2020年(冶金行业)镍铁冶金技术及设备

冶金行业）镍铁冶金技术及

设备

镍铁冶金技术及设备

前言：

就陆地资源而言，镍的矿物资源主要是硫化镍矿和氧化镍矿。人们从硫化镍矿中提取镍金属的历史已久，工艺成熟。但地球上硫化镍矿资源日益枯竭，因而开发利用氧化镍矿已成为当今世界镍金属提取业的主流。从氧化镍矿中提取镍金属有火法和湿法之分，前者一般采用电炉或高炉生产线。

1. 镍冶金概述

1.1 镍矿资源

全世界镍的矿物资源主要有硫化镍矿、氧化镍矿和深海底含镍锰结核三种。陆地资源中氧化镍矿约占65% ，硫化镍矿约占35% ，海底含镍锰结核则是潜在的巨大镍资源。硫化镍精矿一般伴生有铜、钴、金、银和铂族金属等，在冶炼过程中可以综合回收。氧化镍矿主要分为镁质硅酸盐型、褐铁矿型和中间型三大类，可综合回收的成分只有钴和铁。

1.2 镍的性质及用途

镍是元素周期表中第Ⅷ族的元素，其在元素周期表中的位置决定了镍及其化合物的一系列物理化学性质与钴，铁相似，在亲硫和亲氧性方面接近于铜。

镍是一种银白色金属,原子序数为28,相对原子质量为58.71, 熔点为（1453 ±1）℃,沸点为2732 ℃,其在不同条件下的密度如下表1-1 所示。

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表1-1 镍的密度

镍的化合物在自然界里有三种形态，即镍的氧化物、硫化物和砷化物。其氧化物有氧化亚镍（NiO ）、四氧化三镍（Ni 3O 4）及三氧化二镍

（Ni2O3）。三氧化二镍仅在低温时稳定，加热至400-450 ℃，则离解为四氧化三镍，进一步升温则变为氧化亚镍。氧化亚镍的熔点为1650-1660 ℃，很容易被C 或CO 还原。氧化亚镍与C O 和FeO 一样，可形成NiO ·SiO2 和2 NiO ·SiO2 两类硅酸盐化合物，但NiO ·SiO2 不稳定。氧化亚镍能溶于硫酸、亚硫酸、盐酸和硝酸等溶液中，形成绿色的两价镍盐。

概况起来镍的用途可分为六类：

（1）制作金属材料。包括制作不锈钢、耐热合金钢和多种镍合金等约3000 余种金属材料，约占消费总量的70% 以上。

（2）用于电镀。其用量约占镍总消费量的15% 。

（3）在石油化工的氢化过程中作催化剂。在煤气化过程中，专用

CO 和H 2合成甲烷时发生下列反应：CO+H 2→CH4+H 2O （温度

800 ℃加催化剂），常用的催化剂为高度分散在氧化铝基体上的镍复

合材料（25%-27% ），这种催化剂不易被H2S、SO2等毒化。（4）用作化学电源，是制作电源的材料。如在工业上已生产的Cd-Ni 、Fe-Ni 、Zn-Ni 电池和H2 -Ni 密封电池。

（5）制作颜料和染料。其最主要的是组成黄橙色颜料，该颜料由

TiO 2、NiO 和Sb2O3的混合料在800 ℃以下煅烧而成，覆盖能力

强，具有金红石或尖晶石结构，故化学性质稳定。

（6）制作陶瓷和铁素体。如陶瓷工业上用NiO 作着色剂，此外，

还能增加料坯与铁素体间的黏结性，并使料坯表面光洁致密。铁素体

是一种较好的陶瓷材料，主要用于高频电气设备。

2. 镍铁冶炼用耐火材料

耐火材料是能满足高温条件下使用的无机非金属材料，如热工设备中的内衬结构材料，高温容器内衬材料，高温装置中的元件、部件材料等。

冶金对耐火材料的性能要求非常严格，即耐火度要高，高温强度要好，能经受熔渣、金属液的侵蚀和急剧的温度变化，有的还要求其在高真空和高温下不挥发或不发生分解，可以说，冶金工业的发展与耐火材料工业的进步是密不可分的。

按其原料的化学性质，耐火材料可分为碱性、酸性和中性三类。

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碱性耐火材料的主要成分是MgO 和CaO ；酸性耐火材料的主要成分为

SiO2；中性耐火材料分为Al2O3质、C质和SiC 质等，耐火材料成分如表2-1 所示。

表2-1 耐火材料的分类

按照使用温度，可分为普通耐火制品（耐火度为1580-1770 ℃）、高级耐火制品（耐火度为1770-2000 ℃）、特级耐火制品（耐火度大于

2000 ℃）。

耐火材料具有如下重要性质：

1）耐火度和荷重软化点。耐火度是材料在高温下抵抗熔化的性

能，耐火度是衡量硅酸铝系耐火材料品质的一个重要指标。熔点是纯物质的固液

相平衡温度，耐火度是低于纯物质熔点的。耐火材料在使用时都承受一定负荷，如果耐火材料受热后变形，炉体必然损坏，因此荷重软化点是耐火材料的另一个重要质量指标。

2) 高温抗折强度。高温强度大的砖，其抗渣性能必然好，抗急冷急热变化的

能力也强，因此高温抗折强度成为许多耐材特别是碱性耐材的关键指标。

3) 热震稳定性。耐火材料受到的急剧温度变化称作热震 (或叫热冲击)。由

于耐火制品为脆性材料，膨胀率较大而弹性较小，因此在受到热冲击时引起内应力使材料破裂或剥落。

4) 气孔率和密度。耐材的气孔有和外界相通的开口气孔和与外界

不通的封闭气孔两类，封闭气孔体积很难测定，因此，制品的气孔率用开口气孔体积所占的百分比表示，称为显气孔率。耐火制品的密度和气孔有关，不包括任何气孔体积的密度称为真密度；包括全部气孔体积在内的密度称为体积密度；仅包括封闭气孔体积而不包括开口气孔体积的密度称为假密度。气孔率和密度是耐火制品致密程度的指标，高密度制品的力学

性能好，也有利于抗渣侵蚀和抗热震，得到高密度制品的关键是高压成

型设备。

5) 抗渣性。对于冶金耐材，抗渣侵蚀是非常重要的性能，与渣的性质及耐火

材料品种有关。

硅酸铝系耐火材料价格便宜、用途广泛而且品种多，其基本化学成分是SiO2 和Al 2O3，黏土砖、高铝砖及硅砖是典型的硅酸铝系耐火材料。

碱性耐火材料主要组分为CaO- MgO 共晶成分，为67%CaO 、

33%MgO ，共晶温度为2300 ℃。

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2.1 耐火材料的损毁与寿命

导致耐火材料损毁的原因很多，有耐火材料性能、质量和使用条件问题，也有炉子设计、砌筑质量和冶炼操作等问题。耐火材料的损毁往往是许多因素的综合结果。一般来说，碱性材料炉衬，在熔炼过程中与熔渣反应，会改变材料组成和结构，造成耐材的损毁。操作温度剧烈波动以及金属液、渣和气流的冲击等因素，则加速耐火材料的损毁。

耐材的剥落：由于开口气孔的毛细作用，熔渣可以进入砖的内部，形成以硅酸盐为主的新相，在高温下原砖和新形成的变质层膨胀系数有差异，往往产生热应力以致出现裂纹，裂纹扩展使变质层剥落而损毁，气孔率大、气孔直径大、熔渣和耐火材料间润湿良好，都使这种损毁加剧。

总之，要提高冶炼炉衬的寿命，从耐火材料性能方面看要高纯原料、高压成型、高温烧成的“三高技术” ，以得到高纯度、高密度、高强度的耐火材料。从使用耐火材料的方面看，要正确选择耐火材料砌筑方法和改进冶炼工艺，以使炉衬均衡侵蚀，可见冶炼工艺对炉衬寿命的影响也大。

火法冶金耐火材料用量大，其保管也非常重要，应在专门仓库中

分类存放，防止其受潮变质，不定形材料要防止混料，以免降低质量甚至使材料变质。

3. 镍铁冶炼用原材料

原材料的质量及供应条件直接关系着镍铁冶炼的各项技术经济指标,是确保按计划品种顺利进行生产,达到优质、高产、低耗、高效的前提条件。必须

大力改善冶炼原料的供应和管理，积极实现冶金原料的“精细”化，确保冶炼用原料的化学成分和物理性质符合技术条件，连续供应的原料成分和物理性质保持稳定。

镍铁冶炼所需基本原料科分为主炉料即氧化镍矿和含镍、铁返回料，辅料即还原剂、熔剂、成球黏结剂等。

3.1 氧化镍矿及返回料

氧化镍矿的大致成分见表3-2 。硅酸盐型氧化镍矿的火法冶炼，首先要对购回的矿石进一步筛选或手选，以排除那些风化程度较差、含镍品位较低的大块贫矿，并经均匀化处理，力求获得镍品位较高且稳定的矿石。

氧化镍矿含游离水和结晶水一般在30% 左右，经干燥后仍含20%左右结晶水，须经720 ℃以上煅烧，充分排水，并预还原后，方可入炉冶炼。

红土矿是由铁和镍的氧化物组成的次生共生矿，其特点是硬度

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小，含水高（ω（H2O）=20%-40% ），易泥化，品位约为1%。据统计，红土矿一类镍矿占世界镍储量的75% 以上，是非常有价值的

镍资源。红土矿各成分含量如下表3-1 所示。

表3-1 红土矿成分的质量分数%

含镍不锈钢、合金冶炼产生的除尘灰，含镍材料加工产生的打磨屑、酸洗泥、镀镍泥及其他含镍、铁返回料，经干燥脱水后，根据入炉成分要求，可与新矿搭配造球利用，具有很好的技术效果和经济价值。

表3-2 氧化镍矿类型及成分

C2 2.5 0.15 17.0 18.5 39.0 3.8 10.7

3.2 冶金辅料

3.2.1 还原剂用煤炭

煤是一种固体燃料和化工材料，含碳量一般为46%-97% ，呈褐色至黑色，具有暗淡至金属光泽，相对密度为1.1-1.8 。就世界矿物能源探明的地质储量看，煤炭资源最为丰富，约10 万亿吨。中国探明可直接利用的煤炭资源储量为1886 亿吨，剩余可采储量为900 亿吨。我国煤炭总的分为无烟煤、烟煤和褐煤三类，其中烟煤又包括贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3 焦煤、气肥煤、气煤、1/2 中黏煤、弱黏煤、不黏煤、长焰煤。

3.2.1.1 煤的性质

煤的性质通常指煤的物理性质、化学性质和工艺性质。煤的性质与成煤植物积聚环境和煤化程度有关。煤的物理性质包括煤的光泽、颜色、密度、表面性质（润湿性、比表面积和孔隙度等）、光学性质（折射率、反射率）及其热学、力学、电学和磁学性质。煤的热学性质包括煤的比热容、煤的导热系数和热稳定性。煤的力学性质包括硬度、强度和可磨性。煤的化学性质是指煤与多种化学试剂在一定条件下产生不同化学反应的性质，包括氧化、加氢、卤化、水解和烷基化以及煤与CO2 的反应性等，还包括用不同溶剂萃取的可萃取性。煤的工艺性质指煤在一定加工条件下或转化过程中所呈现的特性，如煤

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的塑性、可选性、黏结性、结焦性以及煤的发热量、煤灰熔融性和煤的结渣性等，煤的性质决定其用途。

3.2.1.2 煤的主要用途

无烟煤的主要用途：

（1）煤化程度大的无烟煤可用作还原剂（代焦炭）炼制电石、碳化硅、红磷、黄磷、镁钙磷肥、石灰、白云石及其他冶金产品（如烧结矿等），可用作石墨电极、合成氨等的原料，用作其他工业窑炉燃料、还原剂等。（2）煤化程度中等的无烟煤中，低硫、低灰分煤可用于高炉喷吹，块煤可用于煤气发生炉制气，小高炉还可用块煤代替焦炭作还原剂。

（3）煤化程度小的无烟煤用于合成氨、煤气发生炉、高炉喷粉、矿石烧结及火电、水泥、石灰等生产的原燃料。

不黏结煤（烟煤）主要包括长焰煤、不黏煤、弱黏煤、贫煤。其主要用途如下：

（1）长焰煤主要用作机车、发电及工业锅炉和窑炉燃料，通过低温干馏加工为各种液体燃料，制成合成原料气等，用于发生炉制成煤气，高压加氢

制成各种液体燃料。

（2）不黏煤主要作为燃料用于机车、发电及各种工业锅炉、窑炉和制作发生炉煤气。

（3）弱黏煤主要作为燃料用于机车、发电及各种工业锅炉、窑

炉，用于发生炉制造煤气为冶金、水泥、玻璃工业提供能源，低灰分

低磷分者可配煤炼焦。

（4）贫煤用于发电、工业窑炉及制造合成原料或发生炉煤气，

作为工业燃料使用。

褐煤的主要用途如下：

（1）块煤或压制成型以造气、炼焦（加黏结剂）或低温干馏为半焦、焦油再加工等。

（2）用作工业原料制作活性炭、磺化煤、合成塑料，提取褐煤

蜡、腐殖酸钠等。

（3）制造农肥等。

3.2.1.3 煤质指标分级

国内外目前尚无评价煤质优劣的统一标准。根据有关资料介绍，

有关主要煤质指标等级如表3-3 和表3-4 所示。

表3-3 煤质指标等级（一）

表3-4 煤质指标等级（二）

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3.2.1.4 对煤质要求的应用实例

氧化镍矿焙烧处理过去多用低硫、低灰分、高发热值的焦粉。为

了节约焦炭和改善工艺效果，目前多用无烟煤粉代替或部分代替，对其煤质要求为：灰分小于15% ，硫分小于1.5% ，磷分小于0.04% 。煤气发生炉用煤质量如表3-5 所示。

表3-5 煤气发生炉用煤质量要求

3.2.2 熔剂用石灰石

石灰石作为镍铁冶金熔剂使用，其质量应符合以下要求：

1）碱性氧化物（CaO ）含量应高，酸性氧化物（SiO2+Al 2O3 ）含量应低。石灰石中CaO 的理论含量为56% ，自然界中石灰石都会有一定的杂质，故实际含量要比理论含量低。冶炼要求石灰石中SiO2和Al2O3 含量不大于3.5% ，以使石灰石的有效熔剂提高，即有效CaO 活度提高。

2）有害杂质S、P越低越好。石灰石中一般含S 0.01%-0.08 ，P 0.001%-

0.03% 。

3）石灰石应有一定的强度和均匀的块度。石灰石化学成分和粒度要求如表3-6 和表3-7 所示。

表3-6 石灰石化学成分要求

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表3-7 石灰石粒度要求

3.2.3 黏结剂用膨润土

膨润土又称皂土，分钙质和钠质两种，是以蒙脱石为主的层状黏土矿物，用作成球黏结剂，配加量为成品量的1%-2% ，对其质量要求如下：（1）最适宜的水分含量为7%-8% （干燥温度不大于

2）小于0.043mm 粒度的含量大于70% ，小于0.074mm

149 ℃)

粒度的含量大于90% ，小于0.15mm 粒度的含量不小于97%。

3）膨润土应具有如下形态，即当3g 膨润土与0.15g 化学纯的氧化镁及100mm 蒸馏水混合后静置24h ，应无沉淀产生。胶体量不小

于90ml ，上层溶液不超过10% 。膨润土的质量参考指标如表3-8

所示。

表3-8 膨润土质量参考指标

氧化镍矿成球使用粉化的石灰粉（消石灰）取代膨润土作黏结剂被实践

证明是合理的，值得推广。

4. 镍铁冶金原料的加工

镍铁冶金的原料加工处理,可大致分为两段:前段主要是块矿破碎、物料干燥、矿物制粉和配混料后造球；后段则主要是生球焙烧。

其中破碎、造球和生球焙烧是生产过程的主要环节

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4.1 矿石破碎

破碎是原料加工过程中的一个基本工序，包括对氧化镍矿块料、块煤和石灰石的破碎，为后续炉料加工准备必要的条件。

4.1.1 物料的一般技术特征

物料粒度是指物料料块的大小，通常以料块最大边长（mm ）来表示，也有以通过的筛孔尺寸或筛余百分比来表示的。破碎机的喂料粒度与破碎后的出料粒度的比值称为破碎比，即

= max /d max

式中——破碎比；

max ——破碎机喂粒最大粒度，mm ；

d max ——破碎后的出最大料粒度，mm 。

破碎比的大小是破碎机选型的重要参数之一，不同破碎机有不同的破碎比，如表4-1 所示。

表4-1 破碎等级及粒度

破碎机的喂料粒度应与来料的粒度相适应，换言之，要根据破碎

物料的最大粒度，合理选择破碎机。破碎机的出料粒度，决定于破碎

机出料口的宽度及破碎机的特性，为了提高磨机的工作效率，降低粉磨电耗，在物料入磨前，将其尽可能破碎得细一些是十分必要的。因此，破碎机的出料粒

度，往往按入磨物料所要求的粒度而定。

4.1.2 矿石强度及硬度系数

物料破碎的难易程度主要取决于矿石的机械强度（抗压、抗折），通常采用普式硬度系数来评定矿石的强度。所谓普式硬度系数（ f ）

是矿石的极限抗压强度（σ压）除以100 所得的数值，即f= σ压/100 。按普式硬度系数的大小，可将矿石分为五个硬度等级，如表4-2 所示。

表4-2 按按普式硬度系数划分的硬度等级

4.2 原料烘干与配粉

为了获得适于还原电炉冶炼使用的合格炉料，必须将氧化镍矿

（含返回料）、还原剂、熔剂、黏结剂等物料加工成符合粒度要求的

粉体，在前述粗破的基础上，为准确配料和均匀混料进而造球创造条镍铁冶金所用原（辅）料硬度都不大（见表4-2 ），易破碎，但

情况复杂。就原（辅）料中量最大的氧化镍矿而言，它是由自然风化

程度大的土质粉矿和风化程度小的石质块矿构成的。两者各有特点：土质粉矿镍

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品位较高且成分均匀，但含游离水较多；石质块矿镍品位较低且不均匀，但含游离水较少。

石质块矿经破碎、制粉后可直接进入配混料、造球工序；而土质粉矿不需破碎，却须烘干后方可入磨。为了确保原料成分均匀、稳定，多将经粗破（大块石质矿）后的石质和土质矿一同进行烘干，然后细磨。

4.3 配料

各种物料配量如下：

（1）镍铁矿。按其化学成分及各辅助原料配量分批配入。

（2）除尘灰等返回料。依经验，按配料基量的5% 配加。

（3）还原剂。按一定量铁和全部镍元素得以还原的量配入。

（4）熔剂。熔剂配加量按碱度要求确定。

（5）黏结剂。其配入量应由试验确定，一般膨润土用量为成品量的1%-2% 。使用消石灰作黏结剂，其用量与膨润土相近。

5. 镍铁冶金主要设备

5.1 环形烧结机

烧结是将粉状料或细粒料进行高温加热，在不完全熔化的条件下烧结成块的过程。烧结的方法有鼓风烧结和抽风烧结之分，以抽风烧结最为常见。抽风烧结分为连续式和间歇式，用于连续式抽风烧结的有带式烧结机和环式烧结机等；用于间歇式抽风烧结的有固定式烧结机（如盘式烧结机和箱式烧结机）和移动式烧结机等。

现代烧结机主要是抽风带式烧结机和环形烧结机，前者由于生产能力大，机械化程度高，自动控制装置较完善，劳动生产率也高，在大型铁矿粉烧结生产中多被采用。从生产规模和技术经济合理性考虑，环形烧结机更适合与电炉冶炼镍铁配套使用。

5.1.1 环形烧结机工艺流程

烧结的过程是伴随着物料物理化学变化的过程。烧结料因强烈的热交换从70 ℃以下被加热到1200-1400 ℃，并从固相中产生液相，液相又被迅速冷却而凝固，其过程包括：

（1）燃料燃烧和热交换；（2）水分蒸发及冷凝；（3）碳酸盐分解，燃料中挥发分的挥发；（4）矿物的氧化、还原与分解；（5）硫的氧化和去除；（6）固相间的反应与液相的生成；（7）液相冷凝和烧结矿二次氧化等。其中包含的化学反应如下所列：

2Fe2O3·3H2O=2 Fe 2O3+3 H 2O

CaCO 3 =CaO+CO 2

3 Fe2O3+CO=2Fe 3O 4+CO 2

Fe 3O 4+CO=3FeO+ CO 2 2FeO+SiO 2=2 FeO ·SiO2 3Ni 2O 3+CO= 2Ni 3O4+CO 2 Ni 3O4+CO=3NiO+ CO 2 2NiO+SiO 2=2 NiO ·SiO2 原料厂矿粉、返料、燃料、熔剂按比例混合，然后送混料机进行二次混匀和造球，由皮带运输机送到烧结机给料仓，完成供料工艺。混好的料由布料器均匀地分布在烧结机盘面进行点火烧结，从烧结机机头布好料开始抽风烧结，到机尾（大盘末端）双辊破碎机进行破碎。通过漏斗溜到设在下层平台的热振动筛中进行筛分，不小

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