RKEF法冶炼工艺概述
前言
目前，国内外红土镍矿的处理方法主要有火法和湿法两种冶炼工艺，湿法工艺是使用硫酸、盐酸或者氨水溶液作为浸出剂，浸出红土镍矿中的镍和钴金属离子，常见的湿法处理工艺有高压酸浸工艺（HPAL）、常压酸浸工艺（PAL）和氨浸工艺（Caron）。火法工艺是在高温条件下，以C作还原剂，对氧化镍矿中的NiO及其他氧化物进行还原而得。火法冶炼因具有流程短、三废排放量少、工艺成熟等特点，已成为红土镍矿冶炼的主要工艺。
目前国内外主要有4种火法工艺：烧结—高炉流程（BF法）；回转窑—电炉熔炼流程(RKEF法)；多米尼加鹰桥竖炉—电炉工艺；日本大江山回转窑直接还原法。其中，RKEF法是当今世界上火法处理红土镍矿的先进及成熟工艺，广泛地应用于各国冶炼厂家。
RKEF（Rotary Kiln-Electric Furnace）法始于上世纪50年代，由Elkem公司在新喀里多尼亚的多尼安博厂开发成功，具有产品质量好、生产效率高、节能环保等优点。
在不锈钢产量大幅增幅的驱动下，RKEF法镍铁的生产能力急剧增加。我国冶炼镍铁电炉炉容在不断地扩大。额定容量25 MVA的炉型已经逐步退出主体炉型，进而33 MVA、36 MVA、48 MVA、51 MVA成为主体炉型。与此同时，我国矿热炉生产镍铁的工艺流程更加合理，矿热电炉的总体装备水平大幅度提高，冶炼工艺技术更加成熟。下面将概括介绍和讨论矿热电炉利用红土镍矿采用RKEF法冶炼镍铁的工艺技术。
1 工艺流程概述
利用红土镍矿生产镍铁的RKEF冶炼工艺流程如图1.1：
图1.1 RKEF工艺流程图
工艺流程主要包含以下几个阶段：
(1)在露天料场进行红土矿的晾晒；大块红土矿的破碎、筛分、混匀。
(2)应用干燥窑对红土矿进行干燥；应用回转窑进行红土矿的焙烧预还原。以此获得焙砂。
(3)矿热电炉熔炼焙砂生产含镍生铁。 (4)回转窑与电炉余热的利用。 (5)粉尘的收集与再利用。
对RKEF法工艺的流程，矿石内部的成分尤为重要，其中有至少3个指标，在生产时需要关注：
(1)Ni品位，控制在1.5以上，最好2.0以上。
(2)Fe/Ni，在6~10之间，最好接近6，因而矿中Ni品位高；如果Fe/Ni>10，则很难冶炼出含Ni=20%的镍铁，因为原料中Fe过高，很难在回转窑中控制氧化铁的还原度。
(3)MgO/SiO2，在0.55~0.65较合适，少量加入熔剂就可以得到低熔点的炉渣结构。 以上三个条件只是合适的条件，不是必须的条件，在矿石条件不符合上述要求是，也可以生产其它品位的镍铁。
回转窑和电炉是该工艺中的关键设备，干燥窑根据原料情况选用，由于公司所用的红土镍矿基本都是从菲律宾、缅甸等东南亚国家进口，含水量都比较高，基本在30%~40%之间，所以选用干燥窑对原矿进行干燥，干燥窑干燥后的矿水分保持在20%~22%左右，这样既能减少矿黏，又能降低整个流程中烟尘产量，减少Ni损失。
2 回转窑
回转窑在整个RKEF法流程中的作用，有如下几点： (1)使红土镍矿表面水分彻底蒸发。 (2)脱除红土镍矿中的结晶水，即烧损。
(3)预还原反应部分还原矿石中的铁、镍和钴的氧化物。 (4)将红土镍矿温度升高，焙砂放出温度在700~1000℃之间。
2.1 回转窑的结构及工作原理
回转窑主要由窑筒体、传动装置、支撑装置、挡轮装置、窑头密封装置、窑尾密封装置、窑头罩等部件组成，如图2.1所示：
图2.1 回转窑示意图
物料在回转窑内煅烧的过程是生料从窑尾喂入，由于窑有一定的倾斜度，且不断回转，因此使生料连续向热端移动。燃料自热端喷入，在空气助燃下燃烧放热并产生高温烟气，热气在风机的驱动下，自热端向次端流动，而物料和烟气在逆向运动的过程中进行热量交换，使生料烧成熟料。
红土镍矿干矿、烟尘粒料、还原煤从窑尾进入，首先被干燥，然后到达回转窑中部，开始脱除干矿结晶水，直到卸料前，干矿被煤和一氧化碳部分还原，最终所得焙砂中的镍以金属Ni和Ni2+两种形式存在，干矿中大部分铁也被还原成Fe2+，其中的主要反应为：
回转窑中还原气氛的生成：2C+O2=2CO (2-1) NiO的直接还原：NiO+C=Ni+CO (2-2) NiO的间接还原：NiO+CO=Ni+CO2 (2-3) 矿料一直与含CO、CO2的还原气氛接触。还原气氛下矿料在500~600℃开始金属化，当矿料到达出料端时。温度可升至800~900℃，此时矿料中多数的NiO被还原。
铁氧化物的热分解和还原在低于570℃时按Fe2O3→Fe3O4→FeO进行转换。而高于570℃时，有浮氏体中间相生成，铁氧化物转换按Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe进行，在还原性气氛下将发生下列反应：
3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 (2-4) Fe3O4+CO=3FeO+CO2 (2-5) FeO+CO=Fe+CO2 (2-6) 在上述3个铁氧化物的间接还原反应中，由于回转窑的还原气氛弱，PCO不高，反应(2-4)反应相对彻底，而反应(2-5)、尤其反应(2-6)反应并不充分。在回转窑中不能追求铁氧化物还原成金属的量，因为窑内最高的工作温度受到矿料在窑壁上粘附和生成环状结圈的限制。
2.2 回转窑烟气的回收
回转窑尾部的烟气含有大量余热，如果不利用而直接进入净化设施，不但浪费资源，而且需要提高净化设备的耐温性能，将大大增加投资成本。利用电除尘设备对于燥窑产生的烟气进行除尘，在配料站设置袋式除尘，利用旋风收尘对回转窑产生的烟气进行除尘，电炉产生的粗煤气采用袋式除尘，所有电收尘、袋式收尘所收集粉尘均返回配料，如下图2.2所示：
2.2 RKEF法烟气除尘技术
3 矿热炉 3.1 工艺概述
将焙砂在封闭隔热的状态下加入矿热炉料仓，根据工艺的要求通过不同位置的下料管道分配到矿热炉。在全封闭式的矿热炉中，通过自焙电极，埋弧冶炼方式，将粗制镍铁和炉渣进行还原熔分，同时，将产生大约含有75%的CO的矿热炉煤气，经过净化过后，再送回到回转窑的烧嘴中，将其与煤粉共同作为生产的燃料。
矿热炉生产的是粗制镍铁，在出铁前，预先把脱硫剂加到铁水包，以求在出铁时同时达到脱硫的目的。粗镍铁如果用于冶炼不锈钢，经脱硫后的粗镍铁水直接供给不锈钢冶炼车间，是生产不锈钢的主要原料。经脱硫后的粗镍铁中仍然含大量杂质，如外卖镍铁或供给对镍铁 原料有更高要求的用户，矿热炉生产出来的镍铁还要继续进行精炼，粗镍铁扒渣后，兑入酸性转炉，采用吹氧脱硅，同时以防铁水温度过高，加入含镍废料，脱硅后再次扒渣，兑入碱性转炉，采用吹氧脱磷和脱碳，然后加入石灰石造出碱性渣，最后把经过碱性转炉精炼过的镍铁水，送往浇铸车间，在车间里铸成铁块或者制成粒状的合格的商品镍铁。
3.2 矿热炉的结构
矿热炉是一种耗电量巨大的工业电炉。主要由炉壳，炉盖、炉衬、短网、水冷系统、排烟系统、除尘系统、电极壳、电极压放及升降系统、把持器、上下料系统、烧穿器、液压系统、矿热炉变压器及各种电器设备等组成。电炉的形状有圆形、矩形。圆形电炉是3根电极，
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炉膛面积可达330m；矩形电炉是6根电极，炉膛面积可达390m。圆形电炉的3根电极排列成等边三角形，矩形电炉的6根排成一列，电炉的电压是平均分配给每根电极的，目前广泛采用的是圆形炉体。矩形电炉比圆形电炉具有炉膛面积大、结构稳定、平均每根电极低等的优点，将成为未来电炉结构的趋势。圆形矿热炉简易构造下图3.1所示：
1-加料系统；2-气动系统；3-供电系统；4-水冷却系统；5-电极升降装置；6-电极压放装置；
7-液压系统；8-电极把持器；9-炉盖；10-电极；11-炉体
3.1 矿热炉简易构造图
3.3 电极系统
矿热炉的电极系统由自焙电极、电极把持器、电极升降装置和电极压放装置组成。 自焙电极由电极壳和在壳内充填的电极糊（为无烟煤、焦炭、石墨和煤焦沥青等按比例混合后压成的块状物）组成。电极壳为1.5～3mm厚钢板卷制成的圆筒。在圆筒内焊接若干条肋片，并在其上开一些圆孔或冲出一些小舌片，使电极糊与电极壳很好地结合，达到良好导电作用。随着电极的不断消耗，电极壳要陆续一节一节地焊接起来，电设糊要定期地充填。添用电极糊，通常以块状加入，也有预热成稀糊状后加入的。在电炉生产过程中依靠电流通过时产生的焦耳热和炉内传导热自行焙烧而成。电极示意图如图3.2。
图3.2 电极示意图
电极把持器的作用是将大电流输向电极，并使电极保持在一定高度上．还可以调节电极糊的烧结状态。主要由压力环、铜瓦、导向密封筒等组成。它处于高温和强磁场条件下工作。随着电炉容量和自焙电极直径的扩大（最大自焙电极直径已达2000mm），电极把持器结构也不断发展和完善。
电极升降装置用以改变电极插入炉料的深度，调节操作电阻，使输入炉内功率达到额定要求。操纵电极升降的方式有使用卷扬机和液压缸两种，卷扬机在早期或小型电炉上使用较多，大型电炉普遍采用液压传动，每根电极配备一对液压缸，它可以装在平台上，也可以吊挂在上一层平台下。电极升降速度为0.25～0.6m/min，小型电炉的电极升降速度一般要高一些。
电极压放装置用于夹紧电极并通过压放机构加大或减小电极工作端的长度。自焙电极在生产过程中随着自身的消耗，工作端逐渐变短，因而要定时补充。现代电炉已普遍采用了计算机控制的自动程序压放装置。此装置的特点是使用二道抱闸，上抱闸可上下活动，下抱闸为固定的，两道抱闸之间一般装有2～3个最多6个压放缸，电极压放时压放缸牵动上抱闸升降，并控制每次的压放量，一股一次压15～30mm。
3. 4 矿热炉工艺控制
首先要开好炉，开好炉的标志是：(1)炉体保持整体完整；(2)炉衬蓄热充足；(3)电极可以承受额定电负荷。要根据炉衬材质的不同种类制定周密的烘炉热工方案，要根据所用电极糊的特性制定周密的电极焙烧方案。一般大型电炉开炉的方案有3种：(1)焦烘—电烘；(2)直接电烘；(3)天燃气火焰烘。与(1)、(2)相比天燃气火焰烘炉的优点是：①火焰温度易控制；②炉膛空间受热均匀；③烘后炉内无残留物；④炉衬耐材受热可控，均匀；⑤电极整体焙烧