利用小型高炉生产镍铁合金
摘要
过去镍铁合金的生产曾经使用过高炉和反射炉，然而，如今因为运营成本较低，通常镍铁合金的生产都是通过埋弧电炉完成的。最近，由于较高的需求，并且因为没有相应的设备，在中国出现了利用高炉生产镍铁合金的工厂。本文的主要目的是从出现的原因、条件、局限性和经济可行性等方面对该工艺过程进行鉴定。为评价其可行性，参阅了相关的现存高炉生产合金的资料。另外，出于原料和运行条件方面考虑，在巴西利用小高炉生产含镍铁锭也具有一定的可能。文中计算对比了高炉和电炉两种工艺的成本，对这种工艺的可行性进行了论述。
1 引言
含镍1.5～8%的镍铁锭能够利用高炉完成，超过这一含量水平的镍铁合金是通过电炉完成的，通常含镍水平在20%甚至更高。含镍7～8%的镍铁锭中次要元素为Si、P、Cr、C。
含镍物料在高炉内冶炼并不是什么新奇事物，实际上，反射炉也是同期产物，但冶炼镍铁合金的工艺过程主要还是由高炉完成的。第一座用于生产镍铁锭的高炉建于19世纪，其后，随着电炉的出现，因为其具有更高的适应性和生产效率，并且镍铁品味得以提高，所以得到了推广。
2006年以来，中国陆续出现了利用高炉生产镍铁合金的工厂，这是因为不断激增的不锈钢需求，由于不能购买到足够的含镍富矿用于电炉生产所导致的，所以他们采用了小高炉（～300M3）用于低品位含镍矿物的冶炼。生产出的不同品级的镍铁应用在了不同品级不锈钢生产上。
本文将对这一过程以及在世界不同区域内的实践进行可行性分析。
2 相关过程参数的依据
为了对镍铁锭生产进行技术和经济条件评价，考虑了不同的工艺参量带来的影响，诸如原料、还原剂、能源利用以及其它投资、运行成本等经济因素。
2.1 工艺过程关键点
对于电炉冶炼镍铁工艺，遮弧操作替代了埋弧运行（如图1）。
图1 电炉遮弧操作
在遮弧操作中，因为电极处于熔渣层，所以电极中的碳不能参与到还原反应中来，过程中消耗的仅仅是还原剂（焦炭、木炭）。在这个过程中，镍的选择性还原可以达到。
高炉操作中，碳质还原剂来源于焦炭或木炭，它们既是还原剂也是热能来源，所以加入的还原剂必须过量。那么铁氧化物就会过还原，图2就是高炉运行状态。
图2 高炉运行状态
中国冶炼镍铁选择的200M3高炉利用热风升温，这种方式在巴西炼铁工艺中非常普遍，这一方式具有投资成本较低的灵活性，在巴西的Minas Gerais具有近七百万吨生铁的生产能力。
2.2 原料
含镍红土矿遍布于世界各地，图3给出了红土矿矿床的分布断带。图
中说明了适用于火法冶炼的矿物。
图中根据矿物组分不同给出了不同的提取方法，其中两个主要的矿层是腐泥土及其下部的褐铁矿层，两者因矿物学和化学成分的区别可采用不同的工艺，且两者的矿层互为过渡。
两种矿物类型的加工方式非常多，镁质硅酸盐型适合于火法冶炼，而褐铁矿型更适用于湿法提取。
贫矿的冶炼在技术上不成问题，但是会使能耗大大增加。这可以使铁氧化物过还原来抵消消耗的增加，不过生产出的合金其镍含量会大大降低。在这种情况下，可以用来生产含镍的生铁。
图3 红土矿矿床剖面图
因此，生产含镍生铁与传统意义上的镍铁相比具有更多的“自由”，如果矿物适宜，可以采用电炉和湿法工艺加工，如果矿物品质不足，那么采用高炉生产含镍生铁也不失为一种方式，当然，这取决于对于含镍生铁的市场需求状况。
2.3 最终用途———不锈钢产品
表1列出了不同牌号的不锈钢组分。
表1 不同牌号不锈钢的组分构成
生产300系列的不锈钢需要添加8%以上的镍元素，而这些是需要从电炉产品中获得的。
200系列不锈钢自1930年诞生以来，在1940～1950年期间于美国发生了很多改变，因为在那个历史阶段镍资源短缺。这一系列产品因为其价格较低，甚至比300系列不锈钢还受欢迎。
建筑业中主要消耗的是200系列不锈钢产品，所以这一系列产品得到了广泛的应用。在过去的几年中，200系列不锈钢占有市场总量的10%。200系列不锈钢中的镍含量在0～6%，那么，生产这种类型的产品，采用含镍生铁是完全可以的。
2.4 参考价格
为验证高炉冶炼镍铁的可行性，考虑的是其过程基本稳定的前提，否则按照实践条件考量会得出错误的结论。因此假定世界范围内的传统意义上的镍铁生产趋于平衡，镍的价格在通常浮动区间内是稳定的。图4是伦敦金属交易所前十二个月镍金属价格。从图上可以看出价格低谷阶段和回归阶段，其低点和峰值都不是很好的参考点，但是分析不远的将来会有一个相对平稳的趋势。考虑到图中的平均值，首先采纳了第一种假设方案。
图4 2009年度伦敦金属交易所镍价格趋势
3 工艺过程模拟
为鉴定高炉生产含镍生铁能够和电炉相对比，利用两者运行过程中的每一个典型条件中的质量和热平衡，根据热力学模型，对两者的工艺过程进行了模拟。
参考了图3中的矿层分布特性，当然这些矿体不是真实存在的，但是其结构说明了分布范围。从矿物的本体，选择了两种冶炼工艺路径。首先模拟的是电炉生产工艺。
3.1 传统的镍铁生产（电炉工艺）
采用的是RKEF工艺过程。这个过程选择了适宜的镍含量，也就是图3当中最合适的硅酸盐、腐泥土和蛇纹石矿层。具体组分含量见表2。
表2 选择较深矿层的矿物组分
表中的是煅烧后的组分含量。镍铁冶炼步骤已知，这里不再叙述。工艺过程的主要特性如下：
·采用遮弧工艺
·添加的碳质还原剂复合矿物中NiO含量，所产生的CO足以保证氧化物的还原
·SiO2/MgO在1.4～1.9之间，FeO含量根据合金需要及能量消耗确定许多其它因素也已经考虑，但上面提到的几点足以说明整个过程的特性。含镍合金中的镍含量目标值是30%，下限值是保证20%。还原剂采用的是焦炭，碳含量85%，灰分8%。
工艺过程模拟中采用了质量和热平衡的热化学模型，考虑到了传统的镍铁冶炼运行状态及设备，模拟的物料是干燥烧结矿。
根据合金和熔渣的特性，形成了物料平衡表。在表中，运行条件（烧结矿温度、SiO2/MgO、合金组分）和热力学因素（金属与熔渣分离、平衡条件和相互作用系数）不断的调整直到反应过程的结束。具体结果见表3。
熔渣具有较高的熔点温度，可在图5中看出。模拟的结果以及当今主要镍铁冶炼的数据在图中已经做了标识，可以看出来，数据结果与实际工厂运行相似，因此可确认模拟过程的有效性。
主矿层物料电炉能量单位消耗是11294KWH/t合金。之后使用的是褐铁矿层的物料，这一结果见表4。
因为FeO含量较高，所以熔渣的熔点温度比之前主矿层物料的熔渣温度要低，这一点，从图5中可以看出。
