镍铁生产工艺的探索

镍铁生产工艺的探索

吉林铁合金股份有限公司李长山谷立国李洪坤

摘要：通过对镍矿理化性能的分析、镍矿的预处理及选择合适的二次电压、电极直径、极心匾直径。达虱稳定电炉生产秩亭的目的，掌握炉孛寸侵蚀机理。选择合适炉衬材料，延长生产两期。对合金有害元素进行有效控制，生产满足用户需求的产品。

关键词：镍铁：生产工艺：改进

0前言

镍铁是生产结构钢、不锈钢和耐热铸钢的重要原料，可改善钢的抗拉强度、冲击韧性、屈服点和变形能力，广泛应用于机械、医疗、国防、轻工业等领域。目前，镍的提取有水法冶金和火法冶金，本文主要介绍中钢集团吉林铁合金股份有限公司(以下简称“中钢吉铁”)火法冶炼氧化矿制取镍铁的生产实践，探索电炉参数、炉渣成分、原料条件与生产的关系。

中钢吉铁从2006年4月开始生产镍铁至2007年10月，进行了十八个月的生产实践，从镍矿的烘干烧结到炉衬材质、二次电压、渣型、还原剂粒度的选择及成分的调整，理顺了生产秩序，能够批量组织生产满足用户要求的镍铁合金产品。

1镍矿

目前世界上镍的储量80％为氧化矿，由于矿石风化后铁的氧化，矿石呈红色，通称为红土矿，从工业处理工艺上可将矿石分为5种类型。

1．1矿性的选择

镍矿类型分为5种：A、B1、B2、C1、C2。B2、C2是经过半工业试验的矿石类型，A、B1、C1是经过工业生产与工业试验的矿石，C1型矿可埋弧和裸弧冶炼，能够适应多种炉型。

镍矿应选择Ni≥1．5％、Fe≤20％、MgO≤30％为宜，可生产出M≥12％的产品，且MgO≤30％可降低单位电耗。

1．2镍矿的处理

镍矿的烘干。镍矿要在850～1000℃之间将水分烘干至含结晶水3％以下。方法一是在回转窑内将水分烘干；方法二是堆积法，将镍矿与一定比例的助燃剂均匀混和后，将其在引火物上堆积成一定几何形状的锥体，点燃引火物，吹风助燃将煤矿烘干或烧结。

镍矿的烧结。用回转窑烘干后的粉镍矿，团球造粒，在回转窑中停留40～60 min，炉料中60％～90％铁的氧化物变为氧化亚铁，少量(0～10％)还原成金属；0～40％，的镍被还原成金属镍。

矿石中的吸附水和结晶水约为30％～35％，其中含结晶水15％～20％。中钢吉铁曾在5 MVA电炉上使用未被烘干处理的镍矿生产粗镍合金，但由于镍矿中含有大量水分，不仅耗电多，而且结晶水分解导致炉料经常翻渣，炉温偏低，渣铁的流动性极差，出铁困难，影响经济技术指标，阻碍正常的生产秩序，因此，镍矿必须进行烘干或烧结处理。

2原料条件

2．1 镍矿

1)生产镍含量8％～11％的产品，镍铁比应大于0．12；生产镍含量12％～16％，镍铁比应大于0．15％，而MgO≤30％。

2)镍矿P<0．005％，S<0．05％。

3)烘干镍矿结晶水至不大于3％，吸附水不大于3％。

4)烘干或烧结镍矿含碳量不大于2％。

5)烧结矿5～80 mm粒度比例应大于80％。

6)烧结强度，转载指数应大于70％。

2．2 焦炭

1)固定碳应大于84％，P≤0．03％，S≤0．06％，无杂质。

2)粒度：20～40mm。

3)转载指数应大于8．0％。

2．3石灰

1)CaO>90％，P≤0．005％，S≤0．06％，生烧、过烧总量不超过5％。

2)粒度30～80 mm，小于5 mm的粉末不大于总重的10％。

2．4石灰石

CaO>50％，P≤0．005%，S≤0．06％。

3冶炼原理

中钢吉铁使用的镍矿属于红土矿即氧化矿，镍在矿中以NiO的形式存在，在冶炼的过程中，采用选择性还原工艺，合理使用还原剂，按还原顺序NiO、FeO、Cr2O3、SiO2进行还原反应，反应式为：

NiO+C=Ni+CO↑ (1)

FeO+C=Fe+CO↑ (2)

△GΘ=68 800－70．68T

Cr2O3+3C=2Cr+3CO (3)

△GΘ=123 970－81．22T

SiO2+2C=Si+2CO (4)

△GΘ=170 100—89．82T

Ni、Fe、Cr被还原后，形成共融体，同时伴有合金的渗碳和硅化物的产生，形成粗镍合金。

4 矿热炉生产镍铁的不足

中钢吉铁冶炼粗镍合金首先在1 MVA电炉上进行生产试验，工艺理顺后，在5 MVA、12．5 MVA矿热电炉上进行生产，采用渣铁在一个出铁口同出的方式。但在大容量电炉生产的过程中，却频繁出现出炉后断流、负荷不足、产能大幅度下降、合金含硅高、夹杂多、炉衬寿命短等问题。经过技术分析，有几个方面原因。

4．1 供电制度不合理

镍铁冶炼的还原反应是在镍矿熔体的界面上进行的，为控制FeO的还原，采用选择还原工艺进行生产，还原剂使用量很少。以镍矿为主的炉料，在炉内大部分呈非熔融状态，在电荷非熔融态或液态时物质运动慢，因此炉料的比电阻大。电炉渣铁排出后，炉内的导电介

质大幅度减少，低电压大电流的供电制度不适应该种冶炼生产，电极端部的弧光短，电流在熔融很少的炉料内传输严重受阻，产生断流或给不足负荷的现象。据相关资料介绍，镍铁生产的供电原则是高电压低电流，与传统的矿热炉的供电制度相反。因此，为解决断流现象，相应的提高电炉二次电压，减少负荷不足的现象，但由于其变压器二次侧未进行提压改造，因而没有从根本上解决问题。

4．2碳质炉衬寿命过短

5 MVA、12．5 MVA电炉生产镍铁，3个炉衬平均寿命为45天左右。在炉衬使用过程中，三层碳砖均被侵蚀，甚至侵蚀到炉底耐火砖处，都是因炉底碳砖被消耗殆尽而造成的。

中钢吉铁一直采用矿热炉碳质炉衬生产镍铁，炉衬寿命短的原因有以下两点：

1)由于镍铁合金的密度(8．0 g／cm3)大于其他合金，熔点低于1400℃，合金的过热度相对较大且渗透性好，极易渗入碳砖缝隙中，拱起炉底碳砖。又由于镍铁溶碳能力强，破坏了碳砖的组织结构，导致碳砖碎裂浮于强氧化气氛的炉渣中而被氧化。

2)合金渗碳。镍铁以M、Fe、Cr共溶体为主，占合金90％左右，Ni、Fe、Cr与C可生成稳定的碳化物，尤其是Ni，C，在2000℃以上仍然是稳定的。合金生成后聚集于炉底，合金中的Ni、Fe、Cr与炉底碳质材料中的碳元素生成碳化物，侵蚀炉底。拆炉时发现，虽然炉底侵蚀严重，但炉墙碳砖除出铁口处，大部分未被侵蚀，说明炉渣对炉衬的侵蚀不大。碳质炉衬的蚀损主要以炉底被合金渗碳侵蚀，即化学侵蚀为主。

4．3合金含硅高

生产镍铁初期，炉况控制不稳，还原剂使用过量，渣中的SiO2被大量还原，导致合金含硅高达18％左右。随着生产技术的进一步掌握，逐步减少还原剂的用量，合金含硅在4％～13％范围波动。由于合金含硅偏高，在一定程度上影响了产品质量。分析硅高的原因如下：

1)过剩的还原剂将渣中的FeO、SiO2还原成Fe、Si，形成Ni、Fe的硅化物，导致合金中硅含量超标。

2)渣中SiO2的浓度大，活度系数大，易被还原。

3)加大还原剂用量，提高炉料的导电性，抬升电极，减少镍铁合金对炉底的侵蚀，延缓炉衬寿命。合金含硅随着料批配炭量的增加而升高。

4．4 自焙电极烧结不良

矿热炉生产镍铁合金存在的一个普遍问题是，自焙电极烧结缓慢，电极烧结速度远低于电极消耗速度，导致电极的工作端太短，出铁后，电极即使在下限位置也达不到满负荷供电。各厂家为了使电极达到正常的消耗速度，开发了不同种类的电极糊，以提高电极的烧结速度，但并没有从根本上解决电极欠烧的问题，同时还增加了生产成本。

有的厂家在变压器功率不变的前提下，改变供电制度，相应提高了二次电压，电流强度降低了20％～40％，电流密度降低了l～2 A／cm2，这也是导致电极欠烧的根本原因。

5生产工艺改进

5．1 提高二次电压

针对镍铁生产过程中出现的二次电压过低，电炉经常断流和负荷不足的情况，重新设计了1台12．5 MVA的变压器，降低了流压比，提高了二次电压。生产情况好转，变压器功率因数大于0．85，耗电快，化料快，使生产能力大幅度提高。

5．2提高电流密度

变压器功率不变，二次电压提高，电极电流降低，电流密度降低，导致电极在单位时间内通过的电流下降，电流密度不符合电极正常烧结时的技术要求。因此，在设计变压器提高二次电压的同时，要考虑缩小电极直径，保持或相应提高电流密度，三者要互相匹配，确保电极能够正常烧结，从而保证电极有足够的工作端长度。

5．3扩大极心圆直径

极心圆直径是电炉的一个重要参数。在矿热炉生产镍铁中常存在炉底消耗过快的弊病，原因主要是极心圆直径偏小，极心圆功率密度过大，合金过热度大，对炉底的热力侵蚀加剧而造成的。延长炉底寿命就要扩大炉壳和极心圆直径，两者要相匹配，降低极心圆功率和炉膛功率密度，增大极心圆直径，从而减少渣铁对炉底的侵蚀；而增大炉壳直径是降低渣铁对炉墙、出铁口镁砖的侵蚀，延长炉衬寿命的一个重要技术措施。

5．4炉衬材质的选择

国内大部分厂家生产镍铁都采用炭砖砌筑炉衬，但由于炭砖受镍铁渗碳的化学侵蚀(主要是炭砖起到了增碳剂或还原剂的作用)，导致炉底消耗过快。参考国外高碳铬铁炉衬砌筑技术模式，使用复合材料，如镁炭砖，塞隆碳砖、陶瓷砖等含碳质较少的耐火材料砌筑复合炉底和出铁口，抵抗镍铁合金渗碳的化学侵蚀作用，以有效延长炉衬的寿命。

5．5合金成分的控制

5．5．1合金硅的控制问题

镍铁合金中含Si高，对生产不锈钢脱硅极为不利。合金中的Si主要来源于炉渣中的SiO2应减少还原剂的使用量，控制SiO2还原。但单纯地减少还原剂的用量对镍的回收率有一定影响。减少还原剂数量应以渣中含镍小于0．05％为准，不可超过此界限。

为控制SiO2，配加一定数量的石灰或石灰石，将碱度控制在0．2～0．7的范围内，使CaO与大部分的SiO2生成稳定的硅酸钙，降低SiO2在炉渣中的浓度，抑制SiO2的还原，使合金中的Si控制在4％以下，但CaO量不可过大，否则，渣量增大，镍的绝对量损失会增加，影响镍的回收率。碱度不大于1．0，否则碱性炉渣对碳质出铁口有较大的侵蚀作用，影响炉衬的使用寿命。

5．5．2合金中P的控制

合金中的P主要来源于镍矿烘干烧结的灰分残留物，在烘干或烧结时使用低P燃料，降低镍矿的含P量；其次，是在生产过程中配加含氧化钙的原料，在碱度为0．2～0．7的条件下，CaO与合金中的P的氧化物生成磷酸钙于渣中，从而控制P进入合金，达到合金P≤0．03％的目的。

6 还原剂粒度的选择

在生产镍铁的初期阶段，焦炭若按传统粒度使用，生产效果不好。为调整炉况，减少还原剂的使用量，在焦炭配比不变的条件下，进行了焦炭粒度试验，5种粒度等级，每一级试验进行3天，对比生产运行情况，最终确定了粒度范围：还原剂的粒度以较大的粒度为宜，因其既能提高炉料的导电性又能满足还原的需要。

7 浇铸问题

由于镍铁合金的特性，合金中含镍低于8％时，合金中含硅较高，可精整成较小粒度。但当含镍大于8％时，随着合金含镍的升高，含硅量下降，当低于5％时，合金的韧性极好，不易打开，使精整工作难于进行。所以当生产高质量的镍铁合金时(Si<2%)，只有采取小块浇铸的生产方式可行。而采用砂模或带小块的锭模浇铸，都不能从根本上解决，成为影响镍铁大规模生成的瓶颈问题。

1)单个模具容积重量不大于50 k。

2)为防止模具表面被侵蚀粘结，合金不易脱模，模具应锻造制作，目的是增加模具表面的致密度，提高模具的抗侵蚀能力和脱模效率。

3)在浇铸机与铁水包之间增设一个浇铸流槽。其作用是当铁水从包内流出时，柱状流通过流槽转变成瀑布流，避免柱状铁水直接浇到模具表面，防止模具受侵后铁水不易脱模。

4)使用石灰浆脱模剂，保护模具不受侵蚀而利于脱模。

5)合金粒化是合金粒度加工的发展方向。

8 结语

1)生产粗制镍铁合金，镍矿应选择C1型氧化矿，既可以适应裸弧又可以适应埋弧冶炼。

2)镍矿必须经过烘干和烧结处理，烧结粒度为0～80 mm，结晶水和吸附水之和≤5％，处理后的镍矿P<0．005％，S<0．05％，。

3)电炉供电制度以高电压低电流为原则，在电炉设计或改造中，二次电压、电极直径、电流密度应匹配同步设计。

4)自焙电极要有较大电流密度，以提高电极的烧结速度，保证电极有足够的工作端长度。

5)炉壳、极心圆直径要比矿热炉相应增大，以降低炉膛和极心圆的功率密度，降低渣铁对炉衬的侵蚀，延长炉衬寿命。

6)镍铁合金浇铸采用浇注机为宜，炉渣以水淬为宜。