟道口和预还原预热窑烧成带出口端通过烟道连通，熔池熔炼炉的高温烟气通过烟道送入预还原预热窑中，使高温烟气与物料逆向流动，物料从预还原预热窑烧成带的出口端通过下料管从熔池熔炼炉炉顶的下料口连续加入。
所述预还原预热窑的预热带采用致密粘土砖砌筑，过渡带采用高铝砖砌筑、烧成带采用镁铝尖晶石砖砌筑；所述熔池熔炼炉的炉缸深度为600mm～1000mm，炉缸由耐火材料砌筑而成。
所述熔池熔炼炉的炉身由多层铜水套拼接而成，炉身两侧最下面一层铜水套上设置至少两个水平布置的一次风嘴，往炉内喷入还原剂和富氧空气，一次风嘴的出口风速为260～320m/s，风口压力为0.1Mpa～0.2Mpa，氧对还原剂的过剩系数α为0.35～0.45；最上面一层铜水套上设置二次风嘴，往炉内鼓入60％～80％(体积)的富氧空气，二次风嘴出口的风速为180～220m/s，风口压力为0.05Mpa～0.1Mpa；炉身两侧上部的铜水套与竖直方向成12°～16°扩展角，降低熔体喷溅以及增加空间容积，同时降低烟气流速。
最上面一层铜水套的上方为两层平板铜水套之间砌筑300mm～400mm厚耐火材料层的三明治结构，三明治结构段与相邻的最上面一层铜水套之间设有自由伸缩缝。
所述熔池熔炼炉的炉缸一端设有虹吸室，用于连续放渣及打孔间断放镍铁合金，虹吸式顶部设有探杆孔及用于补热及开炉烘炉的烧嘴；所述烟道的侧壁设置有补热烧嘴。
本发明采用预还原预热窑和熔池熔炼炉生产镍铁合金的工艺，具有流程短、能耗低、投资省、产品含镍品位高，可实现过程自动化控制、生产效率高等特点。具体来说，跟现有技术相比具有以下优势：
(1)整个工艺过程以煤作为燃料和还原剂，以煤代焦(高炉或鼓风炉熔炼)或电(电炉熔炼)，以熔池熔炼高温烟气预热物料、预还原预热窑出口物料以热态直接加入熔池熔炼炉，系统热利用率高、熔炼效果好，熔池熔炼炉床能率高。
(2)通过调整熔池熔炼炉喷嘴喷入的氧对还原剂的过剩系数α，达到控制铁的还原率，从而获得含镍15％～30％的高品位镍铁合金。
(3)预还原预热窑与熔池熔炼炉高低配置，预还原预热窑出口物料直接流入熔池熔炼炉，生产过程自动化程度高、劳动强度低、环境好。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为实施图1工艺流程的一个主体设备布置示意图。
图2中：
1-预还原预热窑；
11-预热带；12-过渡带；13、烧成带；
2-熔池熔炼炉；
21-炉缸；22-炉身；3-炉顶；24-烟道；25-下料管；26-三明治结构；
211-镍铁放出口；212-炉渣放出口；213-虹吸室；
221-一次风嘴；222-二次风嘴；SZ-烧嘴。
3-计量皮带。
具体实施方式
本实施例除富氧空气的比例为体积比，其它比例均为质量比。
结合后图1和图2可以看出，本实施例的主体设备包括预还原预热窑1和熔池熔炼炉2，预还原预热窑1的功能为预还原部分镍和铁，熔池熔炼炉2的功能为熔化、深度还原来自预还原预热窑的物料，同时实现镍铁与渣的分离。
图1为本发明的工艺流程图，具体包括以下按步骤：
(1)将红土镍矿加入干燥器干燥至含水20％～22％，干燥器采用煤、天然气或油为燃料。红土镍矿含水过低会导致烟尘率高，配料现场扬尘大、环境恶劣，因此要求控制含水量。干燥器可以选用回转干燥窑或者立式干燥器，采用煤、天然气或油为燃料。
(2)将含水20％～22％的红土镍矿与石灰或者石灰石和无烟煤配料混匀压球成型。根据红土镍矿的成分确定石灰或石灰石的配入量，熔炼渣型为CaO/SiO2＝0.4～1.0，(CaO+MgO)/SiO2＝1.0～1.2；红土镍矿与无烟煤的配料比率优选为1:0.05～1:0.08；混合料压球的直径优选为15～25mm。
(3)将压好成型的球连续加入预还原预热窑中进行预还原焙烧，控制红土镍矿在预还原预热窑中镍的还原率为70％～80％,铁的预还原率为40％～60％，预还原预热窑出口物料温度为900～1100℃。
(4)预还原预热窑的出口物料连续加入熔池熔炼炉中熔炼，还原剂及富氧空气从熔池熔炼炉两侧的喷嘴喷入熔池中，氧对还原剂的过剩系数优选为0.35～0.45，熔池熔炼温度优选为1400～1600℃,熔体在强还原气氛下反应生成含镍10～20％的镍铁合金。
(5)往熔池熔炼炉的炉膛上部空间鼓入含氧60％～80％的富氧空气，时炉膛上部空间的CO气燃烧，燃烧的热量部分返回熔池。熔池熔炼炉的高温烟气送入预还原焙烧炉中作为主要热源，不足热量采用粉煤、天然气或油作为补充燃料。
图2为实施上述工艺流程的一个具体实施例的主体设备布置图。主体设备包括预还原预热窑1和熔池熔炼炉2。
预还原预热窑1包括依次前高后低布置的预热带11、过渡带12和烧成带13。
熔池熔炼炉2布置于预还原预热窑1烧成带13的后下方，包括从下往上依次布置的炉缸21、炉身22和炉顶23，炉顶23有下料口和烟道口，烟道口通过烟道24与预还原预热窑1的烧成带出口端连通。烟道24与预还原预热窑1烧成带13出口端的对接段下侧通过下料管25与熔池熔炼炉2炉顶23的下料口连通。
预还原预热窑1采用计量皮带3作为加料装置将红土镍矿连续加入预还原预热窑1，经预还原预热窑焙烧的物料从烧成带的出口端经下料管连续加入熔池熔炼炉中熔炼，熔池熔炼炉产生的高温烟气通过烟道逆向送入预还原焙烧炉中，作为预还原焙烧炉的主要热源，预还原焙烧炉的不足热源采用粉煤、天然气或者燃油作为补充燃料，在烟道的侧壁设置补热烧嘴SZ。预还原预热窑的出口烟气经布袋收尘、再经脱硫达标排放。
熔池熔炼炉2采用长方形立式结构的富氧侧吹熔炼炉，炉缸深度为600～1000mm，由耐火材料砌筑而成，熔池熔炼炉2的炉身22由三层铜水套拼接而成，炉身两侧最下面一层铜水套上设置至少两个水平布置的一次风嘴221，往炉内喷入还原剂和富氧空气，一次风嘴的出口风速为260～320m/s，风口压力为0.1Mpa～0.2Mpa，氧对还原剂的过剩系数α为0.35～0.45；最上面一层铜水套上设置二次风嘴222，往炉内鼓入60％～80％(体积)的富氧空气，使炉膛上部空间烟气中大量的CO气体燃烧，CO气体燃烧产生的热量部分返回熔池，二次风嘴出口的风速为180～220m/s，风口压力为0.05Mpa～0.1Mpa。炉身两侧上部的铜水套与竖直方向成12°～16°扩展角，降低熔体喷溅以及增加空间容积，同时降低烟气流速。一次风嘴优选采用ZL201420130047.5公开的多功能风嘴装置，粉煤通过压缩空气从风嘴中心通道喷入，富氧空气从风嘴外环富氧空气通道喷入。
最上面一层铜水套的上方为两层平板铜水套之间砌筑300mm～400mm厚耐火材料层的三明治结构26，三明治结构段与相邻的最上面一层铜水套之间设有自由伸缩缝。
熔池熔炼炉一次风嘴以上区域为熔池反应区域，一次风嘴以下区域为相对静止的区域，在此区域可以实现镍铁与渣的分离。炉缸21的侧壁设置有镍铁放出口211和炉渣放出口212，炉缸21的一端设有虹吸室213，用于连续放渣及打孔间断放镍铁合金，虹吸室顶部设有探杆孔及用于补热及开炉烘炉的烧嘴。
以下通过具体实施例对上述工艺进行具体说明。
实施例1，本实施例的步骤(1)～(5)与上述步骤相同，以下仅列出不同之处：
(1)将红土镍矿干燥至含水20％；
(2)熔炼渣型为CaO/SiO2＝0.4，(CaO+MgO)/SiO2＝1.0；红土镍矿与无烟煤的配料比率为1:0.05，混合料压球的直径为15mm。
(3)预还原预热窑的出口物料温度为1100℃，镍的还原率为70％，铁的预还原率为40％；预还原预热窑出口烟气经布袋收尘，再经脱硫达标排放。
(4)最上面一层铜水套与竖直方向成12°扩展角；
(5)一次风嘴的出口风速为280m/s，氧对还原剂的过剩系数为0.45，二次风嘴往炉膛上部空间鼓入含氧60％的富氧空气，熔池熔炼温度为1500℃，物料在熔池熔炼炉内停留时间为40min，熔体在强还原气氛下反应生成含镍10％的镍铁合金及炉渣。渣从虹吸室渣口连续放出水淬；镍铁合金通过设在虹吸下部的合金放出口定期打孔放出铸锭。
实施例2，本实施例的步骤(1)～(5)与上述步骤相同，以下仅列出不同之处：
(1)将红土镍矿干燥至含水20％；
(2)熔炼渣型为CaO/SiO2＝0.4，(CaO+MgO)/SiO2＝1.0；红土镍矿与无烟煤的配料比率为1:0.06，混合料压球的直径为20mm。
(3)预还原预热窑的出口物料温度为1100℃，镍的还原率为75％，铁的预还原率为45％；预还原预热窑出口烟气经布袋收尘，再经脱硫达标排放。
(4)最上面一层铜水套与竖直方向成12°扩展角；
(5)一次风嘴的出口风速为280m/s，氧对还原剂的过剩系数为0.4，二次风嘴往炉膛上部空间鼓入含氧70％的富氧空气，熔池熔炼温度为1500℃，物料在熔池熔炼炉内停留时间为50min，熔体在强还原气氛下反应生成含镍15％的镍铁合金及炉渣。渣从虹吸室渣口连续放出水淬；镍铁合金通过设在虹吸下部的合金放出口定期打孔放出铸锭。
实施例3，本实施例的步骤(1)～(5)与上述步骤相同，以下仅列出不同之处：
(1)将红土镍矿干燥至含水20％；
(2)熔炼渣型为CaO/SiO2＝0.4，(CaO+MgO)/SiO2＝1.0；红土镍矿与无烟煤的配料比率为1:0.08，混合料压球的直径为25mm。
(3)预还原预热窑的出口物料温度为1100℃，镍的还原率为80％，铁的预还原率为50％；预还原预热窑出口烟气经布袋收尘，再经脱硫达标排放。
(4)最上面一层铜水套与竖直方向成12°扩展角；
(5)一次风嘴的出口风速为280m/s，氧对还原剂的过剩系数为0.35，二次风嘴往炉膛上部空间鼓入含氧80％的富氧空气，熔池熔炼温度为1600℃，物料在熔池熔炼炉内停留时间为60min，熔体在强还原气氛下反应生成含镍20％的镍铁合金及炉渣。渣从虹吸室渣口连续放出水淬；镍铁合金通过设在虹吸下部的合金放出口定期打孔放出铸锭。

Claims (7)

1.一种采用预还原预热窑和熔池熔炼炉生产镍铁的冶炼工艺，其特征在于：
预还原预热窑与熔池熔炼炉采取高低自流配置，预还原预热窑出口物料直接从熔池熔炼炉炉顶的下料口连续加入，熔池熔炼炉产生的高温烟气通过烟道进入预还原预热窑作为主要热源；
预还原预热窑为卧式回转窑，包括窑体，窑体包括依次前高后低布置的预热带、过渡带和烧成带；
熔池熔炼炉采用长方形立式结构的富氧侧吹熔炼炉，布置于预还原预热窑烧成带出口端的下方，主要包括从下往上依次布置的炉缸、炉身和炉顶；
炉顶有烟道口和下料口，烟道口和预还原预热窑烧成带出口端通过烟道连通，熔池熔炼炉的高温烟气通过烟道送入预还原预热窑中，使高温烟气与物料逆向流动，物料从预还原预热窑烧成带的出口端通过下料管从熔池熔炼炉炉顶的下料口连续加入；
包括以下步骤：
（1）将红土镍矿通过干燥器干燥；
（2）将干燥后的红土镍矿、熔剂和粉煤进行配料并压球成型；
（3）将压好成型的球连续加入预还原预热窑中进行预还原预热；
（4）预还原预热窑出口物料连续加入熔池熔炼炉中，出口物料在熔池熔炼炉内停留时间不小于40min，还原剂及富氧空气从熔池熔炼炉的两侧喷入熔池中，控制氧对还原剂的过剩系数α为0.35～0.45，熔体反应生成含镍10～20%（质量）的镍铁合金和炉渣；
（5）往熔池熔炼炉炉膛上部空间鼓入含氧60%～80%（体积）的富氧空气，风嘴出口的风速为180～220m/s，风口压力为0.05Mpa～0.1Mpa；往熔池熔炼炉熔池中鼓入富氧空气的风嘴出口风速为260～320m/s，风口压力为0.1Mpa～0.2Mpa，使熔池熔炼炉炉膛上部空间烟气中的CO气体燃烧，燃烧热量中的65%～75%返回熔池。
2.根据权利要求1所述的采用预还原预热窑和熔池熔炼炉生产镍铁的冶炼工艺，其特征在于：步骤（1）中干燥器采用回转干燥窑或者立式干燥器，红土镍矿干燥至含水20%～22%（质量），采用粉煤、天然气或油为燃料，步骤（2）中红土镍矿与无烟煤、石灰或者石灰石配料混匀压球，红土镍矿与无烟煤的配料比为1:0.05～1:0.08，混合料压球的直径为15～25mm；步骤（3）中熔炼渣型为CaO/SiO2=0.4～1.0（质量），(CaO+MgO)/ SiO2=1.0～1.2（质量），还原剂采用粉煤，熔池温度为1400～1700℃。
3.根据权利要求1所述的采用预还原预热窑和熔池熔炼炉生产镍铁的冶炼工艺，其特征在于：控制红土镍矿在预还原预热窑中镍的预还原率为70%～80%,铁的预还原率为40%～60%，预还原预热窑出口物料温度为900～1100℃。
4.根据利用权利要求1所述的工艺冶炼镍铁的装置，其特征在于：所述预还原预热窑的预热带采用致密粘土砖砌筑，过渡带采用高铝砖砌筑、烧成带采用镁铝尖晶石砖砌筑；所述熔池熔炼炉的炉缸深度为600mm～1000mm，炉缸由耐火材料砌筑而成。
5.根据利用权利要求4所述的工艺冶炼镍铁的装置，其特征在于：所述熔池熔炼炉的炉身由多层铜水套拼接而成，炉身两侧最下面一层铜水套上设置至少两个水平布置的一次风嘴，往炉内喷入还原剂和富氧空气，最上面一层铜水套上设置二次风嘴，往炉内鼓入富氧空气；炉身两侧上部的铜水套与竖直方向成12°～16°扩展角，降低熔体喷溅以及增加空间容积，同时降低烟气流速。
6.根据利用权利要求5所述的工艺冶炼镍铁的装置，其特征在于：最上面一层铜水套的上方为两层平板铜水套之间砌筑300mm～400mm厚耐火材料层的三明治结构，三明治结构段与相邻的最上面一层铜水套之间设有自由伸缩缝。
7.根据利用权利要求1所述的工艺冶炼镍铁的装置，其特征在于：所述熔池熔炼炉的炉缸一端设有虹吸室，用于连续放渣及打孔间断放镍铁合金，虹吸式顶部设有探杆孔及用于补热及开炉烘炉的烧嘴；所述烟道的侧壁设置有补热烧嘴。
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