镍铁冶炼主辅原料与产品介绍

主(辅)原料与产品教育训练教材一、红土镍矿1.1红土镍矿简介红土镍矿，又称为氧化型镍矿，是由含镍的岩石风化、浸淋、蚀变、富集而成，为铁、铝、硅等含水氧化物组成的疏松粘土状矿石；由于铁的氧化，矿石呈红色，所以被称为红土镍矿。红土型镍矿为地表风化壳型矿床，为含镍基性-超基性岩体的风化-淋滤-沉积产物。红土镍矿之镍含量品位，依据地层垂直深度上至下呈现”常态分布”趋势；如图一所示，含镍量由红土层到主矿层区呈现减高趋势(Ni≈0.8~1.5%)，深至半风化橄榄岩区(Saprolite)而达到最高(Ni≈4%)，再深至风化基岩层区(Ni≈0.3%)则呈下降趋势，而含铁量则呈反向趋势；其矿石粒度尺寸，从红土层区到岩床区呈现粒径渐大趋势。图一图一红土镍矿含镍量矿层分布1.2全球分布目前全球之红土镍矿分布，多数分布在赤道线南北30度以内的热带国家，集中于环太平洋的热带―亚热带地区；主要有美洲的古巴、巴西，东南亚的印度尼西亚、菲律宾，大洋洲的澳大利亚、新喀里多尼亚、巴布亚新几内亚等，如图二所示。全球已探明的镍储量约为1.6亿吨,其中主要以硫化镍矿和镍红土矿（也称红土镍矿）两种形式存在，其中硫化镍矿约占31%、镍红土矿大约69%，如图三所示；镍矿的开发利用则以硫化镍矿和镍红土矿为主，产镍量最高国家以加拿大、俄罗斯、澳大利亚、新喀里多尼亚、印度尼西亚、菲律宾、古巴、中国等。图二图二全球红土镍矿储量分布图三图三全球红土镍矿储/产量比例表二表二各煤种地质年代表图五图五煤碳主元素组成结构2.2世界及中国煤碳储量分布全球各大陆、大洋岛屿都有煤碳分布(如图六所示)，但煤碳在全球的分布很不均衡，各个国家煤碳的储量也很不相同；中国、美国、俄罗斯、德国是煤碳储量丰富的国家，也是世界上主要产煤国家；其中，中国是世界上煤产量最高的国家；中国的煤碳资源在世界居于前列，仅次于美国和俄罗斯。煤碳是地球上蕴藏量最丰富，分布地域最广的化石燃料。据世界能源委员会的评估，世界煤碳可采资源量达4．84×104亿吨标准煤，占世界化石燃料可采资源量的66．8%。中国煤碳资源丰富，除上海以外其它各省区均有分布，但分布极不均衡。在中国北方的大兴安岭-太行山、贺兰山之间的地区，地理范围包括煤碳资源量大于1000亿吨以上的内蒙古、山西、陕西、宁夏、甘肃、河南6省区的全部或大部份，是中国煤碳资源集中分布的地区，其资源量占全国煤碳资源量的50%左右，占中国北方地区煤碳资源量的55%以上。在中国南方，煤炭资源量主要集中于贵州、云南、四川三省，这三省煤碳资源量之和为3525.74亿吨，占中国南方煤碳资源量的91.47%；探明保有资源量也占中国南方探明保有资源量的90%以上。图六图六全球煤碳储量分布2.3煤碳的应用煤碳的用途十分广泛，可依据煤种特性及应用目的分为下述主要用途：冶金用煤：煤炭必须具有软熔性质；其要求产品(焦炭)需具有高强度、大粒度、低灰份、低磷硫等。可应用于高爐、铸造、非铁冶鍊、电石生产等，如图七所示。动力用煤：用于电厂发电，为目前使用之最大宗；要求低硫、低氮，如图八所示。高爐喷吹用煤：基本上類似动力用煤；但要求喷吹效率，煤种要求低灰、低硫、燃烧性佳、气体输送性好等。气化用煤：煤炭在高温下，通入氧气(或空气)和水蒸气生产CO、H2、CH4为主的可燃气体，为获得较高热值气体，以中高挥发煤种为主要原料。图八图八发电工业图七冶炼工业2.4煤碳的分类煤碳是世界上分布最广阔的化石能资源，主要分为烟煤和无烟煤、次烟煤和褐煤等四类。无烟煤：有粉状和小块状两种，呈黑色有金属光泽而发亮。杂质少，质地紧密，固定碳含量高，可达80%以上；挥发分含量低，在10%以下，燃点高，不易着火；但发热量高，刚燃烧时上火慢，火上来后比较大，火力强，火焰短，冒烟少，燃烧时间长，粘结性弱，燃烧时不易结渣；如图九所示。烟煤：一般为粒状、小块状，也有粉状的，多呈黑色而有光泽，质地细致，含挥发分30%以上，燃点不太高，较易点燃；含碳量与发热量较高，燃烧时上火快，火焰长，有大量黑烟，燃烧时间较长；大多数烟煤有粘性，燃烧时易结渣；如图十所示。次烟煤：挥发分含量较低的称做次烟煤；燃烧时火焰较长而有烟的煤，煤化程度较大的煤。外观呈灰黑色至黑色，粉末从棕色到黑色。由有光泽的和无光泽的部分互相集合合成层状，沥青、油脂、玻璃、金属等光泽均有，具明显的条带状、凸镜状构造。褐煤：多为块状，呈黑褐色，光泽暗，质地疏松；含挥发分40%左右，燃点低，容易着火，燃烧时上火快，火焰大，冒黑烟；含碳量与发热量较低（因产地煤级不同，发热量差异很大），燃烧时间短；如图十一所示。依据国际(ASTM)及中国对不同煤碳种类划分,依对应其各项成分含量差异,可分类如表三及表四所示。表三，由固定碳、挥发份、发热量以及外观形态区分；表四,则由挥发份、粘结指数、膨胀度等等项目区分。图九图九无烟煤外观图十图十烟煤外观图十一图十一褐煤外观表三ASTM表三ASTM煤种分类标准表表四表四中国煤种分类标准表煤碳之选用在生产制程设计使用之煤种类别，主要依据选用之煤种所产生还原性气氛能力(产生一氧化碳量)以及热值(发热量)，同时亦需考虑两者所产生黏结焦渣多寡，此将影响生产及设备后续维护成本；而以中国煤种种类区分，无烟煤(还原气氛)及烟煤(高发热值)之选用，使可符合生产制造过程中所需要还原性气氛及热值要求。表五所示,说明煤碳各项物/化性成份与特性对生产制程影响要因。表五表五煤碳成份影响要因表三、石灰石3.1石灰石简介石灰石在地质学上也叫灰岩，是一种在海洋环境中生成的，主要成份为碳酸钙(CaCO3)的沉积岩，成分纯净的石灰石是白色的；若含有其他杂质，如矿石褐铁矿和菱铁矿，则将使石灰石外观产生黄褐色的颜色。石灰石是一种含有单个方解石矿物成分的岩石，方解石成分占95%，其含有的另外少量矿物质有白云石、菱铁矿、石英、长石、云母以及能够体现石材颜色的粘土矿物质。石灰石可直接加工成石料和烧制成生石灰，进一步可熟化成熟石灰，如图十二所示；石灰依制程产物,区分为生石灰和熟石灰两种。生石灰的主要成分是CaO，一般呈块状，纯的为白色；当生石灰吸潮或加水就可成为消石灰，消石灰也叫熟石灰，它的主要成分是Ca(OH)2。熟石灰可经调配成石灰浆、石灰膏、石灰砂浆等，用作涂装材料和砖瓦粘合剂。图十二图十二石灰石制成生石灰及熟石灰程序3.2石灰石分布我国是世界上石灰岩矿资源丰富的国家之一。除上海、香港、澳门外，在各省、直辖市、自治区均有分布。据原国家建材局地质中心统计：全国石灰岩分布面积达43.8万km2，约占国土面积的1/20。其中能供做水泥原料的石灰岩资源量约占总资源量的1/4~1/3。根据近年的数据统计，我国已探明石灰石矿山1267个，远景储量742亿吨，可开采储量390亿吨，按现有水泥生产（全国生产水泥13.6亿吨，耗用石灰石约16.5亿吨）规模计算，仅可耗用约23.6年。3.3石灰石应用在现代工业中，石灰石是制造水泥、石灰、电石的主要原料，是冶金工业中不可缺少的熔剂灰岩，优质石灰石经超细粉磨后，被广泛应用于造纸、橡胶、油漆、涂料、医药、化妆品、饲料、密封、粘结、抛光等产品的制造中；在炼铁方面就是用石灰石来降低脉石和灰分的熔点，以生产低熔点的金属化合物，如表六所示。表六表六石灰石于工业上应用领域3.4冶金工艺上应用石灰石在冶金工业中之应用及市售上相应牌号，如表七所示，区分为普通石灰石与镁质石灰石，主要依据含CaO及MgO含量不同而做分类；在炼钢工艺上，以普通石灰石为制程中所需添加原料，有如石灰石于转炉中进行煅烧过程中而成高活性度之生石灰，此可使冶炼过程中降低熔炼温度，而达到能耗成本下降需求条件；另添加石灰石，亦可于炼钢制程中产生造渣料，以进行钢液中磷与硫元素脱除，如图十三及表八所示,为冶炼工艺相关反应式与组成影响要因。表七表七冶炼工艺使用之石灰石分类牌号图十三图十三石灰石添加于转卢反应式表八表八石灰石组成于炼钢工艺中影响要因四、含镍生铁4.1介绍早期不锈钢冶炼工艺,主要使用原料为废不锈钢与纯镍及其他合金，近年由于原料成本快速上升，致使生产原料逐渐转向使用”含镍生铁”作为生产不锈钢产品主力原料，也使的众所皆知的炼钢一贯化作业，为炼钢→热轧→冷轧工序，已向上推展至原料生产(含镍生铁)→炼钢→热轧→冷轧工序，使得生产成本与产品更具竞争性。生铁是含碳量大于2%的铁碳合金，工业生铁含碳量一般在2.5%~4%，并含C、Si、Mn、S、P等元素；而含镍之生铁中镍含量一般小于15%，然而依据制造工艺的不同，当其含镍量≧15%时,则称为含镍基料，即是镍含量大于或等于15%（质量分数）小于80%的铁和镍的合金。镍铁主要成分为镍与铁，同时还含有Cr、Si、S、P、C等杂质元素，如图十四所示。含镍生铁是一种中间合金，其生产需使用之主要原料为红土镍矿、煤炭(烟煤及无烟煤)、石灰石或萤石。目前国内生产含镍生铁工艺主流为回转窑匹配矿热炉(合称RKER工艺)之生产设备。如图十五所示，为生产含镍生铁工艺简易流程。图十图十四含镍生铁产品外观图图十五含镍生铁生产简易工艺流程 4.2应用含镍合金，是近年冶炼生产高质量不锈钢产品所需广泛应用原料。全球约2/3的镍合金原料用于不锈钢生产，因此不锈钢行业对镍消费的影响位居第一位；由于环保意识高涨，绿色材料备受重视，耐蚀性强、维护费用低且100%可回收的锈钢市最佳选择；2012年，中国内地不锈钢产量约有3000~4000万吨，其中70%~80%使用于内地各式各样之生活上用品，如图十六所示。不锈钢无毒无害、外表光洁、加工性佳等特性，已被大量使用于食品工业、餐厨具、医疗以及饮用水领域，进一步亦应用于各项重大公共建设工程中，如图十七所示。镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构，进而发展含镍量不同之各系列产品。在不锈钢中增加镍的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构，从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性，所以镍被称为奥氏体形成元素；200系列不锈钢直接可以用低品位的镍铁，300系列不锈钢则用品位在8%以上的镍铁，因此生产8%以上含镍生铁产品是众多镍铁厂设计之生产工艺主要目的。图十图十六不锈钢制生活用品图十图十七不锈钢产品比例分布4.2分类含镍生铁一般按照品位即镍含量进行分类，国内常用的分类方法是根据冶炼的设备分为高炉含镍生铁和电炉含镍生铁，其中高炉生产品味一般较低，大多含镍8%以下，而电炉生产之含镍生铁一般含镍8%以上。根据国家标准（GB/T28296-2012）含镍生铁按镍含量不同，分为十二个牌号，每个牌号根据其杂质含量分为两个等级，如表九所示。另外，