一、前言
受經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響，鎳價(jià)在2008年急速下滑，國內(nèi)成交價(jià)一度降到8萬元／t，紅土鎳礦價(jià)格也隨之狂跌，1.8％品位紅土鎳礦的港口價(jià)跌至每1千噸180～500元。目前水泥、鋼材和機(jī)電設(shè)備的價(jià)格處于低位，這正是建設(shè)現(xiàn)代化鎳鐵廠的好時(shí)機(jī)。
鎳的表觀消費(fèi)量中，不銹鋼消費(fèi)約占總消費(fèi)量的50～65％，電鍍行業(yè)約占20％，在研究鎳的消費(fèi)量時(shí)首先要分析不銹鋼的生產(chǎn)、消費(fèi)所產(chǎn)生的影響。
二、我國原生鎳市場(chǎng)巨大
（一）不銹鋼消費(fèi)量的快速增長(zhǎng)將拉動(dòng)鎳消費(fèi)量的提高
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平提高，不銹鋼生產(chǎn)消費(fèi)快速增長(zhǎng)。鉻鎳系不銹鋼是消費(fèi)鎳的主要不銹鋼品種，由于其優(yōu)異的綜合性能，得到廣泛應(yīng)用，占不銹鋼總產(chǎn)量的60～75％。近年鎳價(jià)和鉻價(jià)高啟，不銹鋼企業(yè)著力開發(fā)鐵素體不銹鋼和節(jié)鎳不銹鋼，已取得一定成果。但業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，300系不銹鋼仍將占據(jù)不銹鋼總產(chǎn)量50％以上。
預(yù)計(jì)2010年我國不銹鋼粗鋼消費(fèi)量將達(dá)1100萬t，其中Cr－Ni系不銹鋼占600萬t以上。
不銹鋼產(chǎn)量的增長(zhǎng)將拉動(dòng)鎳金屬消費(fèi)量增長(zhǎng)。不銹鋼生產(chǎn)所需鎳金屬主要來源于金屬鎳、鎳鐵和不銹鋼廢鋼。隨著不銹鋼產(chǎn)量增加，我國鎳金屬依賴進(jìn)口的局面短期內(nèi)不會(huì)改變。
據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì)，2007年我國凈進(jìn)口鎳金屬量15萬t(包括精煉鎳、鎳鐵、不銹廢鋼中含鎳等)，加上國內(nèi)鎳金屬產(chǎn)量13萬t，鎳鐵200萬t，不銹廢鋼182萬t，三者合計(jì)折合鎳金屬供應(yīng)量約26萬t，總的鎳供應(yīng)量約41萬t。
（二）預(yù)計(jì)2010年，鎳金屬供應(yīng)將繼續(xù)依靠進(jìn)口
1、20l0年將比2007年增產(chǎn)150萬t鉻鎳系銹鋼，鎳需求量將增加10～15萬t。
2、我國不銹鋼社會(huì)積存量低，而且不銹鋼生產(chǎn)周期長(zhǎng)，國內(nèi)不銹廢鋼資源難以快速增加，不銹廢鋼進(jìn)口也不可能大量增加，不銹鋼廢鋼緊缺的局面將繼續(xù)存在。
3、目前國內(nèi)多家企業(yè)在海內(nèi)外籌建鎳(鐵)廠，將會(huì)增加鎳的供應(yīng)。但總體上看，由于受到基礎(chǔ)設(shè)施、技術(shù)、資金、人文環(huán)境等方面的限制，進(jìn)展較慢，規(guī)模偏小。
我國還沒有現(xiàn)代化鎳鐵廠，不銹鋼廠年消耗約8萬t低品位含鎳生鐵，主要產(chǎn)自高污染的小高爐和低效率、高能耗的小型礦熱爐，產(chǎn)品質(zhì)量不符合ISO6501標(biāo)準(zhǔn)。隨著環(huán)保政策落實(shí)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，這種工藝將在近年內(nèi)淘汰。
三、國家政策積極支持“開發(fā)低品位紅土鎳礦高效利用關(guān)鍵技術(shù)”
長(zhǎng)期以來，我國鎳的生產(chǎn)以金川公司為主，其原料是當(dāng)?shù)禺a(chǎn)硫化鎳礦，是不可再生資源，資源量漸少、開采難度增大，從國家戰(zhàn)略儲(chǔ)備考慮，應(yīng)對(duì)金川鎳礦這一寶貴資源進(jìn)行保護(hù)性開發(fā)，而從國際市場(chǎng)購買硫化鎳礦解決國內(nèi)不足的可能性很小，因此應(yīng)借鑒國際上成熟的鎳鐵冶煉技術(shù)，開發(fā)適合國內(nèi)原料和能源條件的技術(shù)，利用國際上容易購得的氧化鎳礦生產(chǎn)鎳鐵，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求。
2008年發(fā)改辦高技【2008】301號(hào)《國家發(fā)革委辦公廳關(guān)于組織實(shí)施2008年度重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)專項(xiàng)的通知》第三條中明確指出：“資源綜合利用關(guān)鍵技術(shù)方面：開發(fā)復(fù)雜多金屬共伴生礦高效開發(fā)利用技術(shù)、冶煉過程中稀有稀散元素提取技術(shù)、低品位紅土鎳礦高效利用關(guān)鍵技術(shù)、金屬礦山二次資源中有價(jià)元素高效捕收技術(shù)”。將高效利用低品位紅土鎳礦關(guān)鍵技術(shù)列為國家重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)專項(xiàng)內(nèi)容之一。
國家《有色金屬工業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2006～2020年)》中也指出：“由于硫化鎳礦資源緊缺，開發(fā)鎳土礦具有重要意義”。
可見，利用國外氧化鎳礦資源，借鑒國際上成熟先進(jìn)、節(jié)能環(huán)保的火法冶煉鎳鐵技術(shù)，開發(fā)適合國情的紅土鎳礦高效利用技術(shù)，建設(shè)現(xiàn)代化鎳鐵廠，是受國家政策支持、市場(chǎng)潛力大的好項(xiàng)目，也是我國鎳工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
四、借鑒國際上成熟的RKEF工藝，開發(fā)低品位紅土鎳礦高效利用技術(shù)
濕法冶煉工藝適合高鎳、高鈷，低鎂的紅土鎳礦，以液態(tài)酸(或氨)作浸出劑，提取Ni和Co，其余大量的鐵和少量的鉻全部成為固體廢棄物。浸出劑僅部分回收利用，其余經(jīng)處理后以液態(tài)形式排入江河或廢液池，濕法冶煉中還產(chǎn)生大量Co。這些廢固、廢液、廢氣無法循環(huán)利用，環(huán)境危害大，目前我們還沒有掌握相關(guān)的無害化處理技術(shù)。
以低品位紅土鎳礦為原料，采用高壓酸浸工藝生產(chǎn)鎳硫，進(jìn)而生產(chǎn)電解鎳的工藝在世界上已經(jīng)成熟，但是受投資、技術(shù)引進(jìn)、環(huán)境保護(hù)措施的限制，在國內(nèi)建設(shè)這種工藝的鎳廠還需進(jìn)行技術(shù)開發(fā)和研究，建廠條件還不成熟。
現(xiàn)實(shí)的做法是消化國外先進(jìn)成熟的火法冶煉鎳鐵的技術(shù)，按中國的能源條件對(duì)這種工藝技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。建設(shè)適合中國國情的現(xiàn)代化鎳鐵廠。
（一）國內(nèi)以紅土鎳礦為原料的鎳(鐵)冶煉工藝現(xiàn)狀
中國的現(xiàn)代化鎳鐵冶煉還處于空白狀態(tài)，目前生產(chǎn)低鎳生鐵的小高爐和小礦熱爐工藝由于高能耗、高污染，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下正逐漸退出歷史舞臺(tái)。
1、鼓風(fēng)爐(小高爐)工藝
鼓風(fēng)爐工藝是最早出現(xiàn)的紅土鎳礦冶煉鎳鐵的技術(shù)，1875年，在新喀里多尼亞小高爐就已應(yīng)用，后法國也有采用，但該法因消耗大量?jī)?yōu)質(zhì)焦炭、污染嚴(yán)重而為人詬病。最終該工藝在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和環(huán)保壓力下停止，1985年日本礦業(yè)公司佐賀關(guān)冶煉廠的最后一座鎳鐵高爐熄火，標(biāo)志著鼓風(fēng)爐冶煉鎳鐵技術(shù)在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家壽終正寢。
前幾年我國快速發(fā)展的不銹鋼生產(chǎn)拉動(dòng)了鎳鐵需求，在高鎳價(jià)、低價(jià)焦炭、低環(huán)保門檻的條件下，部分投資者利用鋼鐵產(chǎn)業(yè)政策淘汰的煉鐵高爐冶煉鎳鐵，獲得暴利。但隨著焦炭?jī)r(jià)位回歸合理、鎳價(jià)下跌和環(huán)保政策落實(shí)，目前高爐鎳鐵廠大部分已停產(chǎn)。
高爐冶煉鎳鐵技術(shù)必將被淘汰的主要原因是：
(1) 原料適應(yīng)性差、高爐無法大型化紅
適用“高鐵低鎂(低鎳)”紅土鎳礦，當(dāng)紅土礦含鎳1.5％、含鐵35％時(shí)可得到含鎳約 4％的低鎳生鐵。如果用低鐵高鎂(高鎳)礦，高爐渣量大、粘度大爐況順行難以保證。
由于爐料強(qiáng)度低，只能采用小型高爐(矮高爐)生產(chǎn)鎳鐵。
(2) 產(chǎn)品質(zhì)量難以符合煉鋼要求
高爐含鎳生鐵品位低，一般在2～8％，大多在5％以下，冶煉不銹鋼時(shí)需要配合加入較多的鎳板，這提高了單位原料鎳的成本。
該工藝焦炭、熔劑的用量大，P、S大部分進(jìn)入產(chǎn)品，鎳鐵品位低、ω (S)、ω(P)含量高，增加了不銹冶煉的負(fù)擔(dān)。
(3) 生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定
鎳鐵的成分波動(dòng)大，不易控制，難以大批量穩(wěn)定供貨。
(4) 焦比高
生產(chǎn)含鎳2％的鎳鐵，每噸鎳鐵的焦炭消耗大于1.0t；生產(chǎn)含鎳5％的鎳鐵，每噸鎳鐵的焦炭消耗量約2.0t。
(5) 污染嚴(yán)重
除去傳統(tǒng)高爐污染，氟化物的污染更嚴(yán)重。為保持高爐順行，必須加入螢石以提高爐渣流動(dòng)性，螢石加入量占爐料總量的8～15％，國內(nèi)鎳鐵小高爐沒有脫氟設(shè)備，全部放散，對(duì)人和環(huán)境傷害巨大。
2、冷料入爐“燒結(jié)機(jī)－礦熱爐”鎳鐵工藝
由于焦炭漲價(jià)和用戶要求高含鎳量的鎳鐵，國內(nèi)建設(shè)了一些用燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)紅土鎳礦燒結(jié)礦，冷卻后入礦熱爐冶煉鎳鐵的工廠。其中很多是改造舊的鐵合金電爐來生產(chǎn)鎳鐵，變壓器容量多為6.3MVA、9MVA和12.5MVA，最大的為25MVA。
該工藝不用焦炭，原料適應(yīng)性比小高爐好，產(chǎn)品鎳含量更高，但仍存在能耗高、效率低的缺陷。某廠用2％品位的鎳礦，生產(chǎn)含鎳11～14％的粗鎳鐵，每噸粗鎳鐵冶煉電耗(1～1．2)×104kWh/t，折合噸金屬鎳電耗8.8萬kWh，是RKEF工藝的2倍多。原因在于：“燒結(jié)機(jī)－礦熱爐”工藝無法為礦熱爐提供預(yù)還原的高溫料。
25MVA礦熱爐4h出一次鐵，每次出鐵量約15t，折合lMW功率年產(chǎn)鎳金屬量?jī)H140t。
高電耗和低效率與冷料入爐相關(guān)，大量時(shí)間和電力用于爐料升溫。
筆者所見的“燒結(jié)機(jī)(有的還采用土法燒結(jié)工藝和燒結(jié)鍋工藝準(zhǔn)備礦熱爐用原料)－礦熱爐”工藝的產(chǎn)鎳鐵廠都沒有完善的環(huán)保設(shè)備，特別是礦熱爐為敞開式或者半密閉的小煙罩式，不能回收煤氣，不但污染環(huán)境，還造成煤氣浪費(fèi)。燒結(jié)機(jī)也全部沒有安裝余熱回收利用設(shè)施，這類工廠不具備現(xiàn)代化、大規(guī)模的鎳鐵生產(chǎn)條件。
有的工廠利用電弧爐處理燒結(jié)礦，生產(chǎn)鎳鐵，效益更差，基本上已停產(chǎn)。
3、還原造锍工藝
最初在鼓風(fēng)爐內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)，由于能耗高遭到淘汰。
目前有些企業(yè)在電爐內(nèi)進(jìn)行造锍熔煉，得到低鋼冰鎳。該工藝與傳統(tǒng)硫化鎳處理工藝相同。由于紅土礦品位低，低冰鎳產(chǎn)品含鎳少，渣量巨大，并且能耗高，使得該工藝無法與硫化鎳礦傳統(tǒng)處理流程進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。采用該工藝的企業(yè)不多。
（二）RKEF工藝技術(shù)成熟，在鎳鐵冶煉領(lǐng)域占主導(dǎo)地位
RKEF工藝技術(shù)(“回轉(zhuǎn)窯－礦熱爐”法)始于20世紀(jì)50年代，由Elkem公司在新喀里多尼亞的多尼安博廠開發(fā)成功，由于產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、而且節(jié)能環(huán)保，RKEF工藝很快取代了鼓風(fēng)爐工藝。隨著冶金科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，RKEF工藝也吸納了包括自動(dòng)化、清潔生產(chǎn)在內(nèi)的眾多最新技術(shù)成果，在設(shè)計(jì)制造、安裝調(diào)試和生產(chǎn)操作上日臻成熟，已成為世界上生產(chǎn)鎳鐵的主流工藝技術(shù)，占據(jù)統(tǒng)治地位。目前全球采用RKEF工藝生產(chǎn)鎳鐵的公司有十幾家，生產(chǎn)廠遍及歐美、日本、東南亞等地，其中最大年產(chǎn)能達(dá)7～8萬t金屬鎳，在長(zhǎng)期的經(jīng)營(yíng)中，盡管世界鎳行業(yè)風(fēng)云變幻、鎳價(jià)大起大落，但這些鎳鐵廠大都保持著良好的業(yè)績(jī)。2005年美國金屬學(xué)會(huì)調(diào)查了世界紅土鎳礦冶煉廠及年產(chǎn)量，見表1。
表1 2005年美國金屬學(xué)會(huì)調(diào)查的世界紅土鎳礦冶煉廠及年產(chǎn)量
這13家鎳冶煉廠的年產(chǎn)量總計(jì)約36.5 萬t，約占世界原生鎳總產(chǎn)量的30％，占紅土礦火法冶煉鎳鐵產(chǎn)量的8l％(2007年世界總產(chǎn)鎳量142萬t，氧化鎳礦的貢獻(xiàn)為42％，以鎳鐵形式生產(chǎn)金屬鎳量約45萬t)。
可見，在世界范圍，以廉價(jià)的紅土鎳礦為原料，采用RKEF火法冶煉鎳鐵的工藝技術(shù)具有很強(qiáng)的適用性和經(jīng)濟(jì)性。
（三）RKEF工藝介紹
1、對(duì)原料的要求
對(duì)于“回轉(zhuǎn)窯(RK)－礦熱爐(EF)”流程，礦石成分很重要，有3個(gè)指標(biāo)是采用RKEF工藝應(yīng)該關(guān)心的：
(1) Ni品位，希望在1.5以上，最好 2.0以上。
(2) Fe／Ni，希望在6～10，最好接近6，中Ni品位高；如果Fe／Ni>10，則很難冶煉出含20％的鎳鐵，因?yàn)樵现蠪e過高，很難在回轉(zhuǎn)窯中控制氧化鐵的還原度。
(3) MgO/SiO2，在0.55～0．65較合適，少量加入熔劑就可以得到低熔點(diǎn)的爐渣結(jié)構(gòu)。
以上3個(gè)條件只是合適的條件，而不是必須的條件，在礦石條件不符合上述要求時(shí)，可以生產(chǎn)品位較低的鎳鐵，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)將受到影響。
還原劑（煙煤或無煙煤均可)和石灰石也是RKEF工藝所必需的，這兩種原料在我國資源豐富，容易得到。
2、典型工藝流程、主體設(shè)備結(jié)構(gòu)
(1) 生產(chǎn)流程
原料場(chǎng)→篩分、破碎和混勻配料→回轉(zhuǎn)窯→礦熱爐→鐵包脫硫→精煉轉(zhuǎn)爐→澆鑄。在這個(gè)基礎(chǔ)上，發(fā)展了對(duì)原料預(yù)干燥、原料制球、回轉(zhuǎn)窯節(jié)能和余熱發(fā)電、礦熱爐高效冶煉和低熔點(diǎn)渣系配料、采用底吹或側(cè)吹精煉轉(zhuǎn)爐替代頂吹轉(zhuǎn)爐、鎳鐵粒化等技術(shù)，適用于不同條件的工廠。
(2) 典型工藝裝備組成
2臺(tái)5.0×100m回轉(zhuǎn)窯、2臺(tái)63MVA的密閉礦熱爐、40t的底吹精煉轉(zhuǎn)爐，造粒和鑄塊設(shè)備。年產(chǎn)鎳鐵10.12萬t(鎳金屬2～2.2萬t)。鑒于國產(chǎn)設(shè)備的成熟度和運(yùn)輸條件制約，為降低投資，國內(nèi)的在建工廠采用4座回轉(zhuǎn)窯、2臺(tái)48MVA礦熱爐的方案將可以縮短建設(shè)周期，收到好的經(jīng)濟(jì)效益。
(3) 工藝概述
礦石、石灰石、還原劑在原料場(chǎng)、備料間加以篩分破碎后，混勻配料送入回轉(zhuǎn)窯。
在回轉(zhuǎn)窯中，原料經(jīng)干燥、焙燒、預(yù)還原，制成約1000℃的鎳渣，回轉(zhuǎn)窯煙氣經(jīng)余熱鍋爐、除塵、脫硫化后排放，粉塵與原料混合后再次入窯。
鎳渣在封閉隔熱狀態(tài)下(高架送料小車)加入礦熱爐料倉(內(nèi)襯耐火磚)，根據(jù)工藝要求通過不同位置的下料管分配到礦熱爐內(nèi)。礦熱爐為全封閉式，自焙電極，埋弧冶煉，還原并熔分粗制鎳鐵和爐渣，同時(shí)產(chǎn)生含Co約75％的礦熱爐荒煤氣，荒煤氣經(jīng)過凈化送到回轉(zhuǎn)窯燒嘴，與煤粉一起作為燃料，除塵灰經(jīng)處理后，返回到原料場(chǎng)。礦熱爐爐渣經(jīng)過水淬后可作為建筑材料，用于道路建設(shè)、制磚。
礦熱爐的產(chǎn)品是粗制鎳鐵，出鐵前預(yù)先在鐵水包加脫硫劑，出鐵同時(shí)脫硫，粗制鎳鐵含Si、C、P等雜質(zhì)，需要繼續(xù)精煉，扒渣后，兌入酸性轉(zhuǎn)爐，吹氧脫硅，同時(shí)加入含鎳廢料以防鐵水溫度偏高，脫硅后扒渣(或者擋渣出鐵)，兌入堿性轉(zhuǎn)爐，吹氧脫磷、脫碳，同時(shí)加入石灰石造堿性渣，堿性轉(zhuǎn)爐精煉后的鎳鐵水送往澆注車間，鑄成合格的商品鎳鐵塊或者制成粒狀鎳鐵。
(4) 工藝特點(diǎn)
①原料適應(yīng)性強(qiáng)。可適用鎂質(zhì)硅酸鹽礦和含鐵不高于30％的褐鐵礦型氧化鎳礦，以及中間型礦。最適合使用濕法工藝難以處理的高鎂低鐵氧化鎳礦石。
②鎳鐵品位高，有害元素少。同樣的礦石，RKEF工藝生產(chǎn)的鎳鐵品位高于高爐法和“燒結(jié)礦－礦熱爐”工藝。該工藝的脫硫和轉(zhuǎn)爐精煉工序能夠?qū)㈡囪F的有害元素降低到ISO6501標(biāo)準(zhǔn)所要求的范圍內(nèi)，為煉鋼用戶所歡迎。
③節(jié)能環(huán)保，循環(huán)利用。原料水分較多，料場(chǎng)和篩分破碎運(yùn)輸?shù)倪^程中不產(chǎn)生粉塵，回轉(zhuǎn)窯煙氣余熱可回收蒸汽用于發(fā)電，經(jīng)過煙氣脫硫滿足環(huán)保要求后排入大氣，回轉(zhuǎn)窯和礦熱爐煙塵返回料場(chǎng)；礦熱爐煤氣經(jīng)除塵后送回轉(zhuǎn)窯作燃料，爐渣水淬后成為建筑工業(yè)原材料。轉(zhuǎn)爐煙氣余熱回收蒸汽，煤氣回收利用，爐渣磁選回爐，尾渣可鋪路或制作水泥。從含水爐料進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯直到礦熱爐出鐵出渣的整個(gè)過程產(chǎn)中，爐料處于全封閉，環(huán)保節(jié)能。
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