摘  要  本文提出一种红土镍矿磁选富集-RKEF双联生产高镍铁新工艺。该工艺是将低品位 红土镍矿在回转窑内进行焙烧还原，形成带磁性的铁渣矿，经由磁选富集后得到的产品用于RKEF回转窑配料，在RKEF回转窑内预热及预还原后，一同热装入电炉中进行加热融化以及进一步还原，达到渣铁分离，生产出高镍铁。文中分别从冶炼原理、工艺流程、产品及成本等作出分析，并结合本公司的生产应用，证明该双联工艺能实现节能降耗、降低成本，有优势于其他工艺。

关键词  红土镍矿  直接还原  RKEF  镍铁生产

1  前言

近年来，随着高品位、易开采的硫化镍矿日益枯竭和国内不锈钢产业的快速发展，低品位红土镍矿的开发和利用受到越来越多的关注（1）。目前低品位红土镍矿火法冶炼中利用较广泛的是RKEF法，也有尝试使用回转窑直接还原法。但是，利用RKEF法冶炼低品位红土镍矿，经回转窑焙烧热装入炉后冶炼产生的渣量大，在电炉熔炼阶段，加热矿渣会造成大量电能损耗，同时产量低；在回转窑中直接还原，因为既要考虑达到好的还原效果，又要节约能耗，高于1300℃操作温度造成能耗大，且温度容易波动会导致窑内发生结圈现象，处理结圈需要大量的人力物力，最终造成生产作业率低，产量低，消耗相对较大。而本双联工艺是将红土镍矿通过回转窑磁化还原焙烧后进行磁选富集，将磁选富集后的产品同其它物料（碳、熔剂、红土镍矿等）按照一定的配比进行配料后送入RKEF工艺中生产的双联工艺技术，它改善了红土镍矿单独在RKEF和直接还原法冶炼生产工艺中各自存在的瓶颈，达到生产稳定顺行，高产量低成本的目的。

2  红土镍矿双联法生产高镍铁工艺的冶炼原理及工艺流程

2．1  冶炼原理

红土镍矿为镁质硅酸盐型红土镍矿，主要矿物为石英、蛇纹石和褐铁矿（2），在回转窑焙烧还原中（控制温度：1150～1250℃，取1200℃（1）），红土镍矿中的Fe2O3还原为具有一定磁性的Fe3O4或FeO，NiO还原为具有磁性的Ni，还原后的主要物相为顽辉石（MgSiO3)和镁橄榄石（Mg2SiO4），有价金属（镍、铁）的氧化物存在于橄榄石中，若通过提高温度等操作使其还原较困难，但通过磁选步骤可将镍铁与无磁性矿物分开，从而将低品位红土镍矿进行富集。具体为：氧化物的还原性在同温下，直线位置处于较低的元素，易将其上部的氧化物还原出来，即其氧化物越稳定，也就是说在熔炼温度范围内，氧化物的还原顺序为镍、铁、硅。铁氧化物的含氧量是由高级氧化物向低级氧化物逐级变化的，当温度大于570℃时，其变化顺序为：Fe2O3→Fe3O4→FexO→Fe（3）.

回转窑焙烧还原磁化焙烧反应式如下：

2C+O2=2CO

NiO+C=Ni+CO  

NiO+CO=Ni+CO2

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

Fe3O4+CO=3FeO+CO2

FeO+CO=Fe+CO2（有相当一部分亚铁发生该反应，剩下的亚铁会在RKEF电炉中发生该反应）

在RKEF的回转窑预热和/或预还原-电炉熔炼步骤中，用回转窑焙烧还原镍铁粉代替部分红土镍矿参与RKEF配料，物料预热温度控制在800-900℃，则在RKEF回转窑预还原中发生的主要反应机理如下：

2C+O2=2CO

NiO+C=Ni+CO

NiO+CO=Ni+CO2

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

Fe3O4+CO=3FeO+CO2

FeO+CO=Fe+CO2（此过程部分氧化亚铁发生反应，余下的氧化亚铁在电炉中反生该反应）

在电炉熔炼中发生的主要反应机理如下：

C+O2=CO

FeO+CO=Fe+CO2

SiO2+C=Si+CO2

2．2  工艺流程

该双联工艺将部分红土镍矿在回转窑内进行焙烧还原，形成带磁性的铁渣矿，然后经由磁选富集得到镍铁粉，镍铁粉配入RKEF配料中后送入到RKEF回转窑内混匀预热和预还原，回转窑出料后热装入电炉中，还原熔炼后得到镍铁水。主要包括红土矿烘干工序、配料工序、压球工序、回转窑磁化焙烧还原、磁选富集以及RKEF配料、回转窑预热或预还原、电炉熔炼工序、水系统等等。

在回转窑磁化焙烧还原步骤中，将预先干燥、破碎的红土镍矿与还原剂碳和熔剂混合后送至回转窑中进行磁化焙烧还原以使所述红土镍矿形成带磁性的铁渣矿； 

在磁选富集步骤中，将铁渣矿的渣铁进行初步分离，从而得到含渣镍铁粉；

在RKEF回转窑预热和预还原-电炉熔炼步骤中，以磁选富集后的含渣镍铁粉和未经回转窑磁化焙烧的预先干燥且破碎的红土镍矿为原料，其中含渣镍铁粉在原料中所占的重量百分比为10%-100%，将配好原料与还原剂碳和熔剂送入到RKEF回转窑，物料在RKEF回转窑内混匀并进行预热和预还原处理，预热和预还原处理后出料并热装入电炉中，在电炉内进行还原熔炼以得到镍铁水。

该双联工艺其优点是镍铁粉生产成本低，镍铁粉在矿热炉中应用有效减少了入炉渣量，且能连续生产提高了矿热炉的原有产量，降低了矿热炉冶炼电耗，各工序产生热能均可以回收利用，使得镍铁综合成本得到有效降低，是可实施降低冶炼成本的有效途径。

3  红土镍矿双联法生产高镍铁工艺的具体实施及产品情况

3.1  含铁原料

3.2  具体实施方案

本双联工艺中所使用的主要生产设备有：焙烧回转窑是规格为Ф3.6×72m的常规倾斜式转动回转窑、PE500×750鄂式破碎机、RCYD-10T永磁除铁器、Ф3600×5500球磨机、CTB-1230磁选机，RKEF回转窑是规格为Φ5.2×118m的常规倾斜式转动回转窑、Φ17×6m RKEF电炉(P有功=25000kwA)、铸铁机等。

（1）采用以上TFe=17.6wt%，Ni=1.84wt%的低品位红土镍矿作为原料，将其筛分、干燥，使其粒度≤3mm的占80%以上，含水率为17%，然后将红土镍矿与石灰和无烟煤混合均匀，其中按重量计，红土矿：无烟煤：石灰=81：16：3，然后将其送至回转窑进行磁化焙烧还原，窑头物料温度（即出料温度）控制为1050℃，焙烧阶段的焙烧温度为1250℃左右，焙烧时间为55min，混合后的物料进入焙烧回转窑至出焙烧回转窑的总时间控制在5h左右，得到铁渣矿，其中焙烧结束后炉渣的渣型MgO/SiO2质量比为0.43；

（2）将上述铁渣矿进行磁选富集，以得到精选的含渣镍铁粉，具体的磁选富集过程如下：首先采用自卸永磁除铁器对铁渣矿来料进行第一次干选，分离得到第一部分含渣镍铁粉和第一次干选后的铁渣矿；将该第一次干选后的铁渣矿采用破碎机依次进行第一道破碎和第二道破碎，得到经两次破碎后的物料，其粒度达到15mm以下；接着采用电磁除铁器将上述经两次破碎后的物料进行第二次干选，分离得到第二部分含渣镍铁粉和第二次干选后的铁渣矿；再将该第二次干选后的铁渣矿再次采用破碎机进行连续两次破碎，即第三道破碎和第四道破碎，得到经三、四道破碎后的物料，其粒度在5mm以下；之后再将该经三、四道破碎后的物料，经过永磁轮进行第三次干选以使渣铁进一步分离，得到第三部分含渣镍铁粉和第三次干选后的铁渣矿；然后将该第三次干选后的铁渣矿送入球磨机球磨，磨矿至粒度小于200目的颗粒占颗粒总量的80%以上，得到球磨后的铁渣矿；再将该球磨后的铁渣矿送入磁选机中进行湿选，得到第四部份含渣镍铁粉和湿选后的铁渣矿；之后再将所述湿选后的铁渣矿进入尾矿回收机进行最后一次金属回收，得到含渣镍铁粉即为第五部分含渣镍铁粉，剩下的为尾渣，尾渣即焙烧结束后炉渣的渣型MgO/SiO2质量比为0.4；收集上述五部分富集矿作为精选的富集矿，用于下一步骤。上述三次干选处理中，磁场强度依次为8000GS,  9000GS,10000GS；得到的含渣镍铁粉中镍铁含量为65%，金属回收率为87%；

（3）取上述红土镍矿46kg，含渣镍铁粉46kg, 兰炭6kg，石灰2kg进行配矿，按此配矿放入RKEF回转窑中，进行混合预热，使物料加热到850℃左右出料，并保证配矿物料在RKEF回转窑中停留的总时间为2.5h左右，然后将其热装送入电炉中，入电炉时渣型MgO/SiO2质量比为0.60；

（4）送至RKEF电炉的物料进一步还原，在电炉中，熔炼温度控制为1650℃左右，熔炼时间为3h，出渣温度为1540℃，对应的出铁温度为1490℃，得到的高镍铁水成分，电炉熔炼后得到的炉渣成分参，生产出最终镍铁产品镍品位为10.11%。

4  红土镍矿双联法生产高镍铁工艺的成本分析

镍铁产量在双联法中比常规RKEF日产量增加230吨，吨镍铁电耗从4100kw.h降到1556kw.h，成本从8895元/吨降到8141元/吨，主要原因一是焙烧还原富集镍铁粉，金属品位为65%的成本价为4725.5元，直接降低镍铁水成本；二是使用焙烧还原镍铁粉后，增加了矿热炉入炉的金属品位，产量增加，电耗及固定费用降低；三是能连续性生产保证后道不锈钢冶炼工序的热装和连续性作业，同时合理利用了RKEF工艺的“焙烧料热料入炉”节能优势。 

5  红土镍矿两联法生产高镍铁工艺的不足

5.1  磁选富集镍铁粉及其生产工艺不足

磁选富集镍铁粉具有金属含量波动大，镍品位波动大，粒度不均匀的显著特点，其质量是影响着后道RKEF应用工序成本的主要因素，而富集镍铁粉的成本和质量受其生产工艺的成熟度影响较大，目前回转窑焙烧还原生产工艺主要不足有（4）：

一是在回转窑在耐材的选择上，需要对其抗热震性，侵蚀性，导热性上作出更高的要求，是高温段砖的寿命更长。

二是烧结矿水淬后产生的烟气余热、窑尾高温废气余热、筒体散热余热等应该考虑使用问题。

三是选择性还原的实施。通过还原温度及还原剂的配入量来控制金属铁的回收率，提高镍品位，同时实现镍铁有效分离有效利用，增高经济效益。

四是烧结矿破碎难度比较大，如何开发和选用合适的破碎机型号是保证烧结矿渣铁分离效果和镍铁品位的提高，为下道工序提供有利条件。

五是选矿磁选设备是本生产工艺的关键设备，开发和选用新型设备更有利于提高回收率，降低生产成本。

5.2  RKEF工艺的自身不足    

在RKEF冶炼工艺应用中，炉衬寿命和铁眼维护是关键，而且操作上要实现缺碳操作，对操作水平要求高。

5.3  双联法生产工艺流程长，基础建设投资大，国内冶炼生产经验欠缺，设计经验少需不断改进。

6  结语

通过上述红土镍矿双联法生产高镍铁工艺分析，回转窑磁选富集镍铁粉因生产能耗较低，有着生产成本低的优势，将其作为一种含铁原料用于RKEF冶炼工艺中使用，虽受其金属品位质量波动影响但仍能明显提高该工序的产量和降低吨高镍铁水的生产成本，可以取得明显的经济效益，因此双联法是降低红土镍矿冶炼高镍铁生产成本的有效途径之一；同时，本双联工艺得到的高镍铁水的物理状态为液态，产品高纯净度提升了富集镍铁粉的产品质量，高镍铁水成分符合冶炼不锈钢的入炉要求，是一种适用于不锈钢的冶炼原料。

7  参考文献

[1]贺峰.红土镍矿直接还原焙烧—磁选试验研究[D]，西安建筑科技大学，2013

[2]徐玉棱，郭曙强等.红土镍矿焙烧过程中的矿相转变及其对气体还原的影响[J]，上海大学学报，2014（6）:694-670

[3]吴殿臣,胡立夫等.矿热电炉红土矿冶炼镍铁技术概论[J]，铁合金，2013（4）:43-48

[4]潘料庭.红土镍矿回转窑直接还原镍铁工艺设计与实践[J]，铁合金，2015,46（2）：15-19