摘  要  回转窑直还原生产镍铁工艺是采用低品位红土镍矿生产镍铁的工艺，金属回收率的提高可明显降低生产成本。本文分别从原料情况，还原焙烧过程，选矿过程三个方面对回收率的影响因素作出具体分析，并提出了提高回收率措施和办法。

关键词  直还原  镍铁生产  回收率

1  前言

高炉炼铁已有数百年历史，其工艺已达到相当完善的地步。但其日益完善和大型化的同时，也带来了流程长，投资大及污染环境等问题，此外，由于炼焦煤资源日益短缺、焦炉逐渐老化及人们对焦炉污染的日益关注，直接还原作为无焦的、新兴的、开拓性的前沿冶炼技术，越来越受到人们的关注（1），北海诚德回转窑直接还原生产镍铁工艺，于2014年投产生产至今，在原料金属（18%）不变的情况下，每提高一个回收率，则吨镍铁矿耗约减少70公斤，相应的将提高产量，降低能耗，降低成本约90元，且红土镍矿的原料金属品位均在20%以下，甚至低到14%；可见，在直还原生产工艺中采取有效措施提高金属回收率是至关重要的。

2  原料对金属回收率的影响分析

2.1  原料镁硅比对回收率的影响

红土镍矿的成分矿相比较复杂，波动也大，在控制焙烧过程，选矿过程基本相同的条件下，对使用镁硅比不同的红土矿的回收率作出如下对比情况，当原料的镁硅比在0.15～0.25的时候，物料熔点低，约1150℃，SiO2含量大，熔融状态下在渣中形成网状结构，很容易粘窑，导致结圈，影响生产；且SiO2易与亚铁生成难还原的硅酸铁化合物，也阻碍亚铁的进一步还原，水淬后烧结矿块大，且硬，磁性较弱，选矿中渣铁分离效果不佳，选矿综合镍铁比例低，金属回收率一般在78%；

当镁硅比在0.42的时候，物料熔点约1250℃，且窑内结圈可控，较稳定；窑口物料呈半熔融态棉花状，水淬后的烧结矿粒度均匀，较脆，有少量可见的镍铁颗粒，干选镍铁夹渣很少，磁性较强，此时金属回收率较理想，达90%以上；

当镁硅比在0.6～0.75；物料熔点很高，且物料在窑内行进速度快，生产中燃料使用大增，稍不注意，就会出现跑散料现象，物料对窑口的磨损较严重，经常出现窑口漏铁水现象，不利于操作；水淬后烧结矿死结，硬，对后道选矿工序的设备磨损及回收率都有影响，一般需要煅烧温度在1350℃以上，才能保证金属回收率达80%；

生产试验得出，在控制焙烧过程，选矿过程基本相同的条件下，原料镁硅比控制在0.3-0.55之间，是在节能降耗基础上，提高金属回收率的有效措施。

2.2  原料金属品位对回收率的影响

在控制焙烧过程，选矿过程基本相同的条件下，生产选取镁硅比均在0.65，不同金属品位的红土矿生产作为研究对象，并得出该研究时间段内的,指标情况；当原矿金属品位在15%时候，物料熔点高，选矿产量少，尾渣多，回收率在78%；当原矿金属品位在18%时候，物料熔点适中，金属回收率在80%；当原矿金属品位达20%时候，物料熔点降低，可见有铁水，渣铁分离好，产量多，回收率在84%；

可得出在镁硅比一定的情况下，红土镍矿金属品位高，则金属回收率高；金属品位对回收率的影响主要体现在两个方面，一是金属品位高，多是因铁含量多，在MgO-SiO2-FeO形成的渣相图中可得，随着亚铁的增多，渣相熔点是降低的，有利于回转窑节能生产，提高回收率；二是金属品位高，选矿渣量减少，也有利于提高回收率；这两点在使用中镍矿期间，效果尤为明显；

3  还原焙烧过影响回收率的因素分析

3.1  入窑粒度的影响

在回转窑煅烧过程中，入窑原料粒度6mm占80%以上时，可有效消除窑内中低温段的窑壁冷凝结壁现象，保持窑内通风，有利于窑内操作；但是由于物料粒度粗，内扩散慢，会存在物料反应不充分的问题，同时，物料在窑内运行，受热过程中，一部分会膨胀破裂，生成大量粉末，造成窑内物料偏析，致使煅烧不均匀，出料中可见粒状物料，因此，还原率低，回收率也低；当原料粒度为3mm占80%以上，金属还原率不断增加，回收率增高，可使产量增加，但是存在随烟尘抽走量大的问题；因此，本公司分厂把3mm以下的原料进行成球（43mm×42mm×20mm)后再送入窑内，可以有效延缓结圈，并增加入窑量，减少烟尘量，且达到了煅烧充分，均匀的效果，提高还原率，增加回收率。

3.2  还原温度的影响

回转窑直还原工艺的还原温度主要受烟煤和无烟煤影响，当无烟煤配入量一定时，主要受窑头喷吹烟煤量影响，烟煤挥发分在30%，挥发物的放出促进煤粉燃烧供热，起着调控反应区域温度的作用，本次生产试验中，原料镁硅比为0.65，金属品位为20%，选矿过程控制条件相同，焙烧过程中，入窑量为20吨/小时，焙烧时间40min，内配碳17%，调整喷煤量达到控制还原温度。

当窑内还原温度高达1420℃后，窑口出料颜色发白，呈团落下，有明显铁水流出，且窑口磨损非常严重，经选矿后铁和镍的回收率大于95%，渣铁分离非常好；当窑内还原温度在1320℃时，物料在窑口成粒状散落，夹杂的有铁水滴落，经选矿后金属回收率在86%；当窑内还原温度在1250℃，物料呈松散的沙状，并颜色有些微红，无可见镍铁颗粒，经选矿后金属回收率在78%。综合考虑质量成本，窑内衬耐材，可操作性，认为在该条件下，窑内还原温度控制在1300℃到1400℃比较合适。

3.3  配碳量的影响

无烟煤的加入量直接影响着窑内的还原气氛，若还原剂不够，镍铁不能充分还原，金属回收率低，成本高；若还原剂过多，虽然回收率会提高，但是存在浪费还原剂，大量的铁被还原成金属状态，使最终产品镍品位降低，还原温度过高容易导致设备损坏等弊端，因此，确定合适的配碳控制回收率也非常重要；

生产焙烧控制要求：控制原料，选矿过程条件相同，焙烧过程中，入窑量为20吨/小时，焙烧时间45min，窑头喷煤量2.2吨/小时。

根据生产统计，当配碳量达20%时，窑头出料烧结矿中残碳达5%，镍铁产品中渗碳达3.5%；经选矿铁和镍的回收率可达到90%；当配碳量为16%时，窑头出料中残炭明显降低，在3%以下，经选矿后铁和镍的回收率仍能达到90%；当配碳量为8%时，残炭在1%以下，经选矿后铁回收率低于70%，镍在80%左右，而且操作不当易结圈。经过实践摸索，考虑到成本和质量要求，认为配碳量控制在16%～18%比较合适，此时回收率在85%左右，高于理论配碳量主要原因一是筒体方面，烟气散热较多，二是窑内结圈不可避免，生产通过提高配碳的方式来提高温度进行解决；

3.4  还原时间的影响

还原时间是通过调整窑速来控制，在保证还原焙烧温度不变，可通过调整窑速与入窑料量来调整还原时间，焙烧条件为：原料，选矿过程控制条件相同，焙烧过程中， 焙烧温度1350℃，配碳量17%。

通过降低窑速或者降低料量，物料在回转窑内焙烧（高温还原时间）变长，当焙烧时间在60min以上时，焙烧温度达1350度（喷煤量适当下调来保证温度），物料融团块状，经选矿后回收率可达90%以上，但容易结前圈，且产品镍点稍低；当增加给料量和增加窑速，焙烧时间低于30min，物料呈沙状，窑内还原率低，铁的回收率75%，镍的回收率80%，不结圈；当小时给料量为22吨时，窑速适中，控制焙烧时间在45min，此时出料呈粒状散下，经选矿金属回收率可达90%；经综合分析认为焙烧时间在50min左右较佳，同时可延缓结圈，且回收率高。

综上,回转窑直还原生产镍铁工艺提高回收率的焙烧过程控制措施如下:原料粒度先破碎至3mm以下占80%以上，成球入窑，还原温度控制在1300℃到1400℃，配碳量控制在16%～18%，焙烧时间在50min左右是合理的。

4  选矿过程对回收率的影响因素分析

选矿过程的目的是将烧结矿粉碎，使得烧结矿中的镍铁与矿渣分离，然后利于磁选，得到稳定、高纯度的金属产品；一般来说，破碎粒度越小，分离越完全、磁选机磁选强度越高，则金属回收率越高。但实际生产中，应考虑破碎的动力消耗与磨矿介质（钢球，衬板等）消耗量，还要保证选矿的处理料量。

选矿工艺分为干选段和湿选段，干选具体为：入选烧结矿经过第一次干选处理、第一道破碎处理、第二道破碎处理、第二次干选处理、第三道破碎处理、第四道破碎处理、第三次干选处理进行吸附筛选富集，得到三次干选筛选出的三部分富集矿为干选产品；而第三次干选后的烧结矿作为湿选原料，进入球磨机球磨、湿选，湿选包括三道半溢流式磁选机和一道回收机，经湿选得到湿选产品和尾矿。

4.1  干选破碎粒度的影响

当上料量一定，破碎粒度控制在10mm占80%以上，则干选产量少，含渣量多；进入湿选球磨机的矿量多，有明显可见镍铁颗粒，钢球消耗量大，且回收率低；当破碎粒度控制在8mm占80%以上，则干选产量适中，进入湿选球磨机的矿中有少量可见镍铁颗粒，钢球消耗量减少，回收率提高；当破碎粒度控制在5mm占80%以上，则干选干选产量大，进入湿选球磨机的矿中基本无可见镍铁颗粒，钢球消耗量更少，回收率进一步提高；当破碎粒度控制在3mm以下，对于当前破碎设备来说有一定操作难度，综合以上考虑，应尽量减少进入球磨机的量，既提高回收率，也减少成本消耗；因此，认为当前设备情况下，应控制干选粒度在5mm以下占80%较为合适；

4.2  回收机磁选强度的影响

当球磨机磨矿粒度一定，回收机磁选强度为1600GS时，尾矿金属流失较多，全铁在4.8%，镍在0.3%；将磁选强度为5000GS的磁铁放入该尾渣中搅拌，可看到磁铁上吸附有少量金属颗粒，搅拌后的尾渣全铁在3.5%，镍在0.20%；将磁选强度为10000Gs的磁力棒放入该尾渣中搅拌，可看到磁力棒上吸附有明显细小金属颗粒，搅拌后的尾渣全铁在3.0%，镍在0.14%；将磁选强度为12000GS的磁力棒放入该尾渣中搅拌，可看到磁力棒上吸附有明显细小金属颗粒，搅拌后的尾渣全铁在2.8%，镍在0.14%；综合以上情况考虑，经球磨磨矿后的物料粒度小，消耗动力及磨矿钢球多，利于磁选分离，应利用好湿选物料粒度细小的优势，尽量提高湿选回收率，把控好生产中提高回收率的最后一道关卡，认为湿选尾矿回收机磁选强度应选用10000GS,可有效提高金属回收率；

在现有设备基础上，产品的质量指标镍铁粉金属含量越高，则金属回收率也越高，但是金属回收率越高，镍铁粉金属含量则有可能高，也有可能低。因此，要生产出金属含量高的镍铁粉，并且保证回收率，就必须要控制好破碎粒度和磁选强度。

5  提高回收率的研究发展方向

（1）在现有基础上，研究利用还原的添加剂向红土镍矿中加入，如含硫酸（2）或者有机添加剂，或者研究利用煅烧水淬后的粉化剂等，有利于金属的还原，矿渣的破碎分离，镍铁的富集，提高回收率。

（2）研究利用寻求更好的内衬耐材，优化窑体结构设计，使窑体抗结圈，温度控制更稳定，适应当下印尼禁止出口高镍红土矿，国内需要使用菲律宾中镍矿的形势，提高回收率。

（3）优化选矿工艺，一是可将干选破碎改为采用高压辊磨机，使产品粒度小于3mm达到90%，若回收效率达标，可以在辊磨机之后增加筛分设备实现闭路循环，即可去掉球磨机工序；二是可把溢流式球磨机改造成格子式球磨机，外加螺旋回流系统。

（4）需要对原矿的矿相进行分析研究，选择针对性的配料，促进原料工艺稳定，降低还原温度，有利于设备寿命和操作，提高回收率。

（5）加大对尾矿的研究利用，比如在烧结生产中的应用（3）等措施，达到金属二次回收，循环经济的目的。

6  结语

红土镍矿回转窑直还原生产镍铁工艺经过三年多的生产实践，但仍存在很多不足，实践证明金属回收率是影响成本的最大因素，在现有原料镁硅比0.6的情况下，应通过提高原料金属品位，混合料压球入窑，煅烧温度在1300℃-1400℃，配碳量在16-18%，煅烧温度在50分钟左右，选矿破碎粒度控制在5mm以下占80%，尾矿回收机磁选强度在10000GS等措施，改善工艺、设备情况，提高回收率，使工艺技术达到成熟。

7  参考文献

[1]杨双平等.直接还原与熔融还原冶金技术[M],冶金工业出版社，北京，2013（12）

[2]童伟锋等.硫酸化氧化焙烧-水浸法从红土镍矿中提取镍钴[J],有色金属（冶炼部分），2013（7）

[3]潘料庭等.镍铁尾矿用于烧结生产的工业试验[J],烧结球团，2015,40（1）：42-44