第27卷第1期 20l1年2月 HUNAN NONFERROUS METALS 湖南有色金属 17 镍火法熔炼技术发展综述 吴东升 (吉林吉恩镍业股份有限公司,吉林磐石 132311) 摘要:综述现在世界广泛应用的镍熔炼火法技术,如矿热电炉、反射炉、闪速炉、鼓风炉、转炉和奥 斯麦特炉及其在我国的实际应用情况。 关键词:火法; 台金炉;镍熔炼 中图分类号:TF111.12 文献标识码:A 文章编号:1003—5540(2011)0l一0017—03 镍能与其它金属形成合金,从而在更广泛的温 度范围内提高金属的强度、韧性和抗腐蚀性,并能在 表面形成致密的氧化镍膜,具有很高的化学稳定性, 是一种十分重要的有色金属,可以用来制造包括不 锈钢、耐热合金钢、合金结构钢等3 000多种合金,对 钢铁工业至关重要,尤其是在航天、海洋、电子工业 和建筑业发挥了关键作用l_1 J。 已知镍在地球中含量约为3%,次于Fe、O2、si、 法生产工艺。目前世界镍生产能力约90%仍用火法 冶金方法,所以下面主要介绍现在世界广泛应用的 镍火法熔炼技术及其在我国的实际应用情况。 1.1矿热电炉 如果向固体或液体里通以电流,则由于电阻的 作用,电能转变为热能。因此电加热广泛应用于各 种技术领域,对冶金工业尤其重要,矿热电炉(又称 电弧电阻炉)就是冶金炉的一个主要类型。在有色 冶金生产过程中,矿热电炉广泛应用于低镍锍的生 Mg,而居第五位;但在地壳中仅占0.008%,居已知 元素的24位。我国镍矿储量分布于19个省区。主 要集中在甘肃(占全国总储量的62.2%),其次分布 在、云南、吉林、湖北、四川、陕西和青海等7省 区(合计占总储量的34.5%)。与世界同行业先进水 产,世界上一些著名的镍公司,如俄罗斯的北镍、贝 辰加、诺里尔斯克,加拿大的鹰桥、汤普森,南非的瓦 特瓦尔及中国的金川、磐石等均用矿热电炉处理镍 精矿生产低镍锍_lj。作为一种熔炼设备,它比其它 冶金炉具有一系列的优点:可以有效地控制熔池温 度,得到高温,使熔炼产物过热;因为不用燃料,没有 燃料燃烧的气体产生,因此电炉烟气量比其它冶金 炉少;电炉熔炼炉渣和镍锍分离得比较好;渣含有价 平相比,中国镍矿的开发和利用到目前尚处于赶超 阶段。 进入21世纪,我国镍冶炼工业继续持续稳定地 发展,镍冶炼企业在不断地对现有工艺进行技术改 造,挖潜增效、节能降耗、强化管理的同时,广泛采用 金属比较低,金属回收率比较高;电炉在结构上密封 先进的熔池熔炼新工艺、新技术、新设备逐渐取代能 耗高、污染大、效益差的落后工艺。本文对国内外主 要镍熔炼工艺进行了评述,以期为我国镍冶金企业 的技术改造或扩大生产提供参考。 得比较好,可以得到含SO2浓度比较高的烟气,能达 到制取硫酸需要的浓度,解决了硫的利用和环境污 染问题[2l。 矿热电炉用于镍冶炼的缺点是电炉熔炼的脱硫 率比较低,对炉料的含水量要求严格(不高于3%)。 电炉采用的根本原因在于电炉熔炼耗电大,对 于电价比较高的火力发电地区,它的生产成本往往 1冶炼炉发展 在过去的几十年中,镍的熔炼工艺取得了长足 的进步,出现_r许多世界上先进的熔炼工艺。镍的 生产方法为:纯镍采用湿法生产工艺,非纯镍采用火 作者简介:吴东升(1979一),男,助理工程师,主要从事镍火法熔炼技 术研究工作。 比其它冶金炉高。对于具有廉价电力的水力发电地 区,电炉在经济上则是有利的。因此,矿热电炉的采 用,应根据不同情况通过技术经济比较来确定l_2 J。 1.2反射炉 反射炉是传统的冶炼设备之一,具有结构简单、 18 湖南有色金属 第27卷 操作方便、容易控制、对原料和燃料的适应性较强、 生产中耗水少、作业率高、适合大规模生产等优点。 反射炉生产的主要缺点是燃料消耗量大、热效率较 镍冶炼生产能力50%以上。奥托昆普直接熔炼技术 具有独特优点:最大限度地减少了熔融物料不必要 的循环,镍、尤其是钴及铂族金属的回收率高;由于 熔炼流程中取消了炉冰镍的吹炼阶段,没有熔融物 料的内部循环和运输;从单独和连续的出口烟气获 低(一般只有l5%~30%),脱硫率及烟气中二氧化 硫浓度低、占地面积大、消耗大量耐火材料等缺点。 因此为数尚多的工厂对现存的反射炉进行技术改 造,其主要改造路径是采用富氧空气熔炼和使用热 风【3,4 3。kCP#l华锡集团来宾冶炼厂是1989年建成投 得高硫回收率;扩散到环境和作业空气中的硫及烟 尘极少[6l。 金川I闪速炉炼镍引进澳大利亚卡尔古里冶炼厂 产的锡冶炼厂,全厂85%以上的粗锡为反射炉所 产 5。目前在世界范围内主要应用于铜、镍、锡等有 色金属的冶炼生产,被广泛用于处理矿石和精矿,尤 其是处理细粒度的粉料。 北京时间2009年12月2日凌晨1:00,金川集 团冶炼厂熔铸车间45 m 反射炉开始投料,上午10 时,随着第一块合格镍阳极板的成功产出,标志着该 系统成功投产,进入正常生产运行阶段。这意味着 在中国金川,炼镍的反射炉也应用于实际的生产中。 1.3闪速炉 闪速熔炼是硫化镍精矿造锍熔炼的新工艺。这 个方法最初应用于熔炼铜精矿,它克服了传统熔炼 方法未能充分利用粉末状态的巨大比表面积和硫化 矿物燃烧放热的特点,大大减少了能源消耗,提高了 硫的利用率,改善了环境。1959年首次在芬兰奥托 昆普公司哈贾伐尔塔冶炼厂应用于熔炼镍精矿,以 后相继在澳大利亚西部矿业公司卡尔古利、博茨瓦 纳的皮克威、俄罗里尔斯克镍联合企业、巴西的 佛达勒扎镍矿建立了镍的闪速熔炼厂,我国金川有 色金属公司也采用该技术。 闪速炉的主要优点是:烟气量相对小,SO,浓度 高,利于造酸,可减少环境污染;单台生产能力大,反 应塔处理能力高;节省能源,综合能耗低;过程空气 富氧浓度可在23%~95%范围内选择,有利于设备 选择和控制烟气总量;过程控制简单,容易实现自动 化;扩产、挖潜容易实现。但存在渣含有用金属高, 烟尘率较大,物料准备要求高等缺点l2 J。 用于闪速炉熔炼的基本炉型分为奥托昆普 (Outokump1.1型)富氧竖式炉和加拿大国际镍公司 (INCO型)纯氧卧式炉两种。 1.3.1 奥托昆普(OutokumDu型)富氧竖式炉 奥托昆普闪速熔炼法是在闪速熔炼技术基础上 优化的一种近年来广泛应用的一项镍冶炼T艺。目 前世界镍生产能力约90%仍用火法冶金方法,现有 的六家采用奥托昆普工艺的镍闪速熔炼厂,占据冰 的闪速炉技术,是由我国自己设计、自己建造的国内 第一台大型闪速炉l7]。自1993年建造的镍合成闪 速熔炼系统已成功用于高镁镍精矿造锍熔炼。金川 合成闪速炉是奥托昆普闪速炉的第三代闪速炉,设 计时充分吸取了当今闪速熔炼和电炉熔炼的先进技 术成果,使奥托闪速熔炼技术用于铜镍精矿造锍熔 炼技术上更完善、更先进,操作更简便,炉寿命更 长 。 1.3.2加拿大国际镍公司(INCO型)纯氧卧式闪 速炉 目前世界上只有三家厂家使用氧气闪速炉,加 拿大铜崖厂(1953年投产)、美国赫尔利厂(1984年 投产)和美国海登厂(1983年投产),推广发展慢,它 近似于反射炉。但因镍在锍渣两相分配比较低(约 65%),故一直未广泛应用。 1.4鼓风炉(高炉) 鼓风炉熔炼是最早的炼镍方法之一,世界上许 多冶炼厂都曾经使用过鼓风炉熔炼技术。早在1879 年,在新喀里多尼亚就采用鼓风炉处理红土镍矿。 鼓风炉是一种竖式炉,适用于处理块状物料,炉 料从炉子上部分批分层地加入炉内,空气由风口不 断地鼓入炉内使燃料燃烧,热气流自下而上地通过 料柱,进入炉料与炉气逆向运动的热交换,从而实现 炉料的预热、焙烧、熔化、造锍等一系列物理化学反 应,最终完成制取并分离合格产出物的过程。它的 工艺特点主要表现为:炉内气氛容易控制,适应性较 强,氧化程度比电炉高,脱硫率一般为45%,最高可 达60%;没备简单、投资较省,建设速度快;工艺灵活 简单,可根据需要及时调整镍锍品位,可获得较高的 脱硫率(约45%~60%)和较低的燃料消耗_l J。 由于对环境有影响,矿石适应性差,对镁含量有 较严格的要求,另外不能处理粉矿,对入炉炉料也有 严格的。随着生产规模扩大和冶炼技术进步, 这一方法已逐步被淘汰。针对以上问题,国内在鼓 风炉结构设计及操作技术等方面曾有不少革新。我 第1期 吴东升:镍火法熔炼技术发展综述 19 国四川会理镍矿是我国后最先开发的镍矿,冶 炼系统采用烧结一鼓风炉冶炼出低镍锍一转炉吹炼 成高镍锍的生产流程;1958年金川硫化铜镍矿发现 后,在生产初期采用了简单易行、经济有效的敞开式 鼓风炉,以后又过渡到处理铜镍精矿的烧结一鼓风 炉熔炼工艺,直至矿热电炉投产l 。喀拉通克 铜镍矿为含硫高、难熔脉石氧化镁和氧化钙含量低、 矿石品位为铜比镍高的硫化铜镍矿,根据会理、金川 的经验,并考虑到该矿的具体情况,在1989年建成 了鼓风炉一转炉生产流程。于1992年冬季检修之 时,将原有的敞开式鼓风炉改造为密闭式鼓风炉。 并在实际生产中采用富氧熔炼技术,能够降低焦炭 消耗,同时可以减少冶炼过程的废气量,加速反应、 降低能耗、提高烟气中SO:浓度,便于经济地回收利 用SO,,达到节约能源、控制污染,提高生产能力和 经济效益目的_9。9_ 1.5转炉 转炉是有色冶金生产中用于处理铜和镍的硫化 物的主要冶金设备。特点是不需要燃料,仅依靠铜 锍中的铁和硫与鼓入熔体中的空气进行氧化反应放 出的热量来提供全部的热支出。大型转炉具有热容 量大、作业周期内温度变化小、炉衬寿命长、生产率 高等优点。因此目前世界上卧式转炉都向大型化发 展,国内的转炉也普遍加长,提高了装入量_4j。 倾斜式旋转转炉卡尔多(Kaldo)炉技术是由瑞 典专家Bokalling发明的氧气顶吹转炉熔炼技术,原 是一种炼钢设备,上世纪70年代在有色金属冶炼 中,作为一种强化的直接熔炼设备得到应用,如加拿 大国际锡镍公司采用卡尔多转炉处理高镍锍,冶炼 铜镍合金。其优点有:操作温度可控制的范围大,具 有较好的搅拌条件;借助油氧容易控制熔炼过 程的反应气氛,从强氧化性气氛到强还原性气氛都 可以实现;热效率高,在纯氧吹炼的条件下,热效率 可达60%或更高;作业率高,炉体体积小,拆卸容易, 更换方便。但具有间歇作业,操作频繁,烟气量和烟 气成分呈周期变化;炉子寿命较短、设备复杂、造价 较高等缺点l2j。我国金JII有色金属公司在20世纪 80年代将卡尔多炉技术用于吹炼镍精矿和二次铜精 矿,将其熔化吹炼成金属镍和金属铜,目前还用卡尔 多炉吹炼一定的铜精矿。 现在该技术主要用于铅冶炼。1979年用来处理 含铅烟尘的首台有色金属卡尔多熔炼炉在瑞典的隆 斯卡尔冶炼厂诞生。1992年伊朗曾姜铅锌总公司用 卡尔多炉处理氧化铅精矿生产铅,年生产能力4.1 万t。到目前为止,世界上已有l2台卡尔多炉投产。 我国西部矿业公司引进的卡尔多炉于2006年在青 海建成投产,设计能力60 kt/a粗铅【l0 J。 1.6奥斯麦特炉 澳大利亚奥斯麦特(AUSMELT)公司是一家以 专门从事冶炼技术开发和工业化而知名的公司。其 冶炼工艺基于其独有的顶吹浸没喷系统,冶炼设 备称为奥斯麦特反应炉,广泛用于有色金属、黑色金 属、贵金属和废弃物料的处理。该技术的核心为一 专利喷,工艺用空气、氧和燃料都通过它而从液态 渣池表面下供给,钢制喷由一层凝结的渣层保护 以耐受作业环境。熔炼反应在高度搅动的渣池中进 行从而达到高生产率和高燃料效率【1 1 J。 奥斯麦特顶吹浸没喷技术是在许多工业工厂 中处理各种物料而确立起来的。该技术对于很多工 艺过程(从强氧化条件下吹炼铜到强还原条件下炼 铁)的通用性已经得到了证实。奥斯麦特炉系统与 其竞争性技术相比较而言,是一个基建投资相对低 的系统。提高喷空气中的富氧,就会减少喷燃 料和空气的需要量,降低处理的烟气量,节省生产费 用和基建投资。顶吹浸没喷系统产生强烈搅动性 能,与很多竞争性冶炼技术相比是一个重大改进,它 促进了高反应率,并使渣和烟气达到平衡。奥斯麦 特炉是一个密闭系统,具有很多环境优势。烟气排 放量最低,并且可以通过对炉子抽力的直接测量和 调节来保持负压。另外,因为漏风量低,要处理的烟 气量也低[ 。 2008年中国金川有色金属公司、奥斯麦特和恩 菲三家公司结合金川公司40年来镍冶炼生产经验, 成功消化吸收镍闪速强化熔炼的成功经验,对镍精 矿熔池熔炼工艺进行了多方面研究、探索和完善,首 次采用奥斯麦特熔池熔炼工艺用于镍精矿熔炼并成 功投入生产,属于重大技术创新,技术水平世界领 先l 。吉林吉恩镍业股份有限公司第一冶炼厂的 奥斯麦特炉正在试运行阶段,现运行稳定正常,估计 很快就能达产达标。 2结语 随着环保、节能的呼声日益剧增,有色冶金需要 进一步开发强化无污染的冶炼技术,因此与新工艺、 新技术的开发相适应的新型炉窑也在不断涌现。本 (下转第47页) 第1期 曾杰,等:膜技术处理重金属废水 [J].水利科技与经济,2006,12(8):539—540. 47 离子试验研究[J].环境科学与技术,2007,30(7):10—12. 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