红土镍矿回转窑还原——磁选工艺若干问题的分析与探讨

　　东北大学冶金学院

　　红土镍矿回转窑还原——磁选工艺生产镍铁是以回转窑为还原反应器，以煤为还原剂和加热的能源，红土镍矿在经干燥、预热，还原，还原出来的金属镍、铁聚合长大成1.20～30.0mm的镍铁颗粒。镍铁颗粒均匀悬浮在炉渣中，并随同炉渣一块排出回转窑。回转窑排出的炉料经水淬—选择性破碎—重选、磁选获得颗粒状的镍铁产品的工艺。

　　该工艺与传统的红土镍矿矿热炉熔炼法，以及回转窑预热预还原——电炉熔炼法(RKEF法)相比较具有：以廉价燃料煤作为还原剂和加热的能源，用电量少、对电网冲击小、投资低;炉料在未完全熔化的低温条件下完成镍、铁的还原和聚合，以物理磁选替代高温熔化实现渣铁的分离，因而生产能耗低、成本低;镍的回收率高(≯92%)等特点。

　　虽然该法存在回转窑的控制操作难度大，且难以实现自动化;回转窑易产生粘结、结圈等故障，回转窑作业率低;单机生产能力小(单机年处理红土镍矿≯30万吨)，且难以扩大等缺欠。但从能耗、环境友好、生产成本等角度的综合分析，回转窑还原——磁选法生产镍铁工艺，即“粒铁法”工艺是最经济的工艺之一。

　　近年来，我国建成红土镍矿“回转窑还原——磁选”生产镍铁生产线数十条，分布于黑龙江、辽宁、河北、河南、山东、山西、江苏、浙江、福建、广东、广西、云南、贵州、四川等地，但多数生产线生产效果不理想，通过调研、了解、分析发现：国内红土镍矿“回转窑还原——磁选法”生产镍铁工艺有一些共性问题值得分析和探讨。

　　我国上世纪七十年，开展过酸性脉石贫铁矿“回转窑粒铁法”试验研究，1970年辽阳建成￠2.30×33.8m“粒铁法”回转窑，处理含铁～35%的磁铁矿生产TFe>95%的颗粒状“粒铁”，成功连续生产5年。广东梅州钢铁厂1972年建成￠3.60×60.0m“粒铁法”回转窑，处理低品位磁铁矿生产TFe>95%的颗粒状“粒铁”，用于电炉炼钢，连续生产多年。这两个厂后均因高炉生产的发展转停产。

　　在此期间，在沈阳钢铁总厂进行了采用“粒铁法”处理鼓风炉铜冶炼渣回收铁的￠1.60×18.0m半工业化试验，试验获得成功，但因铜渣含有As、Cu、S等有害元素，产品难以满足钢铁生产的要求，及经济效益难以达到预期而终止研究。

　　上世纪七十年中期开始，我国进行了回转窑直接还原的开发研究，1989年成功的进行了福州￠2.50×40.0m回转窑直接还原铁工业化试验，为我国发展回转窑直接还原铁技术奠定了基础。1996年天津钢管公司建成了两座￠5.0×80.0mDRC直接还原铁回转窑，1997年投产，通过对设备、工艺的改进，单台回转窑的产能最高达到18万吨/年，超过设计产能的20%，吨直接还原铁煤耗降至900kg。产品的TFe>94.0%,铁的金属化率>93.0%，成为世界直接还原回转窑能耗最低，单机产量最大，环境保护最好的生产线。随后，我国在辽宁喀左、北京密云、山东鲁中、新疆等地建成回转窑直接还原铁生产线。

　　我国大量还原性回转窑开发研究成果，及生产经验为红土矿采用回转窑还原—磁选工艺生产镍铁提供了可借鉴的经验。另外，目前，在朝鲜有近百条“粒铁法”回转窑在长期稳定生产，朝鲜钢铁工业70%的铁源材料是由“粒铁法“生产的，“粒铁法”年产用于炼钢的粒铁数百万吨，表明该法是可以驾驭的工业化生产方法。

　　为了促进我国红土镍矿采用回转窑还原—磁选工艺的发展，本文仅就炉料入窑前的预处理;回转窑的结构;回转窑燃料烧嘴的型式、布置;二次风供给;回转窑还原产品的破碎及磁选等问题进行简要分析、探讨，提出的一些看法，供大家参考。受本人学识水平的限制，文中错误和认识的偏颇在所难免，希望得到同行们的指教，有不当之处敬请指正。

　　1 红土矿入回转窑前的预处理方法的选择

　　回转窑的原料入窑前的预处理是保证回转窑还原和回转窑正常稳定运行的基本条件。

　　因红土矿多为沉积型成矿，通常红土矿来料形态变化很大，多数矿石含水较高，无法用常规手段制备有一定粒度、足够强度的颗粒，难以采用原矿整粒，配料后直接入窑的方式组织生产。

　　红土镍矿采用与还原剂、造渣剂混合制块，可大幅度改善含铁、含镍矿物的还原动力学条件，是改善、强化回转窑还原的有效方法。

　　红土镍矿经湿法磨矿后压块、造球,因红土矿湿磨后脱水极为困难，使造块环节无法实现稳定生产，且原料系统投资巨大，磨矿、混合、压球、压球干燥生产成本过高，造成国内多条生产线遭遇红土矿湿法造块影响生产线的正常运行。资料报道日本大江山厂也曾采用红土矿湿磨后造块工艺，后因造块成本高等原因改为“半干法压块“工艺。

　　我国在小型工业化回转窑生产线试验中，采用红土矿适度干燥——破碎——配入还原剂、添加剂、粘结剂后混合压块，压块干燥后入窑的“半干法压球法”取得良好效果。该法依据到厂红土矿形态采取不同方法将红土矿干燥到可以破碎的状态，或红土矿配入适量的生石灰将红土矿调整成可以实施破碎的状态，将红土矿破碎到≯2.0mm。然后配入还原剂、添加剂、粘结剂，混匀后进行压块，压块干燥后入窑冶炼。试验生产表明采用“半干法压球法”是可行的。

　　“半干法压球法”是红土矿回转窑还原——磁选法原料入窑前的预处理的首选方法。

　　2 回转窑结构及装备

　　2.1 回转窑的结构

　　红土矿回转窑还原——磁选工艺中回转窑是还原性回转窑。还原性回转窑通常是长径比大的直筒窑(L/d>15)，回转窑的斜度≯2.0%，回转窑的转速0.30～1.0转/分钟，回转窑内填充率---炉料占窑内总容积的比应大于20～25%，因此回转窑进口、出口均有一定高度的缩口。回转窑进出料端有无缩口是还原性回转窑与氧化窑最基本差异。

　　还原性回转窑为保证回转窑内炉料完成还原，必须保证炉料在窑内有良好的还原气氛和条件，有足够的还原时间。同时，回转窑内足够高的料层厚度是保证回转窑内料层内保持还原性气氛的重要条件，尤其是保证出料端区域炉料的不产生再氧化的重要条件。还原性回转窑只有保证足够的炉料厚度，才能保证炉料还原所产生的CO能在料层表面形成足够厚度的CO气膜，将炉料料层还原性气氛与回转窑自由空间的强氧化性气氛隔离开来，才能保证料层的还原及回转窑自由空间氧化燃烧供热同时进行。见图1。

　　国内部分已建成的红土矿回转窑还原——磁选工艺生产线中回转窑进、出料端没有缩口，或缩口高度过小是回转窑无法实施快速还原的主要原因。

　　朝鲜“粒铁回转窑”的卸料端出口直径与回转窑的内径的比通常小于0.50，见图2。

　　国内已建成的生产线投入生产运行的回转窑卸料端通常均有500mm以上的缩口。凡没有缩口或缩口高度小于200mm的回转窑均未能实现正常生产运行。

图2 ¢3.6×60m粒铁回转窑结构及窑内温度分布

　　2.2 回转窑的供热烧嘴的形式选择及配置

　　回转窑的供热烧嘴应能满足回转窑内物料能加热到还原所要求的温度和适宜的温度分布的需要。还原性回转窑的燃料烧嘴必须是长焰烧嘴，且火焰可准确、有效调控。因为，只有长焰烧嘴才能满足窑内有适宜温度分布的需要。辽阳粒铁厂(￠2.30×33.8m)、广东梅州钢铁厂(￠3.60×60.0m)粒铁窑均采用的是套筒式长焰粉煤烧嘴。天津钢管公司80米直接还原铁回转窑采用<17.0mm煤粒烧嘴实现正常生产。

　　采用氧化性回转窑(水泥窑、氧化球团焙烧窑)细煤粉漩流式烧嘴是无法满足回转窑温度分布要求的。且漩流式烧嘴燃烧火焰呈漩流状会冲击料层表面的CO气膜，造成炉料表面再氧化，破坏炉料的还原，甚至引发炉料的粘结。

　　还原性回转窑的燃料烧嘴的火焰应远离窑内料面，避免火焰冲击、破坏料层表面的CO气膜，保证料层内的还原气氛。燃料烧嘴应安置在料面垂直线的中间区域。烧嘴应保证火焰的中心线与回转窑的中心线平行，以保证火焰既不冲击料面造成炉料的氧化，又不冲击回转窑内衬造成窑衬局部过热，引发窑衬粘结、结圈。

　　2.3 回转窑的二次风的供应
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