红土镍矿冶炼300系列不锈钢

fandongkun

乌克兰帕布什镍铁厂用红土镍矿生产镍铁取得了引人注目的经济效益。这种生产工艺适合于在运输条件好的地区建设镍铁生产厂。文章还论述了利用粗制镍铁直接生产镍基不锈钢的工艺。
　　乌克兰的帕布什镍铁厂建设于前苏联时代，于1972年投产。工厂位于乌克兰著名的冶金和航空航天之城的第聂伯尔市的西南部。工厂不临海，但是可以通过第聂伯尔河将进口的红土镍矿运到工厂料场。这项工程由前苏联的国立镍工业设计院承担总体设计，所采用的工艺流程汇集了第聂伯尔国家冶金学院等大学和研究院的科研成果，投产时被行业内的专家们称为“最佳化的镍铁生产工艺流程”。这个工厂投产以后的十几年间利用本国的氧化镍矿为主要原料生产含镍14％～20％的镍铁。乌克兰本国的氧化镍矿石含镍量在1．0％左右，矿石含较高的氧化镁和氧化硅。为了提高工厂的镍铁产量，提高工厂的经济效益，近年来从南太平洋的新克林顿岛购入含镍比较高的氧化镍矿石，进口的氧化镍矿石含镍量波动在1．5％～2．0％。
　　这个工厂设计年产纯镍2．0万t。2004年生产了8．5万t镍铁，折合纯镍1．7万t。在世界上镍价大约为1．2万美元／t时，工厂镍的销售额达到2．04亿美元／a。乌克兰的冶金专家测算了生产成本后称：企业2004年利润率达到200％以上，可以称之为乌克兰效益最好的企业。2005年因为设备检修，工厂镍铁产量降低到6．8万t。
　　这家工厂在1972年投产后进行了多次的技术改造，保持了镍铁冶炼工艺的最佳配置。为了扩大工厂的生产能力，正在筹划进行扩大生产能力的技术改造，规划在原有设施的基础上再建设一套相似的镍铁冶炼生产线，使年产镍铁的能力提高一倍。帕布什镍厂建设之初立足于使用含氧化硅和氧化镁高的红土镍矿，独立开发了多项专有技术，创造性的应用了粗制镍铁的三步精炼工艺。
　　1．粗制镍铁的生产工艺
　　这个工序的生产工艺流程基本上延袭了传统的工艺流程。
　　进入工厂原料场的氧化镍矿石含有30％以上的水分（结晶水），需要在还原焙烧阶段将水分去除。这个过程是在一个回转窑中进行的。矿石在料场破碎、中和混匀以后，向其中加入炭素还原剂和熔剂，充分混合均匀以后加入到回转窑中。在回转窑中，矿石被焙烧脱水，重量减少30％左右，镍被加入的炭素还原剂还原，形成了温度为600～700℃镍渣。这些镍渣在隔热的状态下被送入到矿热炉的供料料仓（内衬耐火保温层），根据生产工艺的要求，镍渣通过一个密封的管状布料装置均匀地分配到矿热炉内。
　　矿热炉在这种工艺流程中是投资最大的设备，为了环保和工业卫生的需要，炉子被密封起来。在矿热炉中通过电弧冶炼，分离出粗制的镍铁和电炉渣，同时产生含CO75％的还原性气体，这种气体经过净化以后返回到回转窑中作为燃料进行燃烧，提供回转窑所需要的热能，尘灰返到矿热炉继续参与冶炼。电炉炉渣是一种很好的建筑材料，但是目前仅用于道路的建设。从矿热炉中得到的镍铁含硫、硅、碳、磷等杂质高，还不适用于冶炼高级不锈钢。这些粗制的镍铁还需要进行精炼以后才能做为成品出厂。
　　将1t的原料矿加入回转窑，大约可以得到650～700kg的镍渣，这些镍渣加入到矿热炉中，大约可以得到120～150kg的粗制镍铁。粗制镍铁中的镍含量一般为14％，最高时可以达到18％。
　　2．帕布什镍厂目前采用的粗制镍铁精炼工艺
　　为了去除粗制镍铁中的杂质，采用了三步精炼工艺。
　　首先，从矿热炉放出粗制镍铁水到铁水包中，在这里向铁水包内加入苏打灰，加入的比例是每吨镍铁水14kg，镍铁水中的硫可以降到0．015～0．08％。也可以向铁水包中喷入钝化的镁颗粒，这需要用特殊的蒸发器将颗粒镁喷入铁包内1．5m左右的深处。这种工艺可以将镍铁水中的硫含量降到0．015％以下（近年来中国20多家钢铁公司从乌克兰引进这种工艺，应用于高炉铁水脱硫）。
　　将脱硫处理后的镍铁水上面的渣子倒掉以后，兑入到一座用酸性耐火材料做炉衬的氧气顶吹转炉中。在酸性氧气顶吹转炉中，通过吹氧，硅被氧化，此时熔池的温度快速提高。为了控制合适的熔池温度，需要向炉内加入生产过程中产生的金属废弃物或者购入的含镍的废料。
　　经过脱硅处理后的镍铁水再被装入到一座相同吨位的碱性氧气顶吹转炉中，通过顶吹氧气，去除镍铁水中的碳、磷及其它杂质。为了造碱性的炉渣和降温，向转炉内加入石灰石。在有充足的含镍废料时，可以用石灰代替石灰石。
　　从碱性氧气顶吹转炉中出来的镍铁水中的杂质含量已经符合商品镍铁标准的要求，含镍量提高到20％左右，可以作为商品镍铁出售。上面这些操作是通过计算机控制系统来完成的。
　　3．帕布什镍厂的主要工艺装备和主要原料材料的消耗指标
　　这个工厂有两条平行的工艺生产路线。每一条生产线上都装备有二台回转窑、一台变压器功率为48MVA的矿热炉（矿石还原炉）、一座容量为40t的酸性顶吹转炉、一座容量为40t的碱性氧气顶吹转炉。二条生产线2004年产镍铁8．5万t（折合镍金属为1．7万t）。
　　主要的消耗指标是：
　　电能的消耗占镍铁总成本的30％～33％。每吨商品镍铁的电力消耗与矿石的镍含量相关，在矿石镍含量为1．5％时，电能消耗约为600kWh／t干矿石。在矿石的镍含量为2．5％时，每吨镍铁的电能消耗降到400kWh。
　　国外购入的含镍1．5％～2．0％的氧化镍矿石，其消耗量大致是12t／t镍铁。还原剂（无烟煤的煤粉）大约占矿石数量的8％；各种燃料的重量是50kg／t镍铁；氧气80m3／t镍铁；石灰5kg／t焙烧前的矿石。
　　4．粗制镍铁的二步法精炼工艺
　　帕布什镍铁厂正在进行的扩建工程将采用多项先进技术。下面介绍重点研究的二项技术（二步精炼工艺、直接冶炼镍基不锈钢）。
　　因为硫可以在转炉中脱除，因此可以将铁水包脱硫和酸性转炉脱硅合并在一个转炉中进行。第一个转炉是酸性转炉，将其改造为顶底复合吹炼的碱性转炉，通过底吹氩气（氮气），在这个转炉中可以实现在还原性气氛下脱硅和脱硫。
　　从第一个转炉出来的镍铁水再进入第二个转炉内脱磷，在冶炼过程中要向炉内加入石灰石，保证合适的冶炼温度。在这个转炉中冶炼合格的镍铁水送到铸造车间铸成块，其含镍金属的量为20％。
　　5．用粗制镍铁直接冶炼不锈钢的工艺
　　在上面的二步法精炼工艺中，只要将第二个转炉改造为GOR转炉，就可以直接生产出合格的300系列的不锈钢。现在以10tGOR转炉采用这种工艺流程直接生产不锈钢的生产过程为例说明这个流程。
　　乌克兰冶金学院等大学和科研机构在前苏联时期开发出GOR转炉。用这种转炉做为粗制镍铁精炼的第二座精炼转炉，可以直接生产X18H9(相当于中国的0Cr18Ni9)为代表的镍基不锈钢系列的各种钢种。这种转炉是一种顶底复合吹炼的转炉；顶吹氧枪通过向炉内供氧，达到脱磷的目的；底吹喷嘴数量为3个，套管式的底吹喷嘴向炉内输送氧气、氮气、氩气、天然气及其这些气体的混合气体，达到脱磷（吹氧阶段）、深度脱硫、脱碳的目的。这个炉子的原料除了从第一座脱硅、脱硫的精炼转炉来的热态镍铁水以外，还要加入直接来自矿热炉的粗制镍铁、石灰、大量的铬铁（以保证成分合格为限量），从而得到合格的不锈钢水。这些钢水被浇铸成钢锭，供给无缝管轧机或带钢的初轧机。
　　2005年6月和2006年3月，参加帕布什镍厂工程建设并为帕布什厂的建设提供专利技术的乌克兰专家来华进行技术交流。这期间，对使用低含镍量的氧化镍矿石直接生产镍基不锈钢的课题进行了深入的讨论。第二座精炼转炉在顶吹氧脱磷任务完成以后，可以直接转入GOR转炉的基本冶炼工艺，这时的主要任务就是进行铬的合金化。计算表明，为了冶炼合格的300系列不锈钢，一般要加入300kg／t的高碳铬铁。这些铬铁的熔化和提高温度所需要的热量来自加入第二座精炼转炉（GOR转炉）中的粗制镍铁中的硅氧化产生的热量。在向GOR转炉加入铬铁以前，先向GOR转炉中加入这些粗制的镍铁。
　　会谈得出的结论是，这种方案将是不锈钢生产工艺中最有竞争力的一种创新工艺技术，用这种工艺生产不锈钢可以不用建设电炉熔化废钢以生产初炼钢水，节省了很多的投资。这种工艺大大的节省了熔化镍铁和生产初炼钢水的电能，还使得镍铁精炼过程中被当做杂质而必须被氧化掉的金属铁直接进入不锈钢中，成为不锈钢中必须含有的金属铁。在有不锈钢废钢资源时，还可以直接向精炼转炉中加入不锈钢废钢，降低熔化这些冷料所消耗的能量。
　　乌克兰专家强调：用12t湿的氧化镍矿石，生产1t的粗制镍铁水，其中含有140～180kg的金属镍，利用上述的工艺，只需要加入高碳铬铁，则可以直接生产出2t左右300系列的不锈钢，其成本比普通的冶炼工艺低很多。这种工艺在不直接生产不锈钢时，也可以生产含镍20％的镍铁直接销售。
　　6．这种工艺适合于铁合金厂或小型转炉厂生产产品的转型
　　低镍含量的氧化镍矿石可以从东南亚国家购入，例如可以从新克里多尼亚的巴赫德公司的矿山或印度尼西亚硅镁镍矿购买、这两个矿山的镍矿含镍量为2．0％～2．5％。
　　中国西南不锈钢有限公司的60tGOR转炉已经采用氧化镍矿生产镍铁的工艺技术，于2006年3月份投入正常生产。结合这两种技术，可以设计一种低成本的不锈钢冶炼工艺。
　　这种技术适用于中国的两类冶金企业在产品转型时作为一种可供选择的方案：
　　1．现在一批生产硅铁等铁合金企业，由于价格和市场需求下降以及成本升高等原因，在亏损线的边缘上挣扎，这些企业一般有6300～25000kVA的矿热炉，可以投入少量的资金，在矿热炉工序（这是投资最大的一个工序）的前面建设一个回转窑，在其后面建设一个镍铁的精炼车间（2座转炉），生产镍铁。如果资金条件好，可以一次性的建设成生产不锈钢连铸坯的联合生产线。资金条件不好时，可以分为两期建设。
　　如果我们设计能力设定在帕布什公司的一半，即年产4．25万t镍铁，则流程可以设计为：2套回转窑、2台25MVA的矿热还原炉（也可以采用4×12．5MVA的矿热还原炉、或者其它功率的矿热炉组合）、一台40t的一次精炼炉、一台40t的二次精炼炉、铸铁机。资金允许时，可以将一次精炼转炉设计为复合吹炼转炉，二次精炼的转炉设计为GOR不锈钢精炼转炉，后面再配套一台不锈钢连铸机或者铸锭系统，年产镍含量在9％左右的不锈钢10万t。如果在转炉生产过程加入不锈钢废钢以平衡温度，产量可以提高。
　　2．转炉流程的冶金工厂：生产普通钢的小型转炉由于能耗高、环境污染严重、劳动效率低下、消耗高等原因，必将被淘汰。这些工厂有原料场，有20～40t的转炉，也有连铸机，可以充分利用现有的资产生产镍铁，进而生产不锈钢。15～50t的转炉对于普通钢生产是小炉子，但是如果做为生产镍铁和不锈钢的转炉，将成为适宜的炉型。由于GOR转炉的炉容比小，钢铁厂的转炉改造为精炼转炉后，每一炉的出钢量将有大的提高。在中国钢铁行业调整的大形势下，这是值得小型转炉工厂研究的一种工艺。
　　7结论
　　乌克兰帕布什镍铁厂采用的“最佳镍铁”冶炼工艺，在2004年创造了利润率高达200％的骄人业绩，这个安全值得我们认真研究。这对中国以矿热炉为主要生产设备的铁合金厂转产镍铁提供了有益的思路；对于中国面临淘汰的小型转炉炼钢生产企业也提供了一种可供选择的转产方案。