CN115369211A - 一种利用aod炉富集镍的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于冶金工程技术领域，公开了一种利用AOD炉富集镍的方法，包括：将采用RKEF工艺冶炼红土镍矿后得到的产物作为原料兑入AOD炉中，形成炉液；利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氧吹炼，氧化炉液中易氧化的元素；加入冷料，继续供氧吹炼，氧化炉液中的铁元素；利用顶枪和侧枪配合供氮气，充分搅拌，待所述冷料化清后排渣；依次重复上两步，每次排渣后取样分析炉液中的镍元素含量，当镍元素含量达到要求镍点时停止重复步骤；出铁，在出铁过程中同时对铁水进行脱氧及合金化。与现有转炉冶炼制备高冰镍，本发明AOD炉富集镍工艺得出的产物后续可直接进行硫化作为高冰镍使用，其工艺操作简单，消耗及成本较低，同时大大缩短了冶炼周期。

Description

一种利用AOD炉富集镍的方法
技术领域
本发明属于冶金工程技术领域，更具体地，涉及一种利用AOD炉富集镍的方法。
背景技术
镍是一种银白色金属，镍金属具有良好的机械强度及加工性、难熔耐高温性及化学稳定性等特点，广泛应用于不锈钢、合金钢制造领域。镍矿石是含有镍单质或镍铁化合物且能够经济利用的矿物集合体，是镍金属及镍合金冶炼领域的重要原材料。根据镍矿中镍元素赋存形态划分，镍矿石可分为硫化镍矿及红土镍矿两类。高冰镍是一种通过镍矿冶炼生产的镍、铜、钴、铁等金属的硫化物共熔体，其中含镍量达到70％左右。高冰镍的用途可以进一步加工为电解镍以及镍盐，近几年尤其用于生产硫酸镍，经济价值高。
高冰镍的传统制备方法是利用品味较高的硫化镍矿，通过一系列熔炼，形成低冰镍，然后转炉吹炼后形成高冰镍。该技术成熟主流，是生产纯镍的中间产品。然而，硫化镍矿全球储量较少，产能有限；全球储量较多的是红土镍矿。但红土镍矿由于杂质多，含镍量低，传统上主要用于生产高镍铁，进而用于生产不锈钢。目前，鲜有报道通过红土镍矿直接制备高冰镍的。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用AOD炉富集镍的方法，旨在解决传统利用硫化镍矿制备高冰镍的方法产能有限、成本高、耗时长等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用AOD炉富集镍的方法，包括如下步骤：
S1、将采用RKEF工艺冶炼红土镍矿后得到的产物作为原料兑入AOD炉中，形成炉液；
S2、利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氧吹炼，氧化所述炉液中易氧化的元素；
S3、加入冷料，继续利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氧吹炼，氧化所述炉液中的铁元素；
S4、利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氮气，充分搅拌，待所述冷料化清后排渣；
S5、重复步骤S3和步骤S4，每次排渣后取样分析所述炉液中的镍元素含量，当镍元素含量达到要求镍点时停止重复步骤；
S6、出铁，在出铁过程中同时对铁水进行脱氧及合金化。
优选地，步骤S1中，所述原料中硅元素的质量分数小于或等于1.5％。
优选地，步骤S1中，根据AOD炉炉龄设定兑入AOD炉中的所述原料的质量。
优选地，步骤S1中，兑入所述原料前，先加入造渣剂，所述造渣剂的加入量为所述炉液的3％～5％。
优选地，步骤S2中，吹炼温度为1560℃～1680℃。
优选地，步骤S3中，加入冷料后降温至1360℃～1480℃。
优选地，步骤S3中，吹炼温度为1560℃～1680℃。
优选地，步骤S6中，向铁水中加入硅铁合金以实现铁水的脱氧和合金化。
按照本发明的另一方面，还提供了一种利用AOD炉制备高冰镍的方法，包括如下步骤：
S1、将采用RKEF工艺冶炼红土镍矿后得到的产物作为原料兑入AOD炉中，形成炉液；
S2、利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氧吹炼，氧化所述炉液中易氧化的元素；
S3、加入冷料，继续利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氧吹炼，氧化所述炉液中的铁元素；
S4、利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氮气，充分搅拌，待所述冷料化清后排渣；
S5、依次重复步骤S3和步骤S4，每次排渣后取样分析所述炉液中的镍元素含量，当镍元素含量达到要求镍点时停止重复步骤；
S6、出铁，在出铁过程中同时对铁水进行脱氧及合金化，出铁后经过硫化得到高冰镍。
优选地，步骤S5中，重复步骤S3和步骤S4至少三次，排渣后炉液中的镍元素质量分数大于或等于75％。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明富集镍的方法是利用根据RKEF工艺流程冶炼红土镍矿得出的产物在AOD炉中进行脱C、Si、Mn等元素并除去铁水中多余的Fe含量的原理，来进行富集。AOD炉富集镍工艺可将RKEF工艺冶炼出来的产物镍含量提高至75％及以上。应用该方法产出的富集镍后续可直接进行硫化为高冰镍或直接代替纯镍使用，相比传统利用转炉冶炼制备高冰镍的工艺，其工艺更简单，冶炼周期大大缩短，成本更低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的利用AOD炉富集镍的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的一种利用AOD炉富集镍或制备高冰镍的方法，其包括如下步骤：
(1)将采用RKEF工艺冶炼红土镍矿后得到的产物作为原料兑入AOD炉中，形成炉液。
目前，国内外红土镍矿的处理方法主要有火法和湿法两种冶炼工艺，湿法工艺是使用硫酸、盐酸或者氨水溶液作为浸出剂，浸出红土镍矿中的镍和钴金属离子，常见的湿法处理工艺有高压酸浸工艺(HPAL)、常压酸浸工艺(PAL)和氨浸工艺(Caron)。火法工艺是在高温条件下，以C作为还原剂，对氧化镍矿中的NiO及其他氧化物进行还原而得。火法冶炼因具有流程短、三废(指废气、废水和废渣)排放量少、工艺成熟等特点，已成为红土镍矿冶炼的主要工艺。目前国内外常见的4种火法工艺为烧结-高炉流程(BF)、回转窑-矿热炉法(RKEF)、多米尼加鹰桥竖炉-电炉工艺和日本大江山回转窑直接还原法。其中，RKEF法是目前火法处理红土镍矿的先进及成熟工艺，具有产品质量好、生产效率高、节能环保等优点，因此本发明将红土镍矿根据RKEF工艺流程进行冶炼的产物作为AOD炉富集镍的原料。
本发明对RKEF工艺冶炼产出的铁水成分没有特殊限定，通常情况下要求硅含量≤1.5％，主要原因是若铁水中硅点过高会导致吹炼时温度升高过快，则不利于过程温度控制，且需加入较多冷料以降温，而产生较大的渣量，冶炼中容易产生喷溅。
AOD炉(argon oxygen decarburization furnace)是基于氩氧脱碳法的精炼设备，其外形与转炉近似，炉体安放在一个可以前后倾翻的托圈上，由销钉固定。AOD炉通常用于精炼不锈钢，冶炼时吹入O2、Ar或N2混合气体，对钢水脱碳，同时由加料系统加入还原剂、脱硫剂、铁合金或冷却剂等调整钢水成分和温度，冶炼出合格的不锈钢水供连铸机。其具有设备简单、操作方便、适应性强、投资省、生产成本低等优点。本发明将利用RKEF工艺冶炼红土镍矿得出的产物在AOD炉中进行脱C、Si、Mn等元素并除去铁水中多余的Fe含量的原理，来进行镍的富集。
一些实施例中，宜根据AOD炉炉龄设定兑入AOD炉中的原料的质量。以采用公称吨位为100吨的AOD炉为例，AOD炉处于前期炉龄(1～10炉)，原料质量控制在70～80吨，AOD炉处于中期炉龄(11～90炉)，原料质量控制在80～100吨，AOD炉处于后期炉龄(90炉以上)，考虑到后期炉耐材侵蚀程度及生产安全性，也适当降低原料质量，或不适用后期炉壳冶炼。
一些实施例中，兑入所述原料前，先加入造渣剂，所述造渣剂的加入量为兑铁后炉液的3％～5％，以平衡炉内碱度(冶炼过程保持在pH4～5)并保护炉衬，
(2)第一阶段吹炼(脱碳氧化期)，利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氧，氧化所述炉液中易氧化的元素。
具体地，兑入原料后利用AOD炉顶枪和侧枪供氧，过程温度宜控制在1560℃～1680℃，经计算供氧约3500m3左右，氧化掉铁水中的C、Si、Mn、Cr等元素，根据原子质量守恒定律铁水中除了Ni以外的其它元素后续会随熔渣排出炉内，Ni元素的浓度会随着其它元素的稀释而增加。
化学反应原理包括：2C+O2＝2CO；2CO+O2＝2CO2；Si+O2＝SiO2；4Cr+3O2＝2Cr2O3；Mn+O2＝MnO2。
(3)第二阶段吹炼(脱铁提镍期)，加入冷料，继续利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氧吹炼，氧化所述炉液中的铁元素。
具体地，氧化完铁水中的易氧化的元素后，加入一斗冷料(例如氧化铁渣，即其它炉次冶炼过程中排放出的渣，经过冷却后使用)降温，炉内温度降低至1360℃～1480℃。加完第一斗冷料后，继续供氧2000m3左右，温度再次升高至步骤(2)温度范围内(1560℃～1680℃)，氧气继续与铁水中的Fe元素反应，氧化炉中铁水的Fe元素，同理降低Fe元素含量、提高镍元素在铁水中的含量。
化学反应原理包括：2Fe+O2＝2FeO；6FeO+O2＝2Fe3O4。
(4)利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氮气，充分搅拌，待所述冷料化清后排渣。
具体地，将吹氧气换为吹氮气，主要起强对流搅拌作用，并释放炉内多余的CO、CO2，氮气搅拌200m3后可倒炉，倒炉观察炉内冷料融化情况后可进行第一次排渣操作，氧气与铁剧烈反应产生的Fe3O4伴随造渣剂等熔渣一起排出。
(5)依次重复步骤S3和步骤S4，每次排渣后取样分析炉液中的镍元素含量，当镍元素含量达到要求镍点时停止重复步骤。
具体地，反复排渣操作，即重复步骤(3)和步骤(4)，排出炉内Fe3O4及造渣剂，从而达到降低铁水中铁元素含量、富集镍元素的目的。每次排渣后取样分析炉内铁水中的镍元素含量，当镍元素含量达到要求镍点时可停止加料。根据富集不同镍点考虑重复操作次数，富集镍点越高所需重复次数越多。
(6)出铁，在出铁过程中同时对铁水进行脱氧及合金化。
排净最后一次Fe3O4产物后即可出铁。由于前期向AOD炉内供氧去除C、Si、Mn、Cr等杂质，氧化精炼结束后，铁水中氧含量通常较高。如果铁水不进行脱氧，浇铸时不能得到正确的凝固组织结构；镍铁中氧含量高，还会产生皮下气泡、疏松等缺陷，还会产生过多的氧化物夹杂，降低镍铁的塑性、冲击韧性等力学性能。因此，本发明必须去除冶炼后铁水中的过剩氧，具体操作是，出铁过程中一边出铁，一边向铁包中加入300kg左右的硅铁合金，起脱氧及合金化作用。出铁后浇铸成镍铁块，在原始铁水的基础上提升铁水含镍点附加值，可代替部分纯镍使用，或者出铁后经过硫化，得到高冰镍。
具体而言，在以下不同实施例中兑入不同的RKEF原始铁水利用上述工艺方法富集镍。
实施例1
兑入RKEF产出原料铁水，其成分按质量百分比计为C：2.86％，Si：0.09％，Mn：0.01％，Cr：1.04％，Ni：12.36％，Co：0.31％，S：0.23％，P：0.04％，Fe：83.06％。
脱碳氧化结束后，根据相同操作条件反复步骤(3)和步骤(4)共四次进行脱铁提镍，得到高镍点铁水。
过程铁元素含量控制：83.06％→79.26％→71.89％→57.96％→16.50％；
过程镍元素含量控制：12.36％→19.22％→25.33％→39.09％→76.90％。
完成上述脱铁提镍的重复操作后，经过对试样的化验分析，达到成品所需镍元素含量后方可考虑进行出铁操作。
在本实施例中，镍含量从12.36％冶炼至76.90％只需142min，相比传统转炉冶炼大大缩短了冶炼周期。
实施例2
兑入RKEF产出原料铁水，其成分按质量百分比计为C：3.08％，Si：0.15％，Mn：0.01％，Cr：1.21％，Ni：11.04％，Co：0.19％，S：0.25％，P：0.04％，Fe：84.03％。
脱碳氧化结束后，根据相同操作条件反复步骤(3)和步骤(4)共六次进行脱铁提镍，得到更高镍点铁水。
过程铁元素含量控制：84.03％→83.53％→63.73％→63.47％→53.31％→33.35％→13.28％；
过程镍元素含量控制：11.04％→14.27％→32.07％→32.63％→42.59％→62.85％→82.62％。
完成上述脱铁提镍的重复操作后，经过对试样的化验分析，达到成品所需镍元素含量后方可考虑进行出铁操作。
实施例3
兑入RKEF产出原料铁水，其成分按质量百分比计为C：2.83％，Si：0.13％，Mn：0.01％，Cr：0.79％，Ni：12.35％，Co：0.26％，S：0.27％，P：0.04％，Fe：83.32％。
脱碳氧化结束后，根据相同操作条件反复步骤(3)和步骤(4)共七次进行脱铁提镍，得到更高镍点铁水。
过程铁元素含量控制：83.32％→81.01％→75.46％→63.58％→53.55％→46.20％→24.56％→8.13％；
过程镍元素含量控制：12.35％→18.10％→22.71％→34.04％→43.88％→53.84％→75.83％→88.18％。
以上案例完成上述排铁提镍的重复操作后，经过对试样的化验分析，达到成品所需镍元素含量后方可考虑进行出铁操作。
从本发明实施例1-3可以看出，可通过重复更多次数的排铁提镍操作，实现富集更高镍点。
本发明利用AOD炉富集镍制备高冰镍的方法操作简单，成本低，镍元素含量能从不超过13％提升至75％以上，相比现有利用转炉冶炼制备高冰镍的工艺，冶炼时间大大缩短，效率更高。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用AOD炉富集镍的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将采用RKEF工艺冶炼红土镍矿后得到的产物作为原料兑入AOD炉中，形成炉液；
S2、利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氧吹炼，氧化所述炉液中易氧化的元素；
S3、加入冷料，继续利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氧吹炼，氧化所述炉液中的铁元素；
S4、利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氮气，充分搅拌，待所述冷料化清后排渣；
S5、依次重复步骤S3和步骤S4，每次排渣后取样分析所述炉液中的镍元素含量，当镍元素含量达到要求镍点时停止重复步骤；
S6、出铁，在出铁过程中同时对铁水进行脱氧及合金化。
2.根据权利要求1所述的利用AOD炉富集镍的方法，其特征在于：步骤S1中，所述原料中硅元素的质量分数小于或等于1.5％。
3.根据权利要求1所述的利用AOD炉富集镍的方法，其特征在于：步骤S1中，根据AOD炉炉龄设定兑入AOD炉中的所述原料的质量。
4.根据权利要求1所述的利用AOD炉富集镍的方法，其特征在于：步骤S1中，兑入所述原料前，先加入造渣剂，所述造渣剂的加入量为所述炉液的3％～5％。
5.根据权利要求1所述的利用AOD炉富集镍的方法，其特征在于：步骤S2中，吹炼温度为1560℃～1680℃。
6.根据权利要求1所述的利用AOD炉富集镍的方法，其特征在于：步骤S3中，加入冷料后降温至1360℃～1480℃。
7.根据权利要求1所述的利用AOD炉富集镍的方法，其特征在于：步骤S3中，吹炼温度为1560℃～1680℃。
8.根据权利要求1-7任一所述的利用AOD炉富集镍的方法，其特征在于：步骤S6中，向铁水中加入硅铁合金以实现铁水的脱氧和合金化。
9.一种利用AOD炉制备高冰镍的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将采用RKEF工艺冶炼红土镍矿后得到的产物作为原料兑入AOD炉中，形成炉液；
S2、利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氧吹炼，氧化所述炉液中易氧化的元素；
S3、加入冷料，继续利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氧吹炼，氧化所述炉液中的铁元素；
S4、利用AOD炉顶枪和侧枪配合供氮气，充分搅拌，待所述冷料化清后排渣；
S5、重复步骤S3和步骤S4，每次排渣后取样分析所述炉液中的镍元素含量，当镍元素含量达到要求镍点时停止重复步骤；
S6、出铁，在出铁过程中同时对铁水进行脱氧及合金化，出铁后经过硫化得到高冰镍。
10.根据权利要求9所述的利用AOD炉制备高冰镍的方法，其特征在于：步骤S5中，重复步骤S3和步骤S4至少三次，排渣后炉液中的镍元素质量分数大于或等于75％。
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