采用回转窑直接还原‑RKEF联合法生产镍铁的方法与流程

本发明属于冶金工艺技术领域，尤其是一种采用回转窑直接还原-RKEF联合法生产镍铁的方法。

背景技术：

按地质成因划分，镍矿资源主要分为两大类：硫化镍矿和红土镍矿。国内镍矿资源主要是硫化镍矿，红土镍矿极少。随着镍价的攀升和经济发展对金属镍的需求加大，原有硫化镍矿资源已远不能满足市场需求，我国开始从印度尼西亚、菲律宾等东南亚国家大量进口红土镍矿，截至2010 年底我国累计进口镍矿（红土镍矿）2500 万吨，近年来仍在以每年20% 以上的速度增长。

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；其中火法冶炼因具有流程短，三废排放量少，工艺成熟等特点，已成为红土镍矿冶炼的主要工艺。其中，火法冶炼中利用较广泛的是回转窑直接还原法和RKEF法（即回转窑干燥预还原-电炉熔炼工艺）。

传统的回转窑直接还原法冶炼镍铁的工艺流程为原矿经干燥、破碎、筛分处理后与熔剂、还原剂按比例混合制团，团矿经回转窑进行干燥和高温还原焙烧，生成镍铁合金，镍铁合金与回转窑产生的渣的混合物再经过水淬、破碎筛分、磁选等处理，得到海绵粒状镍铁产品。该工艺的最大优点是流程短，能耗低，生产成本低，原因是该工艺能耗只有还原焙烧一个工序，且回转窑焙烧过程可以使用廉价煤做燃料，大大降低了能源消耗。该工艺的缺点在于：所产的镍铁粒纯度低，直接用于不锈钢冶炼对不锈钢冶炼设备的耐材造成了很大的损伤，大大减少了耐材使用寿命，同时，直接用做不锈钢冶炼渣量大，金属回收率偏低（金属回收率通常在70%以下）。

传统RKEF法冶炼镍铁工艺的流程为：原料场→筛分、破碎和混匀配料→回转窑→矿热炉→脱硫→得到含有镍铁的铁水。该工艺具有工艺适应性强、流程简短、镍回收率高（可达90～95%）等优点。该工艺的缺点如下：（1）能耗大，电炉中焙砂的平均熔炼电耗为502 kWh/t，仅电耗一项就约占成本的50%，加上熔炼前的干燥、焙烧等预处理工艺的燃料消耗最大能耗成本可能达65%以上；（2）对处理的红土镍矿镍品位有一定要求，红土镍矿中含镍每降低1%，生产成本大约提高3～4%；（3）回转窑焙烧后产生的渣量大，渣的处理也是一大难题。

申请公布号为CN105463185A的中国专利公布了一种采用磁选-RKEF生产镍铁的双联方法，该方法通过将红土镍矿、还原剂和溶剂按比例混合后形成的混合物（其中，还原剂占混合物总量的7-13%）进行回转窑磁化焙烧后进行磁选富集，再将富集后的产品同其他物料（包括还原剂、溶剂和红土镍矿等）按照一定的配比进行配料后送入RKEF回转窑中进行预热，然后热装加入电炉中再还原进行渣铁分离，获得含有镍铁的铁水。该专利的技术方案实现了将回转窑直接还原法与RKEF法有效结合，通过对换砖窑磁化焙烧和磁选富集，使得产品中的镍得以富集，降低了能耗，同时，镍铁金属回收率最高为90%，镍铁金属纯度最高为60%。但是，现有技术中镍铁金属回收率和镍铁金属纯度仍然较低。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种镍铁回收率和纯度均更高，且能耗保持在较低水平的采用回转窑直接还原-RKEF联合法生产镍铁的方法。

采用回转窑直接还原-RKEF联合法生产镍铁的方法，包括以下步骤：

（1）将红土镍矿进行干燥，得到干燥后的红土镍矿，备用；

（2）取适量干燥后的红土镍矿进行粗筛、破碎、细筛，筛分得到粒径≤8mm的红土镍矿；

（3）将步骤（2）得到的粒径≤8mm的红土镍矿与碳质还原剂、白云石混匀，得到混料A，碳质还原剂占混料A的质量百分比为17-25%，白云石占混料A的质量百分比为0-3%；

（4）将混料A制成球团后，送入第一回转窑焙烧得到焙砂，物料在第一回转窑内的总停留时间为150-260 min，第一回转窑窑内焙烧段的温度为700-1300℃；

（5）第一回转窑产生的焙砂经水淬、破碎、磁选得到含渣量为50-60%的粗镍铁颗粒；

（6）向步骤（5）得到的含渣量为50-60%的粗镍铁颗粒中加入适量步骤（1）中制得的干燥后的红土镍矿进行混合，得到混料B，含渣量为50-60%的粗镍铁颗粒占混料B的百分比为45-75%；

（7）向混料B中加入石灰石，并一起送入第二回转窑焙烧，物料在第二回转窑内的总停留时间为90-120 min，第二回转窑窑内焙烧段的温度为750-800℃，第二回转窑的出料口处物料温度为750-800℃；

（8）将从第二回转窑出来的焙砂直接投入矿热炉中熔融，矿热炉的二次电压为275-315V、一次电流为380-420A，矿热炉内铁水的温度为1500-1540℃，得到含有镍铁的铁水。

本发明的有益技术效果为：

（1）现有的回转窑直接还原法中碳质还原剂的加入量占混合料的百分比通常为7-13%，且从理论上来说，镍铁生产的化学反应如下：

2C+O₂=2CO

NiO+C=Ni+CO

NiO+CO=Ni+CO₂

Fe₂O₃+3CO=2Fe+3CO₂，

在金属的活动顺序中，铁的还原性大于镍的还原性，使得矿石中的镍离子优于铁离子被还原，所以，镍在铁之前被还原出来；当铁还原率≥60%时，理论认为镍已经100%全部被还原；并且，只要回转窑内温度大于570℃时，铁就可以被还原。根据还原化学计算，还原生产出1吨镍需要0.205吨碳，还原出1吨铁需要0.214吨碳。按照镍和铁都100%全部被还原，100吨含水30%的矿中，含镍1.7吨，含铁17吨，需要碳3.98吨。也就是说，从理论上来说，碳质还原剂的加入量占混合料的百分比大于3.98%（例如：现有技术中的碳质还原剂的加入量占混合料的百分比为7-13%），就已经足以使镍和铁得以全部还原。但是，本发明人在试验过程中发现：在其他条件不变的情况下，在现有技术中的碳质还原剂的加入量占混合料的百分比为7-13%的基础上，适当提高还原剂的加入量，回转窑直接还原法所获得焙砂中镍和铁的回收率仍可继续提高，原因可能是：碳质还原剂在第一回转窑内焙烧的过程中存在一定程度的烧损，使得，理论上够用的碳质还原剂实际上不能满足完全还原镍、铁的需求。因此，本申请人突破常规，将本发明的步骤（3）中碳质还原剂的加入量提高至碳质还原剂占混料A的百分比为17-25%，使得混料A经第一回转窑后混料A中的镍、铁得以完全还原，使得镍铁得以最大程度的富集，为提高镍铁纯度和镍铁回收率作出贡献，同时，也避免过多的碳质还原剂带来成本的浪费；

（2）由于混料A经第一回转窑后其中的镍铁还原更彻底，使得第一回转窑产生的焙砂中铁的比例相对提高，带来矿热炉物料中铁的比例的提高，铁的导电性强于镍等不锈钢污泥中的其他金属元素，使得矿热炉物料的导电性能得到较大程度的提高，不利于RKEF工艺中矿热炉的电极操作，此时若矿热炉依然采用常用的“二次电压选择在420-510V之间，一次电流选择在280-320A之间”的高压低流的操作方式的话，矿热炉无法持续加温，导致矿热炉内铁水温度无法达到1450℃以上，严重影响镍铁金属的回收率，鉴于此，本发明人突破常规，将矿热炉设定为“二次电压为275-315V，一次电流为380-420A”的低压高流操作方式，才实现了矿热炉的铁水温度达到1500-1540℃的技术效果，使得矿热炉内的物料得以完全还原熔融，以提高镍铁回收率；

（3）本发明通过对第一回转窑所获得焙砂的含渣量的控制以及上述混合料B中各个成分比例的控制，最终使得最终的镍铁金属回收率达到93.5%以上，远远高于现有技术的最高值90%，并且，镍铁纯度达到92.7%以上，远远高于现有技术的60%；

（4）另外，由于第一回转窑内碳质还原剂的加入量提高，为缩短回转窑的停留时间和降低回转窑的温度提供了条件，不仅可提高生产效率，同时也避免副反应的发生，并且，第一回转窑产生的焙砂中的残碳足以满足后续第二回转窑和矿热炉对于碳质还原剂的需求，使得步骤（6）无需配入碳质还原剂，避免碳质还原剂的浪费和成本消耗；

（5）本发明的技术方案可将镍点电耗度控制在≤235度/镍，远远低于普通RKEF的镍点电耗度380-400度/镍。

步骤（1）中的红土镍矿经干燥窑进行干燥，干燥窑的窑内温度优选为1000-1050℃，可将烘干时间缩短至20-30分钟，提高生产效率。

步骤（1）中红土镍矿干燥至含水率为17-20%，既利于粉碎，又避免扬尘。

步骤（3）中所述碳质还原剂优选为焦末或兰炭末或两者的组合。焦末或者兰炭末含磷低，配入量的增加不会对后期产品质量产生很大的影响。当然，碳质还原剂还可以烟煤或无烟煤等。

步骤（3）中所述白云石的粒径为≤3mm，白云石的粒度小，其比表面积就越大，接触越充分。

步骤（6）中所述石灰石的粒径为5-20mm，防止堵塞矿热炉的进料管。

步骤（8）得到的含有镍铁合金的铁水直接送铸铁机铸铁或者直接作为不锈钢基料生产不锈钢。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

现具体说明本发明的实施方式：

（1）将红土镍矿进行干燥，得到干燥后的红土镍矿，备用；

（2）取适量干燥后的红土镍矿进行粗筛、破碎、细筛，筛分得到粒径≤8mm的红土镍矿；

（3）将步骤（2）得到的粒径≤8mm的红土镍矿与碳质还原剂、白云石混匀，得到混料A，碳质还原剂采用焦末与兰碳末的混合物，碳质还原剂占混料A的质量百分比为17-25%，白云石占混料A的质量百分比为0-3%；

（4）将混料A制成球团后，送入第一回转窑焙烧得到焙砂，物料在第一回转窑内的总停留时间为150-260 min，第一回转窑窑内焙烧段的温度为700-1300℃；

（5）第一回转窑产生的焙砂经水淬、破碎、磁选得到含渣量为50-60%的粗镍铁颗粒；

（6）向步骤（5）得到的含渣量为50-60%的粗镍铁颗粒中加入适量步骤（1）中干燥后的红土镍矿混合，得到混料B，含渣量为50-60%的粗镍铁颗粒占混料B的百分比为45-75%；

（7）向混料B中加入石灰石，并一起送入第二回转窑焙烧，物料在第二回转窑内的总停留时间为90-120 min，第二回转窑窑内焙烧段的温度为750-800℃，第二回转窑的出料口处物料温度为750-800℃；

（8）将从第二回转窑出来的焙砂直接投入矿热炉中熔融，矿热炉的二次电压为275-315V、一次电流为380-420A，矿热炉内铁水的温度为1500-1540℃，得到含有镍铁的铁水。

本发明所述的红土镍矿的主要成分为：Ni 1.72%，TFe 16.24%，H₂O 28.8%。

所述矿热炉的处理时间根据炉体大小来确定，通常，14米高的25500kVA的圆形矿热炉的处理时间为8-16h。

本发明的石灰石的用量是由矿热炉炉渣的碱度来控制的。通常要求矿热炉炉渣的碱度为0.6-0.7（其中，矿热炉炉渣碱度的计算公式为：(MgO+CaO)/SiO2）。

为了体现本发明的技术效果，本发明人提供了3种实施例（实施例1~3）和5种对比例（对比例1~5），实施例1~3和对比例1~3的具体参数条件见表1。

表1

实施例1~3和对比例1~3所得到的含镍铁铁水中镍铁的纯度（%）和镍铁金属回收率见表2。

表2

从表1和表2可看出，按照本申请的技术方案进行的实施例1~3，所获得的含镍铁的铁水中镍铁的纯度为92.7%以上，镍铁金属回收率为93.5%以上，同时，镍点电耗（镍点电耗指的是每生产含有一个镍点的镍铁所需的电量）控制在235度/镍以下（远远低于普通RKEF的镍点电耗度352度/镍）。从表1和表2中实施例1~3与对比例1的对比可看出，可看出，当碳质还原剂的碳质还原剂占混料A的百分比为13%（现有技术中碳质还原剂的碳质还原剂占混料A的百分比为7-13%），同时，矿热炉采用现有的“二次电压选择在420-510V之间，一次电流选择在280-320A之间”的高压低流的操作方式的情况下，虽然矿热炉的熔炼温度可达到1500-1550℃，但是，所获得的含镍铁的铁水中镍铁的纯度和镍铁金属回收率均明显低于实施例1~3，同时，由于含渣量为50-60%的粗镍铁颗粒中镍的含量相对较低，使得镍点电耗明显高于实施例1~3。但是，碳质还原剂的加入量也不是越多越好，从表1和表2中对比例2可看出，当碳质还原剂的碳质还原剂占混料A的百分比大于25%时，由于副反应的发生，所获得的镍铁金属回收率和含镍铁的铁水中镍铁的纯度和金属回收率反而均有所降低。从表1和表2中对比例3可看出，本发明的技术方案中若采用现有的“二次电压选择在420-510V之间，一次电流选择在280-320A之间”的高压低流的操作方式的话，对应的矿热炉的熔炼温度仅为1400-1450℃，矿热炉中的物料无法完全熔融，使得含镍铁的铁水中镍铁的纯度和镍铁金属回收率均较低。

另外，当含渣量为50-60%的粗镍铁颗粒占混料B的百分比大于60%时，由于粗镍铁颗粒中含铁量非常高，使得矿热炉物料的导电性能非常好，矿热炉电极事故频发；当含渣量为50-60%的粗镍铁颗粒占混料B的百分比小于25%时，又起不到提升矿热炉产能的目的。

现有的回转窑的一般结构为：回转窑窑内自窑尾至窑头依次分为三段，即低温段（即干燥段）、中温段（即预热段）、高温段（即焙烧段），物料由窑尾进料，依次经过干燥段、预热段、高温段，最后从窑头出料。

当然，本发明的实施例1~4的步骤（5）中所述的碳质还原剂也可以单纯采用焦末或兰炭末，还可以采用烟煤或无烟煤等。但是，焦末或者兰炭末含磷低，碳质还原剂选用焦末或兰炭末或两者的组合时，不会对后期产品质量产生影响。

本发明的实施例1~3均可做如下改进：

（1）步骤（1）中的红土镍矿经干燥窑进行干燥，干燥窑的窑内温度优选为1000-1050℃，可将烘干时间缩短至20-30分钟，提高生产效率。

（2）步骤（1）中红土镍矿干燥至含水率为17-20%，既利于粉碎，又避免扬尘。

（3）步骤（3）中所述白云石的粒径为≤3mm，白云石的粒度小，其比表面积就越大，接触越充分。

（4）步骤（6）中所述石灰石的粒径为5-20mm，防止堵塞矿热炉的进料管。

（5）步骤（8）得到的含有镍铁合金的铁水直接送铸铁机铸铁或者直接作为不锈钢基料生产不锈钢。