CN114001549B - 用于冶炼冰镍的熔炼炉及低冰镍的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于冶炼冰镍的熔炼炉及低冰镍的生产方法。熔炼炉包括第一区域(1)，用于将待冶炼物熔化造渣；第二区域(2)，用于对经第一区域(1)熔化造渣后的待冶炼物进行还原硫化以产生目标产物；以及第三区域(3)，用于分离目标产物；其中，第一区域(1)、第二区域(2)以及第三区域(3)连通，第一区域(1)和第二区域(2)之间设有隔墙(7)以分隔第一区域(1)和第二区域(2)；熔炼炉包括相互独立的第一炉身(20)和第二炉身(30)，第一炉身(20)、第二炉身(30)对应第一区域(1)和第二区域(2)设置；第一区域(1)、第二区域(2)上方设有共同排烟的上升烟道(8)。

Description

用于冶炼冰镍的熔炼炉及低冰镍的生产方法

技术领域

本发明涉及涉及氧化镍矿冶炼技术领域，具体而言，涉及一种用于冶炼冰镍的熔炼炉及低冰镍的生产方法。

背景技术

镍矿资源主要为硫化镍矿和氧化镍矿，硫化镍矿含镍较高，更加容易开发利用，随着硫化镍矿资源减少，开发利用氧化镍矿成为必然趋势。目前氧化镍矿的主要去向为不锈钢领域，随着全球电池材料对镍的需求量快速增长，开发利用氧化镍矿生产中间产品用于电池材料领域也势在必行。目前处理氧化镍矿的工艺主要以火法为主，作为较为成熟的技术，火法温度所需要的超高温需要耗费大量的能耗，且造炉需要大量的成本和空间，如现有常见规模下采用转炉的生产方式，占用1～3平方米只能生产一万吨冰镍产品，每隔100～120炉就需要重新建造，需要大量的成本且转炉时需要额外的工艺流程。于是现在研发方向会越来越倾向于研究更短的工艺流程且节约成本，如将熔炼炉更大，或者减短熔炼炉、还原炉以及分离的流程，减少能耗的损失；为此，现有技术提供以下几个方向：

有专利文件中公开了一种装置通过熔池熔炼熔化炉、熔池熔炼还原炉以及连接炉的溜槽以及从红土镍矿还原出镍铁的工艺。该工艺下所产的镍铁需要二次提炼，且本身冶炼过程由独立的熔化炉和还原炉分别完成物料熔化和还原作业，并非连续式工艺，即存在物料倒运(即常说的转炉)及循环的问题，无法适应连续式生产，需要多个执行不同功能的炉配合，从而热效率不高工艺流程，被迫复杂化且抬高成本。

又有专利文件中公开了一种采用高低炉缸设计的熔炼炉，在熔炼炉内有两个腔室设有高度差，从而解决工艺流程的问题；但由于高/低冰镍生产的工艺条件和其他化工材料的提炼要求差异较大，现有技术尚未有公开和高/低冰镍相关联的工艺及工艺的专有装置。

鉴于此，现有技术下还未能实现通过一台熔炼炉完成生产规模且可兼顾空间、成本的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于冶炼冰镍的熔炼炉，集第一区域、第二区域以及第三区域于一体，流程短，生产效率高，自动化程度高，装置成本低，便于维修，能耗低。

本发明的目的还在于提供一种低冰镍的生产方法，采用上述的熔炼炉，流程短，生产效率高，自动化程度高，装置成本低，能耗低。

本发明是这样实现的：

本发明首先提供一种用于冶炼冰镍的熔炼炉，包括水平方向上依次排列的第一区域、第二区域以及第三区域，第一区域、第二区域以及第三区域包括连通的共同炉缸；第一区域和第二区域还包括由下至上依次设置于炉缸上的第一炉身、第二炉身以及炉顶。

其中，第一区域和第二区域设置深度差，且沿第一区域至第二区域的方向上，对应隔墙下方的第一区域和第二区域在底部设置有深度沿该方向上逐渐增加的梯度结构，从而将隔墙下方通道最大化，让熔渣更好地流入第二区域，避免堵塞；炉缸包括连续相通的浅炉缸和深炉缸，浅炉缸底表面高于深炉缸底表面，浅炉缸对应第一区域设置，深炉缸对应第二区域以及第三区域设置，低冰镍层位于深炉缸区域；所述梯度结构位于浅炉缸与深炉缸交接处，呈阶梯状或平滑坡状；

第一炉身、第二炉身和炉顶对应第一区域和第二区域设置，第一炉身、第二炉身和炉顶内部设有隔墙以将第一区域和第二区域分开；

第一炉身和第二炉身分别为下部熔池反应区域和上部气相反应区域，第一炉身对应第一区域和第二区域分别设有第一喷嘴和第二喷嘴；第二炉身在第一区域和第二区域均设有二次富氧风嘴；

第一区域炉顶设有主加料口，第二区域炉顶设有辅助加料口；

炉顶设有对第一区域和第二区域共同排烟的上升烟道。

具体地，隔墙底部为开口向下的弧形结构，从而增大隔墙下方的通道面积，便于第一区域产生的熔体通过进入第二区域；该弧形结构的弦高优选为100mm～200mm，当该弧形结构的弦高设置过高，第一区域和第二区域两个区域间隔效果减弱，两区域不同的反应气氛容易产生相互影响；而当弦高设置过低，增大通道宽度的效果减弱。

在一优选方案中，隔墙为双层铜水套，隔墙的最下层铜水套底部为弧形结构。

具体地，炉缸材质为耐火材料，炉缸顶部设有对炉缸进行冷却保护的炉台水套，炉台水套优选为铜水套。

具体地，第一炉身由多层铜水套拼接而成，其中，每单件铜水套宽度为500mm～700mm，高度为1000mm～1400mm。

具体地，第二炉身由耐火材料与水平铜水套交替砌筑而成，每两层水平铜水套间距为200mm～400mm，每层水平铜水套的厚度为60-80mm。第二炉身主要采用耐火材料，可以有效减少上部气相反应区域的热损失。

具体地，第二喷嘴和第一喷嘴设置于第一炉身的最下一层铜水套上，第二喷嘴的高度低于第一喷嘴的高度，第一喷嘴中心线距离其所在铜水套下边沿为300mm～400mm，第二喷嘴中心线距离其所在铜水套下边沿为200mm～300mm。

具体地，第一炉身的最上一层铜水套向外扩展，相对于竖直方向的倾斜角度为10°～18°，从而可增大上部气相反应区域的空间容积，使得气相区域反应完全，该最上一层铜水套向外扩展角度过小则增大空间容积有限，过大则会形成坡度过缓的坡面，物料无法自然落下，侧墙面容易结渣。

具体地，根据物料在不同区域内的停留时间，第一区域、第二区域以及第三区域的横截面面积比设置为(1.2～1.5)∶1∶(0.4～0.6)。

具体地，浅炉缸的深度为300mm～400mm，深炉缸的深度为600mm～1000mm。

具体地，炉顶材料为钢水套。

具体地，第一炉身与第二炉身为相互独立结构，由于耐火材料在高温下具有膨胀性，将第一炉身与第二炉身独立设置，可减小由于炉缸在高温下膨胀而导致不同材质结构间的相互挤压，进而提高整个设备的安全性与使用寿命，且便于针对性进行维修处理。

进一步地，熔炼炉外侧设有承重架，承重架上设有伸入第一炉身上方的承重圈梁，第二炉身及炉顶依次放置于承重圈梁上，承重圈梁对第二炉身及炉顶进行承重。

进一步地，承重圈梁上设有对承重圈梁进行冷却保护的承重圈梁水套。

进一步地，第一炉身与承重圈梁之间具有宽度为40mm～80mm的自由伸缩缝，从而保证炉缸在不同温度下自由伸缩。

具体地，第三区域顶部设有补热烧嘴，第三区域上侧设有放渣口，第三区域下侧设有低冰镍放出口。

具体地，上升烟道上还可以设置三次风口，以通入空气或富氧空气以对烟气中未完全燃烧的一氧化碳(CO)进行燃烧。

本发明还提供一种低冰镍的生产方法，采用如上的熔炼炉，具体包括如下步骤：

a.将氧化镍矿进行干燥和破碎，干燥至含水20％～25％，氧化镍矿破碎后的粒径≦50mm；

b.将干燥和破碎后的氧化镍矿与熔剂、燃料按预设的比例加入熔炼炉的第一区域，将富氧空气与燃料通过第一喷嘴喷入第一区域熔池内，在弱还原气氛下物料在搅拌的熔池内快速熔化造渣，形成熔体；

c.第一区域产出的熔体通过隔墙下部通道连续流入第二区域，将还原剂、硫化剂、富氧空气从第二喷嘴喷入第二区域熔池中，熔体在强还原气氛下经还原硫化生成含镍15～30％的低冰镍和炉渣；

d.第二区域产出的低冰镍和炉渣连续流入第三区域，低冰镍与炉渣在第三区域内进一步分离，得到含镍≦0.1％的炉渣，低冰镍通过低冰镍放出口间断放出，炉渣连续放出水淬；

e.通过二次富氧风嘴向第一区域和第二区域上部气相反应区域喷入富氧空气，燃烧所得热量返回熔池内；

f.第一区域和第二区域所产高温烟气经上升烟道进行余热回收及尾气处理。

具体地，熔剂为石灰或石灰石，燃料为煤，按照氧化镍矿与钙、煤的质量比为100∶(5～15)∶(10～20)对氧化镍矿、熔剂、燃料进行加料。

具体地，通过第一喷嘴向第一区域熔池喷入的富氧空气中氧气的体积浓度为80～95％，喷入富氧空气压力为0.1～0.2Mpa，富氧空气对燃料的过剩系数为0.8～0.9，控制第一区域温度为1400～1550℃。

具体地，还原剂为焦粉、粉煤(无烟煤或烟煤)，还原剂为粒度200目以上大于80％，氧化镍矿与还原剂加入量的质量比为100∶(10～15)；硫化剂为硫磺、硫酸钙中的至少一种，硫化剂为粒度200目以上大于80％，氧化镍矿与硫化剂按照氧化镍矿与硫的质量比为100∶2～3进行加料。

具体地，通过第二喷嘴向第二区域喷入的富氧空气中氧气的体积浓度为80～95％，喷入富氧空气的压力为0.3～0.4Mpa。

具体地，第二区域温度为1400℃～1550℃，氧气过剩系数α为0.3～0.4，氧气过剩系数为还原剂与喷入熔池富氧空气中氧的耗量指标。

具体地，物料在第二区域内的还原硫化反应时间为0.5～1.0h，熔体发生还原硫化反应生成含镍15～30％的低冰镍和炉渣。

具体地，第二区域产出的低冰镍和炉渣连续流入第三区域，低冰镍与炉渣在第三区域内停留时间≥0.5h。

具体地，通过二次富氧风嘴向第一区域和第二区域熔池上部气相反应区域喷入富氧空气的喷入角度为水平向下30～55°，喷入的富氧空气中氧气的体积浓度为60～80％，喷入富氧空气压力为0.05Mpa～0.1Mpa，以将气相反应区域中的一氧化碳燃烧，将燃烧所得热量返回熔池。

具体地，高温烟气经上升烟道进入余热锅炉回收余热产蒸汽，烟气经过余热锅炉降温后进入布袋收尘器，余热锅炉及布袋收尘器所回收烟尘返回配料，余热锅炉所产蒸汽用于发电，可降低对外部电力负荷的依赖。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明用于冶炼冰镍的熔炼炉，集第一区域、第二区域以及第三区域于一体，在一台炉内可实现氧化镍矿熔化造渣和还原硫化以及低冰镍与炉渣的深度分离，直接产出低冰镍和炉渣，流程短，生产效率高；

(2)第一区域和第二区域通过隔墙分隔，可实现不同区域气氛的分别控制，具体可控制第一区域为弱还原气氛，以促进燃料充分燃烧，控制第二区域为强还原气氛，以促进熔体还原硫化产生较高品位低冰镍；

(3)自动化程度高，配料系统、还原剂硫化剂喷吹系统以及炉体冷却系统均可实现自动控制；

(4)炉顶设置第一区域与第二区域共同排烟的上升烟道，烟气合并后进入一台余热锅炉产蒸汽，蒸汽用于发电，降低对外部电力负荷的依赖，只需要一套烟气回收装置对烟气进行热回收和除尘处理，实现简化装置、降低装置成本的效果；

(5)第一区域产生的熔体直接流入第二区域，省去熔体转运过程的热损失，采用富氧空气强化熔炼，烟气量小，降低烟气带走热量，能耗低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明所提供的用于冶炼冰镍的熔炼炉的连接拓扑图；

图2为本发明在一具体实施例所示意处的用于冶炼冰镍的熔炼炉的主视角度下的第一剖面图；

图3为图2中熔炼炉的侧视角度下的第二剖面图；

图4为本发明实施例所提供的低冰镍生产方法的流程图。

附图中：

100、熔炼炉；

1、第一区域；2、第二区域；3、第三区域；7、隔墙；8、上升烟道；10、炉缸；20、第一炉身；30、第二炉身；40、炉顶；50、承重架；11、浅炉缸；12、深炉缸；13、梯度结构；14、炉台水套；21、第一喷嘴；22、第二喷嘴；25、一层铜水套；26、二层铜水套；31、二次富氧风嘴；41、主加料口；42、辅助加料口；51、承重圈梁；52、承重圈梁水套；61、补热烧嘴；62、放渣口；63、低冰镍放出口；81、三次风口；301、耐火材料；302、水平铜水套。

具体实施方式

在本发明实施例的以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如适用本工艺的专有设备、以及工艺之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对本发明实施例对众所周知的连接关系、工艺的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

设备：

本发明实施例首先提供一种针对氧化镍矿工艺所使用的熔炼炉，旨在实现一种在氧化镍矿的工艺中具备通用性和适应性，且兼顾使用寿命和迁移性的熔炼炉。

在一个总的发明构思中，为了简化工艺流程、加快工业生产，避免物料经过多次转炉，本发明实施例首先提供一个可提供连续式工艺的熔炼炉100，该一体式熔炼100可以集成熔化造渣、还原硫化以及分离为一体，从而可实现以连续式工艺获得工业中所需的目标产物。

请参阅图1以及图2，该熔炼炉100包括依次排列(指沿所需工艺顺序排列)的第一区域1、第二区域2以及第三区域3，第一区域1用于将待冶炼物熔化造渣，第二区域2用于对经第一区域1熔化造渣后的待冶炼物进行还原以产生目标产物，继而在第三区域3进行分离。

具体地，通过待冶炼物在熔炼炉100的第一区域1中进行熔化和/或氧化形成流动状的熔体，继而通过第一区域1和第二区域2的连接关系，使得熔体进入第二区域2进行还原以形成目标产物以及炉渣，最终流入第三区域3；炉渣、目标产物在第三区域3进一步分离，通过分别设置出口将其排出即可。

可以理解，上述所提到的术语“待冶炼物”可以是镍矿，如红土镍矿，氧化镍矿，也可以是冰镍原料，“目标产物”为按照本发明实施例所提供的工艺条件从镍矿中生产出的冰镍和/或低冰镍所产生的高冰镍。

在本发明实施例中为了实现将熔化造渣、还原硫化以及分离为一体化，熔炼炉100为了适配更大的生产规模，需要将设备的尺寸设置更大，本领域人员应当理解，本发明实施例一方面为了满足减少工艺流程的要求，需要尽可能减少各区域之间的连接距离。

请继续参阅图2，为实施该总发明构思，在一个具体的实施例中将熔炼炉100采用逐层堆砌的方式，熔炼炉100包括一个整体的炉缸10，将第一区域1、第二区域2以及第三区域3共同承建在该炉缸10上，从竖直方向上设计，熔炼炉100包括由下至上依次设置于炉缸10上的第一炉身20、第二炉身30以及炉顶40。

进一步地，第一炉身20、第二炉身30和炉顶40对应第一区域1和第二区域2设置，第一炉身20、第二炉身30和炉顶40内部设有隔墙7以将第一区域1和第二区域2分开，从而第一区域1和第二区域2形成两个分隔的腔体，且隔墙不完全封闭腔体，和炉缸留有一定距离使得在隔墙7与炉缸10底部之间形成通道，用于将第一区域1产生的熔体流入第二区域2。

其中，为了满足将第一区域1产生的熔体可以不需要驱动的情况下流入第二区域2，将第一区域1、第二区域2设置具备深度差，以使第一区域1所产生的熔体可以在势能下流入第二区域2。

具体地，在炉缸10的底部设置有梯度结构13，梯度结构13可以垫高或者拉低炉缸10的底部，从而使得第一区域1、第二区域2设置不同的深度，即在结构上，炉缸10可以包括连续相通的浅炉缸11和深炉缸12，浅炉缸11对应第一区域1设置，深炉缸12对应第二区域2以及第三区域3设置。进一步地，沿第一区域1至第二区域2的方向上，即梯度结构13的深度在底部沿方向上逐渐增加。具体地，梯度结构13位于浅炉缸11与深炉缸12交接处，且在对应隔墙7的底部呈现最大化，从而将隔墙7下方通道最大化，以使熔体顺着梯度结构13流至第二区域2以及第三区域3，让熔渣更好地流入第二区域2，避免堵塞。

进一步地，梯度结构13可以呈阶梯状或平滑坡状，优选地为阶梯状，由于熔渣会在阶梯状时会沉淀部分熔渣，采用阶梯状对比平滑状可避免部分物料集中在隔墙的下侧从而使得通道变窄。

为了进一步解决熔体流通问题，基于上述的一个具体地方案中，隔墙7底部为开口向下的弧形结构。在本实施例中，隔墙7为双层铜水套，隔墙7的最下层铜水套底部为弧形结构。可以理解，熔体产生量大且速率快的问题，该弧形结构和梯度结构13配合可以增大隔墙7下方的通道面积，有利于熔体的通过，避免熔体堵塞通道导致熔体沉积在第一区域1，另一方面可以防止熔体停滞粘结，进一步提高该熔炼炉100的可靠性。

具体地，弧形结构可以增大隔墙7下方的通道面积，便于第一区域1产生的熔体通过进入第二区域2；该弧形结构的弦高优选为100mm～200mm，当该弧形结构的弦高设置过高，第一区域1和第二区域2两个区域间隔效果减弱，两区域不同的反应气氛容易产生相互影响；而当弦高设置过低，增大通道面积的效果减弱。

基于上述的一个具体地方案中，炉缸10材质为耐火材料，耐火材料301可以是硅砖和粘土砖等，炉缸10顶部边缘上方设有对炉缸10进行冷却保护的炉台水套14，炉台水套14为铜水套。

基于上述的一个具体地方案中，第二炉身30由耐火材料301与水平铜水套302交替砌筑而成，多层耐火材料301与多层水平铜水套302交替层叠设置，每两层水平铜水套302间距为200mm～400mm，每层水平铜水套的厚度为60-80mm。

其中耐火材料301和水平铜水套302交替设置，可以阻隔水平铜水套302之间的热传递，避免由于生产规模较大，热量集中上升的过程中导致热量的不均匀，以及减少热量损失，更进一步增强了可靠性和热回收效率。同时，水平铜水套302可以加固第二炉身30的稳定性，防止第二炉身30的内壁变形。

基于上述的一个具体地方案中，第一炉身20由多层铜水套拼接而成，其中，每单件铜水套宽度为500mm～700mm，高度为1000mm～1400mm；可选地在本实施例中，第一炉身20由两层铜水套拼接而成，第二喷嘴22和第一喷嘴21设置于第一炉身20的一层铜水套上，第二喷嘴22的高度低于第一喷嘴21的高度，具体根据第一区域1和第二区域2所要设计的尺寸予以设定。

可以理解，熔体在第一区域1产生后，通过隔墙7下侧的通道流动至第二区域2，并随着熔体的增多逐渐溢向第二喷嘴22处，但是由于第一区域1的深度要小于第二区域2，使其熔体需要逐渐上升，将第二喷嘴22的高度低于第一喷嘴21的高度，便于熔体溢至第一喷嘴21。

具体地，第一区域1、第二区域2的高度一致，根据物料在不同区域内的停留时间，第一区域1、第二区域2以及第三区域3的横截面面积比为(1.2～1.5)∶1∶(0.4～0.6)，可以理解的是，该比例是根据化学反应的比例以及相关工艺参数通过实验所得到的，在比例上作出的简单改进，均属于本发明实施例所涵盖的保护范围内。

更具体地，第一喷嘴21中心线距离所在铜水套下边沿为300mm～400mm，第二喷嘴22中心线距离所在铜水套下边沿为200mm～300mm。

基于上述的一个具体地方案中，第一炉身20的二层铜水套26向外扩展，且相对于竖直方向的倾斜角度为10°～18°。以增大上部气相反应区域的空间容积，使得气相区域反应完全。可以理解，向外扩展角度过小则增大空间容积有限，过大则会形成坡度过缓的坡面，物料无法自然落下，侧墙面容易结渣。

在本发明实施例中，浅炉缸11底表面高于深炉缸12底表面，浅炉缸11与深炉缸12交接处呈阶梯状或平滑坡状，从而将隔墙7下方通道出口最大化，且让熔渣在梯度重力下更好地流入第二区域2，且有利于熔渣的积淀，避免堵塞；浅炉缸11的深度为300mm～400mm，深炉缸12的深度为600mm～800mm。

其中，炉顶40材料为不锈钢水套。第一炉身20与第二炉身30为相互独立结构。可以理解，由于耐火材料在高温下具有膨胀性，且第一炉身20与第二炉身30尺寸较大，将第一炉身20与第二炉身30独立设置，可减小由于炉缸10在高温下膨胀而导致不同材质结构间的相互挤压，进而提高整个设备的安全性与使用寿命，且便于针对性进行维修处理。

进一步地，第三区域3顶部设有补热烧嘴61，第三区域3上侧设有放渣口62，第三区域3下侧设有低冰镍放出口63。熔渣和低冰镍在第三区域3完成深度分离，由于固液的密度差，低冰镍从低冰镍放出口63持续流出，熔渣在放渣口62持续放出。

由此，本发明实施例所提供的熔炼炉100具备熔融、还原以及分离于一体，后无需多次转炉，实现直接从氧化镍矿至冰镍生产的连续式工艺，减少工艺流程和成本。

为了实现更好地利用热量，以提高能源的利用效率，以实现节省能源的作用。在本发明实施例中将第一炉身20和第二炉身30分别设置为为下部熔池反应区域和上部气相反应区域，第一炉身20对应第一区域1和第二区域2分别设有将富氧空气与还原剂、硫化剂或燃料喷入反应区内的第一喷嘴21和第二喷嘴22；第一喷嘴21用于将待冶炼物熔化造渣，第二喷嘴22用于对经第一区域1熔化造渣后的待冶炼物进行还原以产生目标产物。

对应的，第一区域1在炉顶40设有用于加入氧化镍矿等物料的主加料口41，第二区域2在炉顶40还设有辅助加料口42，用于加入相关物料。

第二炉身30在第一区域1和第二区域2均设有二次富氧风嘴31，以用于对上部气相反应区域内的CO进行补充燃烧，将燃料热量返回熔池反应区域内二次利用。炉顶40设有第一区域1和第二区域2共同排烟的上升烟道8，为了更好地利用能耗，通过外接余热锅炉(未标号)收集第一区域1、第二区域2在反应过程中的高温烟气，将高温烟气的热量转换成蒸汽进行余热发电或供生产生活使用。

第一区域1和第二区域2产生烟气经上升烟道8合并后进入余热锅炉产蒸汽，蒸汽用于发电，降低对外部电力负荷的依赖，且利用同一上升烟道8，热量相对多个上升烟道具备集中化的特点，具备更高的热回收效率。且只需要一套烟气回收装置对烟气进行热回收和除尘处理，实现简化装置、降低装置成本的效果。

其中，上升烟道8上设有三次风口81，用于鼓入空气或富氧空气对烟气中的CO进行补充燃烧。从而实现更好地电力增加效果。

可以理解，本发明实施例利用CO和氧气燃烧生成无毒的二氧化碳，△H＝－282KJ/mol，在热化学方程式中△H小于0，反应放热的特点，且由于该熔炼炉100规模很大，其参与反应生成的物质的量很大；使得来自第一区域1和第二区域2的CO积累在上升烟道8燃烧产生大量热量，余热锅炉通过回收进行二次利用，相对于多个上升烟道回收的热损失减少，热效率可以显著提高。

需要要说明的是，二次富氧风嘴31可用于燃料热量返回，三次风口81用于完全燃烧剩余气体并回收热量，从而提高能源的利用效率。

针对低冰镍的化学反应所产生的气体特性，具备不会相互反应的优势，通过第一区域1和第二区域2设置共同排烟的上升烟道8，可以将上升烟道8的尺寸规模设计的更大，承载更多容积的出烟量从而一次获取更多的热量，且配合三次风口81在集中的上升烟道8处燃烧，提高最终回收的热效率，为余热锅炉提供更大的热能。

在基于本发明实施例的一个变形实施例中，为了更好地控制二次富氧风嘴31和三次风口81的气体释放量起到节省能源的作用，可以通过对二次富氧风嘴31和三次风口81进行PID调节，如气相反应区设置目标温度为T1，通过高温传感器测量实际温度为T2，可以根据目标温度为T1和实际温度T2的偏差对二次富氧风嘴31和三次风口81的气体释放量进行反馈控制。

为了使得熔炼炉100符合以上实施例所提供的具体尺寸参数所适配的受力条件，熔融炉需要足够的力学强度去承载大规模的物料以及熔化物，满足基本的地面应力要求，从而增加一体熔炼炉的承载可靠性。

请继续参阅图2以及图3，在本发明实施例中在熔炼炉100的外侧设有承重架50，以稳定熔炼炉100并给熔炼炉100提供更好地支撑，承重架50用于搭建在地基上，且在承重架50上设有伸入第一炉身20上方的承重圈梁51，通过第一炉身20置于地面上，第二炉身30及炉顶40依次放置于承重架50的承重圈梁51上，从而使得承重架50对第二炉身30及炉顶40进行承重。

可以理解，由于第一炉身20和第二炉身30在设计时的尺寸要求其重量较大，第一炉身20直接置于地上，通过使用承重架50和承重圈梁51将第二炉身30的重量转移，可以防止第二炉身30的重量过重挤压第一炉身20导致变形甚至事故，侧面增加熔炼炉100的使用寿命，另一方面，通过第一炉身20和第二炉身30的独立设计，可以实现单独更改，避免整体拆炉所带来的人力物力庞大。

具体地，承重架50上还设有承重圈梁水套52。其中，第一炉身20与上部承重架50之间具有宽度为40mm～80mm的自由伸缩缝。由于熔炼炉的体型较大，通过材料以及膨胀公式计算可得第一炉身20的伸缩空间，在40mm～80mm之间以使得第一炉身20具备自由伸缩的空间又可以对第一炉身20进行防护，避免热应力导致第一炉身20挤压承重架50，增加熔炼炉100的整体稳固性和使用寿命。

需要说明的是，本设备实施例不对熔炼炉100进行在高/低冰镍应用上的具体限定，利用熔炼炉100更换第一喷嘴21和第二喷嘴22的吹炼物从而完成不同的工艺，在工艺为现有技术且不付出任何智力劳动的情况下，均属于本发明实施例所涵盖的保护范围内。

工艺：

请参阅图1至图4，在采用上述实施例所提供的熔炼炉的基础上，还提供一种低冰镍的生产方法，具体包括如下步骤：

a.将氧化镍矿进行干燥和破碎，干燥至含水20％～25％，氧化镍矿破碎后的粒径≦50mm，干燥过程采用煤或天然气作为燃料。

b.将干燥和破碎后的氧化镍矿与熔剂按预设的比例加入熔炼炉的第一区域1，将富氧空气与燃料通过第一喷嘴21喷入第一区域1熔池内，物料在搅拌的熔池内快速熔化造渣，形成熔体。

具体地，该步骤b中，氧化镍矿无需预热经干燥后即可入炉，熔剂为石灰或石灰石，燃料为煤，干燥后的氧化镍矿与熔剂、燃料通过计量过皮带秤配料，按照氧化镍矿与钙、煤的质量比为100∶(5～15)∶(10～20)对氧化镍矿、熔剂、燃料进行加料。

具体地，该步骤b中，通过第一喷嘴21向第一区域1熔池喷入的富氧空气中氧气的体积浓度为80～95％，喷入富氧空气压力为0.1～0.2Mpa，富氧空气对燃料的过剩系数为0.8～0.9，控制第一区域1温度为1400～1550℃。

c.第一区域1产出的熔体通过隔墙7下部通道连续流入第二区域2，将还原剂、硫化剂、富氧空气从第二喷嘴22喷入第二区域2熔池中，熔体经还原硫化生成含镍15～30％的低冰镍和炉渣。

具体地，该步骤c中，还原剂为焦粉、粉煤，还原剂为粒度200目以上大于80％，氧化镍矿与还原剂加入量的质量比为100∶(10～15)；硫化剂为硫磺、硫酸钙中的至少一种，硫化剂为粒度200目以上大于80％，氧化镍矿与硫化剂按照氧化镍矿与硫的质量比为100∶2～3进行加料。

具体地，该步骤c中，通过第二喷嘴22向第二区域2喷入的富氧空气中氧气的体积浓度为80～95％，喷入富氧空气的压力为0.3～0.4Mpa，第二区域2温度为1400℃～1550℃，氧气过剩系数α为0.3～0.4，氧气过剩系数为还原剂与喷入熔池富氧空气中氧的耗量指标。

具体地，该步骤c中，物料在第二区域2内的还原硫化反应时间为0.5～1.0h，熔体发生还原硫化反应生成含镍15～30％的低冰镍和炉渣。

d.第二区域2产出的低冰镍和炉渣连续流入第三区域3，低冰镍与炉渣在第三区域3内进一步分离，得到含镍≦0.1％的炉渣，低冰镍通过低冰镍放出口63间断放出，炉渣通过放渣口62连续放出水淬。

具体地，该步骤d中，第二区域2产出的低冰镍和炉渣连续流入第三区域3，低冰镍与炉渣在第三区域3内停留时间≥0.5h。

e.通过二次富氧风嘴31向第一区域1和第二区域2上部气相反应区域喷入富氧空气，燃烧所得热量返回熔池内。

具体地，该步骤e中，通过二次富氧风嘴31向第一区域1和第二区域2熔池上部气相反应区域二次喷入富氧空气的喷入角度为水平向下30～55°，二次喷入的富氧空气中氧气的体积浓度为60～80％，二次喷入富氧空气压力为0.05Mpa～0.1Mpa，以将气相反应区域中的CO燃烧，将燃烧所得热量返回熔池。

f.第一区域1和第二区域2所产高温烟气经上升烟道8进行热回收及除尘处理。

具体地，该步骤f中，高温烟气经上升烟道8进入余热锅炉回收余热，烟气经过余热锅炉降温后进入布袋收尘器，余热锅炉及布袋收尘器所回收烟尘返回配料，余热锅炉所产蒸汽用于发电。

以下结合具体实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。实施例中所采用氧化镍矿含镍1.50％，含钴0.10％，含铁18％，含氧化镁21％，含二氧化硅35％。

实施例1

将氧化镍矿加入干燥窑中进行干燥，干燥至含水20％～25％，干燥后经过格栅筛分，筛下物控制小于50mm。将干燥后的氧化镍矿与石灰石按预设的比例通过炉顶40的主加料口41加入到熔炼炉第一区域1，将富氧空气与粉煤通过第一喷嘴21喷入第一区域1熔池内，喷入富氧空气压力为0.12Mpa，富氧空气对燃料的过剩系数为0.85，控制第一区域1温度为1500℃，在弱还原气氛下物料在搅拌的熔池内快速熔化造渣，形成熔体；第一区域1产出的熔体通过隔墙下部通道连续流入第二区域2，将还原剂粉煤、硫化剂硫磺、富氧空气从第二喷嘴22喷入第二区域2熔池中，控制第二区域2温度为1500℃，氧气过剩系数α为0.3，熔体在强还原气氛下经还原硫化生成低冰镍和炉渣；第二区域产出的低冰镍和炉渣连续流入第三区域3，低冰镍与炉渣在第三区域3内进一步分离，得到含镍≦0.1％的炉渣，低冰镍通过低冰镍放出口63间断放出，炉渣通过放渣口62连续放出水淬；第一区域1和第二区域2所产高温烟气经上升烟道8进行热回收及除尘处理。

最终所得低冰镍含镍25.34％，含铁45.19％，含钴1.57％，含硫26.97％，镍金属回收率94.02％，钴金属回收率86.43％，低冰镍金属化率0.33。还原硫化炉渣含NiO:0.10％，FeO:19.64％，SiO₂:35.21％，CaO:5.53％，MgO:20.60％，Al₂O₃:4.73％。

通过上述实施例及其结果表明，本发明用于冶炼冰镍的熔炼炉，在一台炉内可直接产出低冰镍和炉渣，且所需的工艺流程短，生产效率高，能够得到较高品位低冰镍。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种用于冶炼冰镍的熔炼炉，其特征在于，包括

第一区域(1)，用于将待冶炼物熔化造渣；

第二区域(2)，用于对经所述第一区域(1)熔化造渣后的待冶炼物进行还原硫化以产生目标产物；

以及第三区域(3)，用于分离所述目标产物；

所述熔炼炉在竖直方向上包括相互独立的第一炉身(20)和第二炉身(30)，所述第一炉身(20)、第二炉身(30)对应所述第一区域(1)和第二区域(2)设置；

所述第一区域(1)、第二区域(2)上方设有共同排烟的上升烟道(8)；

所述第一炉身(20)由多层铜水套拼接而成，所述第二炉身(30)由耐火材料与水平铜水套交替砌筑而成。

2.根据权利要求1所述的熔炼炉，其特征在于，所述第一炉身(20)和第二炉身(30)分别为下部熔池反应区域和上部气相反应区域；所述第一炉身(20)对应所述第一区域(1)和第二区域(2)分别设有：

第一喷嘴(21)，用于向所述第一区域(1)喷入至少包含富氧空气的物料，将待冶炼物熔化造渣；

第二喷嘴(22)，用于向第二区域(2)喷入至少包含富氧空气的物料，对经所述第一区域(1)熔化造渣后的待冶炼物进行还原以产生目标产物。

3.根据权利要求1所述的熔炼炉，其特征在于，所述第二炉身(30)在所述第一区域(1)和第二区域(2)均设有二次富氧风嘴(31)，用于进行补充燃烧。

4.根据权利要求3所述的熔炼炉，其特征在于，所述上升烟道(8)中设有三次风口(81)，用于将通入空气或富氧空气以在所述上升烟道进行燃烧。

5.根据权利要求1所述的熔炼炉，其特征在于，所述第一区域(1)、所述第二区域(2)以及所述第三区域(3)连通，所述第一区域(1)和第二区域(2)之间设有隔墙(7)以分隔所述第一区域(1)和第二区域(2)，所述第一区域(1)、第二区域(2)以及第三区域(3)共同包括炉缸(10)，所述隔墙(7)和所述炉缸(10)间留有通道，以使所述第一区域(1)的熔体流向所述第二区域(2)。

6.根据权利要求5所述的熔炼炉，其特征在于，所述隔墙(7)为双层铜水套，隔墙(7)的最下层铜水套底部为弧形结构。

7.根据权利要求2所述的熔炼炉，其特征在于，所述第一炉身(20)由多层铜水套拼接而成，所述第一喷嘴(21)和第二喷嘴(22)设置于所述第一炉身(20)的最下一层铜水套上，所述第二喷嘴(22)的高度低于第一喷嘴(21)的高度。

8.根据权利要求1所述的熔炼炉，其特征在于，所述第一炉身(20)的最上一层铜水套向外扩展，相对于竖直方向的倾斜角度为10°～18°。

9.根据权利要求1所述的熔炼炉，其特征在于，所述熔炼炉外侧设有承重架(50)，所述承重架(50)上设有伸入所述第一炉身(20)上方的承重圈梁(51)，所述第二炉身(30)放置于承重圈梁(51)上以对第二炉身(30)进行承重将重量转移至所述承重架(50)，所述承重圈梁(51)上设有承重圈梁水套(52)。

10.根据权利要求9所述的熔炼炉，其特征在于，所述第一炉身(20)与承重圈梁(51)之间具有宽度为40mm～80mm的自由伸缩缝。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的熔炼炉，其特征在于，所述第三区域(3)顶部设有补热烧嘴(61)，第三区域(3)上侧设有放渣口(62)，第三区域(3)下侧设有低冰镍放出口(63)。

12.根据权利要求5或6所述的熔炼炉，其特征在于，所述第一区域(1)和第二区域(2)设置深度差，且沿所述第一区域(1)至第二区域(2)的方向上，对应所述隔墙(7)下方的第一区域(1)和第二区域(2)在底部设置有深度沿所述方向上逐渐增加的梯度结构(13)。

13.一种低冰镍的生产方法，其特征在于，采用如权利要求1-12中任一项所述的熔炼炉，具体包括如下步骤：

将氧化镍矿进行干燥和破碎，干燥至含水20％～25％，氧化镍矿破碎后的粒径≤50mm；

将干燥和破碎后的氧化镍矿与熔剂加入熔炼炉的第一区域(1)，将富氧空气与燃料喷入第一区域(1)熔池内，物料在搅拌的熔池内快速熔化造渣，形成熔体；

第一区域(1)产出的熔体连续流入第二区域(2)，将还原剂、硫化剂、富氧空气喷入第二区域(2)熔池中，熔体经还原硫化生成低冰镍和炉渣；

第二区域(2)产出的低冰镍和炉渣连续流入第三区域(3)，低冰镍与炉渣在第三区域(3)内进一步分离，低冰镍间断放出，炉渣连续放出水淬；

向第一区域(1)和第二区域(2)上部气相反应区域喷入富氧空气，燃烧所得热量返回熔池内；

第一区域(1)和第二区域(2)所产高温烟气经上升烟道(8)进行余热回收及尾气处理。

14.根据权利要求13所述的低冰镍的生产方法，其特征在于，所述熔剂为石灰或石灰石，所述燃料为煤，按照氧化镍矿与钙、煤的质量比为100∶(5～15)∶(10～20)对氧化镍矿、熔剂、燃料进行加料。

15.根据权利要求13所述的低冰镍的生产方法，其特征在于，向第一区域(1)熔池喷入的富氧空气中氧气的体积浓度为80～95％，喷入富氧空气压力为0.1～0.2Mpa，富氧空气对燃料的过剩系数为0.8～0.9，控制第一区域(1)温度为1400～1550℃。

16.根据权利要求13所述的低冰镍的生产方法，其特征在于，所述还原剂为焦粉、粉煤，所述还原剂为粒度200目以上大于80％，氧化镍矿与还原剂加入量的质量比为100∶(10～15)；所述硫化剂为硫磺、硫酸钙中的至少一种，所述硫化剂为粒度200目以上大于80％，氧化镍矿与硫化剂按照氧化镍矿与硫的质量比为100∶2～3进行加料。

17.根据权利要求13所述的低冰镍的生产方法，其特征在于，向第二区域(2)喷入的富氧空气中氧气的体积浓度为80～95％，喷入富氧空气的压力为0.3～0.4Mpa，所述第二区域(2)温度为1400℃～1550℃，氧气过剩系数α为0.3～0.4，氧气过剩系数为还原剂与喷入熔池富氧空气中氧的耗量指标。

18.根据权利要求13所述的低冰镍的生产方法，其特征在于，物料在第二区域(2)内的还原硫化反应时间为0.5～1.0h，熔体发生还原硫化反应生成含镍15～30％的低冰镍和炉渣。

19.根据权利要求13所述的低冰镍的生产方法，其特征在于，第二区域(2)产出的低冰镍和炉渣连续流入第三区域(3)，低冰镍与炉渣在第三区域(3)内停留时间≥0.5h。

20.根据权利要求13所述的低冰镍的生产方法，其特征在于，向第一区域(1)和第二区域(2)熔池上部气相反应区域二次喷入富氧空气的喷入角度为水平向下30～55°，二次喷入的富氧空气中氧气的体积浓度为60～80％，二次喷入富氧空气压力为0.05Mpa～0.1Mpa，以将气相反应区域中的CO燃烧，将燃烧所得热量返回熔池。

21.根据权利要求13所述的低冰镍的生产方法，其特征在于，高温烟气经上升烟道(8)进入余热锅炉回收余热，烟气经过余热锅炉降温后进入布袋收尘器，余热锅炉及布袋收尘器所回收烟尘返回配料，余热锅炉所产蒸汽用于发电。

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