镍铁生产工艺

一、镍、镍铁与镍矿
镍是略带黄色的银白色金属，是一种具有磁性的过渡金属。镍的应用在于镍的抗腐蚀性，合金中添加镍可增强合金的抗腐蚀性能。不锈钢与合金生产领域是镍最广泛应用领域。全球约2／3的镍用于不锈钢生产，因此不锈钢行业对镍消费的影响居第l位。镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加镍的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构，从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性，所以镍被称为奥氏体形成元素。目前全球有色金属中，镍的消费量仅次于铜、铝、铅、锌，居有色金属第5位。因此，镍被视为重要战略物资，一直为各国所重视。
镍铁主要成分为镍与铁，同时还含有Cr、Si、S、P、C等杂质元素。根据国际标准（ISO）镍铁按含镍量分为FeNi20（Ni 15％～25％）、FeNi30（Ni 25％～35％）、FeNi40（Ni 35％～45％）和FeNi50（Ni 45％～60％）。又再分为高碳（C 1.0％～2.5％）、中碳（C 0.030％～1.0％）和低碳（C <0.03％）；低磷（P <0.02％）与高磷（P <0.030％）镍铁。目前国内厂家生产的镍铁品位主要集中在1.6～2.0％、4～8％以及10～15％，同时也有小部分厂家能生产含镍量在20％以上的镍铁。
世界上可开采的镍资源有二类，一类是硫化矿床，另一类是氧化矿床。由于硫化镍矿资源品质好，工艺技术成熟，现约60％~70％的镍产量来源于硫化镍矿。而世界上镍储量的65％左右贮存在氧化镍矿床中，由于其因含有氧化铁的缘故而呈红色，因此也俗称红土镍矿。目前发现的红土镍矿多分布在南、北回归线一带，如澳大利亚、巴布亚新几内亚、新喀里多尼亚、印度尼西亚、菲律宾和古巴等地。
二、工艺原理
虽然红土镍矿处理工艺主要分为湿法冶炼工艺和火法冶炼工艺，但目前世界范围内比较成熟的利用红土镍矿冶炼镍铁合金的工艺方法仍旧以火法冶炼为主。
火法冶炼镍铁是在高温条件下，以C（或Si）作还原剂，对氧化镍矿中的NiO及其他氧化物（如FeO）进行还原而得。同时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。
因不同产地的镍矿成分不同，NiO及各种氧化物之间组成的化合物也有所不同，因而，在镍铁冶炼过程中，其实际反应较复杂。反应生成的Ni和Fe能在不同比例下互溶，生成镍铁。
从上述（1）、（2）反应式中可看出：NiO、FeO还原反应开始温度较低，而且，NiO的开始反应温度比FeO约低200℃；因而，火法冶炼镍铁过程中，尽管所采用的镍矿NiO含量较低，但NiO 90％以上被还原，而且，在Ni／Fe很低的情况下，可通过不同的工艺操作，使产品含Ni量提高到较高水平，与铁合金其他产品（如高碳铬铁、锰硅合金等）相比，电炉粗镍冶炼难度相对较低。
三、红土镍矿预处理
红土镍矿属非结晶型矿种。不同镍矿类型，成分波动范围为：Ni 0.87％～3.85％，Fe 6％～50％，MgO 1.5％～32％，Si0₂ 5％～58％，Al₂o₃ 1％～15％，P 0.000 4％～0.000 2％，S 0.00l％～0.08％。
红土镍矿另一个特点是水分较高，尤其是目前我国红土镍矿主要进口国菲律宾和印尼两国气候多雨潮湿，镍矿中水分基本在30~35％范围波动。为确保镍铁冶炼炉况稳定，镍矿在入炉前必须进行脱水，造块处理。不同的镍铁生产厂家对入炉前镍矿的脱水烧结处理普遍使用如下几种预处理方式：
①回转窑烘干→造块→回转窑高温脱水、预热。
②回转窑烘干→造块→竖炉烧结、预还原。
③回转窑烘干→脱水、烧结（包括预还原）。
不同的镍矿处理工艺的投资费用及工艺操作难度不同，对整个镍铁冶炼工艺综合能耗及产品质量的影响也有所不同，因而，随着我国镍铁生产的规模化，选择何种镍矿预处理方式，值得分析。
四、数种工艺流程
1、回转窑直接还原法
镍矿→烘干→破碎→配入焦炭、熔剂混合制团→预热→回转窑脱水、还原→固融态渣铁混合物→水淬→磨碎→跳汰、强磁选等多级渣铁分离→细粒镍铁→电炉重熔→精炼脱硫→镍铁。
该工艺利用回转窖全程对镍团矿进行脱水、焙烧，NiO、FeO等氧化物还原，金属物聚集，最后生成融态海绵状夹渣镍铁。熔炼过程热能来自煤粉（或重油）燃烧放出的热量，其是火法冶炼镍铁生产中，设备最简单、生成金属流程最短、综合能耗最低的生产工艺。
2、鼓风炉法
镍矿→回转窑烘干→制块→配入焦炭→鼓风炉冶炼→粗镍铁→精炼降Si、C、P、S→镍铁。
该工艺在冶炼设备结构方面与高炉法冶炼镍铁有相似之处。冶炼过程中以焦炭燃烧放热作为热源，但反应机理有所不同。高炉直接冶炼出的镍铁，其含Ni量基本取决于入炉镍矿中的Ni／Fe比值，而鼓风炉法生产的粗镍，其含Ni量，不只受限于该比值的大小。
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。
3、高炉法
镍矿→脱水、烧结、造块→配入焦炭、熔剂→高炉冶炼→粗镍铁→精炼降Si、C、P、S→镍铁。
在国内，近年采用的火法冶炼镍铁较为普遍，主要是借用于现有炼铁小高炉直接转产，具体操作与小高炉生产生铁操作相似，特别适合于使用低Ni、高Fe镍矿生产低Ni镍铁（含镍生铁）。
该工艺仍以焦炭燃烧放热作为冶炼热能，入炉镍矿中FeO可被焦炭中的C充分还原，故粗镍铁中的Ni含量高低基本受限于入炉镍矿Ni／Fe的比值大小。
由于国家限制400 m³以下小高炉的使用，而使用矿热电炉，利用低镍高铁镍矿，直接生产低Ni镍铁，其工艺的合理性和易操作性，似乎不及高炉法，因而采用大容量高炉冶炼低Ni镍铁值得关注和研究。
4、电碳热法
镍矿→脱水、造块→配入焦炭、熔剂→电炉冶炼→粗镍铁→降C、Si、P、S精炼→镍铁。
电碳热法是以C作还原剂，在电能高温条件下，对镍矿中的NiO、FeO等氧化物进行还原，冶炼出镍铁，因而，在电炉冶炼过程中，调整合适的配炭量，限制FeO还原，可生产出Ni含量较高的电炉镍铁。
国外火法冶炼镍铁主要采用此工艺，国内厂家生产含Ni大于10％的产品时亦普遍采用。主要冶炼设备为矿热电炉，国内个别厂家也有使用与电弧炉结构相似的电炉生产（其设备最大容量为9 MVA），其镍矿预处理方式，冶炼工艺的具体操作，精炼工艺设备配套情况及精炼效果均不尽相同，各项指标对比也存在一定差异。
5、电硅热法
镍矿→烘干→破碎→高温脱水煅烧成块→配入熔剂→矿热电炉熔化→NiO熔体→倒人反应包→向反应包加入45％硅铁→倒包反应→粗镍铁→降P、Si精炼→镍铁。
电硅热法工艺是以Si作还原剂，在高温条件下，对NiO、FeO等氧化物进行还原，生成镍铁。
据资料介绍，国外电硅热法工艺是在炉外，通过倒包操作，使加入的Si对熔体中的NiO进行还原，生成镍铁，与热兑法生产微碳铬铁的反应机理和工艺操作基本相同，因而，可称之为热兑法工艺。
五、镍铁产业的意义
随着我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％。不锈钢产量的增长将拉动镍金属消费量增长。随着金融危机影响的渐渐消退，镍价重回2万美元以上，镍铁合金对降低不锈钢冶炼成本的优势逐渐得到体现，镍铁在不锈钢原料中占据了重要的地位，国内的镍铁冶炼行业在经历了08年的萧条衰败后重新迎来了另一个发展良机。
此外，由于电解镍主要是由硫化镍矿冶炼所得，而硫化矿提取工艺成熟，长时间的大量开采使得世界近期可供开发的硫化矿资源已经不多，加之硫化矿资源勘探周期和建设周期均较长，开发和利用相对比较困难，与硫化镍矿情况相反的是红土镍矿资源丰富，贮存在红土矿中镍金属量占据了镍储量的65％，而每年从氧化镍矿中提取的镍只占世界镍产量的30％，因此随着世界上硫化镍矿资源的逐步减少，从氧化镍矿中提取镍金属将具有极大的发展前景。