张涛, 左海滨, 张建良, 徐承飞, 杜申

( 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室, 北京 100083)

摘 要: 受富矿资源减少、铁矿石价格上涨的影响, 钢铁企业开始关注低价劣质矿的合理利用。红土镍矿价格低廉并且含有冶炼不锈钢所需的 Ni 和 Cr, 增大其在烧结混合料中的配比, 不仅能降低铁水成本, 还可以提升铁水价值。在高红土镍矿配比(30% 左右)下烧结, 烧结矿中 FeO含量比较高, 使得烧结矿的转鼓指数、粒度水平以及还原性均有所下降, 低温还原粉化性能有所改善。

关键词: 红土镍矿; 烧结; 配比

1 前 言

进口铁矿石的价格自 2003 年以来持续攀升[1], 而且由于近年来全球范围的经济萧条, 直接导致了钢材需求量急剧下降, 钢材市场供过于求, 钢材利润空间急剧缩小, 钢铁企业成本压力巨大, 高炉生产的利润很低, 甚至为负。而对于高炉这种特殊的生产设备而言, 如果由于成本压力暂停生产, 只会在短期内扭转亏损的局面, 从长远考虑, 则会对高炉的长寿带来巨大的负面影响, 是得不偿失的。钢铁企业为了应对严峻的经济形势, 必须寻找能维持高炉生产, 又可以降低生产成本或者提高产品价值的新途径。

钢铁的生产成本是由原燃料价格、动力能源消耗、设备折旧费用、维修费用、劳动力价格等因素决定的[ 2]。在这些因素当中, 原料价格对的成本的影响显得尤为突出[3]。由于当前高品位优质铁矿石的价格不断攀升, 而低品位劣质铁矿石的价格比较低, 钢铁企业开始关注低品位劣质矿的综合利用, 在保证烧结矿性能的前提下, 加大混合料中劣质矿的配比。一般来讲, 低品位劣质矿石的品位在 50% 以下, 因此冶炼过程中焦比、渣比都会升高; 有害元素含量高, 入炉冶炼会对高炉的顺行以及长寿带来负面影响; 价格低, 可有效降低原料成本。因而,低价劣质矿品种的选择及其配比的确定, 直接关系到能否有效降低生产钢铁的成本或者提高产品价值, 最终提高企业的经济效益。

2 红土镍矿资源概况

红土镍矿是一种典型的低品位劣质矿, 其含铁品位一般在 10% ~ 45% , 部分能够达到50% 。大多数红土镍矿中含有较高的 Al2O3和MgO, 也有某些红土镍矿中 SiO2的含量比较高[ 4], 红土镍矿中含有 N i、Cr、Co 等元素, 游离水和结晶水含量也比较高, 烧损大。

表 1 是国内某钢厂在2012 年7 月份使用的四种红土镍矿的主要成分。世界上的红土镍矿主要分布在赤道线南北30b以内的热带国家, 主要有: 古巴、印度尼西亚、菲律宾、澳大利亚、新喀里多尼亚等[5]。红土镍矿资源非常丰富, 勘探成本以及采矿成本都很低, 红土镍矿矿床大多靠近海岸, 便于运输[ 6]。

世界主要产镍国的红土镍 矿资源储量见表2[7, 8]。

我国的红土镍矿主要分布在四川省的会理、云南省的元江和墨江以及青海省的元石山等地区[9]。红土镍矿储量约占全国镍资源保有储量的 916% , 而硫化镍矿占全国镍资源保有储

量的 86%[10]。由于国内红土镍矿储量相对较少, 我国每年从菲律宾和印度尼西亚进口大量的红土镍矿。据统计, 2011 年 1~ 11 月, 我国红土镍矿的进口量为 4769 万 t( 毛重) , 而从菲律宾进口的红土镍矿中, 大约有 800 万 t( 毛重) 的高铁低镍矿直接作为铁矿石用于粗钢或者生铁的冶炼, 其余约 4000 万 t( 毛重) 红土镍矿都用于生产湿法镍或镍生铁[11]。表 3 是 2012 年 1~ 7 月我国进口菲律宾以及印度尼西亚红土镍矿的数据。

3 红土镍矿冶炼工艺简介

红土镍矿的处理工艺可以分为湿法工艺和火法工艺两种。

湿法工艺以提取红土镍矿中的镍和钴为主, 其余大部分(将近 97%) 作为固体废弃物丢弃, 而大多数红土镍矿中 Fe 和 Cr 的含量都比较高, 资源没有得到合理的利用。湿法工艺通常使用液态酸或者氨作为浸出剂, 这些浸出剂很难回收再利用, 作为废弃物排放, 污染环境,所以发展前景不明朗[ 12]。火法工艺包括电炉法和高炉法两种。使用电炉法冶炼的红土镍矿, 其产物是镍含量比较高( 10% ~ 25% ) 的镍铁, 但这是通过抑制冶炼过程中铁的还原实现的, 导致大部分铁留在了渣中, 造成了资源的浪费, 而且我国电力资源供应紧张, 电炉法的普及受到很大的限制[ 13]。

高炉法通常使用含铁 45% 左右、含镍015%~ 1% 的红土镍矿生产含镍量 1% ~ 2% 的低镍生铁 。由于红土镍矿含铁品位低, 导致冶炼过程中焦比(约 800 kg/ tFe) 和渣比( 约 2 t/ tFe) 升高[14], 部分红土镍矿中 Al2O3和 MgO 的含量较高, 这会对高炉炉渣的黏度特性产生很大影响。

冶炼低镍生铁过程中渣量大, 会导致出渣时渣口开放时间变长, 炉内的热量从渣口向外扩散,致使炉温降低, 影响高炉顺行。因此, 目前国内使用全红土镍矿冶炼的高炉, 其容积一般在 400~ 600 m3[ 15], 大高炉很难使用全红土镍矿冶炼低镍生铁。

大多数钢铁企业并不使用全红土镍矿冶炼, 而是在烧结混合料中配入少量的红土镍矿( 配比大都在 5% 以下) 入炉冶炼, 以降低成本,并不生产镍铁。但是由于红土镍矿配入量比较少, 对降低铁水成本的作用并不是很明显。

4 提高烧结混合料中红土镍矿配比, 降低生铁成本

迫于成本的压力, 部分钢铁企业开始尝试增大红土镍矿在烧结中的使用量。相比于使用其他低价劣质矿, 钢铁企业提高烧结中红土镍矿配比的优势不仅仅在于其价格低廉, 还因为红土镍矿中含有的 Ni 和 Cr 是冶炼不锈钢所必需的元素。红土镍矿经过干燥、筛分之后, 在较高的配比下( 30% 左右) 与其他铁矿粉混匀、配加熔剂和燃料后进行烧结, 烧结矿入炉后冶炼得到含有 Cr、Ni 的铁水, 可以直接作为冶炼不锈钢的原料, 既降低了原料成本, 又提升了产品的价值, 可谓一举两得。

和全红土镍矿冶炼不同, 在红土镍矿配比较高条件下生产的烧结矿( 品位达到 50% 以上) , 与球团矿以及块矿配合入炉使用( 入炉品位 55% 以上), 冶炼得到的铁水中 Ni 含量在015%左右, Cr 含量在 3% ~ 5% 。由于入炉品位比较高, 渣比与焦比并不会大幅度上升, 对高炉的顺行影响不大。

5 高红土镍矿配比下烧结矿的性能

51、1 烧结混合料的配比以及烧结矿成分

国内某钢铁企业在其 72 m2烧结机上进行了高红土镍矿配比下烧结矿的生产, 其烧结混合料的原、燃料成分和配比见表 4, 烧结矿成分见表 5。

从表 4 中可以看出, 烧结混合料中红土镍矿的配比达到了 28%, 由于红土镍矿的结晶水含量比较高, 所以提高了焦粉配比。烧结矿品位为 53141%, 碱度为 1181, 这与该企业正常配比条件下(红土镍矿配比 5% 左右) 生产的烧结矿品位( 53% 左右) 和碱度( 1180) 基本持平,Al2O3 、MgO和T iO2 的含量也都维持在正常水平, NiO 的含量为 0136%。烧结矿 FeO 的含量达到了 1714%, 这是由于焦粉配入量比较大, 碳以及碳在高温下(约 800 e )与红土镍矿中脱除的结晶水反应生成的 H2和 CO 对 Fe2O3的还原作用所导致的。

5、2 烧结矿的性能

高红土镍矿配比下的烧结矿与该企业正常条件下生产的烧结矿粒度分布见图 1。

通过对粒度分布数据的分析, 不难发现: 高红土镍矿配比下, 烧结矿中小粒度级(0~ 5 mm)明显增多, 比正常生产条件下高出将近 7% ; 大粒度级(> 40 mm)比正常生产条件下低了将近5% ; 两种配比下烧结矿中 5 ~ 10 mm、10~ 25mm 和 25~ 40 mm 粒级的比例基本持平。转鼓指数方 面, 高红 土镍 矿配 比下 的烧 结矿 为71148% , 正常配比下的烧结矿为 76187% , 后者比前者高出 5139%。转鼓指数下降、小粒级增加以及大粒级减少, 说明高红土镍矿配比下的烧结矿强度相对较差。这是由于混合料中配碳量较高, 使得部分 Fe2O3被还原成了 FeO, 影响了铁酸钙的生成, 导致烧结矿强度降低。但另一方面, FeO 含量较高, 其与 SiO2形成的 FeO#SiO2也拥有较好的强度, 这又是烧结矿在铁酸钙生成量不足的情况下强度得以保证的重要原因。

两种烧结矿的低温还原粉化性能以及还原性比较见表 6。赤铁矿在 450~ 550 e 时, 由AFe2O3还原成CFe2O3发生的晶格改变是造成烧结矿低温还原粉化的主要原因[16], 而对烧结矿还原性起着关键作用的铁酸钙, 其含量又依赖于 Fe2O3 的含量。高红土镍矿配比条件下生产的烧结矿中FeO 的含量达到了 1714% , 而正常配比下生产的烧结矿中 FeO 含量一般在 10% 以下, 这必然导致前者的 Fe2O3含量要低于后者, 使得前者的低温还原粉化性能明显优于后者, 而其还原性却比后者低了 1013%。

6 结 论

1) / 精料0无疑是指导高炉冶炼的一项重要方针, 但是在当前富矿资源紧缺、经济萎靡的形势下, 合理利用低价劣质矿是保持钢铁企业竞争力的重要手段。

2) 红土镍矿不仅价格低廉, 而且含有冶炼不锈钢所必须的 Ni 和 Cr。使用高炉处理红土镍矿的工艺对于降低高炉冶炼成本、提高铁水价值是有利的, 并且实现了红土镍矿资源的合理有效利用。

3) 高红土镍矿配比下的烧结矿, 其 FeO 含量比较高, 导致烧结矿的粒度变小、强度和还原性变差, 但是低温还原粉化性能变好。

总的来说, 高红土镍矿配比下的烧结矿与球团矿和块矿混合使用, 可以达到高炉对入炉原料的要求。目前, 国内已经有部分钢铁企业使用高红土镍矿配比进行烧结生产, 在控制生产成本上取得了良好的效果。吕学伟[17]、谢皓[ 18]等分别对印度尼西亚和菲律宾的红土镍矿烧结工艺进行了实验研究和机理分析, 为提高红土镍矿配比的烧结工艺提供了理论支持。随着红土镍矿相关烧结理论体系的逐步成熟与完善, 红土镍矿在高炉炼铁中的应用势必会得到更广泛的关注。

参考文献

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