王樹(shù)清 馬曉東 馬永峰

(金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院， 甘肅 金川 737100)

金川鎳銅冶煉爐渣綜合利用研究綜述

王樹(shù)清 馬曉東 馬永峰

(金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院， 甘肅 金川 737100)

介紹了1987年以來(lái)金川鎳銅冶煉爐渣綜合利用研究的主要成果以及仍需解決的主要問(wèn)題。

鎳銅熔融渣; 合金鐵; 合金鋼; 微晶玻璃; 礦渣微粉

在中國(guó)的“鎳都”，金川公司目前每年排放鎳冶煉爐渣160萬(wàn)t、銅冶煉爐渣90萬(wàn)t。自1963年冶煉系統(tǒng)投產(chǎn)以來(lái)，至2012年底累計(jì)堆存鎳銅冶煉爐渣約3 300萬(wàn)t。在這些冶煉爐渣中，含F(xiàn)e 30%～50%、Ni 0.02%～0.5%、Cu 0.1%～1.0%、Co 0.0%～0.2%。在產(chǎn)生的160萬(wàn)t鎳冶煉渣中含有Ni 3 428 t、Cu 3 883 t、Co 1 510 t、Fe 675 783 t，如果Fe、Ni、Cu、Co分別按噸金屬0.1、12、4、30萬(wàn)元分別計(jì)價(jià)，則160萬(wàn)t鎳冶煉爐渣的潛在利用價(jià)值為16.95億元。

作為全國(guó)三大綜合利用基地之一的金川鎳礦，自1987年開(kāi)始正式對(duì)鎳銅冶煉爐渣的綜合利用進(jìn)行研究，金川公司聯(lián)合國(guó)內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)共同探索，隨著金川鎳銅冶煉爐渣綜合利用研究的持續(xù)深入，最終將會(huì)實(shí)現(xiàn)金川資源利用最大化和“吃干榨盡”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)，在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益和增強(qiáng)抵御市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)能力的同時(shí)，也將創(chuàng)造巨大的社會(huì)效益，可為全球有色冶金爐渣的綜合利用提供范例。

1 金川鎳銅冶煉爐渣的資源特點(diǎn)

1.1 爐渣來(lái)源

在“鎳都”金昌，金川鎳冶煉系統(tǒng)包括鎳閃速熔煉和鎳頂吹熔池熔煉兩大流程(見(jiàn)圖1)，金川銅冶煉系統(tǒng)為合成爐流程。鎳冶煉系統(tǒng)產(chǎn)出鎳閃速爐渣、鎳沉降爐渣和鎳貧化爐渣，銅冶煉系統(tǒng)產(chǎn)出合成爐渣。

圖1 金川鎳冶煉流程示意圖

1.2 爐渣組成與特點(diǎn)

金川鎳冶煉爐渣的主要成分是FeO、MgO和SiO2，次要成分是CaO、Fe3O4、Al2O3、Ni3S2、Cu2S、FeS、CoS等。金川鎳冶煉爐渣屬于FeO-MgO-SiO2三元渣系，其主要的礦物組成是2FeO·SiO2、FeO·SiO2和MgO·SiO2。

金川銅冶煉爐渣的主要成分是FeO和SiO2，次要成分是CaO、MgO、Fe3O4、Al2O3、Cu2S、FeS等。金川銅冶煉爐渣屬于FeO-Fe2O3-SiO2三元渣系，其主要的礦物組成是2FeO·SiO2，金川鎳銅冶煉爐渣的典型化學(xué)成分如表1所示。

表1 金川鎳銅冶煉爐渣的化學(xué)成分 單位：%

從金川鎳銅冶煉爐渣的組成可以發(fā)現(xiàn)，金川鎳銅冶煉爐渣為典型的“人造復(fù)合鐵礦”，不同于自然界的赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦、海砂鐵礦等。

金川冶煉渣雖含F(xiàn)e約40%，但要對(duì)其進(jìn)行綜合利用具有較大難度。首先，這種人造的硅酸鹽礦物無(wú)法用磁選等選礦方法進(jìn)行富集；其次Fe在渣中以硅酸鐵的形式存在，還原存在易產(chǎn)生泡沫渣、爐況控制困難、能耗高的問(wèn)題；同時(shí)渣中所含S是煉鋼過(guò)程中的有害元素；渣中Cu在還原過(guò)程會(huì)隨著Ni、Co一起進(jìn)入鐵水中，給后續(xù)產(chǎn)品的選擇帶來(lái)困難。由于這些問(wèn)題的存在，使得金川冶煉渣的綜合利用成為一個(gè)涉及專(zhuān)業(yè)多、技術(shù)難度高的重大科研課題。

2 歷年來(lái)金川鎳銅冶煉爐渣綜合利用研究的主要成果

為了突破金川鎳銅冶煉爐渣綜合利用的關(guān)鍵技術(shù)和裝備，達(dá)到技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)可行的目的，盡早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，金川公司從1987年就開(kāi)始先后與鋼鐵研究總院、鞍山熱能研究院、蘭州鋼廠、西安建筑科技大學(xué)、北京科技大學(xué)、瑞典皇家冶金研究院等單位進(jìn)行了聯(lián)合科技攻關(guān)，針對(duì)冷態(tài)爐渣和模擬熱態(tài)爐渣，開(kāi)展了電熱法、氧煤供熱法、電熱- 氧煤供熱聯(lián)合法、煤基直接還原法等工藝技術(shù)與裝備的研究。

在研究其利用的工藝上有別于自然鐵礦的處理工藝，即首先需要考慮如何將鎳銅冶煉爐渣所含2FeO·SiO2、FeO·SiO2中的FeO“置換”出來(lái)，然后進(jìn)一步還原成金屬鐵。

通過(guò)二十多年的不間斷研究，已基本確定了爐渣還原產(chǎn)出的“合金鐵”生產(chǎn)特種合金鋼、產(chǎn)出的二次渣生產(chǎn)水泥微粉、產(chǎn)出的煙氣用于余熱發(fā)電的綜合利用方向。

2.1 電加熱法模擬熱渣還原提鐵煉鋼

2.1.1 小型試驗(yàn)

1987年8月至1988年3月金川公司與鞍山熱能研究院合作，利用中頻爐采用電加熱噴粉還原工藝，在鞍山完成了100 kg規(guī)模的鎳冶煉渣提鐵試驗(yàn)和還原鐵煉鋼試驗(yàn)及提鐵后二次渣配制水泥的試驗(yàn)。

2.1.2 擴(kuò)大試驗(yàn)

在小型試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，1992年該項(xiàng)目列入國(guó)家“八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，進(jìn)行擴(kuò)大試驗(yàn)。金川公司、蘭州鋼鐵集團(tuán)公司和鞍山熱能研究院共同于1994年在蘭州鋼廠完成了利用電加熱法模擬熱渣還原提鐵試驗(yàn)、煉鋼試驗(yàn)和二次渣試制水泥等研究。利用這些還原鐵生產(chǎn)出了符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的耐候鋼，產(chǎn)出的二次渣補(bǔ)加氧化鋁生產(chǎn)出了符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的425#以上水泥。

金川鎳冶煉渣中含Ni 0.2%, Cu 0.1%, Co 0.07%,在提鐵過(guò)程中這些有益元素90%以上進(jìn)入生鐵，為充分利用這些元素，煉鋼試驗(yàn)選擇鋼號(hào)為12MnCuCrNi，該鋼種為焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼。

2.2 利用金川爐渣生產(chǎn)微晶玻璃研究

2004～2005年，金川公司與北京科技大學(xué)合作開(kāi)展了“利用金川冶煉渣生產(chǎn)鐵鎳合金及高檔微晶玻璃建材制品”的小型試驗(yàn)研究。

2.2.1 試驗(yàn)工藝簡(jiǎn)述

將閃速爐水淬渣與煤粉或焦炭、石灰配料充分混勻后加入提鐵爐中，通過(guò)電加熱將其加熱到1 400～1 550 ℃，并在此溫度下保溫30～150 min，使渣體及原料徹底熔化并充分均化，渣體中的鐵、鎳等組分被還原出來(lái)沉淀到熔體的底部，從而得到可作為煉鋼原料的生鐵；將渣鐵分離過(guò)程形成的提鐵后爐渣，即玻璃熔體排入澄清、均化池，進(jìn)行進(jìn)一步均化，之后將熔化、澄清好的玻璃液澆鑄在模具上，再進(jìn)入晶化爐中進(jìn)行晶化和退火處理，得到微晶玻璃[1]。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)論

利用高溫還原工藝，并保持還原溫度1 500～1 550 ℃，還原時(shí)間1～1.5 h，再次證明提取金川鎳冶煉渣中的Fe是可行的。Fe元素的回收率可達(dá)98%以上，還原出的生鐵樣品成分已達(dá)到煉鋼工藝對(duì)生鐵原料的成分要求(GB717—82)。

鎳冶煉渣中鐵的總體回收率達(dá)到98%，二次熔渣的含鐵量(微晶玻璃的原料)小于0.8%；分離出了符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(煉鋼生鐵產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) GB717—82)的生鐵；同時(shí)開(kāi)發(fā)出的5種顏色微晶玻璃建材制品小樣均達(dá)到了建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JC/T872—2000)的性能指標(biāo)。

2.3 金川公司對(duì)鎳銅冶煉渣綜合利用的研究工作簡(jiǎn)介

2008年初，金川公司成立了“金川鎳銅熔融渣還原提鐵生產(chǎn)合金鋼”項(xiàng)目組。在以前研究工作的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組和金川公司火法冶金研究所等單位共同于2008—2012年進(jìn)行了一系列研究，主要包括金川冶煉渣還原提鐵的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、80 kVA與1 250 kVA、630 kVA電弧爐鎳銅冶煉渣的提鐵試驗(yàn)、1 250 kVA電弧爐與中頻爐煉鋼試驗(yàn)，同時(shí)還利用金川公司內(nèi)部的各種資源進(jìn)行了鋼種研究及相關(guān)產(chǎn)品的試制，均取得了較好的結(jié)果。

2.3.1 金川鎳銅冶煉渣還原提鐵的研究工作

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)主要進(jìn)行不同坩堝材質(zhì)、不同還原劑種類(lèi)、不同還原劑配比及還原劑不同配入方式、不同石灰石配比等條件的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)論：

(1)在合理的還原劑、氧化鈣熔劑配比時(shí)，金川冶煉渣還原提鐵反應(yīng)溫度的合理控制范圍為1 450～1 550 ℃。

(2)金川冶煉渣還原提鐵的效果主要取決于碳質(zhì)還原劑與金川冶煉渣的接觸程度。

(3)反應(yīng)溫度越高，還原劑與石灰石和金川冶煉渣的接觸程度越好，金川冶煉渣的還原反應(yīng)就越劇烈，還原提鐵效果就越好。

(4)還原生鐵重熔實(shí)驗(yàn)表明在1 350～1 400 ℃時(shí)，生鐵熔融狀況良好，即金川冶煉渣還原提鐵的熔體排放溫度的合理控制范圍為1 350～1 400 ℃。

80 kVA電弧爐試驗(yàn)主要考察在20%的還原劑率、40%的石灰石率條件下，還原時(shí)間因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

另外進(jìn)行了630 kVA電弧爐和1 250 kVA電弧爐擴(kuò)大試驗(yàn)，電熱噴吹還原試驗(yàn)和氧煤供熱熔融還原試驗(yàn)。

2.3.2 金川鎳銅冶煉渣還原鐵生產(chǎn)鋼材的研究工作

以鎳冶煉渣“合金鐵”為原料，在3 t電弧爐上進(jìn)行吹氧降碳、造渣脫硫試驗(yàn)，得到含碳、硫較低的軟鋼。對(duì)電弧爐中脫硫超標(biāo)的軟鋼，在100 kg中頻爐上，采用爐內(nèi)與爐外加入Na2CO3鋼渣混沖脫硫方法，再次進(jìn)行脫硫試驗(yàn)，使軟鋼S成分達(dá)到要求。該軟鋼作為鐵原料，配料后用于冶煉鋼材產(chǎn)品。

在100 kg中頻感應(yīng)爐上，以鎳冶煉渣軟鋼為原料進(jìn)行了不銹鋼冶煉試驗(yàn)，并將冶煉產(chǎn)品用于試制S30400不銹鋼閥門(mén)和H08Cr26Ni21(SUSY310S)焊接用不銹鋼。

對(duì)成分合格的軟鋼鋼錠進(jìn)行鍛造與熱軋?jiān)囼?yàn)，得到盤(pán)圓，取樣檢測(cè)分析力學(xué)性能與金相組織。

以金川鎳冶煉渣軟鋼為原料，在100 kg中頻感應(yīng)爐上利用中頻感應(yīng)熔煉+水霧化噴粉工藝得到粉末冶金用水霧鐵合金粉FeNi10。

對(duì)鎳冶煉渣鋼盤(pán)圓取樣后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，得到其抗拉強(qiáng)度平均值為526.12 MPa，屈服強(qiáng)度平均值為374.62 MPa，延伸率21.41%，V型缺口沖擊功153.6 J。

根據(jù)所測(cè)力學(xué)性能，與焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4172—2000、高耐候結(jié)構(gòu)鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4171—2000、優(yōu)質(zhì)碳素鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 699—1999對(duì)比，金川鎳冶煉渣生產(chǎn)鋼材力學(xué)性能指標(biāo)接近牌號(hào)Q355NH、Q345GNH和35鋼，強(qiáng)度和塑性較好。

研究認(rèn)為，金川鎳冶煉渣的鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方向可以涵蓋低合金耐蝕鋼、含銅不銹鋼、焊接用不銹鋼、含銅不銹鋼鑄件和粉末冶金用水霧化預(yù)合金鋼粉產(chǎn)品。

3 存在的主要問(wèn)題及建議

(1)通過(guò)廣泛的研究和論證，目前要實(shí)現(xiàn)鎳銅冶煉渣資源化經(jīng)濟(jì)利用工程化存在爐渣提鐵工藝與設(shè)備可否達(dá)到“連續(xù)高效”和產(chǎn)品是否具有較廣泛的市場(chǎng)和較高的附加值兩大主要問(wèn)題。從1987年金川爐渣綜合利用試驗(yàn)以來(lái)，一直沒(méi)有進(jìn)行連續(xù)噴吹還原試驗(yàn)，因此，可否實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效噴吹還原熔融渣及能否取得二次渣含F(xiàn)e穩(wěn)定控制在5%以下的技術(shù)指標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)金川鎳銅冶煉爐渣還原提鐵生產(chǎn)合金鋼項(xiàng)目工程化的關(guān)鍵所在。

(2)由于金川鐵水的特殊性，要根據(jù)金川的實(shí)際情況和國(guó)內(nèi)定量的市場(chǎng)分析和預(yù)測(cè)確定鋼種、規(guī)格和產(chǎn)能，在突出產(chǎn)品重點(diǎn)，提高設(shè)備作業(yè)率方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

(3)針對(duì)金川鐵水特點(diǎn)，對(duì)殘余元素(如Cu、Ni、Co、Pb、Sn、As等)的作用與危害將深入研究，充分發(fā)揮殘余有益元素的作用，抑制有害元素的危害，將利用與稀釋相結(jié)合，產(chǎn)品品種與規(guī)模相結(jié)合，充分發(fā)揮金川鐵水的優(yōu)勢(shì)。

(4)針對(duì)金川鐵水還原與精煉的具體特點(diǎn)，應(yīng)研究開(kāi)發(fā)具有特色的新工藝，如金川鋼材裂紋敏感區(qū)研究、連鑄機(jī)的選型、精煉設(shè)備的匹配及流程的優(yōu)化等。

[1] 倪文，于曉霞，李克勤,等. 利用金川冶煉渣生產(chǎn)鐵鎳合金及高檔微晶玻璃建材制品試驗(yàn)研究[J].北京科技大學(xué),2005.

Research Overview of Jinchuan Nickel-copper Smelting Slag Comprehensive Utilization

WANG Shu-qing, MA Xiao-dong, MA Yong-feng

This paper introduces the main research achievements of Jinchuan nickel-copper smelting slag comprehensive utilization, as well as major issues remain to be resolved since 1987.

Jinchuan nickel-copper smelting slag; alloy iron; alloy steel; microcrystal glass； slag powder

2015-05-08

王樹(shù)清(1964—)，男，湖南雙峰人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要從事有色冶煉技術(shù)工作。

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1008-5122(2015)04-0047-03