专利名称：一种节能环保型红土镍矿冶炼竖炉的制作方法
技术领域：
本实用新型属于镍铁生产领域，涉及一种节能环保型红土镍矿冶炼竖炉设备及工艺，适用于冶炼红土镍矿。
背景技术：
含镍矿石类型主要有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。红土镍矿冶炼镍铁主要有两种方法，分别为湿法冶金工艺和火法冶炼工艺。由于湿法冶金工艺对环境污染严重、投资大，很少有企业采用此工艺。火法工艺冶炼镍铁主要有高炉冶炼工艺、回转窑+矿热炉工艺(RKEF)和回转窑熔融直接还原工艺。首先高炉冶炼工艺投资大、环境污染严重、炉体容积大、焦炭消耗量大，也无法实现选择性还原，产品含镍一般在3 6%，市场需求量少，成本高。其次设备寿命短，其主要原因有还原区温度过高、还原时间过长、炉体采用整体设计，这样炉膛的某一部位一旦损坏，设备就要停产检修，自然使用寿命就短了。其次是回转窑+矿热炉工艺(RKEF)，该工艺投资大，建设期长，原料处理阶段成本高；由于含水分在35%左右的红土镍矿要经过烘干窑进行表面水处理后，再经过回转窑焙烧预还原，然后再投入矿热炉内进行镍铁冶炼，因此要消耗大量的焦煤、电力以及相当的人工等项成本，产品含镍在10%左右。再就是回转窑熔融直接还原红土镍矿法，该工艺利用回转窖全程对镍团矿进行脱水、焙烧，Ni0、Fe0等氧化物还原，金属物聚集，最后生成融态海绵状夹渣镍铁粒，然后再进行磁选；熔炼过程热能来自煤粉(或重油)燃烧放出的热量。回转窑直接还原冶炼镍铁生产中，设备简单、此工艺在实际生产作业率相当较低，综合单位耗能耗高，产品质量低，虽投资小但镍金属回收率低，成本高，冶炼技术还不太成熟，在国内并没有得到广泛的应用于实际生产当中。
发明内容本实用新型的目的是提供一种以红土镍矿为原料，采用节能环保型红土镍矿冶炼竖炉，实现控制性还原铁。生产工艺采用原矿直接投入炉内进行冶炼，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，以解决高炉工艺、回转窑+矿热炉(RKEF)、回转窑直接还原冶炼镍铁方法存在的投资大、建设周期长，生产成本高、见效慢、镍铁品位低等问题。一种节能环保型红土镍矿冶炼竖炉，其特征是竖炉结构由分离釜、还原反应区、预处理区、烟气回收放散机构、配风盘、入料口、炉底温度测量传感器、水循环温度测量传感器、还原反应区温度测量传感器、水循环层、水循环进水口、水循环出水口、出渣口、出铁口、进风口、膨胀层、耐火砖、石棉板、耐火喷涂料组成。烟气回收放散机构位于竖炉顶部，预处理区位于竖炉中上部，还原反应区位于竖炉中部，分离釜位于竖炉底部，配风盘位于还原反应区外并配置有8 20个送风口，其送风口与进风口采用软胶管连接，还原反应区和分离釜内表面砌有耐火砖，耐火砖与炉壳之间设有膨胀层；水循环冷却系统位于预处理区和还原反应区表层，水循环进水口分别位于预处理区下底面向上50 150mm还原反应区下底面向上250 300mm，水循环出水口分别位于预处理区和反应区上底面向下50 150mm，水循环温度测量传感器布置于水循环内，还原反应区温度测量传感器布置于内炉壳外表面，分离釜底部温度测量传感器位于底层耐火材料下100 150mm处。还原反应区与分离爸接触面采用5 IOmm石棉板做垫圈，内表面用耐火喷涂料从还原反应区底部顺延至分离爸耐火砖表面，过度圆弧半径90 160mm。还原反应区域的下部配置了 8-20个氧气进风口，风口角度为2° 8°，分离釜死铁层厚度(出铁口高度)设置为70 300臟，出铁口距出渣口距离400 600臟。竖炉总高度7.2 15.3米，高径比3.4 6.3。高度低，容积小，装料量少，炉料从入炉到出镍铁的一个循环次时间为2.5 4小时，出镍铁频次在1.5 3小时左右。预热区高度3 8.3M，容积1.6 38.7M3，预热区顶部温度一般在80 200度；炉内采取负压(90 95KPa)操作。还原反应区高度2 4.2M，容积1.3 7.1M3左右，还原区温度1100°C 1380°C。分离釜高度0.4 0.8M，容积0.2 1.6M3，分离釜底部温度1050°C 1300°C )。分离爸死铁层设置为70 300mm。出铁口与出渣口在轴向距离400 600mm分布，在径向呈90° 180°分布(具体角度依据炉子在生产现场的规划布局而定)。还原反应区设有配风盘，可很好的将空气与氧气进行混合，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，以达到控制炉内还原气氛的目的。通过监视各温度测量器(水温不能超过75°C 100°C，反应区测量温度不应超过1100°C 1380°C，分离釜底部温度不应超过1050°C 1300°C )来调节风机的送风量、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。分离爸的膨胀层厚度50 80mm,采用直径4 9mm的耐火颗粒进行填充,其作用是防止耐火砖与部分渗透进入耐火砖缝隙的铁水在高温条件下产生的膨胀力将分离釜与耐火砖破坏，分离釜底部温度测量传感器为掌握分离釜底部温度以及间接反应炉内耐火材料的腐蚀情况提供信息。在节能环保型红土镍矿冶炼竖炉的还原反应区域的下部配置了 8-20个氧气进风口，风口角度为2° 8°，以便于更好更彻底的控制还原反应温度，提高镍铁产品的品位。还原反应区域炉内料柱存在密度分布不均匀，芯部炉料密度大于外围炉料密度，加上炉内的气流呈上升运动影响鼓风效果，容易导致料柱芯部与边缘气氛相差较大，将进风口角度设置在2° 8°之间，以此来平衡炉内高温气体向上运动和炉料芯部密度高所导致料柱芯部的气氛与边缘气氛相差较大的情况。为便于更好更彻底的控制和调节还原反应气氛，本实用新型将还原反应区的炉腹角设置为3° 10°，能够减缓气流上升的速度，使还原反应更充分。由于红土镍矿冶炼竖炉炉腹会因为温度、温度变化、化学侵蚀、氧化、炉渣酸碱度、机械破坏等遭受侵蚀。当金属冷却设备长期裸露在高炉内部炙热的煤气流或液态渣铁中，其工作面将遭受冲刷、磨损及侵蚀，使其命寿缩短。因此本设计考虑在水循环冷系统工作面砌筑耐火喷涂料来保护冷却器，厚度为IOmm 80mm，在保护冷却器的同时也增加了还原反应区内壁的挂渣能力，此外水循环冷却系统对还原反应区炉腹进行降温的同时，也降低了渣的温度，增强了耐火层的挂渣能力，更好的保护了冷却炉壁，延长炉子的寿命。本实用新型冶炼工艺适应红土镍矿球团湿矿入炉、负压操作、部分还原的方式冶炼红土镍矿。球团湿矿含水量在20% -30%、强度为3kg 10kg/cm2，冶炼时间IOOmin 150min，冶炼温度1100°C 1380°C，得到含镍大于13%粗镍生铁，整个冶炼过程炉内均采用负压操作，负压值在90 95KPa。预热区由于燃料在炉内燃烧，炉料与高温气流成逆流运动，因而热交换条件好。当炉料不断向下运动时炉内会产生有大量的水蒸气蒸发，对炉料向下运动时摩擦产生的粉尘起到了抑制作用，再加上炉内采取负压(90 95KPa)操作，可控制大量的粉尘不能向外溢出，从而达到降尘除尘的目的，环保效果好。由于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，增大了炉料与炉内气体接触的面积，提高了还原效率。还原反应区与预处理区采用法兰连接。还原反应区炉料已成为熔融状态，大部分镍和一部分铁等其它金属基本都在此段开始还原成单质状态，流入至分离釜。主要的反应有:NiO+C —Ni+CO ↑T = 420°C (I)FeO+C — Fe+CO ↑ T = 650 °C (2)Cr203+C — Cr+CO ↑(3)Si02+C — Si+CO ↑(4)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1100°C 1380°C，减慢Fe的还原速度。分离釜死铁层厚度设置为70 300_，能较好的保护炉底耐火材料和炉内温度的稳定性作用。为了提高产品镍含量，控制铁的深度还原，设计出铁口距出渣口距离400 600mm,在此段位置Ni的还原反应已经基本完毕，主要存约40% 65%的未还原的氧化铁和其它炉渣，渣口设置在此位置能达到较好的甩铁留镍的效果。采用本实用节能环保型红土镍矿冶炼竖炉，能将主要含有N1:1.52% 3.16%Fe:9.58% 39.58的红土镍矿在竖炉内完成控制性还原，冶炼出含有N1:13% 20%的镍铁合金产品。生产工艺采用红土镍矿原矿压球后直接投入炉内冶炼，节省了烧结工艺环节，可大幅降低生产成本。因球团矿含有20 30%的水分，冶炼过程产生有大量的水蒸气蒸发，再加上炉内形成负压操作(负压值在90 95KPa)，可控制大量的粉尘不能向外溢出，从而达到降尘除尘的目的，环保效果好。同时由于水的蒸发使得炉料变的疏松，增大了炉料与炉内气体接触的面积，提高了还原效率。
图1为本实用新型竖炉结构示意图:1:分离釜2:还原反应区3:预处理区4:烟气回收放散机构5:配风盘6:入料口(2-8个)7:炉底温度测量传感器8:水循环温度测量传感器9:还原反应区温度测量传感器10:水循环冷却系统11:水循环进水口 12:水循环出水口 13:出渣口 14:出铁口 15:进风□。图2为本实用新型分离釜与还原反应区的链接示意图，16:膨胀层17:耐火砖18:石棉板19:耐火喷涂料。
具体实施方式
本实用新型竖炉结构由分离釜1、还原反应区2、预处理区3、烟气回收放散机构4、配风盘5、入料口 6、炉底温度测量传感器7、水循环温度测量传感器8、还原反应区温度测量传感器9、水循环冷却系统10、水循环进水口 11、水循环出水口 12、出渣口 13、出铁口 14、进风口 15、膨胀层16、耐火砖17、石棉板18、耐火喷涂料19组成。烟气弯头放散机构位于竖炉顶部，预处理区位于竖炉中上部，还原反应区位于竖炉中部，分离釜位于竖炉底部，配风盘位于还原反应区外并配置有8 20个送风口，其送风口与进风口采用软管连接，还原反应区和分离釜内表面砌有耐火砖，耐火砖与炉壳之间设有膨胀层；水循环冷却系统位于预处理区和还原反应区表层其厚度为130 250mm，水循环进水口分别位于预处理区下底面向上50 150mm还原反应区下底面向上250 300mm，水循环出水口分别位于预处理区和反应区上底面向下50 150mm，水循环温度测量传感器(布置于水循环内)，水循环进水口分别位于预处理区和还原反应区，还原反应区温度测量传感器(布置于内炉壳外表面)，分离爸底部温度测量传感器(位于底层耐火材料下100 150_处)。还原反应区与分离釜接触面采用5 IOmm石棉板做垫圈，内表面用耐火喷涂料从还原反应区底部顺延至分离爸耐火砖表面，过度圆弧半径90 160mm。还原反应区域的下部配置了 8-20个氧气进风口，风口角度为2° 8°，分离釜死铁层厚度(出铁口高度)设置为70 300臟，出铁口距出渣口距离400 600臟。节能环保型红土镍矿冶炼竖炉在设计时考虑到事故停炉、维修方便等因素，将预处理区、还原反应区和分离釜分别制作成独立体，形成上下结构组合式，为维修提供便利条件。由于分离釜存在一定量的死铁层，分离釜底部耐材长期受到合金的侵蚀，因此在底部中心设置一个温度测量传感器及时观察分离釜底部温度变化，能够直接了解底部耐火材料的腐蚀情况。本实用新型可将含Ni1.52% 3.16 %的红土镍矿在节能环保型红土镍矿冶炼竖炉内冶炼出含Ni 13% 20%的NiFe合金。以上所述仅是本实用新型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。
权利要求1.一种节能环保型红土镍矿冶炼竖炉，其特征是竖炉结构由分离釜(I)、还原反应区(2)、预处理区(3)、烟气回收放散机构(4)、配风盘(5)、2 8个入料口(6)、炉底温度测量传感器(7)、水循环温度测量传感器(8)、还原反应区温度测量传感器(9)、水循环冷却器(10)、水循环进水口(11)、水循环出水口(12)、出洛口(13)、出铁口(14)、进风口(15)、膨胀层(16)、耐火砖(17)、石棉板(18)、耐火喷涂料(19)组成；烟气回收放散机构位于竖炉顶部，预处理区位于竖炉中上部，还原反应区位于竖炉中部，分离釜位于竖炉底部，配风盘位于还原反应区外部，配风盘与进风口采用软管连接，分离釜四周砌有耐火砖，耐火砖与炉壳之间设有膨胀层；水循环冷却器位于预处理区和还原反应区表层，其厚度为130 250mm，水循环进水口分别位于预处理区下底面向上50 150mm还原反应区下底面向上250 300mm，水循环出水口分别位于预处理区和反应区上底面向下50 150mm ;水循环温度测量传感器布置于水循环内，还原反应区温度测量传感器布置于内炉壳外表面，分离釜底部温度测量传感器位于底层耐火材料下100 150mm处。
2.如权利要求1所述一种节能环保型红土镍矿冶炼竖炉，其特征在于还原反应区与分离爸接触面采用5 IOmm石棉板做垫圈，内表面用耐火喷涂料从还原反应区底部顺延至分离爸耐火砖表面，过度圆弧半径90 160mm。
3.如权利要求1所述一种节能环保型红土镍矿冶炼竖炉，其特征是出铁口与出渣口在轴向距离400 600mm分布，在径向成90° 180°分布。
4.如权利要求1所述一种节能环保型红土镍矿冶炼竖炉，其特征在于竖炉的还原反应区域的下部配置了 8-20个氧气进风口，风口角度为2° 8°。
5.如权利要求1所述一种节能环保型红土镍矿冶炼竖炉，其特征在于还原反应区的炉腹角设置为3° 10°。
6.如权利要求1所述一种节能环保型红土镍矿冶炼竖炉，其特征在于在冷却器工作面砌筑有耐火喷涂料，厚度为IOmm 80mm。
专利摘要一种节能环保型红土镍矿冶炼竖炉，属于镍铁生产领域。竖炉结构由分离釜、还原反应区、预处理区、烟气回收放散机构、配风盘、入料口、炉底温度测量传感器、水循环温度测量传感器、还原反应区温度测量传感器、水循环冷却器、水循环进水口、水循环出水口、出渣口、出铁口、进风口、膨胀层、耐火砖、石棉板、耐火喷涂料组成。竖炉总高度7.2～15.3米，高径比3.4～6.3。预热区高度3～8.3M，容积1.6～38.7M3。还原反应区高度2～4.2M，容积1.3～7.1M3左右。分离釜高度0.4～0.8M，容积0.2～1.6M3，分离釜死铁层设置为70～300mm。出铁口与出渣口在轴向距离400～600mm分布，本实用新型生产成本低、环保效果好、还原效率高。
文档编号C21B11/02GK202912994SQ20122062737
公开日2013年5月1日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者由勇, 陈玉荣, 念大路, 张克强, 王强, 由佳, 王平 申请人:罕王实业集团有限公司