利用小型高炉生产镍铁合金

1、利用小型高炉生产银铁合金P. von Kroger1, C. A. Silva1, Cldudio Batista Vieira1, F. G. S. AraOjo11 V. Seshadri2,1 REDEMAT, UFOP'Federal University of Ouro Preto, Brazil; -kru-r.bliz!tMra-UQm.br1 REDEMAT, UFOP-Federal University of Ouro Pretoh Brazil;4t上rn,ufoD.br1 REDEMAT, UFOP-Federal University of Ouro Pret

2、o, Brazil; geometalugi白¥3打00.二口in.br1 REDEMAT, UFOP-Federal University of Ouro Preto, Brazil; fgabrielaraujo.br? UFMG-Federal University of Minas Gerais, Brazil; seshadriderriet.ufnng.br摘要过去银铁合金的生产曾经使用过高炉和反射炉，然而，如今因为运营 成本较低，通常银铁合金的生产都是通过埋弧电炉完成的。最近，由于较 高的需求，并且因为没有相应的设备，在中国出现了利用高炉生产银铁合 金的工厂。本文的主要

3、目的是从出现的原因、条件、局限性和经济可行性 等方面对该工艺过程进行鉴定。为评价其可行性，参阅了相关的现存高炉 生产合金的资料。另外，出于原料和运行条件方面考虑，在巴西利用小高 炉生产含银铁锭也具有一定的可能。文中计算对比了高炉和电炉两种工艺 的成本，对这种工艺的可行性进行了论述。1引言含银1.58%的银铁锭能够利用高炉完成，超过这一含量水平的银铁合 金是通过电炉完成的，通常含镇水平在20%甚至更高。含银78%的银铁锭中次要元素为Si、P、Cr、Co含银物料在高炉内冶炼并不是什么新奇事物，实际上，反射炉也是同 期产物，但冶炼银铁合金的工艺过程主要还是由高炉完成的。第一座用于 生产银铁锭的高炉建

4、于19世纪，其后，随着电炉的出现，因为其具有更高 的适应性和生产效率，并且银铁品味得以提高，所以得到了推广。2006年以来，中国陆续出现了利用高炉生产银铁合金的工厂，这是因 为不断激增的不锈钢需求，由于不能购买到足够的含银富矿用于电炉生产 所导致的，所以他们采用了小高炉（300M3）用于低品位含镇矿物的冶炼。 生产出的不同品级的银铁应用在了不同品级不锈钢生产上。本文将对这一过程以及在世界不同区域内的实践进行可行性分析。2相关过程参数的依据为了对银铁锭生产进行技术和经济条件评价，考虑了不同的工艺参量 带来的影响，诸如原料、还原剂、能源利用以及其它投资、运行成本等经 济因素。2.1 工艺过程关键点

5、1)图1电炉遮弧操作对于电炉冶炼银铁工艺，遮弧操作替代了埋弧运行（如图在遮弧操作中，因为电极处于熔渣层，所以电极中的碳不能参与到还 原反应中来，过程中消耗的仅仅是还原剂（焦炭、木炭）。在这个过程中, 镇的选择性还原可以达到。高炉操作中，碳质还原剂来源于焦炭或木炭，它们既是还原剂也是热能来源，所以加入的还原剂必须过量。那么铁氧化物就会过还原，图 2就 是高炉运行状态。图2高炉运行状态中国冶炼银铁选择的200M3高炉利用热风升温，这种方式在巴西炼铁 工艺中非常普遍，这一方式具有投资成本较低的灵活性，在巴西的 Minas Gerais具有近七百万吨生铁的生产能力。2.2 原 料含镇红土矿遍布于世界各

6、地，图 3给出了红土矿矿床的分布断带。图中说明了适用于火法冶炼的矿物。图中根据矿物组分不同给出了不同的提取方法，其中两个主要的矿层 是腐泥土及其下部的褐铁矿层，两者因矿物学和化学成分的区别可采用不 同的工艺，且两者的矿层互为过渡。两种矿物类型的加工方式非常多，镁质硅酸盐型适合于火法冶炼，而 褐铁矿型更适用于湿法提取。贫矿的冶炼在技术上不成问题，但是会使能耗大大增加。这可以使铁 氧化物过还原来抵消消耗的增加，不过生产出的合金其镇含量会大大降低。 在这种情况下，可以用来生产含银的生铁。图3红土矿矿床剖面图Approximate assays。界由) otv basils ”NiCoFec皿MgCH

7、etnaimc overbiwden“Q80,1>50>1小.5Retnoved to stockpileLimomtf0.8 to1.50.1 to0240 to 502 Te 50.5 to 5'Tnm;巾。口 uiaterialL5toIS0 02 to0.125 ro40Ho25tol5Hydroiuetalhirz> or PTomtalhir,Altered peridotite - ih- nickel ores Enu-trire prolifeserpentineLS w 110 to 2515 to 35P)iom*talhyUnalrered p

8、eridoine ulica bedrock'0.250.01 to0.020 2 to 1为。4二Lefi ui 3nl因此，生产含银生铁与传统意义上的银铁相比具有更多的“自由” ，如 果矿物适宜，可以采用电炉和湿法工艺加工，如果矿物品质不足，那么采 用高炉生产含银生铁也不失为一种方式，当然，这取决于对于含银生铁的 市场需求状况。2.3 最终用途不锈钢产品表1列出了不同牌号的不锈钢组分。表1不同牌号不锈钢的组分构成Grades (AISI)C (max)MnCrNiNCu2010.155.50-6.5016-183.5-5.50.25 max2030.157.5-10.01M9406

9、90.25 max一204Po.1565-9.015.5-17.51.5-3.50.05-0.2512g.02050.1292514-15.516.5-18.0101750,32-0.40一304?082。max18.0 -20.08.0-10.5-生产300系列的不锈钢需要添加8%以上的银元素，而这些是需要从电 炉产品中获得的。200系列不锈钢自1930年诞生以来，在19401950年期间于美国发生 了很多改变，因为在那个历史阶段银资源短缺。这一系列产品因为其价格 较低，甚至比300系列不锈钢还受欢迎。建筑业中主要消耗的是200系列不锈钢产品，所以这一系列产品得到 了广泛的应用。在过去的几年

10、中，200系列不锈钢占有市场总量的10%。200 系列不锈钢中的银含量在 06%,那么，生产这种类型的产品，采用含银 生铁是完全可以的。2.4 参考价格为验证高炉冶炼银铁的可行性，考虑的是其过程基本稳定的前提，否 则按照实践条件考量会得出错误的结论。因此假定世界范围内的传统意义 上的银铁生产趋于平衡，银的价格在通常浮动区间内是稳定的。图 4是伦 敦金属交易所前十二个月银金属价格。从图上可以看出价格低谷阶段和回 归阶段，其低点和峰值都不是很好的参考点，但是分析不远的将来会有一 个相对平稳的趋势。考虑到图中的平均值，首先采纳了第一种假设方案。图4 2009年度伦敦金属交易所银价格趋势IX.nUS$

11、/ton 22000 - H000- 1000090008000700060005000 4000 3000 20。- 10000000 90008000- 24CI9/2008 23/11 /2008 22/01Z2009 23/03/2009 22>05)2009 21 /07/2009 19AJ9/2009Date3工艺过程模拟为鉴定高炉生产含银生铁能够和电炉相对比，利用两者运行过程中的 每一个典型条件中的质量和热平衡，根据热力学模型，对两者的工艺过程 进行了模拟。参考了图3中的矿层分布特性，当然这些矿体不是真实存在的，但是 其结构说明了分布范围。从矿物的本体，选择了两种冶炼工艺路

12、径。首先 模拟的是电炉生产工艺。3.1 传统的银铁生产（电炉工艺）采用的是RKEF工艺过程。这个过程选择了适宜的银含量， 也就是图3 当中最合适的硅酸盐、腐泥土和蛇纹石矿层。具体组分含量见表2。表2选择较深矿层的矿物组分NiCoFeCuSiO2MgOCr2OjMain layer2.5000:028137100.01029,77020,6000.70Limit layer1.8000:02820,0000.01035.00。18,000070表中的是煨烧后的组分含量。银铁冶炼步骤已知，这里不再叙述。工艺过程的主要特性如下： 采用遮弧工艺 添加的碳质还原剂复合矿物中 NiO含量，所产生的CO足以

13、保证氧 化物的还原 SiO2/MgO在1.41.9之间，FeO含量根据合金需要及能量消耗确定 许多其它因素也已经考虑，但上面提到的几点足以说明整个过程的特 性。含银合金中的银含量目标值是 30%,下限值是保证20%。还原剂采用 的是焦炭，碳含量85%,灰分8%。工艺过程模拟中采用了质量和热平衡的热化学模型，考虑到了传统的 镇铁冶炼运行状态及设备，模拟的物料是干燥烧结矿。根据合金和熔渣的特性，形成了物料平衡表。在表中，运行条件（烧 结矿温度、SiO2/MgO、合金组分）和热力学因素（金属与熔渣分离、平衡 条件和相互作用系数）不断的调整直到反应过程的结束。具体结果见表3c熔渣具有较高的熔点温度，可

14、在图 5中看出。模拟的结果以及当今主 要银铁冶炼的数据在图中已经做了标识，可以看出来，数据结果与实际工 厂运行相似，因此可确认模拟过程的有效性。主矿层物料电炉能量单位消耗是 11294KWH/t合金。之后使用的是褐 铁矿层的物料，这一结果见表4。因为FeO含量较高，所以熔渣的熔点温度比之前主矿层物料的熔渣温 度要低，这一点，从图5中可以看出。表3主矿层物料平衡表主要参数合金熔渣Kg/t 矿Kg/t矿合金Co0.26CoO0.02加 入Si0.18SiO247.68烧结矿100011686Fe69.64C2O31.09焦炭34398Cu0.14NiO0.51电极670Cr0.17MgO33.02

15、产 出Ni29.54FeO17.34合金861000P0.06CU2O0.00熔渣7018194系数1.83SiO2/ MgO1.44表4褐铁矿层物料平衡表主要参数合金熔渣Kg/t 矿Kg/t矿合金Co0.24CoO0.01加 入Si0.20SiO248.86烧结矿100010982Fe79.21Cr2O30.95焦炭43476Cu0.14NiO0.32电极666Cr0.16MgO25.15产 出Ni19.99FeO24.41合金911000P0.06CU2O0.00熔渣8048834系数220.58SiO2/ MgO1.94褐铁矿层物料模拟的能量消耗是 13888KWH/t合金从相图中可以看

16、出，计算的主矿层物料熔渣熔点温度在1670c左右，操作运行温度1700 C;褐铁矿的熔渣熔点温度是1470C,操作运行温度为1500Co3.2 高炉含银生铁的生产木炭高炉（200M3以上）在巴西已经运行了数十年，利用焦炭或者木炭 以及熔剂作为炉料添加，担负着铁矿烧结的工作。热风加热温度在700c以 上。这个环节中，高炉能量必须通过碳取得，这使得还原反应过程中铁氧 化物过还原，熔渣中的FeO含量很小甚至没有。通过两个主要因素能够判 定，首先是合金中的Ni/Fe比不能够调整改善，也就解释了高炉生产银铁含 银量很低的原因；再者就是熔渣中的FeO含量极低，熔渣的成分几乎都是硅酸物和氧化镁，如果没有富氧

17、喷吹，那么会导致很高的熔渣温度。然而, 添加石灰石熔剂能够降低熔渣温度。图5银铁熔渣相图考虑到图3的论述过程，任意矿层中的矿物都可能经高炉处理，也就 是富矿可以通过电炉或者是湿法工艺处理，贫矿交由高炉处理的观点。许多已经验证的观点是，高炉生产生铁处理的原料是赤铁矿。那么这 一观点下，矿物中如果含银将不被考虑在内，因为这样会造成资源浪费， 应该作为更高层面的资源加以利用。模拟早期高炉镇铁冶炼流程，具矿物 特性见表5。表5挑选的矿物化学组分NiCoFeCuSiO2MgOC2O3表土层0.80.06435.00.0144.03.00.70褐铁矿层1.60.06435.00.0138.010.00.7

18、0小高炉生产生铁的模拟过程由包含质量和能量平衡的程序执行。生产生铁的小高炉在巴西采用的燃料是木炭（碳 70%、灰分3%、水分 21%）,模拟过程同样采用这种方式进行。前文已经提及，几乎所有的铁和银都进入到金属相中，为了达到低熔点温度和熔渣顺行的目的，加入石灰石使 CaO+MgO/SiO2比值为0.8,投入 和产出由程序计算完成如表6。表6表层土生产含银生铁成分主要参数合金熔渣Kg/t矿合金Co0.13CoO0.00加入Si0.28SiO249.31烧结矿2760Fe93.71C2O31.03木炭1016Cu0.00NiO0.01石灰石2086Cr0.19MgO8.68产 出Ni2.19FeO1

19、.30合金1000P0.10CU2O0.00熔渣2450C3.50CaO/SiO20.80熔渣属于CaO-MgOSiO2三元系统，属假硅灰石范围。其组分特性 与小高炉相对较低的风温一致。模拟的褐铁矿型物料采用的是相同的程序以及运行条件、还原剂等。 其结果见表7。表7褐铁矿型物料生产含银生铁成分主要参数合金熔渣Kg/t矿合金Co0.18CaO33.21加入Si0.38SiO247.44烧结矿2760Fe90.17Cr2O31.15木炭1016Cu0.00NiO0.03石灰石2086Cr0.20MgO16.99产 出Ni6.01FeO0.93合金1000P0.15CU2O0.00熔渣2450C3.

20、00CaO/SiO20.80熔渣相态同样属于 CaO MgOSiO2三兀系统，属钙镁黄长石。图 6 展示了上述两种模拟情况下熔渣的位置。4模拟结果的评估模拟的参数肯定了小高炉生产含银生铁的可行性，并且生产出的产品 相对于传统的银铁冶炼方式具有一定的竞争力。从生产设施方面看，传统的生产工艺中包括电炉、矿物干燥和回转窑在产品精炼时需要钢包、吹氧转炉等。图6小高炉模拟熔渣相图（皿 I。 加 ，悔 的 即 幽 TV W 90 ME O owrbunlen layer l Unit I4er木炭小高炉设施非常简单，不需要干燥和烧结矿，而且木炭中的含硫 量极低，因此不需要脱硫用钢包。在巴西的实践生产中，有

21、很多冶炼生铁 的小高炉，可以改为生产含银生铁。小高炉和电炉各自的经营成本主要项目列于表8和表9当中。图4中的平均价格采用的是合理并能够接受的价格，核计银的价格是 $ 16000/to矿物的价格必须考虑到市场稳定性，甚至于冶炼厂的固定资产 也要考虑到计算当中。矿物价格随着银含量调整，参考的是非投机价格， 数据来源是伦敦金属交易所。矿物等级及支付溢价按照下列公式计算：矿物价格=金属交易所价格X银含量X （银含量X支付溢价）支付溢价是根据市场条件、银品味和矿物特性设定。表8电炉生产成本价格主矿层 Ni矿2.5%; Ni合金30%褐铁矿 Ni矿1.8%; Ni合金20%u/t合金$/u$ /t合金u/t合金$/u$ /t合金矿，t11.686100.001168.6010.98251.84569.30能量,kwh112940.083937.40138880.0831152.70电极，t0.07050035.000.06650033.00焦炭，t39825099.50476250119.00木炭，t1260266.70336.001260266.70336.00总计2576.502210.01