王樹清 馬曉東 馬永峰

(金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院， 甘肅 金川 737100)

金川鎳銅冶煉爐渣綜合利用研究綜述

王樹清 馬曉東 馬永峰

(金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院， 甘肅 金川 737100)

介紹了1987年以來金川鎳銅冶煉爐渣綜合利用研究的主要成果以及仍需解決的主要問題。

鎳銅熔融渣; 合金鐵; 合金鋼; 微晶玻璃; 礦渣微粉

在中國的“鎳都”，金川公司目前每年排放鎳冶煉爐渣160萬t、銅冶煉爐渣90萬t。自1963年冶煉系統(tǒng)投產(chǎn)以來，至2012年底累計(jì)堆存鎳銅冶煉爐渣約3 300萬t。在這些冶煉爐渣中，含F(xiàn)e 30%～50%、Ni 0.02%～0.5%、Cu 0.1%～1.0%、Co 0.0%～0.2%。在產(chǎn)生的160萬t鎳冶煉渣中含有Ni 3 428 t、Cu 3 883 t、Co 1 510 t、Fe 675 783 t，如果Fe、Ni、Cu、Co分別按噸金屬0.1、12、4、30萬元分別計(jì)價(jià)，則160萬t鎳冶煉爐渣的潛在利用價(jià)值為16.95億元。

作為全國三大綜合利用基地之一的金川鎳礦，自1987年開始正式對鎳銅冶煉爐渣的綜合利用進(jìn)行研究，金川公司聯(lián)合國內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)共同探索，隨著金川鎳銅冶煉爐渣綜合利用研究的持續(xù)深入，最終將會實(shí)現(xiàn)金川資源利用最大化和“吃干榨盡”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)，在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益和增強(qiáng)抵御市場風(fēng)險(xiǎn)能力的同時(shí)，也將創(chuàng)造巨大的社會效益，可為全球有色冶金爐渣的綜合利用提供范例。

1 金川鎳銅冶煉爐渣的資源特點(diǎn)

1.1 爐渣來源

在“鎳都”金昌，金川鎳冶煉系統(tǒng)包括鎳閃速熔煉和鎳頂吹熔池熔煉兩大流程(見圖1)，金川銅冶煉系統(tǒng)為合成爐流程。鎳冶煉系統(tǒng)產(chǎn)出鎳閃速爐渣、鎳沉降爐渣和鎳貧化爐渣，銅冶煉系統(tǒng)產(chǎn)出合成爐渣。

圖1 金川鎳冶煉流程示意圖

1.2 爐渣組成與特點(diǎn)

金川鎳冶煉爐渣的主要成分是FeO、MgO和SiO2，次要成分是CaO、Fe3O4、Al2O3、Ni3S2、Cu2S、FeS、CoS等。金川鎳冶煉爐渣屬于FeO-MgO-SiO2三元渣系，其主要的礦物組成是2FeO·SiO2、FeO·SiO2和MgO·SiO2。

金川銅冶煉爐渣的主要成分是FeO和SiO2，次要成分是CaO、MgO、Fe3O4、Al2O3、Cu2S、FeS等。金川銅冶煉爐渣屬于FeO-Fe2O3-SiO2三元渣系，其主要的礦物組成是2FeO·SiO2，金川鎳銅冶煉爐渣的典型化學(xué)成分如表1所示。

表1 金川鎳銅冶煉爐渣的化學(xué)成分 單位：%

從金川鎳銅冶煉爐渣的組成可以發(fā)現(xiàn)，金川鎳銅冶煉爐渣為典型的“人造復(fù)合鐵礦”，不同于自然界的赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦、海砂鐵礦等。

金川冶煉渣雖含F(xiàn)e約40%，但要對其進(jìn)行綜合利用具有較大難度。首先，這種人造的硅酸鹽礦物無法用磁選等選礦方法進(jìn)行富集；其次Fe在渣中以硅酸鐵的形式存在，還原存在易產(chǎn)生泡沫渣、爐況控制困難、能耗高的問題；同時(shí)渣中所含S是煉鋼過程中的有害元素；渣中Cu在還原過程會隨著Ni、Co一起進(jìn)入鐵水中，給后續(xù)產(chǎn)品的選擇帶來困難。由于這些問題的存在，使得金川冶煉渣的綜合利用成為一個涉及專業(yè)多、技術(shù)難度高的重大科研課題。

2 歷年來金川鎳銅冶煉爐渣綜合利用研究的主要成果

為了突破金川鎳銅冶煉爐渣綜合利用的關(guān)鍵技術(shù)和裝備，達(dá)到技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)可行的目的，盡早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，金川公司從1987年就開始先后與鋼鐵研究總院、鞍山熱能研究院、蘭州鋼廠、西安建筑科技大學(xué)、北京科技大學(xué)、瑞典皇家冶金研究院等單位進(jìn)行了聯(lián)合科技攻關(guān)，針對冷態(tài)爐渣和模擬熱態(tài)爐渣，開展了電熱法、氧煤供熱法、電熱- 氧煤供熱聯(lián)合法、煤基直接還原法等工藝技術(shù)與裝備的研究。

在研究其利用的工藝上有別于自然鐵礦的處理工藝，即首先需要考慮如何將鎳銅冶煉爐渣所含2FeO·SiO2、FeO·SiO2中的FeO“置換”出來，然后進(jìn)一步還原成金屬鐵。

通過二十多年的不間斷研究，已基本確定了爐渣還原產(chǎn)出的“合金鐵”生產(chǎn)特種合金鋼、產(chǎn)出的二次渣生產(chǎn)水泥微粉、產(chǎn)出的煙氣用于余熱發(fā)電的綜合利用方向。

2.1 電加熱法模擬熱渣還原提鐵煉鋼

2.1.1 小型試驗(yàn)

1987年8月至1988年3月金川公司與鞍山熱能研究院合作，利用中頻爐采用電加熱噴粉還原工藝，在鞍山完成了100 kg規(guī)模的鎳冶煉渣提鐵試驗(yàn)和還原鐵煉鋼試驗(yàn)及提鐵后二次渣配制水泥的試驗(yàn)。

2.1.2 擴(kuò)大試驗(yàn)

在小型試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，1992年該項(xiàng)目列入國家“八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，進(jìn)行擴(kuò)大試驗(yàn)。金川公司、蘭州鋼鐵集團(tuán)公司和鞍山熱能研究院共同于1994年在蘭州鋼廠完成了利用電加熱法模擬熱渣還原提鐵試驗(yàn)、煉鋼試驗(yàn)和二次渣試制水泥等研究。利用這些還原鐵生產(chǎn)出了符合國家標(biāo)準(zhǔn)的耐候鋼，產(chǎn)出的二次渣補(bǔ)加氧化鋁生產(chǎn)出了符合國家標(biāo)準(zhǔn)的425#以上水泥。

金川鎳冶煉渣中含Ni 0.2%, Cu 0.1%, Co 0.07%,在提鐵過程中這些有益元素90%以上進(jìn)入生鐵，為充分利用這些元素，煉鋼試驗(yàn)選擇鋼號為12MnCuCrNi，該鋼種為焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼。

2.2 利用金川爐渣生產(chǎn)微晶玻璃研究

2004～2005年，金川公司與北京科技大學(xué)合作開展了“利用金川冶煉渣生產(chǎn)鐵鎳合金及高檔微晶玻璃建材制品”的小型試驗(yàn)研究。

2.2.1 試驗(yàn)工藝簡述

將閃速爐水淬渣與煤粉或焦炭、石灰配料充分混勻后加入提鐵爐中，通過電加熱將其加熱到1 400～1 550 ℃，并在此溫度下保溫30～150 min，使渣體及原料徹底熔化并充分均化，渣體中的鐵、鎳等組分被還原出來沉淀到熔體的底部，從而得到可作為煉鋼原料的生鐵；將渣鐵分離過程形成的提鐵后爐渣，即玻璃熔體排入澄清、均化池，進(jìn)行進(jìn)一步均化，之后將熔化、澄清好的玻璃液澆鑄在模具上，再進(jìn)入晶化爐中進(jìn)行晶化和退火處理，得到微晶玻璃[1]。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)論

利用高溫還原工藝，并保持還原溫度1 500～1 550 ℃，還原時(shí)間1～1.5 h，再次證明提取金川鎳冶煉渣中的Fe是可行的。Fe元素的回收率可達(dá)98%以上，還原出的生鐵樣品成分已達(dá)到煉鋼工藝對生鐵原料的成分要求(GB717—82)。

鎳冶煉渣中鐵的總體回收率達(dá)到98%，二次熔渣的含鐵量(微晶玻璃的原料)小于0.8%；分離出了符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(煉鋼生鐵產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) GB717—82)的生鐵；同時(shí)開發(fā)出的5種顏色微晶玻璃建材制品小樣均達(dá)到了建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JC/T872—2000)的性能指標(biāo)。

2.3 金川公司對鎳銅冶煉渣綜合利用的研究工作簡介

2008年初，金川公司成立了“金川鎳銅熔融渣還原提鐵生產(chǎn)合金鋼”項(xiàng)目組。在以前研究工作的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組和金川公司火法冶金研究所等單位共同于2008—2012年進(jìn)行了一系列研究，主要包括金川冶煉渣還原提鐵的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、80 kVA與1 250 kVA、630 kVA電弧爐鎳銅冶煉渣的提鐵試驗(yàn)、1 250 kVA電弧爐與中頻爐煉鋼試驗(yàn)，同時(shí)還利用金川公司內(nèi)部的各種資源進(jìn)行了鋼種研究及相關(guān)產(chǎn)品的試制，均取得了較好的結(jié)果。

2.3.1 金川鎳銅冶煉渣還原提鐵的研究工作

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)主要進(jìn)行不同坩堝材質(zhì)、不同還原劑種類、不同還原劑配比及還原劑不同配入方式、不同石灰石配比等條件的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)論：

(1)在合理的還原劑、氧化鈣熔劑配比時(shí)，金川冶煉渣還原提鐵反應(yīng)溫度的合理控制范圍為1 450～1 550 ℃。

(2)金川冶煉渣還原提鐵的效果主要取決于碳質(zhì)還原劑與金川冶煉渣的接觸程度。

(3)反應(yīng)溫度越高，還原劑與石灰石和金川冶煉渣的接觸程度越好，金川冶煉渣的還原反應(yīng)就越劇烈，還原提鐵效果就越好。

(4)還原生鐵重熔實(shí)驗(yàn)表明在1 350～1 400 ℃時(shí)，生鐵熔融狀況良好，即金川冶煉渣還原提鐵的熔體排放溫度的合理控制范圍為1 350～1 400 ℃。

80 kVA電弧爐試驗(yàn)主要考察在20%的還原劑率、40%的石灰石率條件下，還原時(shí)間因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

另外進(jìn)行了630 kVA電弧爐和1 250 kVA電弧爐擴(kuò)大試驗(yàn)，電熱噴吹還原試驗(yàn)和氧煤供熱熔融還原試驗(yàn)。

2.3.2 金川鎳銅冶煉渣還原鐵生產(chǎn)鋼材的研究工作

以鎳冶煉渣“合金鐵”為原料，在3 t電弧爐上進(jìn)行吹氧降碳、造渣脫硫試驗(yàn)，得到含碳、硫較低的軟鋼。對電弧爐中脫硫超標(biāo)的軟鋼，在100 kg中頻爐上，采用爐內(nèi)與爐外加入Na2CO3鋼渣混沖脫硫方法，再次進(jìn)行脫硫試驗(yàn)，使軟鋼S成分達(dá)到要求。該軟鋼作為鐵原料，配料后用于冶煉鋼材產(chǎn)品。

在100 kg中頻感應(yīng)爐上，以鎳冶煉渣軟鋼為原料進(jìn)行了不銹鋼冶煉試驗(yàn)，并將冶煉產(chǎn)品用于試制S30400不銹鋼閥門和H08Cr26Ni21(SUSY310S)焊接用不銹鋼。

對成分合格的軟鋼鋼錠進(jìn)行鍛造與熱軋?jiān)囼?yàn)，得到盤圓，取樣檢測分析力學(xué)性能與金相組織。

以金川鎳冶煉渣軟鋼為原料，在100 kg中頻感應(yīng)爐上利用中頻感應(yīng)熔煉+水霧化噴粉工藝得到粉末冶金用水霧鐵合金粉FeNi10。

對鎳冶煉渣鋼盤圓取樣后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，得到其抗拉強(qiáng)度平均值為526.12 MPa，屈服強(qiáng)度平均值為374.62 MPa，延伸率21.41%，V型缺口沖擊功153.6 J。

根據(jù)所測力學(xué)性能，與焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4172—2000、高耐候結(jié)構(gòu)鋼國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4171—2000、優(yōu)質(zhì)碳素鋼國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 699—1999對比，金川鎳冶煉渣生產(chǎn)鋼材力學(xué)性能指標(biāo)接近牌號Q355NH、Q345GNH和35鋼，強(qiáng)度和塑性較好。

研究認(rèn)為，金川鎳冶煉渣的鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方向可以涵蓋低合金耐蝕鋼、含銅不銹鋼、焊接用不銹鋼、含銅不銹鋼鑄件和粉末冶金用水霧化預(yù)合金鋼粉產(chǎn)品。

3 存在的主要問題及建議

(1)通過廣泛的研究和論證，目前要實(shí)現(xiàn)鎳銅冶煉渣資源化經(jīng)濟(jì)利用工程化存在爐渣提鐵工藝與設(shè)備可否達(dá)到“連續(xù)高效”和產(chǎn)品是否具有較廣泛的市場和較高的附加值兩大主要問題。從1987年金川爐渣綜合利用試驗(yàn)以來，一直沒有進(jìn)行連續(xù)噴吹還原試驗(yàn)，因此，可否實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效噴吹還原熔融渣及能否取得二次渣含F(xiàn)e穩(wěn)定控制在5%以下的技術(shù)指標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)金川鎳銅冶煉爐渣還原提鐵生產(chǎn)合金鋼項(xiàng)目工程化的關(guān)鍵所在。

(2)由于金川鐵水的特殊性，要根據(jù)金川的實(shí)際情況和國內(nèi)定量的市場分析和預(yù)測確定鋼種、規(guī)格和產(chǎn)能，在突出產(chǎn)品重點(diǎn)，提高設(shè)備作業(yè)率方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

(3)針對金川鐵水特點(diǎn)，對殘余元素(如Cu、Ni、Co、Pb、Sn、As等)的作用與危害將深入研究，充分發(fā)揮殘余有益元素的作用，抑制有害元素的危害，將利用與稀釋相結(jié)合，產(chǎn)品品種與規(guī)模相結(jié)合，充分發(fā)揮金川鐵水的優(yōu)勢。

(4)針對金川鐵水還原與精煉的具體特點(diǎn)，應(yīng)研究開發(fā)具有特色的新工藝，如金川鋼材裂紋敏感區(qū)研究、連鑄機(jī)的選型、精煉設(shè)備的匹配及流程的優(yōu)化等。

[1] 倪文，于曉霞，李克勤,等. 利用金川冶煉渣生產(chǎn)鐵鎳合金及高檔微晶玻璃建材制品試驗(yàn)研究[J].北京科技大學(xué),2005.

Research Overview of Jinchuan Nickel-copper Smelting Slag Comprehensive Utilization

WANG Shu-qing, MA Xiao-dong, MA Yong-feng

This paper introduces the main research achievements of Jinchuan nickel-copper smelting slag comprehensive utilization, as well as major issues remain to be resolved since 1987.

Jinchuan nickel-copper smelting slag; alloy iron; alloy steel; microcrystal glass； slag powder

2015-05-08

王樹清(1964—)，男，湖南雙峰人，大學(xué)本科，高級工程師，主要從事有色冶煉技術(shù)工作。

X756

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1008-5122(2015)04-0047-03