中国特色红土镍矿冶炼工艺建设现代化镍铁厂.doc

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开发中国特色红土镍矿冶炼工艺建设现代化镍铁厂
摘 要: 经过对国内在建和筹建的4个镍铁项目的技术经济分析, 认为在非正常低镍价形势下, 采用先进的RKEF技术, 建设现代化镍铁生产基地, 仍有很大利润空间。分析指出了在异常市场条件下中国镍行业的发展途径。
关键词: 镍铁 RKEF法 红土镍矿
一、 前言
受经济危机影响, 镍价在 急速下滑, 国内成交价一度降到8万元／t, 红土镍矿价格也随之狂跌, 1．8％品位红土镍矿的港口价跌至每1千吨180～500元。当前水泥、 钢材和机电设备的价格处于低位, 这正是建设现代化镍铁厂的好时机。

镍的表观消费量中, 不锈钢消费约占总消费量的50～65％, 电镀行业约占20％, 在研究镍的消费量时首先要分析不锈钢的生产、 消费所产生的影响。
二、 中国原生镍市场巨大
( 一) 不锈钢消费量的快速增长将拉动镍消费量的提高
随着中国经济的发展和人民生活水平提高, 不锈钢生产消费快速增长。铬镍系不锈钢是消费镍的主要不锈钢品种, 由于其优异的综合性能, 得到广泛应用, 占不锈钢总产量的60～75％。近年镍价和铬价高启, 不锈钢企业着力开发铁素体不锈钢和节镍不锈钢, 已取得一定成果。但业内普遍认为, 300系不锈钢仍将占据不锈钢总产量50％以上。
预计 中国不锈钢粗钢消费量将达1100万t, 其中Cr-Ni系不锈钢占600万t以上。
不锈钢产量的增长将拉动镍金属消费量增长。不锈钢生产所需镍金属主要来源于金属镍、 镍铁和不锈钢废钢。随着不锈钢产量增加, 中国镍金属依赖进口的局面短期内不会改变。
据海关统计, 中国净进口镍金属量15万t(包括精炼镍、 镍铁、 不锈废钢中含镍等), 加上国内镍金属产量13万t, 镍铁200万t, 不锈废钢182万t, 三者合计折合镍金属供应量约26万t, 总的镍供应量约41万t。
( 二) 预计 , 镍金属供应将继续依靠进口
1、 20l0年将比 增产150万t铬镍系锈钢, 镍需求量将增加10～15万t。
2、 中国不锈钢社会积存量低, 而且不锈钢生产周期长, 国内不锈废钢资源难以快速增加, 不锈废钢进口也不可能大量增加, 不锈钢废钢紧缺的局面将继续存在。
3、 当前国内多家企业在海内外筹建镍(铁)厂, 将会增加镍的供应。但总体上看, 由于受到基础设施、 技术、 资金、 人文环境等方面的限制, 进展较慢, 规模偏小。
中国还没有现代化镍铁厂, 不锈钢厂年消耗约8万t低品位含镍生铁, 主要产自高污染的小高炉和低效率、 高能耗的小型矿热炉, 产品质量不符合ISO6501标准。随着环保政策落实和市场竞争加剧, 这种工艺将在近年内淘汰。
三、 国家政策积极支持”开发低品位红土镍矿高效利用关键技术”
长期以来, 中国镍的生产以金川公司为主, 其原料是当地产硫化镍矿, 是不可再生资源, 资源量渐少、 开采难度增大, 从国家战略储备考虑, 应对金川镍矿这一宝贵资源进行保护性开发, 而从国际市场购买硫化镍矿解决国内不足的可能性很小, 因此应借鉴国际上成熟的镍铁冶炼技术, 开发适合国内原料和能源条件的技术, 利用国际上容易购得的氧化镍矿生产镍铁, 满足经济发展要求。
发改办高技【 】301号《国家发革委办公厅关于组织实施 重大产业技术开发专项的通知》第三条中明确指出: ”资源综合利用关键技术方面: 开发复杂多金属共伴生矿高效开发利用技术、 冶炼过程中稀有稀散元素提取技术、 低品位红土镍矿高效利用关键技术、 金属矿山二次资源中有价元素高效捕收技术”。将高效利用低品位红土镍矿关键技术列为国家重大产业技术开发专项内容之一。
国家《有色金属工业长期发展规划( ～2020年)》中也指出: ”由于硫化镍矿资源紧缺, 开发镍土矿具有重要意义”。
可见, 利用国外氧化镍矿资源, 借鉴国际上成熟先进、 节能环保的火法冶炼镍铁技术, 开发适合国情的红土镍矿高效利用技术, 建设现代化镍铁厂, 是受国家政策支持、 市场潜力大的好项目, 也是中国镍工业发展的必然趋势。
四、 借鉴国际上成熟的RKEF工艺, 开发低品位红土镍矿高效利用技术
湿法冶炼工艺适合高镍、 高钴, 低镁的红土镍矿, 以液态酸(或氨)作浸出剂, 提取Ni和Co, 其余大量的铁和少量的铬全部成为固体废弃物。浸出剂仅部分回收利用, 其余经处理后以液态形式排入江河或废液池, 湿法冶炼中还产生大量Co。这些废固、 废液、 废气无法循环利用, 环境危害大, 当前我们还没有掌握相关的无害化处理技术。
以低品位红土镍矿为原料, 采用高压酸浸工艺生产镍硫, 进而生产电解镍的工艺在世界上已经成熟, 可是受投资、 技术引进、 环境保护措施的限制, 在国内建设这种工艺的镍厂还需进行技术开发和研究, 建厂条件还不成熟。
现实的做法是消化国外先进成熟的火法冶炼镍铁的技术, 按中国的能源条件对这种工艺技术进行改进。建设适合中国国情的现代化镍铁厂。
( 一) 国内以红土镍矿为原料的镍(铁)冶炼工艺现状
中国的现代化镍铁冶炼还处于空白状态, 当前生产低镍生铁的小高炉和小矿热炉工艺由于高能耗、 高污染, 在激烈的市场竞争下正逐渐退出历史舞台。
1、 鼓风炉(小高炉)工艺
鼓风炉工艺是最早出现的红土镍矿冶炼镍铁的技术, 1875年, 在新喀里多尼亚小高炉就已应用, 后法国也有采用, 但该法因消耗大量优质焦炭、 污染严重而为人诟病。最终该工艺在市场竞争和环保压力下停止, 1985年日本矿业公司佐贺关冶炼厂的最后一座镍铁高炉熄火, 标志着鼓风炉冶炼镍铁技术在欧美、 日本等发达国家寿终正寝。
前几年中国快速发展的不锈钢生产拉动了镍铁需求, 在高镍价、 低价焦炭、 低环保门槛的条件下, 部分投资者利用钢铁产业政策淘汰的炼铁高炉冶炼镍铁, 获得暴利。但随着焦炭价位回归合理、 镍价下跌和环保政策落实, 当前高炉镍铁厂大部分已停产。
高炉冶炼镍铁技术必将被淘汰的主要原因是:
(1) 原料适应性差、 高炉无法大型化红
适用”高铁低镁(低镍)”红土镍矿, 当红土矿含镍1.5％、 含铁35％时可得到含镍约 4％的低镍生铁。如果用低铁高镁(高镍)矿, 高炉渣量大、 粘度大炉况顺行难以保证。
由于炉料强度低, 只能采用小型高炉(矮高炉)生产镍铁。
(2) 产品质量难以符合炼钢要求
高炉含镍生铁品位低, 一般在2～8％, 大多在5％以下, 冶炼不锈钢时需要配合加入较多的镍板, 这提高了单位原料镍的成本。
该工艺焦炭、 熔剂的用量大, P、 S大部分进入产品, 镍铁品位低、 ω (S)、 ω(P)含量高, 增加了不锈冶炼的负担。
(3) 生产工艺不稳定
镍铁的成分波动大, 不易控制, 难以大批量稳定供货。
(4) 焦比高
生产含镍2％的镍铁, 每吨镍铁的焦炭消耗大于1.0t; 生产含镍5％的镍铁, 每吨镍铁的焦炭消耗量约2.0t。
(5) 污染严重
除去传统高炉污染, 氟化物的污染更严重。为保持高炉顺行, 必须加入萤石以提高炉渣流动性, 萤石加入量占炉料总量的8～15％, 国内镍铁小高炉没有脱氟设备, 全部放散, 对人和环境伤害巨大。
2、 冷料入炉”烧结机-矿热炉”镍铁工艺
由于焦炭涨价和用户要求高含镍量的镍铁, 国内建设了一些用烧结机生产红土镍矿烧结矿, 冷却后入矿热炉冶炼镍铁的工厂。其中很多是改造旧的铁合金电炉来生产镍铁, 变压器容量多为6.3MVA、 9MVA和12.5MVA, 最大的为25MVA。
该工艺不用焦炭, 原料适应性比小高炉好, 产品镍含量更高, 但仍存在能耗高、 效率低的缺陷。某厂用2％品位的镍矿, 生产含镍11～14％的粗镍铁, 每吨粗镍铁冶炼电耗(1～1．2)×104kWh/t, 折合吨金属镍电耗8.8万kWh, 是RKEF工艺的2倍多。原因在于: ”烧结机-矿热炉”工艺无法为矿热炉提供预还原的高温料。
25MVA矿热炉4h出一次铁, 每次出铁量约15t, 折合lMW功率年产镍金属量仅140t。
高电耗和低效率与冷料入炉相关, 大量时间和电力用于炉料升温。
笔者所见的”烧结机(有的还采用土法烧结工艺和烧结锅工艺准备矿热炉用原料)-矿热炉”工艺的产镍铁厂都没有完善的环保设备, 特别是矿热炉为敞开式或者半密闭的小烟罩式, 不能回收煤气, 不但污染环境, 还造成煤气浪费。烧结机也全部没有安装余热回收利用设施, 这类工厂不具备现代化、 大规模的镍铁生产条件。
有的工厂利用电弧炉处理烧结矿, 生产镍铁, 效益更差, 基本上已停产。
3、 还原造锍工艺
最初在鼓风炉内进行生产, 由于能耗高遭到淘汰。
当前有些企业在电炉内进行造锍熔炼, 得到低钢冰镍。该工艺与传统硫化镍处理工艺相同。由于红土矿品位低, 低冰镍产品含镍少, 渣量巨大, 而且能耗高, 使得该工艺无法与硫化镍矿传统处理流程进行竞争。采用该工艺的企业不多。
( 二) RKEF工艺技术成熟, 在镍铁冶炼领域占主导地位
RKEF工艺技术(”回转窑-矿热炉”法)始于20世纪50年代, 由Elkem公司在新喀里多尼亚的多尼安博厂开发成功, 由于产品质量好、 生产效率高、 而且节能环保, RKEF工艺很快取代了鼓风炉工艺。随着冶金科学技术的发展, RKEF工艺也吸纳了包括自动化、 清洁生产在内的众多最新技术成果, 在设计制造、 安装调试和生产操作上日臻成熟, 已成为世界上生产镍铁的主流工艺技术, 占据统治地位。当前全球采用RKEF工艺生产镍铁的公司有十几家, 生产厂遍及欧美、 日本、 东南亚等地, 其中最大年产能达7～8万t金属镍, 在长期的经营中, 尽管世界镍行业风云变幻、 镍价大起大落, 但这些镍铁厂大都保持着良好的业绩。 美国金属学会调查了世界红土镍矿冶炼厂及年产量, 见表1。
表1 美国金属学会调查的世界红土镍矿冶炼厂及年产量

这13家镍冶炼厂的年产量总计约36.5 万t, 约占世界原生镍总产量的30％, 占红土矿火法冶炼镍铁产量的8l％( 世界总产镍量142万t, 氧化镍矿的贡献为42％, 以镍铁形式生产金属镍量约45万t)。
可见, 在世界范围, 以廉价的红土镍矿为原料, 采用RKEF火法冶炼镍铁的工艺技术具有很强的适用性和经济性。
( 三) RKEF工艺介绍
1、 对原料的要求
对于”回转窑(RK)-矿热炉(EF)”流程, 矿石成分很重要, 有3个指标是采用RKEF工艺应该关心的:
(1) Ni品位, 希望在1.5以上, 最好 2.0以上。
(2) Fe／Ni, 希望在6～10, 最好接近6, 中Ni品位高; 如果Fe／Ni>10, 则很难冶炼出含20％的镍铁, 因为原料中Fe过高, 很难在回转窑中控制氧化铁的还原度。
(3) MgO/SiO2, 在0.55～0．65较合适, 少量加入熔剂就能够得到低熔点的炉渣结构。
以上3个条件只是合适的条件, 而不是必须的条件, 在矿石条件不符合上述要求时, 能够生产品位较低的镍铁, 技术经济指标将受到影响。
还原剂( 烟煤或无烟煤均可)和石灰石也是RKEF工艺所必须的, 这两种原料在中国资源丰富, 容易得到。
2、 典型工艺流程、 主体设备结构
(1) 生产流程
原料场→筛分、 破碎和混匀配料→回转窑→矿热炉→铁包脱硫→精炼转炉→浇铸。在这个基础上, 发展了对原料预干燥、 原料制球、 回转窑节能和余热发电、 矿热炉高效冶炼和低熔点渣系配料、 采用底吹或侧吹精炼转炉替代顶吹转炉、 镍铁粒化等技术, 适用于不同条件的工厂。
(2) 典型工艺装备组成
2台5.0×100m回转窑、 2台63MVA的密闭矿热炉、 40t的底吹精炼转炉, 造粒和铸块设备。年产镍铁10.12万t(镍金属2～2.2万t)。鉴于国产设备的成熟度和运输条件制约, 为降低投资, 国内的在建工厂采用4座回转窑、 2台48MVA矿热炉的方案将能够缩短建设周期, 收到好的经济效益。
(3) 工艺概述
矿石、 石灰石、 还原剂在原料场、 备料间加以筛分破碎后, 混匀配料送入回转窑。
在回转窑中, 原料经干燥、 焙烧、 预还原, 制成约1000℃的镍渣, 回转窑烟气经余热锅炉、 除尘、 脱硫化后排放, 粉尘与原料混合后再次入窑。
镍渣在封闭隔热状态下(高架送料小车)加入矿热炉料仓(内衬耐火砖), 根据工艺要求经过不同位置的下料管分配到矿热炉内。矿热炉为全封闭式, 自焙电极, 埋弧冶炼, 还原并熔分粗制镍铁和炉渣, 同时产生含Co约75％的矿热炉荒煤气, 荒煤气经过净化送到回转窑烧嘴, 与煤粉一起作为燃料, 除尘灰经处理后, 返回到原料场。矿热炉炉渣经过水淬后可作为建筑材料, 用于道路建设、 制砖。
矿热炉的产品是粗制镍铁, 出铁前预先在铁水包加脱硫剂, 出铁同时脱硫, 粗制镍铁含Si、 C、 P等杂质, 需要继续精炼, 扒渣后, 兑入酸性转炉, 吹氧脱硅, 同时加入含镍废料以防铁水温度偏高, 脱硅后扒渣(或者挡渣出铁), 兑入碱性转炉, 吹氧脱磷、 脱碳, 同时加入石灰石造碱性渣, 碱性转炉精炼后的镍铁水送往浇注车间, 铸成合格的商品镍铁块或者制成粒状镍铁。
(4) 工艺特点
①原料适应性强。可适用镁质硅酸盐矿和含铁不高于30％的褐铁矿型氧化镍矿, 以及中间型矿。最适合使用湿法工艺难以处理的高镁低铁氧化镍矿石。
②镍铁品位高, 有害元素少。同样的矿石, RKEF工艺生产的镍铁品位高于高炉法和”烧结矿-矿热炉”工艺。该工艺的脱硫和转炉精炼工序能够将镍铁的有害元素降低到ISO6501标准所要求的范围内, 为炼钢用户所欢迎。
③节能环保, 循环利用。原料水分较多, 料场和筛分破碎运输的过程中不产生粉尘, 回转窑烟气余热可回收蒸汽用于发电, 经过烟气脱硫满足环保要求后排入大气, 回转窑和矿热炉烟尘返回料场; 矿热炉煤气经除尘后送回转窑作燃料, 炉渣水淬后成为建筑工业原材料。转炉烟气余热回收蒸汽, 煤气回收利用, 炉渣磁选回炉, 尾渣可铺路或制作水泥。从含水炉料进入回转窑直到矿热炉出铁出渣的整个过程产中, 炉料处于全封闭, 环保节能。
④镍渣热料入矿热炉。回转窑产的镍渣在900℃以上的高温下入炉, 相对于”烧结矿-矿热炉”的冷料入炉, 节省了大量的物理热和化学热, 显著降低了电能和还原剂的消耗, 提高了生产效率。
中国是不锈钢生产和消费的大国, 镍铁需求巨大, 非常有必要掌握应用RKEF技术, 以低成本高效率地生产镍铁, 满足国民社会发展需求的同时创造良好的经济效益。该工艺的大多数设备为冶金工业常见设备, 以中国冶金设备制造能力, 均可国产化, 大大降低投资。
RKEF氧化镍矿火法冶金技术由日本、 加拿大和前苏联所拥有。 以来经过与前苏联专家接触, 探讨合作的可能性, 并考察了由前苏联建设、 地处乌克兰的帕布什镍铁厂。当前已有中钢滨海公司、 福建德胜镍业、 天津荣程钢铁公司购买了该技术, 这些项目都在进行中, 预计l～2年内将建成投产。
五、 对RKEF技术进行改进和创新
虽然RKEF是成熟技术, 但由于各国各地的外部条件不同, 比如电和能源结构, 将影响生产成本。
国内采用该技术必须进行改进。首先要研究配料模型。国内氧化镍矿资源贫乏, 要依靠进口, 进口矿来源复杂, 缺乏稳定的原料基地, 使得配料模型的开发更为重要。配料模型确定后, 还要进行小型工业实验, 以获得炉渣熔点、 渣铁熔分特性和合适的烧结温度等数据, 以指导生产。
其次, 开展对回转窑的余热利用和烟气脱硫的研究。由于天然气资源紧缺, 国内建设项目的回转窑多用煤粉为燃料, 为保护环境, 必须明确回转窑烟气特性, 脱除烟尘和硫分, 同时研究回转窑低温余热利用问题。
再次, 矿热炉是镍铁冶炼投资最大的工序, 对于炉型、 耐火材料、 电极直径、 极心圆直径、 电极电流密度及电压调整等需要进行研究, 确定最适合的参数, 实现节电和延长炉衬寿命。
最后, 转炉的问题。在国内看到的几座镍铁精炼转炉沿用了炼钢用顶吹转炉的设计, 喷溅严重, 原因是镍铁精炼转炉的渣量大, 约是炼钢转炉渣量的10倍。另外, 粗制镍铁是高硅镍铁水, 普通炼钢转炉处理起来很困难。国内建设中的镍铁厂采用氧气底吹转炉将很好地解决以上问题。
转炉炉渣回收利用和镍铁粒化工艺也是重要的研究内容。
六、 典型RKEF流程工厂的投资和主要技术经济指标
1、 投资估算
项目的设定:
建设一个年产10万t镍铁(镍含量20％、 镍金属量2万t), 产品符合ISO650l标准的镍铁厂。
投资估算内容:
(1) 原料场。包括装卸料的抓斗机、 胶带运输机, 给料机、 除铁器等, 贮存量由原料供应条件决定, 能够满足1个月正常生产的用料。
(2) 筛分破碎工段。包括胶带运输机、 板式给料机、 锤式破碎机、 格筛、 吊钩桥式起重机等。
(3) 备料工段。圆盘给料机、 计量皮带、 悬挂式起重机等。
(4) 回转窑工段。回转窑, 自行卸料小车等。
(5) 矿热炉工段。密闭式矿热电炉。
(6) 精炼工段。喷吹脱硫装置, 精炼转炉。
(7) 浇铸工段。铸铁机或环形浇注机。
(8) 公辅设施、 厂区道路: 总降、 制氧、 能源中心、 安全供电设施、 烟气净化、 余热(煤气)回收设备、 渣处理、 喷吹煤准备、 水处理、 机修、 成品库等。
投资估算费用见表2。
表2 投资估算表( 单位: 万元)

上述估算是粗略的, 项目所在地不同会有一定变化。
2 、 主要技术经济指标和成本计算
镍矿转运到工厂料场后的含水量25～30％(物理水), 经堆存配料自然干燥后, 入回转窑时的含水量为22～25％。表3中的1.7％是指干基的镍矿含镍量。
表3 主要技术经济指标

在上述条件下, RKEF工艺成本计算见表4。
表4 镍铁成本估算

3、 成本和盈利能力分析
由表4可见, 在国内采用RKEF工艺生产镍铁的成本低, 利润空间大。
RKEF工艺的成本对红土镍矿和电的价格变化最敏感, 其次是还原剂、 燃料(煤)价格。矿价、 电费和煤价对生产成本的影响见图一。

图一 国内条件下RKEF工艺的生产成本

取红土镍矿价格波动范围为200～1600元/t干矿。电价考虑了0.4元／kWh、 0.6元/kWh, 0.8元/kWh三种情况, 煤价考虑了700元/t、 1000元/t、 1300元/t三种情况, 做出该原料条件下典型RKEF工厂的生产成本曲线。
电价和煤价波动20～30％的情况下, 镍的生产成本上下浮动约1000美元; 原料、 能源较贵时, RKEF工艺的生产成本约11000美元/t金属镍, 原料、 能源廉价时, RKEF工艺的生产成本不到10美元／t金属镍。
经过统计 ～ 的国内镍价和 1.8～1.9％之间的红土镍矿价格进行对数趋势分析, 得到图一中的弧线, 可见, 当镍价低于10000美元／t时, RKEF法生产镍铁是不经济的, 当镍价在10000～11000美元时, RKEF法生产镍铁处于微利, 当镍价高于11000美元时, RKEF法生产镍铁是盈利的。
七、 结语
经过上述分析, 认为短期内国内镍的供给仍将小于需求。国家政策支持低品位红土镍矿高效利用技术的开发, 为中国镍铁业的发展创造了机遇。
国内小高炉镍铁工艺和”烧结机-矿热炉”镍铁工艺都存在高能耗、 高污染、 质量差的问题, 正在被逐渐淘汰。
RKEF工艺广泛用于镍铁冶炼, 技术成熟、 节能环保, 是国际上镍铁生产的最主要方法。研究中国特定的原料条件和能源结构, 突破配料模型, 回转窑以煤粉为燃料的焙烧和还原, 底吹氧气转炉冶炼等关键技术, 开发适合中国国情的RKEF工艺将为中国镍铁行业的发展做出贡献。
尽管镍价处于历史上的低位, 可是成本分析表明, 采用先进的镍铁冶炼工艺, 充分利用设备和建筑材料低价时期的优势, 建设现代化的镍铁厂, 仍有很好的经济效益。