Применение никеля и ферроникеля
Никель плохо ржавеет в атмосфере и устойчив к коррозии от фтора, щелочей, солей и многих органических веществ. Никель — это магнитный металл с хорошей ввязчивостью и достаточной механической прочностью, что позволяет ему выдерживать различные процессы обработки, такие как прокатка, шлифовка и сварка.
Никель в основном используется в производстве металлических материалов, он составляет более 70% от общего объема; Он используется в гальваниковом покрытии, обеспечивая около 15% от общего потребления никеля; Он используется как катализатор в процессе гидрогенизации нефтехимии; Он используется как химический источник энергии; Он используется для изготовления пигментов и красителей; и используется для изготовления керамики и ферритов.
Ферроникель — это сплав никеля и железа, содержащий углерод, кремний, фосфор и другие элементы. Ферроникель в основном используется как легирующее средство при выплавке нержавеющей стали.
Химический состав ферроникеля, получаемого из латерит-никелевой руды, в целом следующий: Ni 10%~15%, Si≤7%, C≤4,5%, P≤0,06%, S≤0,04%~0,35%.
Латерит-никелевая руда является сырьём для производства никелево-железной руды.
Сырьё для выплавки никель-железа с использованием латерит-никелевой руды включает латерит-никелевую руду, кокс и известь.
Минеральный и химический состав латеритовой никелевой руды сильно варьируется, особенно по содержанию никеля и массовому соотношению MgO/SiO₂. Типичный состав латеритовой никелевой руды: Ni 1,3%–1,9%, Fe 10%–15%, SiO₂ 35%–45%, MgO 17%–25%, P 0,001%–0,007%, H₂O 25%–33%. Латеритная руда содержит большое количество связанной воды и требует обжигания и обезвоживания перед плавкой.
Содержание CaO извести должно составлять ≥82%.
Требования к коксу: фиксированный углерод более 82%, содержание золы менее 15%, содержание серы ≤ 0,7%, влажность менее 6%, размер частиц 10–25 мм.
Принцип выплавки никелево-железной выплавки латерит-никелевой руды
Латеритовая никелевая руда в основном содержит различные оксиды, такие как NiO, Cr₂O₃, Fe₂O₃, Al₂O₃, MgO и SiO₂. Исходя из данных о свободной энергии оксидных реакций в диапазоне температуры плавления латеритовой никелевой руды (1600–1700 K), порядок восстановления каждого оксида в восстанавленной атмосфере — от лёгкого к самому твёрдому — таков: NiO > FeO > SiO₂ > Fe₂O₃ > MgO > Cr₂O₃ > Al₂O₃. NiO восстанавливается первым, и его температура восстановления ниже, чем у FeO. Используя этот принцип селективного восстановления, можно применить операцию с дефицитом углерода для преимущественного восстановления почти всех оксидов никеля в латеритовой никелевой руде до металла, при этом подходящее количество высоковалентного Fe₂O₃ восстанавливается до металла, а оставшаяся часть — до FeO, который поступает в шлак. Это достигает цели обогащения никеля. Степень восстановления железа регулируется добавлением количества коксующего угля с восстанавливающим агентом.
Зона температуры дуги внутри электрической дуговой печи достигает более 2500°C, а температура расплавленного бассейна может превышать 1800°C. Основные реакции, происходящие при этой температуре, включают:
NiO + C = Ni + CO
Fe₂O₃ + 3C == 2Fe + 3CO
NiFe₂O₄ + 4C = 2Fe + Ni + 4CO
Fe₂O₃ + C = 2Fe₂O + CO
FeO + C = Fe + CO
Cr₂O₃ + 3C = 2Cr + 3CO
MgO + C = мг + CO
SiO₂ + 2C = Si + 2CO
В результате реакции образуется никель-хром-железный сплав, содержащий такие элементы, как кремний и магний. Сама химическая реакция внутри печи гораздо сложнее, чем описано выше.
Процесс выплавки никелевой руды латерита и железа
Существует три основных метода получения ферроникеля из латерит-никелевой руды: метод доменной печи, метод прямого восстановления в ротационной печи и комбинированный метод с погружённой дуговой печью.
4.1 Плавка доменных печей
Основной процесс производства ферроникеля в доменной печи следующий: сушка руды и сеять (крупномасштабное дробление) – партийное измельчение – спекание руды с коксовыми блоками и флюсом, добавленным в доменную печь для выплавки – литье слитков из ферроникеля и закалка шлаковой воды – производство слитков ферроникеля и шлака, закалённого водой. Доменные печи в первую очередь используются для производства чугуна с низким содержанием никеля с использованием руды латерита-никеля, содержащего примерно 50% железа и 1% никеля, для получения чугуна с низким содержанием никеля примерно 5% никеля. Обычно соотношение кокса и никеля составляет около 800 кг кокса на тонну ферроникеля.
4.2 Прямое восстановление плавки в вращающейся печи
Прямое восстановление в роторной печи широко признано методом производства с наименьшим энергопотреблением и затратами. Основной процесс: сушка сырой руды (крупномасштабное дробление и помол) — добавление восстанавливающего угля и флюса — восстановление и плавка в ротационной печи — водная закалка расплавленной руды — дробление, измельчение и магнитное разделение частиц шлака и никеля-железа — производство гранул никель-железа и мелкого расплавленного шлака. Этот процесс не требует кокса или больших объёмов электроэнергии, имеет короткий процесс с несколькими этапами и обладает высокой конкурентоспособностью и жизнеспособностью. В настоящее время этот процесс ещё не ведётся в массовом производстве в Китае, главным образом потому, что такие вопросы, как пакетирование, огнеупорные материалы и формирование колец, ещё не полностью решены.
4.3 Выплавка дуговой печи в ротационной печи
Процесс выплавки в ротационной печи в дуговой печи широко используется как внутри страны, так и за рубежом для производства никелево-железных сплавов с высоким содержанием никеля. Полный процесс плавки следующий: сушка сырой руды и крупномасштабная дробление →угля и флюса, а также тщательная сушка и предварительное восстановление в вращающейся печи → выплавка в погружённой дуговой печи → литье никелево-железного чугуна и закалка шлаковой воды → производство никелево-железных слитков (или никель-железных гранул, закаленных водой) и шлака, закалённого водой.
Основные процессы включают следующее:
(1) Сушка: Влаги из никелевой руды удаляются с помощью вращающегося сушильного барабана;
(2) Составы: Латеритовая руда, антрацит и известняк смешиваются и пропорционируются в определённом пропорции;
(3) Предвариация: Уменьшение в вращающейся печи;
(4) Плавка: Горячие материалы подаются непосредственно в печь для плавки;
(5) Рафинация: Десеризация, десиликонизация и декарбюризация сплава;
(6) Литье или грануляция: грануляция, сушка, упаковка или литье слитков в литейных машинах;
(7) Очистка дымовых газов: выхлопные газы сбрасываются после попадания в пылесборник, а газ из электрической печи удаляется.
Латерит-никелевая руда транспортируется из порта на склад для хранения и смешивания. Латеритовая руда, хранящаяся и предварительно смешанная на сырье, сначала сушится в сушильной печи для удаления большей части влаги, затем измельчается и просеивается. Известняк и восстановительные агенты просеиваются и измельчаются во дворе сырья и в подготовительной цене, затем смешиваются с высушенной латеритовой рудой и отправляются в ротационную печь.
В роторной печи сырьё дополнительно сушится, обжигают и предварительно редуцируют для получения никелевого шлака (частично восстановленного продукта) при температуре примерно 900–1000°C. Дымовые газы из вращающейся печи сбрасываются после прохождения отходного котла, удаления пыли и обезсерчения. Пыль смешивается с сырьём и затем возвращается в печь.
Никелевый шлак добавляется в подводный дуговой печный силос (облицованный огнеупорным кирпичом) в закрытом, изолированном состоянии (приподнятая подающая тележка). В соответствии с требованиями процесса, продукты горячего восстановления вторично передаются с использованием электронных масштабов легкорельсового транспорта перед отправкой в систему выплавки в погружённой дуговой печи. Шлак распределяется в погружённую дуговую печь через подающие трубы в разных местах. Погружённая дуговая печь полузакрыта (или полностью закрыта), с электродами, выплавкой под погружением дугой, восстановлением и отделением сырого ферроникеля и шлака, одновременно генерируя газ из погружённой дуговой печи, содержащий примерно 75% CO. Этот газ очищается и отправляется в вращающуюся печную горелку, где используется в качестве топлива вместе с измельчённым углём. Пыль из пылесобирателя обрабатывается и возвращается на склад сырья. Шлак из дуговых печей под водой после закалки может использоваться как строительный материал для дорожного строительства и кирпича.
Жидкий никель-железный сплав периодически заливается из погружённой дуговой печи в половник, транспортируется половником на литейный цех для литья, а квалифицированные никель-железные слитки хранятся и продаются. Продуктом погружённой дуговой печи является сырый никель-железный материал, а перед нарезкой в расплавленную железную ковшку можно добавить противосернистый агент, чтобы обезсерчатая обработка происходит одновременно с нарезкой.
Сырой ферроникель содержит примеси, такие как Si, C и P, и требует дополнительной очистки. После удаления шлака он подаётся в преобразователь для продувки кислорода и удаления кремния. Одновременно добавляется металлолом, содержащий никель, чтобы предотвратить слишком высокую температуру расплавленного железа. После удаления кремния шлак удаляется (или шлак блокируется для отбивания железа), и он подаётся в щелочной преобразователь для продувания кислорода, чтобы удалять фосфор и углерод. Для образования щелочного шлака добавляют известняк. Расплавленный ферроникель, очищенный в щелочном преобразователе, отправляется в литейную мастерскую для литья в квалифицированные коммерческие блоки ферроникеля или непосредственно на сталелитейный завод в состоянии горячего состояния.
Общий ход процесса показан на рисунке 1.
Рисунок 1. Процесс производства никель и железа
Энергосбережение при производстве никеля и железа
Большая часть сырой руды, используемой для выплавки чугуна с никелем в электрических дуговых печах, поступает из-за рубежа. Сырая руда в основном представляет собой мелкую руду, с прикреплённой влагой около 30% и содержанием кристаллической воды около 10%. Поэтому эту руду необходимо спечеть перед выплавкой в печи. Спекание — это первый этап в процессе выплавки, который влияет не только на нормальную работу процесса, но и на технические и экономические показатели продукта. В то же время процесс спекания потребляет значительное количество энергии, поэтому оборудование и процесс спекания следует выбирать рационально. Вертикальное и ротационное спекание в печи — лучшие варианты.
Использование горячих материалов в печи является важным направлением для энергосбережения, что значительно снизит потребление электроэнергии и требует активного тестирования. Использование горячих материалов, спеченных в ротационной печи, может не только сэкономить расходы, но и повысить конкурентоспособность продукции на рынке.
Технические показатели и потребление сырья для производства никеля и чугуна
Основные сырьевые материалы и энергопотребление для производства никеля-железа с содержанием Ni 10%~15%, Si≤7%, C≤4,5%, P≤0,06% и S≤0,04%~0,35% следующие: латерит-никелевая руда 7200 кг/т, известь 2300 кг/т, кокс 470 кг/т (горячий материал), электродная паста 40 кг/т, потребление электроэнергии 6000 кВт·ч/т (горячий материал).