一种采用湿球入炉低温还原方式冶炼红土镍矿的方法

摘要

本发明属于镍铁生产领域，涉及一种采用湿球入炉低温还原方式冶炼红土镍矿的方法。其特征是生产过程采用了基于PLC控制的原料熔剂配料和上料的自动控制系统。采用负压操作、湿球入炉、降低还原区反应温度的方式冶炼镍铁，入炉球团水份在20～25％之间，球团矿强度为3kg～10kg/cm2。还原区冶炼温度1260℃～1380℃，能得到含镍大于13％粗镍生铁。优点是一是节省了烧结工艺环节，大幅降低生产成本。二是炉内形成负压操作，可控制大量的粉尘不能向外溢出，从而达到降尘除尘之目的，环保效果极佳，没有污染。

说明书

技术领域

本发明属于镍铁生产领域，涉及一种采用湿球入炉低温还原方式冶炼红土镍 矿的方法。

背景技术

红土镍矿的加工冶炼方法通常为三种，即火法工艺、湿法工艺和火湿法结合 工艺。而火法工艺中又分为电炉冶炼、高炉冶炼和竖炉冶炼。其中竖炉熔炼生产 镍铁其优点是投资小、能耗较低，适合生产规模小、电力供应困难以及氧化镍矿 含镍低的地区。但传统的竖炉法生产镍铁，镍的还原度低，环境污染严重。镍回 还原度低的原因通常是因为还原区温度过高，还原时间过长，熔炼过程中大量氧 化铁被还原，是造成镍铁中镍含量低的主要原因。环境污染严重时因为在常规竖 炉熔炼生产镍铁的过程中，为保证竖炉的透气性，而采用烧结后的球团入炉，这 样不但是加大了球团烧结成本，还会产生大量的烟尘，直接穿过料层排出炉外， 严重污染了环境。

发明内容

本发明目的是为了解决传统竖炉冶炼红土镍矿过程中镍的还原度低、坏境污 染重的问题。

一种采用湿球入炉低温还原方式冶炼红土镍矿的方法，其特征是采用负压操 作、湿球入炉、降低还原区反应温度的方式冶炼镍铁，具体步骤是：

1、将红土镍矿破碎至成10mm以下，先加入适量生石灰使其原矿水分降到 20～25％之间，然后再选取脱水后的红土镍矿为原料，加入0.04～0.05％的市售 烧结剂和1-5％的粘结剂，经过对辊压球机压成60mm左右的椭圆形球团矿，不经 烧结，直接入炉，球团矿强度为3kg～10kg/cm²。

2、将球团矿∶燃料∶熔剂∶木块按1∶0.2～0.28∶0.17～0.22∶0.1比例 投入富氧节能竖炉进行低温冶炼，冶炼时间180min～300min，冶炼温度1260℃～ 1380℃，得到含镍大于13％粗镍生铁，整个冶炼过程炉内均采用负压操作，负压 值在9.5～9.0Mpa。

所述红土镍矿中镍含量在1.52％～3.16％，铁含量9.58％～39.58。粗镍生铁 中：镍含量在13％～20wt％的Ni，铁含量在75％～82wt％。

不经烧结，不单是节约了烧结能源，更重要的是湿球在布料区内起到了过滤 烟尘的作用，大量烟尘在经过布料区时为湿球加热过程所产生的蒸汽所吸收，从 而降低了烟气中的烟尘含量，球团也在这一阶段得到了烧结烘干。

低温冶炼，是使得镍矿中的镍在还原区内先行得到还原，此时的冶炼温度又 不足以让镍矿中的铁充分还原就已经经过了还原区到了熔渣区。这就使得镍矿中 的铁多数都被带到熔渣中，使得已经还原的镍铁中的铁含量大为降低，镍含量的 比例从而大幅提高。

本发明的核心原理是利用镍优于铁还原的机理，在较低的还原温度计合理的 还原时间内还原出绝大多数的Ni和部分Fe，从而达到提高产品中镍的含量的目 的。冶炼过程的主要还原反应为：

NiO+C→Ni+CO↑T＝420℃    (1)

FeO+C→Fe+CO↑T＝650℃    (2)

Cr₂O₃+C→Cr+CO↑          (3)

SiO₂+C→Si+CO↑           (4)

由公式(1)、(2)可以看出Ni比Fe容易还原。

因为是湿球入炉，球团强度较低，如果炉料加入量过多，球团容易粉化。 为保证炉况的顺行，就必须对炉料中熔剂和镍矿原料的加入比例和加入量实施 严格的监控。因此本发明采用了基于PLC控制的原料熔剂配料和上料的自动控 制系统。

原料熔剂配料自动控制系统由检测单元、工控机、PLC控制单元、执行机构 部分四部分组成，内容包括1)红土镍矿成分、熔剂成分检测和冶炼前的即时在 线分析；2)熔剂配比计算及自动配料过程；3)熔剂配比计算的自我完善功能三 个部分

具体控制步骤为：

(1)、利用X荧光光谱仪在线检测料仓内的原料和熔剂的成分，并送到 PLC控制器，PLC又将这些检测值通过以太网传送到工控机；

(2)、利用在工控机里存储有根据工艺理论和经验编写的工程应用程 序，根据采集到的原料和溶剂成分值预算出原料和溶剂的配比和出渣的成 分值；

(3)、将预计算出的配比传给PLC控制器，同时工控机里将此化验成分 值和预计算的配比值及出渣的成分值形成一个关系表，便将其存储在数据 库里；

(4)、PLC控制器收到预计算的配比值后，将适时的控制相应的电动阀 动作，按预计算好的配比配料，同时PLC控制器将对加入的料自动定义批 次号进行跟踪；

(5)、步骤(4)所述批次的炉料经过一定的时间熔炼后出铁出渣，对 该批铁和渣自动取样，样品经冷却后自动送到在线检测仪分析其成分值， 样品化验成分值传输到到工控机；

(6)、工控机里的应用程序将按照批次号找出存储于计算机的预算配比值 和渣料成分值，将预算渣料成分值和实际值进行比较，参考此比较值，对原 料配比公式某些经验参数进行调整，以使下批次配比和渣料成分的预算值更 逼近实际值，并用更准确的预算值更新原先存储于数据库的值，以此往复直 至达到最佳配比。

上料的自动控制系统，包括小料仓、中间料仓、竖炉、料尺控制单元和自动 加料控制单元。小料仓、中间料仓和竖炉内均设有料尺控制单元。料尺控制单元 由卷扬机1，钢丝绳2，重锤3组成；自动加料控制单元由PLC控制单元4和人机 接口(HMI)5，传感器检测单元6，执行机构7组成。

料尺控制单元实现对炉内料的探测控制，卷扬机通过钢丝绳拉动重锤上下移 动。通常情况下，重锤由于自身重量落在炉料上与炉料紧紧接触，PLC向卷扬机 电机变频器输出向上转动的提升力矩M1作为力矩限幅值和向上的提升速度，连 接重锤和卷扬机的钢丝绳绷紧，重锤受到钢丝绳向上的提升力作用，但力矩M1 不足以克服重锤重力产生的力矩M3，重锤不会随提升力向上移动，相反，重锤 随着炉料下降仍然向下移动，并与炉料紧紧接触，此时装在卷扬机后的编码器即 可指示炉料的位置。当料尺检测到需向炉内加料时，向卷扬机电机变频器输出向 上转动的提升力矩M2作为力矩限幅值和向上的提升速度。力矩M2足以克服重 锤重力产生的力矩M3，重锤随着卷扬机的转动向上提升直到起始位。当重锤达 到起始位时即可向炉内加料。

自动加料控制单元分三部分，一部分实现对三个小料仓(矿石料仓8，焦炭 料仓9，石灰石料仓10)自动送料；二部分实现对由三个小料仓向中间大料仓 11加料；三部分实现由中间料仓向竖炉12内加料。三个小料仓的自动加料以料 仓下的传感器信号为依据，当称重仪检测某个小料仓内没料时，就会启动相应的 皮带机送料到小料仓，当传感器检测到小料仓装满料时停止皮带机送料。料尺检 测信号被实时送到PLC系统，料尺测量的料位值低与设定的某一极限位置时，PLC 由此产生加料信号，同时PLC里既定的顺控程序块将按照工艺要求判断出哪个小 料仓需向中间料仓加料，所需加的重量和配比由二级模型机给出。PLC由此输出 打开小料仓阀门控制信号，小料仓开始向中间料仓加料，在此过程中PLC会根据 程序里算出的所需加料值和中间料仓下的称重仪测量值实时比较，当两者之差小 于某一值时阀门关闭停止向中间料仓加料。同时PLC给出中间料仓向竖炉内加料 的控制信号，中间料仓下的阀门打开开始下料，当下料值达到程序设定值时阀门 关闭停止加料。

本发明的优点是

1、红土镍矿原矿直接入炉进行一步法生产，节省了烧结工艺环节，大幅降低 生产成本。

2、由于入炉球团矿含水分在25％左右，在炉内进行一步法生产，有大量的 水蒸汽蒸发，再加上炉内形成负压操作，可控制大量的粉尘不能向外溢出，从而 达到降尘除尘之目的，环保效果极佳，没有污染。

附图说明

图1为本发明竖炉自动上料系统结构图，

图中标号为：卷扬机1、钢丝绳2、重锤3PLC控制单元4、人机接口(HMI)5， 传感器检测单元6，执行机构7。执行机构7再通过线路连接矿石料仓8，焦炭 料仓9，石灰石料仓10，中间大料仓11，竖炉12。

具体实施方式

一种红上镍矿冶炼镍铁的方法，其特征是采用负压操作、湿球入炉，降低还 原区反应温度的方式，具体步骤是：

1、将红土镍矿破碎至成10mm以下，先加入适量生石灰使其原矿水分 降到20～25％之间，然后再选取脱水后的红土镍矿为原料，加入0.04～ 0.05％的市售烧结剂和1-5％的粘结剂，经过对辊压球机压成60mm左右的 椭圆形球团矿，不经烧结，直接入炉，球团矿强度为3kg～10kg/cm²。

2、将球团矿∶燃料∶熔剂∶木块按1∶0.2～0.28∶0.17～0.22∶0.1 比例投入富氧节能竖炉进行低温冶炼，冶炼时间180min～300min，冶炼 温度1260℃～1380℃，得到含镍大于13％粗镍生铁，整个冶炼过程炉内压 力均小于炉外压力。

本发明采用了基于PLC控制的原料熔剂配料和上料的自动控制系统。

原料熔剂配料自动控制系统由检测单元、工控机、PLC系统、执行机构 部分四部分组成，内容包括1)红土镍矿成分、熔剂成分检测和冶炼前的即 时在线分析；2)熔剂配比计算及自动配料过程；3)熔剂配比计算的自我完 善功能三个部分

具体控制步骤为：

(1)、利用X荧光光谱仪在线检测料仓内的原料和熔剂的成分，并送到PLC 系统控制器，PLC系统又将这些检测值通过以太网传送到工控机；

(2)、利用在工控机里存储有根据工艺理论和经验编写的工程应用程序，根 据采集到的原料和溶剂成分值预算出原料和溶剂的配比和出渣的成分值；

(3)、将预计算出的配比传给PLC系统控制器，同时工控机里将此化验 成分值和预计算的配比值及出渣的成分值形成一个关系表，便将其存储在数 据库里；

(4)、PLC系统控制器收到预计算的配比值后，将适时的控制相应的电动 阀动作，按预计算好的配比配料，同时PLC系统控制器将对加入的料自动定义 批次号进行跟踪；

(5)、步骤(4)所述批次的炉料经过一定的时间熔炼后出铁出渣，对该批 铁和渣自动取样，样品经冷却后自动送到在线检测仪分析其成分值，样品化验成 分值传输到到工控机；

(6)、工控机里的应用程序将按照批次号找出存储于计算机的预算配比值和 渣料成分值，将预算渣料成分值和实际值进行比较，参考此比较值，对原料配比 公式某些经验参数进行调整，以使下批次配比和渣料成分的预算值更逼近实际 值，并用更准确的预算值更新原先存储于数据库的值，以此往复直至达到最佳配 比。

上料的自动控制系统，包括小料仓、中间料仓、竖炉、料尺控制单元和自动 加料控制单元。小料仓、中间料仓和竖炉内均设有料尺控制单元。料尺控制单元 由卷扬机1，钢丝绳2，重锤3组成；自动加料控制单元由PLC系统4和人机接 口(HMI)5，传感器检测单元6，执行机构7组成。

料尺控制单元实现对炉内料的探测控制，卷扬机通过钢丝绳拉动重锤上下移 动。通常情况下，重锤由于自身重量落在炉料上与炉料紧紧接触，PLC系统向卷 扬机电机变频器输出向上转动的提升力矩M1作为力矩限幅值和向上的提升速 度，连接重锤和卷扬机的钢丝绳绷紧，重锤受到钢丝绳向上的提升力作用，但力 矩M1不足以克服重锤重力产生的力矩M3，重锤不会随提升力向上移动，相反， 重锤随着炉料下降仍然向下移动，并与炉料紧紧接触，此时装在卷扬机后的编码 器即可指示炉料的位置。当料尺检测到需向炉内加料时，向卷扬机电机变频器输 出向上转动的提升力矩M2作为力矩限幅值和向上的提升速度。力矩M2足以克 服重锤重力产生的力矩M3，重锤随着卷扬机的转动向上提升直到起始位。当重 锤达到起始位时即可向炉内加料。

自动加料控制单元分三部分，一部分实现对三个小料仓(矿石料仓8，焦炭 料仓9，石灰石料仓10)自动送料；二部分实现对由三个小料仓向中间大料仓 11加料；三部分实现由中间料仓向竖炉12内加料。三个小料仓的自动加料以料 仓下的传感器信号为依据，当称重仪检测某个小料仓内没料时，就会启动相应的 皮带机送料到小料仓，当传感器检测到小料仓装满料时停止皮带机送料。料尺检 测信号被实时送到PLC系统，料尺测量的料位值低与设定的某一极限位置时，PLC 系统由此产生加料信号，同时PLC系统里既定的顺控程序块将按照工艺要求判断 出哪个小料仓需向中间料仓加料，所需加的重量和配比由二级模型机给出。PLC 系统由此输出打开小料仓阀门控制信号，小料仓开始向中间料仓加料，在此过 程中PLC系统会根据程序里算出的所需加料值和中间料仓下的称重仪测量值实 时比较，当两者之差小于某一值时阀门关闭停止向中间料仓加料。同时PLC系统 给出中间料仓向竖炉内加料的控制信号，中间料仓下的阀门打开开始下料，当下 料值达到程序设定值时阀门关闭停止加料。