CN105829552A

CN105829552A - 利用在镍铁合金工艺中产生的粉尘的方法以及通过该方法生产的烧结球团

Info

Publication number: CN105829552A
Application number: CN201480070250.0A
Authority: CN
Inventors: H·克罗格鲁斯; P·马克拉; V·吉维尼恩
Original assignee: Outotec Oyj
Current assignee: Metso Outotec Oyj
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2016-08-03
Also published as: CA2933164C; KR20160090358A; EP3084018A1; EA201691001A1; BR112016013372B1; EP3084018B1; FI126718B; CA2933164A1; KR101923287B1; PH12016501077A1; EA032170B1; WO2015092132A1

Abstract

为了利用在镍铁合金工艺中产生的粉尘和粉矿，由粉尘和细散矿石材料生产了造球进料。将该造球进料造球以生产在钢带烧结炉中烧结的生球团，该钢带烧结炉包括用于该球团的干燥、加热、烧结和冷却的一个或多个区。可以将烧结球团供给至回转窑用于镍和铁的预还原。可选地，可以将该球团与接收自回转窑的预还原的红土矿石一起供给至镍铁合金熔炼炉。确定了用于镍铁合金粉尘球团的烧结的优化条件。

Description

利用在镍铁合金工艺中产生的粉尘的方法以及通过该方法生产的烧结球团

发明领域

本发明涉及一种利用在镍铁合金工艺中产生的粉尘的方法。本发明还涉及由该方法生产的烧结球团。

背景技术

在镍铁合金工艺中用作主要矿物原料的含镍红土矿石在特性上是易碎的且多尘的。红土的镍含量通常是在0.95和3w-％之间。因此，在镍铁合金工艺中需要处理大量矿石材料。在熔炼中的熔渣与金属比是高的，通常甚至超过10。由此，镍铁合金工艺的电耗是高的。

红土矿石包含大量不同类型的挥发化合物，一般来说超过10w-％。挥发化合物之一是针铁矿，其结构还包含镍以及Mg和(Mg,Al)的水合硅酸盐。镍还可存在于该镁硅酸盐中。进一步地，取决于矿床位置，红土矿石还包含10-20w-％的水分。

该镍铁合金工艺起始于矿石的粉碎和筛选，其中生产出连接被细分散的矿石粉尘。如今，这个粉尘主要存储成堆，且在该镍铁合金工艺中仅有小部分粉尘被利用。

将粉碎和筛选的矿石首先供给到干燥滚筒中，在其中去除了部分矿石的含水量。此时，生产了少量湿粉尘。目前，湿粉尘的利用是困难的且是无效率的。

将该矿石从该干燥滚筒供给到回转窑，在其中发生矿石的最终干燥和煅烧以及镍和铁的预还原。由于矿石的高碎散倾向，在这个阶段从矿石产生了大量细散的材料和粉尘。

从该回转窑中去除的细散材料的量通常超过供给到该回转窑的矿石的重量的20％。来自回转窑的粉尘首先在干式旋流器中然后在湿式洗涤器中分离。

旋流器粉尘和洗涤器粉尘的颗粒尺寸都非常小，通常小于50μm。由于粉尘颗粒的高孔隙率，该粉尘的比表面积是高的。

在该镍铁合金工艺中所产生的粉尘的量是大的，且该粉尘中的镍含量比原始矿石中的镍含量高，因为粉尘大部分被煅烧。该粉尘还包含来自煤的碳，煤已被用作回转窑中的还原剂。大量镍与这些粉尘结合。目前，由于在粉尘处理中的一些困难，与这些粉尘结合的镍的利用处于非常低的水平。

目的

本方法的目的是消除或至少减少现有技术的问题。

更确切地说，本方法的目的是提供一种利用在镍铁合金工艺中形成的含镍粉尘的新方法。

概述

更确切地说，现在提出的方法包括由镍铁合金工艺的粉尘和由具有小于3mm的颗粒尺寸的细散的红土矿石来生产造球进料，之后将该造球进料造球以生产生球团。在钢带烧结炉中烧结该生球团，以生产烧结球团。该钢带烧结炉包括用于干燥、加热、烧结和冷却该球团的一个或多个区。最后，将该烧结球团供给到回转窑用于镍和铁的预还原，或者与接收自回转窑的预还原的红土矿石一起供给到镍铁合金熔炼炉。

可以采用奥图泰(Outotec)的钢带烧结(SBS)工艺来烧结。

根据一个实施方案，该细散的红土矿石的颗粒尺寸小于2mm。

根据一个实施方案，可以将来自干式旋流清洁器的粉尘和/或来自湿式洗涤器的粉尘引入该造球进料中。

根据一个实施方案，引入该造球进料的细散的红土矿石的量是该造球进料重量的0.1-50％，优选1-45％、更优选5-40％。基于所进行的测试(本文以下描述的)，看上去细散红土矿石(粉碎矿石)的加入明确改进了该球团的强度值。通过加入至少少量的细散红土矿石，似乎更容易从含镍的工艺粉尘生产耐久的球团。

根据一个实施方案，将膨润土以该造球进料重量的0.1-2％、或可选0.1-1.5％、优选0.5-1.2％的量加入该造球进料。基于所进行的测试(本文以下描述的)，看上去膨润土的加入改进了球团的强度。

根据一个实施方案，供入该钢带烧结炉的干燥区中的干燥气体的温度是100-500℃，且在该干燥区中的停留时间是10-15分钟。可选地，供入该钢带烧结炉的干燥区中的干燥气体的温度可以是250-420℃，且在该干燥区中的停留时间可以是10-12分钟。还可以采用300-420℃的温度。

根据一个实施方案，供入该钢带烧结炉的加热区中的加热气体的温度是1000-1300℃，且在该加热区中的停留时间是8-15分钟。可选地，供入该钢带烧结炉的加热区中的加热气体的温度可以是1100-1200℃，且在该加热区中的停留时间可以是9-11分钟。

根据一个实施方案，供入该钢带烧结炉的烧结区中的烧结气体的温度是1150-1350℃，且在该烧结区中的停留时间是10-16分钟。可选地，供入该钢带烧结炉的烧结区中的烧结气体的温度可以是1200-1250℃，且在该烧结区中的停留时间可以是10-16分钟。

根据一个实施方案，该烧结区中的料床的温度在1300-1500℃的范围中。可选地，该烧结区中的料床的温度可以在1360-1400℃的范围中。

通过本文提出的方法所生产的烧结的含镍球团可以具有甚至高于2％、在一些情况中高于4％的镍含量。该烧结球团的Fe/Ni比率可以低于10.0，优选低于5。可选地，该烧结球团的Fe/Ni比率可以低于5.0，优选低于4.8。该球团的表观孔隙率可以是20-40％、或20-35％、优选25-30％。

由在镍铁合金工艺中产生的粉尘和矿石粉生产烧结球团使得能更有效地利用早期已被存储成堆的废料材料。

可以在熔炼之前将烧结球团供给到回转窑以预还原。可选地，可以将烧结球团与接收自回转窑的预还原的红土矿石一起送去熔炼。

该新方法使得能成本有效地利用之前已被存储成堆的镍铁合金粉尘。

该方法是环保的，其使得废料材料(在镍铁合金工艺中产生的粉尘)的利用和再循环成为可能。

详细说明

红土矿石是非常易碎的，且在其处理过程中形成大量粉和粉尘。这些细粉和粉尘中的镍的量是显著的且有价值的。在实验室和中试规模中阐明了粉矿和粉尘的混合物的造球和烧结。采用模拟真实工艺的造球盘和分批处理反应器(某些类型的坩埚炉)来研究造球和烧结。该目标是采用用于烧结球团的钢带烧结机。规定在钢带烧结机的不同区中的温度曲线和停留时间，以获得适用于熔炼的烧结球团。

在第一组实验中，以不同的比例采用仅来自干式旋流清洁器和湿式洗涤器的粉尘作为原料。在第二组实验中，将干粉尘和湿粉尘与细散矿石以不同比例混合。将具有小于2mm的颗粒尺寸的细散矿石以至多50w-％的量加入混合物。可以采用具有小于3mm的颗粒尺寸的细散矿石作为备选。在本文所显示的一些测试结果中，将具有小于2mm的颗粒尺寸的细散矿石以30w-％的量加入混合物。

在测试中所采用的原料的化学分析显示在表1中。干式旋流器粉和湿式洗涤器泥渣的组成是非常相似的。旋流器粉和洗涤器泥渣二者都包含比红土矿石更多的镍和总铁(Fe_tot)。粉尘中的烧损(L.O.I.)和含水量低于红土矿石中的烧损和含水量。

表1矿石和粉尘的化学分析

将矿石粉碎并筛选以达到小于2mm的颗粒尺寸。该旋流器粉尘和洗涤器泥渣的晶粒尺寸分别是小于50μm和小于44μm。从回转窑的气体清洁接收该粉尘。

将膨润土作为粘结剂加入该造球进料中。膨润土的量是该进料的干重量的0.1-1.0％。取决于该粉尘的碳含量，加入该造球进料的焦炭或其它含碳材料的量是0-2％。

该湿球团的含水量是19-21％，这是由所生产的球团的非常细的晶粒尺寸和高的孔隙率所致。该湿球团的冷抗压强度是1.3-2.0kg/12mm直径的球团。冷抗压强度通常是指当球团冷却时(即，当其是室温(例如16℃、20℃或24℃)时)的抗压强度。在干燥后，该生球团的冷抗压强度是4-12kg/12mm直径的球团。该生球团对于烧结而言是足够强的。

在模拟钢带烧结设备中进行生球团的烧结。基于烧结进料的组成和所得到的产品的性能来调节工艺参数。

在产物床(productbed)的不同部分中，烧结球团的抗压强度在80-210kg/球团的范围中。该球团的直径略小于12mm，因为由于生球团的高孔隙率，该球团被略微压缩。

烧结球团的化学分析结果显示在表2中。烧结球团的镍含量超过4w-％。铁(Fe_tot)主要以Fe³⁺存在。Fe/Ni比率最佳是约4.6。

在该钢带烧结设备中，在干燥阶段中的气体温度是250-420℃。由于该球团的高含水量，在干燥阶段中的停留时间是10-12分钟。

表2烧结球团的化学分析

供入加热阶段的加热气体的温度是1100-1200℃。在该加热阶段中的停留时间是9-11分钟。在该加热阶段中可以达到在1270和1370℃之间的产物床温度，这取决于该进料的组成和存在的可燃煤的量。

供入烧结阶段的烧结气体的温度是1200-1250℃。在该烧结阶段中的停留时间是10-16分钟。在测试期间，该床的温度在1360和1400℃之间，其中生产了良好品质的球团。

烧结球团是高度多孔的。该球团的表观孔隙率在25-30％的范围中，这是为何球团的可还原性良好的原因。在于800℃下、在混合物中具有CO气体和5％的焦炭时进行的预还原测试中，镍金属化的程度超过60％，且铁金属化的程度超过40％。

该球团的耐磨性高得足以经受回转窑中的进一步处理并随后熔炼，或仅经受与接收自回转窑的预还原的红土矿石一起的熔炼。

为了获得对于该工艺的效果和功能的更好的理解，进行了中试规模的造球和烧结测试。以下阐释了该测试的说明。这些测试结果证实了该工艺的功能，且给出了用于商业规模工艺的设计的真实基础。

进行了批料造球测试。批料造球测试的目的是研究三种不同材料的混合物及其混合物的造球性质。该测试材料的化学分析已如表1显示在本文中。

在具有2.0m直径和0.30m深度的盘上进行造球。该盘的最大转速是20rpm。在一些测试中，将经研磨的红土矿石和粉尘与粘结剂和细焦炭混合。混合时间是10分钟。在一些测试中，将少量水加入该混合物中。

将批料手动供给至该盘上。根据该球团的形成，采用水喷雾器润湿该造球进料。造球时间是约50-60分钟。所需的球团尺寸(即球团的直径)是12mm。根据该球团的形成来调节该盘的转速。

通过测量该生球团和干燥球团的冷抗压强度来确定该生球团的品质。还测量了该生球团的含水量。

采用在表1中所示的批料烧结***来进行批料烧结测试，该批料烧结***包括气体(例如丁烷)燃烧器21、烧或燃烧室22、烧结反应器28和气路23。该气路23配备有水冷阀24，以用于引导燃烧气体至反应器28，且引导尾气(或排出气体)通过气路27至气体清洁***(图中未示出)。25是用于控制气体温度的额外空气的进口。

通过自动过程控制***来持续控制烧结工艺。该反应器28包括金属格栅26，且用耐火材料和隔绝可浇注混合料衬里。

图1显示了安装在该球团床内侧以在烧结工艺期间测量温度的多个热电偶的位置。3和11表示进料气体的热电偶，4、5、7、12和13表示球团床的热电偶，8表示保护层的热电偶，9表示格栅的热电偶，且10表示尾气的热电偶。在该批料烧结测试中，测量了在烧结期间在球团床内侧的温度曲线。这些值给出了烧结温度的信息。此外，在测试期间，从烧结反应器的上部朝向下部，存在压降。

取决于工艺阶段，用空气或用氧富集来燃烧丁烷气体。该批料烧结工艺包括以下阶段：i.用燃烧气体干燥；ii.用利用氧富集的燃烧气体加热；iii.用利用氧富集的燃烧气体烧结；和iv.用空气冷却。

对于每个区，预先选定气体的量和停留时间。通过丁烷的量、空气比率和氧富集来控制燃烧气体的温度。燃烧气体从上方进入反应器。将冷却空气5从上方送入反应器中。将潮湿的球团(由图1附图标记29所表示的区域)装到反应器中，在铬铁矿烧结球团的底层(保护层，由附图标记30表示)上。潮湿的球团的重量是约15-18kg。

在完成程序后，将该烧结球团从该反应器排出，且冷却该***(至室温)。对于实验室测试，将烧结球团床分隔为3个不同部分(上层、中层和下层)。在每次测试后改变底层。

在测试中所采用的原料的化学分析显示在表1中。如表1中所示，旋流器粉尘和洗涤器浆料的镍含量明确高于矿石的镍含量。粉尘几乎被完全煅烧，且因此其镍含量是高的。

在一些测试中，采用膨润土作为粘结材料。表3显示了在该测试中使用的膨润土的化学分析。

表3膨润土的化学分析。

在中试批料烧结测试中所采用的细焦炭的化学分析显示在表4中。

表4细焦炭的化学分析。

表5显示了Ni红土矿石的筛选尺寸。

原始矿石样品的晶粒尺寸低于25mm，且平均晶粒尺寸是约5mm。粉碎的矿石的晶粒尺寸小于2.38mm，且其包含51.5w-％的小于74μm。

两种粉尘都非常细，且对于旋流器粉尘，测得的比表面积是16.14m²/g，对于洗涤器浆料，测得的比表面积是35.05m²/g。旋流器粉尘的晶粒尺寸是小于50μm且平均尺寸为15μm，且洗涤器浆料的晶粒尺寸和平均尺寸相应地是44μm和4.6μm。

表5矿石的筛选分析。

用于造球和烧结的细焦炭的筛选分析如下：

41％-74μm

25％-37μm

膨润土的晶粒尺寸低于40μm。

在表6中呈现了测试材料的主相。

表6测试材料的主相

该矿石的晶粒结构是疏松的且呈现大量破裂。该晶粒还包含不同的相。因此，其抵抗磨损不耐久，且可以预期在回转窑中形成大量粉尘。

该矿石的微结构主要由不同的硅酸盐和铁氧化物构成。该粉尘包含不同的煅烧的镁硅酸盐、二氧化硅、磁铁矿和赤铁矿。在该粉尘中镍表现为镍磁铁矿。

表7显示了所测试的批料以及湿球团的含水量。可以看到，在一些批料中，将约30％的细散红土矿石加入该造球进料。

表7测试的批料组成。

首先，在实验室中进行造球测试，但是该生球团的强度过低。用位于中试工厂中的更大的盘来进行一些造球测试。采用更大的盘，更容易制造致密的且符合要求的强度的球团。当将非常轻且细的材料造球时，这种效果是常见的。在表8中呈现了该造球球团(更大的盘)的进料混合物和平均强度(湿强度和干强度)。在这些测试中的膨润土的量是1％，且在混合器中的预润湿程度是5％。

表8球团的批料组成、含水量以及湿强度和干强度。

其中

1)将矿石粉碎至-2mm

2)当球团的直径是12mm时，则F₁₂＝(12²/D²)*F_b

其中

D＝所测量的球团的直径

F_b＝所测量的球团的抗压强度

在所选择的测试中的球团的湿强度和干强度对于烧结工艺而言是足够高的。看上去，膨润土的加入改进了球团的强度。粉碎的矿石的加入(约30％)明确改进了该球团的强度值。在粉尘的造球中的含水量是约20％。

在表9中呈现了所选择的测试中的烧结球团的冷抗压强度(成比例于12mm直径)。

表9烧结球团的冷抗压强度。

测试编号	强度，kg/球团
		17	165
18	279
		21	138
22	160

当工艺参数为所期望的值时，在许多测试中烧结球团的强度是良好的。对于细粉尘和对于具有较粗的粉碎的红土矿石的粉尘二者而言，强度是良好的。在遍及球团床(竖直的)的批料的中央区域中形成了良好品质的球团。靠近壁，由于比在中央区域中低约100℃的温度，球团未充分反应。这是因为在分批处理反应器中不规则的径向温度曲线。然而，在连续工艺(例如奥图泰的钢带烧结(SBS)工艺)中，在边缘区域的温度与中央区域温度非常一致，且由此不应具有测试反应器的缺陷。

在一些测试中，还向进料混合物加入细焦炭，且其导致金属性镍形成。之后，还原气体从球团喷出(erupt)，且引起粉碎。在测试后，还注意到在球团表面上的熔融相。在注意到这些现象之后，未向该进料混合物中进一步加入焦炭。

这两种所选择的批料的化学分析良好表征了该烧结球团的品质。在表10中以w-％呈现了值。

应注意到，挥发成分(即L.O.I(此处，氢氧化物))分解并从球团中去除。在这些测试中，铁被良好氧化，约90％的铁是三价铁的形式。

表10烧结球团的化学分析，

与原生红土矿石相比，该球团的多孔结构提高了镍和铁的可还原性。看起来镍是在铁素体晶粒中或在镁橄榄石中。一些铁素体颗粒是富镍的。该铁素体在多个点包含大量铬。

烧结粉尘球团的磨损测试导致相当大量的具有小于0.59mm的尺寸的粉尘。这个结果不令人惊奇，因为早先已提到在该床中的不规则温度分布，且由此这不应是连续工艺中的问题。来自该球团床的中央区域的球团具有良好的耐磨性，其对应于在商业规模中的情况。

表11中呈现了该烧结球团的一些物理值(孔隙率和密度)。

表11烧结球团的表观孔隙率和密度。

该表观孔隙率值是高的，且其促进高还原。

在竖式管式炉中进行该烧结球团的预还原测试，其中采用焦炭和CO气体作为还原剂。这个管式炉模拟了竖直的预还原容器。该炉配备有格栅，且气体向上流过球团床。在该床的内侧，在距该炉顶部不同的高度处安装了三个热元件。

将该炉加热两个小时以达到800℃，且在这个温度保持两个小时。之后将惰性气体导入该炉中，且切断加热电流。

烧结球团是高度多孔的。该球团的表观孔隙率在25-30％的范围中，这是为何球团的可还原性良好的原因。

在于800℃下、在混合物中具有CO气体和5％的焦炭时进行的预还原测试中，镍金属化的程度是超过60％，且铁金属化的程度是超过40％。

通过优化条件可以提高还原率。该预还原球团的结构对于后续处理而言是足够致密的，且该碎裂是小的。

在利用图1所示设备的测试中，在干燥区中12分钟的停留时间对于这些湿球团而言是足够长的，而没有任何碎裂。在预加热中的停留时间是9-10.5分钟，特别在烧结中是12-15分钟，且这些还根据测试结果和视觉观察而改变。

发现最大420-440℃的进料气体温度适用于干燥该球团。还干燥了在新鲜球团和底部球团之间的边界层。

在预热区中的最大进料气体温度是1130-1190℃，这取决于停留时间。之后该上部床的最大温度是1300℃-1370℃。该床中部的最大温度是1270-1370℃。该边界层的温度是1270℃-1330℃。

在该烧结区中的最大进料气体温度是1200-1230℃。之后，该上部床的最大温度是1370-1400℃。该床中部的最大温度是1360-1380℃。该边界层的温度是1360-1370℃。

在真实的连续工艺中，还可以采用本文中已提到的其它值(除了在测试中所采用的值外)。

对于本领域技术人员而言显而易见的是，随着技术的进展，可以以各种方式实施本文所呈现的方法的基本构思。因此，该方法及其实施方案不局限于以上所描述的实施例；反而，该方法可以在权利要求书的范围内变化。

Claims

1.一种利用在镍铁合金工艺中产生的粉尘的方法，包括步骤：

-由该镍铁合金工艺的粉尘生产造球进料，

-将该造球进料造球以生产生球团，和

-烧结该生球团，

特征在于

-将具有小于3mm的颗粒尺寸的细散红土矿石引入该造球进料中，

-在钢带烧结炉中烧结该生球团以生产烧结球团，该钢带烧结炉包括用于该球团的干燥、加热、烧结和冷却的一个或多个区，以及

-将该烧结球团供给至回转窑用于镍和铁的预还原，或者与接收自回转窑的预还原的红土矿石一起供给至镍铁合金熔炼炉。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该细散红土矿石的颗粒尺寸小于2mm。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中将来自干式旋流清洁器的粉尘和/或来自湿式洗涤器的泥渣引入该造球进料中。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中该细散红土矿石的量是该造球进料重量的0.1-50％、优选1-45％、更优选5-40％。

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其中将膨润土以该造球进料重量的0.1-2％、优选0.5-1.2％的量加入该造球进料。

6.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其中将膨润土以该造球进料重量的0.1-1.5％、优选0.5-1.2％的量加入该造球进料。

7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其中供入该干燥区的干燥气体的温度是100-500℃，且在该干燥区中的停留时间是10-15分钟。

8.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其中供入该干燥区的干燥气体的温度是250-420℃，且在该干燥区中的停留时间是10-12分钟。

9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其中供入该加热区的加热气体的温度是1000-1300℃，且在该加热区中的停留时间是8-15分钟。

10.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其中供入该加热区的加热气体的温度是1100-1200℃，且在该加热区中的停留时间是9-11分钟。

11.根据权利要求1至10任一项所述的方法，其中供入该烧结区的烧结气体的温度是1150-1350℃，且在该烧结区中的停留时间是10-16分钟。

12.根据权利要求1至10任一项所述的方法，其中供入该烧结区的烧结气体的温度是1200-1250℃，且在该烧结区中的停留时间是10-16分钟。

13.根据权利要求1至12任一项所述的方法，其中在该烧结区中的产物床的温度在1300-1500℃的范围中。

14.根据权利要求1至12任一项所述的方法，其中在该烧结区中的产物床的温度在1360-1400℃的范围中。

15.烧结球团，其通过根据权利要求1至14任一项所述的方法由镍铁合金工艺的粉尘生产，特征在于该球团具有高于2％的镍含量。

16.烧结球团，其通过根据权利要求1至14任一项所述的方法由镍铁合金工艺的粉尘生产，特征在于该球团具有高于4％的镍含量。

17.根据权利要求15或16所述的烧结球团，具有低于10.0、优选低于5的Fe/Ni比率。

18.根据权利要求15或16所述的烧结球团，具有低于5.0、优选低于4.8的Fe/Ni比率。

19.根据权利要求15-18任一项所述的烧结球团，具有20-40％、优选25-30％的表观孔隙率。

20.根据权利要求15-18任一项所述的烧结球团，具有20-35％、优选25-30％的表观孔隙率。