摘  要  回轉窯直還原生產鎳鐵工藝是采用低品位紅土鎳礦生產鎳鐵的工藝，金屬回收率的提高可明顯降低生產成本。本文分別從原料情況，還原焙燒過程，選礦過程三個方面對回收率的影響因素作出具體分析，并提出了提高回收率措施和辦法。

關鍵詞  直還原  鎳鐵生產  回收率

1  前言

高爐煉鐵已有數百年歷史，其工藝已達到相當完善的地步。但其日益完善和大型化的同時，也帶來了流程長，投資大及污染環境等問題，此外，由于煉焦煤資源日益短缺、焦爐逐漸老化及人們對焦爐污染的日益關注，直接還原作為無焦的、新興的、開拓性的前沿冶煉技術，越來越受到人們的關注（1），北海誠德回轉窯直接還原生產鎳鐵工藝，于2014年投產生產至今，在原料金屬（18%）不變的情況下，每提高一個回收率，則噸鎳鐵礦耗約減少70公斤，相應的將提高產量，降低能耗，降低成本約90元，且紅土鎳礦的原料金屬品位均在20%以下，甚至低到14%；可見，在直還原生產工藝中采取有效措施提高金屬回收率是至關重要的。

2  原料對金屬回收率的影響分析

2.1  原料鎂硅比對回收率的影響

紅土鎳礦的成分礦相比較復雜，波動也大，在控制焙燒過程，選礦過程基本相同的條件下，對使用鎂硅比不同的紅土礦的回收率作出如下對比情況，當原料的鎂硅比在0.15～0.25的時候，物料熔點低，約1150℃，SiO2含量大，熔融狀態下在渣中形成網狀結構，很容易粘窯，導致結圈，影響生產；且SiO2易與亞鐵生成難還原的硅酸鐵化合物，也阻礙亞鐵的進一步還原，水淬后燒結礦塊大，且硬，磁性較弱，選礦中渣鐵分離效果不佳，選礦綜合鎳鐵比例低，金屬回收率一般在78%；

當鎂硅比在0.42的時候，物料熔點約1250℃，且窯內結圈可控，較穩定；窯口物料呈半熔融態棉花狀，水淬后的燒結礦粒度均勻，較脆，有少量可見的鎳鐵顆粒，干選鎳鐵夾渣很少，磁性較強，此時金屬回收率較理想，達90%以上；

當鎂硅比在0.6～0.75；物料熔點很高，且物料在窯內行進速度快，生產中燃料使用大增，稍不注意，就會出現跑散料現象，物料對窯口的磨損較嚴重，經常出現窯口漏鐵水現象，不利于操作；水淬后燒結礦死結，硬，對后道選礦工序的設備磨損及回收率都有影響，一般需要煅燒溫度在1350℃以上，才能保證金屬回收率達80%；

生產試驗得出，在控制焙燒過程，選礦過程基本相同的條件下，原料鎂硅比控制在0.3-0.55之間，是在節能降耗基礎上，提高金屬回收率的有效措施。

2.2  原料金屬品位對回收率的影響

在控制焙燒過程，選礦過程基本相同的條件下，生產選取鎂硅比均在0.65，不同金屬品位的紅土礦生產作為研究對象，并得出該研究時間段內的,指標情況；當原礦金屬品位在15%時候，物料熔點高，選礦產量少，尾渣多，回收率在78%；當原礦金屬品位在18%時候，物料熔點適中，金屬回收率在80%；當原礦金屬品位達20%時候，物料熔點降低，可見有鐵水，渣鐵分離好，產量多，回收率在84%；

可得出在鎂硅比一定的情況下，紅土鎳礦金屬品位高，則金屬回收率高；金屬品位對回收率的影響主要體現在兩個方面，一是金屬品位高，多是因鐵含量多，在MgO-SiO2-FeO形成的渣相圖中可得，隨著亞鐵的增多，渣相熔點是降低的，有利于回轉窯節能生產，提高回收率；二是金屬品位高，選礦渣量減少，也有利于提高回收率；這兩點在使用中鎳礦期間，效果尤為明顯；

3  還原焙燒過影響回收率的因素分析

3.1  入窯粒度的影響

在回轉窯煅燒過程中，入窯原料粒度6mm占80%以上時，可有效消除窯內中低溫段的窯壁冷凝結壁現象，保持窯內通風，有利于窯內操作；但是由于物料粒度粗，內擴散慢，會存在物料反應不充分的問題，同時，物料在窯內運行，受熱過程中，一部分會膨脹破裂，生成大量粉末，造成窯內物料偏析，致使煅燒不均勻，出料中可見粒狀物料，因此，還原率低，回收率也低；當原料粒度為3mm占80%以上，金屬還原率不斷增加，回收率增高，可使產量增加，但是存在隨煙塵抽走量大的問題；因此，本公司分廠把3mm以下的原料進行成球（43mm×42mm×20mm)后再送入窯內，可以有效延緩結圈，并增加入窯量，減少煙塵量，且達到了煅燒充分，均勻的效果，提高還原率，增加回收率。

3.2  還原溫度的影響

回轉窯直還原工藝的還原溫度主要受煙煤和無煙煤影響，當無煙煤配入量一定時，主要受窯頭噴吹煙煤量影響，煙煤揮發分在30%，揮發物的放出促進煤粉燃燒供熱，起著調控反應區域溫度的作用，本次生產試驗中，原料鎂硅比為0.65，金屬品位為20%，選礦過程控制條件相同，焙燒過程中，入窯量為20噸/小時，焙燒時間40min，內配碳17%，調整噴煤量達到控制還原溫度。

當窯內還原溫度高達1420℃后，窯口出料顏色發白，呈團落下，有明顯鐵水流出，且窯口磨損非常嚴重，經選礦后鐵和鎳的回收率大于95%，渣鐵分離非常好；當窯內還原溫度在1320℃時，物料在窯口成粒狀散落，夾雜的有鐵水滴落，經選礦后金屬回收率在86%；當窯內還原溫度在1250℃，物料呈松散的沙狀，并顏色有些微紅，無可見鎳鐵顆粒，經選礦后金屬回收率在78%。綜合考慮質量成本，窯內襯耐材，可操作性，認為在該條件下，窯內還原溫度控制在1300℃到1400℃比較合適。

3.3  配碳量的影響

無煙煤的加入量直接影響著窯內的還原氣氛，若還原劑不夠，鎳鐵不能充分還原，金屬回收率低，成本高；若還原劑過多，雖然回收率會提高，但是存在浪費還原劑，大量的鐵被還原成金屬狀態，使最終產品鎳品位降低，還原溫度過高容易導致設備損壞等弊端，因此，確定合適的配碳控制回收率也非常重要；

生產焙燒控制要求：控制原料，選礦過程條件相同，焙燒過程中，入窯量為20噸/小時，焙燒時間45min，窯頭噴煤量2.2噸/小時。

根據生產統計，當配碳量達20%時，窯頭出料燒結礦中殘碳達5%，鎳鐵產品中滲碳達3.5%；經選礦鐵和鎳的回收率可達到90%；當配碳量為16%時，窯頭出料中殘炭明顯降低，在3%以下，經選礦后鐵和鎳的回收率仍能達到90%；當配碳量為8%時，殘炭在1%以下，經選礦后鐵回收率低于70%，鎳在80%左右，而且操作不當易結圈。經過實踐摸索，考慮到成本和質量要求，認為配碳量控制在16%～18%比較合適，此時回收率在85%左右，高于理論配碳量主要原因一是筒體方面，煙氣散熱較多，二是窯內結圈不可避免，生產通過提高配碳的方式來提高溫度進行解決；

3.4  還原時間的影響

還原時間是通過調整窯速來控制，在保證還原焙燒溫度不變，可通過調整窯速與入窯料量來調整還原時間，焙燒條件為：原料，選礦過程控制條件相同，焙燒過程中， 焙燒溫度1350℃，配碳量17%。

通過降低窯速或者降低料量，物料在回轉窯內焙燒（高溫還原時間）變長，當焙燒時間在60min以上時，焙燒溫度達1350度（噴煤量適當下調來保證溫度），物料融團塊狀，經選礦后回收率可達90%以上，但容易結前圈，且產品鎳點稍低；當增加給料量和增加窯速，焙燒時間低于30min，物料呈沙狀，窯內還原率低，鐵的回收率75%，鎳的回收率80%，不結圈；當小時給料量為22噸時，窯速適中，控制焙燒時間在45min，此時出料呈粒狀散下，經選礦金屬回收率可達90%；經綜合分析認為焙燒時間在50min左右較佳，同時可延緩結圈，且回收率高。

綜上,回轉窯直還原生產鎳鐵工藝提高回收率的焙燒過程控制措施如下:原料粒度先破碎至3mm以下占80%以上，成球入窯，還原溫度控制在1300℃到1400℃，配碳量控制在16%～18%，焙燒時間在50min左右是合理的。

4  選礦過程對回收率的影響因素分析

選礦過程的目的是將燒結礦粉碎，使得燒結礦中的鎳鐵與礦渣分離，然后利于磁選，得到穩定、高純度的金屬產品；一般來說，破碎粒度越小，分離越完全、磁選機磁選強度越高，則金屬回收率越高。但實際生產中，應考慮破碎的動力消耗與磨礦介質（鋼球，襯板等）消耗量，還要保證選礦的處理料量。

選礦工藝分為干選段和濕選段，干選具體為：入選燒結礦經過第一次干選處理、第一道破碎處理、第二道破碎處理、第二次干選處理、第三道破碎處理、第四道破碎處理、第三次干選處理進行吸附篩選富集，得到三次干選篩選出的三部分富集礦為干選產品；而第三次干選后的燒結礦作為濕選原料，進入球磨機球磨、濕選，濕選包括三道半溢流式磁選機和一道回收機，經濕選得到濕選產品和尾礦。

4.1  干選破碎粒度的影響

當上料量一定，破碎粒度控制在10mm占80%以上，則干選產量少，含渣量多；進入濕選球磨機的礦量多，有明顯可見鎳鐵顆粒，鋼球消耗量大，且回收率低；當破碎粒度控制在8mm占80%以上，則干選產量適中，進入濕選球磨機的礦中有少量可見鎳鐵顆粒，鋼球消耗量減少，回收率提高；當破碎粒度控制在5mm占80%以上，則干選干選產量大，進入濕選球磨機的礦中基本無可見鎳鐵顆粒，鋼球消耗量更少，回收率進一步提高；當破碎粒度控制在3mm以下，對于當前破碎設備來說有一定操作難度，綜合以上考慮，應盡量減少進入球磨機的量，既提高回收率，也減少成本消耗；因此，認為當前設備情況下，應控制干選粒度在5mm以下占80%較為合適；

4.2  回收機磁選強度的影響

當球磨機磨礦粒度一定，回收機磁選強度為1600GS時，尾礦金屬流失較多，全鐵在4.8%，鎳在0.3%；將磁選強度為5000GS的磁鐵放入該尾渣中攪拌，可看到磁鐵上吸附有少量金屬顆粒，攪拌后的尾渣全鐵在3.5%，鎳在0.20%；將磁選強度為10000Gs的磁力棒放入該尾渣中攪拌，可看到磁力棒上吸附有明顯細小金屬顆粒，攪拌后的尾渣全鐵在3.0%，鎳在0.14%；將磁選強度為12000GS的磁力棒放入該尾渣中攪拌，可看到磁力棒上吸附有明顯細小金屬顆粒，攪拌后的尾渣全鐵在2.8%，鎳在0.14%；綜合以上情況考慮，經球磨磨礦后的物料粒度小，消耗動力及磨礦鋼球多，利于磁選分離，應利用好濕選物料粒度細小的優勢，盡量提高濕選回收率，把控好生產中提高回收率的最后一道關卡，認為濕選尾礦回收機磁選強度應選用10000GS,可有效提高金屬回收率；

在現有設備基礎上，產品的質量指標鎳鐵粉金屬含量越高，則金屬回收率也越高，但是金屬回收率越高，鎳鐵粉金屬含量則有可能高，也有可能低。因此，要生產出金屬含量高的鎳鐵粉，并且保證回收率，就必須要控制好破碎粒度和磁選強度。

5  提高回收率的研究發展方向

（1）在現有基礎上，研究利用還原的添加劑向紅土鎳礦中加入，如含硫酸（2）或者有機添加劑，或者研究利用煅燒水淬后的粉化劑等，有利于金屬的還原，礦渣的破碎分離，鎳鐵的富集，提高回收率。

（2）研究利用尋求更好的內襯耐材，優化窯體結構設計，使窯體抗結圈，溫度控制更穩定，適應當下印尼禁止出口高鎳紅土礦，國內需要使用菲律賓中鎳礦的形勢，提高回收率。

（3）優化選礦工藝，一是可將干選破碎改為采用高壓輥磨機，使產品粒度小于3mm達到90%，若回收效率達標，可以在輥磨機之后增加篩分設備實現閉路循環，即可去掉球磨機工序；二是可把溢流式球磨機改造成格子式球磨機，外加螺旋回流系統。

（4）需要對原礦的礦相進行分析研究，選擇針對性的配料，促進原料工藝穩定，降低還原溫度，有利于設備壽命和操作，提高回收率。

（5）加大對尾礦的研究利用，比如在燒結生產中的應用（3）等措施，達到金屬二次回收，循環經濟的目的。

6  結語

紅土鎳礦回轉窯直還原生產鎳鐵工藝經過三年多的生產實踐，但仍存在很多不足，實踐證明金屬回收率是影響成本的最大因素，在現有原料鎂硅比0.6的情況下，應通過提高原料金屬品位，混合料壓球入窯，煅燒溫度在1300℃-1400℃，配碳量在16-18%，煅燒溫度在50分鐘左右，選礦破碎粒度控制在5mm以下占80%，尾礦回收機磁選強度在10000GS等措施，改善工藝、設備情況，提高回收率，使工藝技術達到成熟。

7  參考文獻

[1]楊雙平等.直接還原與熔融還原冶金技術[M],冶金工業出版社，北京，2013（12）

[2]童偉鋒等.硫酸化氧化焙燒-水浸法從紅土鎳礦中提取鎳鈷[J],有色金屬（冶煉部分），2013（7）

[3]潘料庭等.鎳鐵尾礦用于燒結生產的工業試驗[J],燒結球團，2015,40（1）：42-44