公開時刻:2019年12月17日
ニッケルとフェロニッケルの用途
ニッケルは大気中で錆びにくく、フッ素、アルカリ、塩類、多くの有機物による腐食にも強いです。ニッケルは磁性金属で、優れた靭性と十分な機械的強度を持ち、圧延、研削、溶接など様々な加工工程に耐えられます。
ニッケルは主に金属材料の生産に使われ、全体の70%以上を占めています。電気めっきに使用され、全ニッケル消費量の約15%を占めています。石油化学製品の水素化プロセスにおける触媒として使用されます。化学エネルギー源として使われます。顔料や染料の製造に使われます。また、陶器やフェライトの製造にも使われます。
フェロニッケルはニッケルと鉄の合金で、炭素、ケイ素、リン、その他の元素を含んでいます。フェロニッケルは主にステンレス鋼の精錬における合金化剤として使用されます。
ラテライトニッケル鉱石から生成されるフェロニッケルの化学組成は一般的に以下の通りです:Ni 10%～15%、Si≤7%、C≤4.5%、P≤0.06%、S≤0.04%~0.35%。
ラテライト・ニッケル鉱石はニッケル鉄鉱石の原料です。
ラテライト・ニッケル鉱石を用いたニッケル鉄の精錬原料には、ラテライト、ニッケル鉱石、コークス、石灰が含まれます。
ラテライトニッケル鉱石の鉱物組成および化学組成は大きく異なり、特にニッケル含有量やMgO/SiO₂質量比において顕著です。典型的なラテライトニッケル鉱石の組成は、Ni 1.3%–1.9%、Fe 10%–15%、SiO₂ 35%–45%、MgO 17%–25%、P 0.001%–0.007%、H₂O 25%–33%です。ラテライト鉱石は大量の結合水を含み、製錬前に焙煎と脱水が必要です。
石灰のCaO含有量は≥82%であるべきです。
コークスの要件は、固定炭素が82%以上、灰分含有量が15%未満、硫黄含有量≤0.7%、含水率6%未満、粒子サイズ10-25mmです。
ラテライト・ニッケル鉱石のニッケル鉄精錬の原理
ラテライトニッケル鉱石は主にNiO、Cr₂O₃、Fe₂O₃、Al₂O₃、MgO、SiO₂などの酸化物を含みます。酸化物反応の自由エネルギーデータに基づくと、ラテライトニッケル鉱石の融点範囲(1600–1700 K)内で、還元気圧中の各酸化物の還元順は、最も容易から最も難しい順に次の順に、NiO > FeO > SiO₂ > Fe₂O₃ > MgO > Cr₂O₃ >Al₂O₃です。まずNiOが還元され、その還元温度はFeOよりも低いです。この選択的還元原理を用いることで、炭素欠乏操作を用いて、ラテライトニッケル鉱石中のほぼすべてのニッケル酸化物を金属に還元し、高価電子Fe₂O₃を適量金属に還元し、残りをFeOに還元してスラグに取り入れます。これによりニッケルの濃縮が目的となります。鉄還元度は、還元剤コークス炭の量を加えることで調整されます。
電気アーク炉内のアーク温度帯は2500°Cを超え、溶融プールの温度は1800°Cを超えることがあります。この温度で起こる主な反応は以下の通りです:
NiO + C = Ni + CO
Fe₂O₃ + 3C == 2Fe + 3CO
NiFe₂O₄ + 4C = 2Fe + Ni + 4CO
Fe₂O₃ + C = 2Fe₂O + CO
FeO + C = Fe + CO
Cr₂O₃ + 3C = 2Cr + 3CO
MgO + C = Mg + CO
SiO₂ + 2C = Si + 2CO
この反応は、シリコンやマグネシウムなどの元素を含むニッケル・クロム・鉄合金を生成します。炉内の実際の化学反応は、上記の説明よりもはるかに複雑です。
ラテライトニッケル鉱石ニッケル鉄の精錬プロセス
ラテライトニッケル鉱石からニッケル鉄を生産する方法は主に3つあります:高炉法、回転キルン直接還元法、そして回転キルン浸水アーク炉複合法です。
4.1 高炉製錬
高炉でフェロニッケルを生産する主な工程は以下の通りです:鉱石乾燥・選別(大規模破砕)、バッチ処理、焼結、コークスブロックとフラックスを加えた焼結鉱石の精錬、フェロニッケルインゴット鋳造、スラグ水焼入れ(フェロニッケルインゴットおよび水焼入れスラグの製造)。高炉は主に低ニッケルの銑鉄の生産に使われ、約50%の鉄と1%のニッケルを含むラテライトのニッケル鉱石を使って、約5%のニッケルを含む低ニッケルの銑鉄を生産します。通常、コークス対ニッケルの比率はフェロニッケルあたり約800 kgのコークスです。
4.2 回転キルンでの直接還元製錬
回転式キルン直接還元製錬は、最もエネルギー消費とコストが低い生産方法として広く認められています。基本的な工程は以下の通りです:原鉱石乾燥(大規模破砕・粉砕)—還元石炭とフラックスの添加—回転キルンでの還原および精錬—溶融鉱石の水焼入れ—水焼入れスラグおよびニッケル鉄粒子の破砕、粉砕、磁気分離—ニッケル鉄顆粒および微細な溶融スラグの生産。このプロセスはコークスや大量の電力を必要としず、プロセスフローも短く、短い段階で、強い競争力と実現可能性を持っています。現在、このプロセスは中国でまだ大規模生産に入っていません。主な理由は、バッチ処理、耐火材料、リング形成などの問題が完全に解決されていないためです。
4.3 回転式キルン浸水アーク炉の精錬
回転式キルン浸水アーク炉の精錬プロセスは、ニッケル含有量の高いニッケル鉄合金の製造に国内外で広く利用されています。完全な製錬工程は以下の通りです:原鉱石の乾燥および石炭→フラックス混合、回転キル→ンでの徹底乾燥および前還原、浸水アーク炉の還元、ニッケル鉄溶鉄鋳造→スラグ水焼入れ→ニッケル鉄インゴット(または水焼入れニッケル鉄顆粒)および水焼入れスラグの生産。
主なプロセスは以下の通りです。
(1) 乾燥:回転乾燥シリンダーを用いてニッケル鉱石から水分を除去します。
(2) 成分:ラテライト鉱石、無煙炭、石灰岩は一定の比率で混合・比例されます。
(3) 前還元:回転キルンでの還元;
(4) 精錬:熱い材料を直接炉に投入して製錬します。
(5) 精製:合金の脱硫、脱シリコン化、脱炭精錬;
(6) 鋳造または粒状化:鋳造機での造粒、乾燥、包装、または鋳造インゴット;
(7) 排ガス浄化:排気ガスは集塵器に入った後に排出され、電気炉のガスは回収されます。
ラテライトニッケル鉱石は港からストックヤードへ運ばれ、保管と混合に使われます。原料ヤードで保管・予め混ぜられたラテライト鉱石は、まず乾燥キルンで乾燥させて水分をほとんど除去し、その後粉砕して篩分けされます。石灰石と還元剤は原料ヤードと準備室で選別・粉砕され、乾燥ラテライト鉱石と混合されて回転キルンに送られます。
回転キルンでは、原材料をさらに乾燥・焙煎・予備還元し、約900〜1000°Cでニッケルスラグ(部分的に還元された製品)を製造します。 回転式キルンの煙ガスは、廃熱ボイラーを通過し、粉塵除去、脱硫後に排出されます。粉塵は原材料と混合され、再び窯に投入されます。
ニッケルスラグは、耐火レンガで覆われた水中アークファーネスサイロに密閉絶縁条件(高架給油台車)のもとで添加されます。プロセス要件に従い、熱還元製品は電子ライトレールスケールを用いて二次バッチ処理され、その後浸水型アーク炉の製錬システムに送られます。スラグは異なる場所の給油管を通じて水中アーク炉に分配されます。浸没アーク炉は半密閉型(または完全密閉型)で、自己焼起電極、水中アーク製錬、粗鉄ニッケルおよびスラグの還元・分離を行い、同時に約75%COを含む水中アーク炉ガスを生成します。このガスは精製され、回転キルンバーナーに送られ、粉砕炭とともに燃料として使用されます。集塵機からの粉塵は処理され、原材料ヤードに戻されます。水漬け後のアークファーネススラグは、道路建設やレンガ製造の建材として利用可能です。
液状のニッケル鉄合金は、浸水中のアーク炉から定期的にレードルに注ぎ込まれ、レードルカーで鋳造工場へ運ばれ鋳造され、適格なニッケル鉄インゴットは保管・販売されます。浸水中のアーク炉の生成物は粗ニッケル鉄であり、タッピング前に溶融鉄のおたまに脱硫剤を加えることで、脱硫がタッピングと同時に行われるようにします。
粗製フェロニッケルにはSi、C、Pなどの不純物が含まれており、さらなる精製が必要です。スラグ除去後、酸素吹きでシリコンを除去するためのコンバーターに供給されます。同時に、溶融鉄の温度が高すぎるのを防ぐためにニッケルを含むスクラップも加えられます。シリコン除去後、スラグが除去される(または鉄をタップするためにスラグを塞ぎ)、アルカリコンバーターに供給され、リンと炭素を除去するために酸素を吹き出します。石灰岩はアルカリ性スラグを作るために添加されます。アルカリコンバーターで精製された溶融フェロニッケルは鋳造工場に送られ、適格な市販フェロニッケルブロックに鋳造されるか、熱いまま直接製鉄所に送られます。
全体のプロセスフローは図1に示されています。
図1。ニッケル鉄生産プロセスの流れ
ニッケル鉄生産におけるエネルギー保存
電気アーク炉でニッケルを含む銑鉄を精錬するための原鉱石の大部分は海外から供給されています。原鉱石は主に細かい鉱石で、付着水分含有量は約30%、結晶水含有量は約10%です。したがって、この鉱石は炉で精錬する前に焼結されなければなりません。焼結は精錬工程の最初の段階であり、製錬工程の通常の運転に影響を与えるだけでなく、製品の技術的および経済的指標にも影響を与えます。同時に、焼結プロセスは多くのエネルギーを消費するため、焼結装置やプロセスは合理的に選択されるべきです。垂直キルン焼結とロータリーキルン焼結が最良の選択肢です。
暖炉に熱い材料を使用することは省エネの重要な方向であり、電力消費を大幅に削減するため、積極的に検証されるべきです。回転窯で焼結された熱い材料を使用することで、コスト削減だけでなく製品の市場競争力も高めることができます。
ニッケル鉄生産における技術指標と原材料消費
ニッケル鉄を生産する主な原材料およびエネルギー消費は以下の通りです。ニッケル鉄含有量は10%~15%、Si≤7%、C≤4.5%、P≤0.06%、S≤0.04%~0.35%です。ラテライトニッケル鉱石7200 kg/t、石灰2300 kg/t、コークス470 kg/t(高温材料)、電極ペースト40 kg/t、電力消費6000 kW·h/t(高温材料)。
ニッケルは大気中で錆びにくく、フッ素、アルカリ、塩類、多くの有機物による腐食にも強いです。ニッケルは磁性金属で、優れた靭性と十分な機械的強度を持ち、圧延、研削、溶接など様々な加工工程に耐えられます。
ニッケルは主に金属材料の生産に使われ、全体の70%以上を占めています。電気めっきに使用され、全ニッケル消費量の約15%を占めています。石油化学製品の水素化プロセスにおける触媒として使用されます。化学エネルギー源として使われます。顔料や染料の製造に使われます。また、陶器やフェライトの製造にも使われます。
フェロニッケルはニッケルと鉄の合金で、炭素、ケイ素、リン、その他の元素を含んでいます。フェロニッケルは主にステンレス鋼の精錬における合金化剤として使用されます。
ラテライトニッケル鉱石から生成されるフェロニッケルの化学組成は一般的に以下の通りです:Ni 10%～15%、Si≤7%、C≤4.5%、P≤0.06%、S≤0.04%~0.35%。
ラテライト・ニッケル鉱石はニッケル鉄鉱石の原料です。
ラテライト・ニッケル鉱石を用いたニッケル鉄の精錬原料には、ラテライト、ニッケル鉱石、コークス、石灰が含まれます。
ラテライトニッケル鉱石の鉱物組成および化学組成は大きく異なり、特にニッケル含有量やMgO/SiO₂質量比において顕著です。典型的なラテライトニッケル鉱石の組成は、Ni 1.3%–1.9%、Fe 10%–15%、SiO₂ 35%–45%、MgO 17%–25%、P 0.001%–0.007%、H₂O 25%–33%です。ラテライト鉱石は大量の結合水を含み、製錬前に焙煎と脱水が必要です。
石灰のCaO含有量は≥82%であるべきです。
コークスの要件は、固定炭素が82%以上、灰分含有量が15%未満、硫黄含有量≤0.7%、含水率6%未満、粒子サイズ10-25mmです。
ラテライト・ニッケル鉱石のニッケル鉄精錬の原理
ラテライトニッケル鉱石は主にNiO、Cr₂O₃、Fe₂O₃、Al₂O₃、MgO、SiO₂などの酸化物を含みます。酸化物反応の自由エネルギーデータに基づくと、ラテライトニッケル鉱石の融点範囲(1600–1700 K)内で、還元気圧中の各酸化物の還元順は、最も容易から最も難しい順に次の順に、NiO > FeO > SiO₂ > Fe₂O₃ > MgO > Cr₂O₃ >Al₂O₃です。まずNiOが還元され、その還元温度はFeOよりも低いです。この選択的還元原理を用いることで、炭素欠乏操作を用いて、ラテライトニッケル鉱石中のほぼすべてのニッケル酸化物を金属に還元し、高価電子Fe₂O₃を適量金属に還元し、残りをFeOに還元してスラグに取り入れます。これによりニッケルの濃縮が目的となります。鉄還元度は、還元剤コークス炭の量を加えることで調整されます。
電気アーク炉内のアーク温度帯は2500°Cを超え、溶融プールの温度は1800°Cを超えることがあります。この温度で起こる主な反応は以下の通りです:
NiO + C = Ni + CO
Fe₂O₃ + 3C == 2Fe + 3CO
NiFe₂O₄ + 4C = 2Fe + Ni + 4CO
Fe₂O₃ + C = 2Fe₂O + CO
FeO + C = Fe + CO
Cr₂O₃ + 3C = 2Cr + 3CO
MgO + C = Mg + CO
SiO₂ + 2C = Si + 2CO
この反応は、シリコンやマグネシウムなどの元素を含むニッケル・クロム・鉄合金を生成します。炉内の実際の化学反応は、上記の説明よりもはるかに複雑です。
ラテライトニッケル鉱石ニッケル鉄の精錬プロセス
ラテライトニッケル鉱石からニッケル鉄を生産する方法は主に3つあります:高炉法、回転キルン直接還元法、そして回転キルン浸水アーク炉複合法です。
4.1 高炉製錬
高炉でフェロニッケルを生産する主な工程は以下の通りです:鉱石乾燥・選別(大規模破砕)、バッチ処理、焼結、コークスブロックとフラックスを加えた焼結鉱石の精錬、フェロニッケルインゴット鋳造、スラグ水焼入れ(フェロニッケルインゴットおよび水焼入れスラグの製造)。高炉は主に低ニッケルの銑鉄の生産に使われ、約50%の鉄と1%のニッケルを含むラテライトのニッケル鉱石を使って、約5%のニッケルを含む低ニッケルの銑鉄を生産します。通常、コークス対ニッケルの比率はフェロニッケルあたり約800 kgのコークスです。
4.2 回転キルンでの直接還元製錬
回転式キルン直接還元製錬は、最もエネルギー消費とコストが低い生産方法として広く認められています。基本的な工程は以下の通りです:原鉱石乾燥(大規模破砕・粉砕)—還元石炭とフラックスの添加—回転キルンでの還原および精錬—溶融鉱石の水焼入れ—水焼入れスラグおよびニッケル鉄粒子の破砕、粉砕、磁気分離—ニッケル鉄顆粒および微細な溶融スラグの生産。このプロセスはコークスや大量の電力を必要としず、プロセスフローも短く、短い段階で、強い競争力と実現可能性を持っています。現在、このプロセスは中国でまだ大規模生産に入っていません。主な理由は、バッチ処理、耐火材料、リング形成などの問題が完全に解決されていないためです。
4.3 回転式キルン浸水アーク炉の精錬
回転式キルン浸水アーク炉の精錬プロセスは、ニッケル含有量の高いニッケル鉄合金の製造に国内外で広く利用されています。完全な製錬工程は以下の通りです:原鉱石の乾燥および石炭→フラックス混合、回転キル→ンでの徹底乾燥および前還原、浸水アーク炉の還元、ニッケル鉄溶鉄鋳造→スラグ水焼入れ→ニッケル鉄インゴット(または水焼入れニッケル鉄顆粒)および水焼入れスラグの生産。
主なプロセスは以下の通りです。
(1) 乾燥:回転乾燥シリンダーを用いてニッケル鉱石から水分を除去します。
(2) 成分:ラテライト鉱石、無煙炭、石灰岩は一定の比率で混合・比例されます。
(3) 前還元:回転キルンでの還元;
(4) 精錬:熱い材料を直接炉に投入して製錬します。
(5) 精製:合金の脱硫、脱シリコン化、脱炭精錬;
(6) 鋳造または粒状化:鋳造機での造粒、乾燥、包装、または鋳造インゴット;
(7) 排ガス浄化:排気ガスは集塵器に入った後に排出され、電気炉のガスは回収されます。
ラテライトニッケル鉱石は港からストックヤードへ運ばれ、保管と混合に使われます。原料ヤードで保管・予め混ぜられたラテライト鉱石は、まず乾燥キルンで乾燥させて水分をほとんど除去し、その後粉砕して篩分けされます。石灰石と還元剤は原料ヤードと準備室で選別・粉砕され、乾燥ラテライト鉱石と混合されて回転キルンに送られます。
回転キルンでは、原材料をさらに乾燥・焙煎・予備還元し、約900〜1000°Cでニッケルスラグ(部分的に還元された製品)を製造します。 回転式キルンの煙ガスは、廃熱ボイラーを通過し、粉塵除去、脱硫後に排出されます。粉塵は原材料と混合され、再び窯に投入されます。
ニッケルスラグは、耐火レンガで覆われた水中アークファーネスサイロに密閉絶縁条件(高架給油台車)のもとで添加されます。プロセス要件に従い、熱還元製品は電子ライトレールスケールを用いて二次バッチ処理され、その後浸水型アーク炉の製錬システムに送られます。スラグは異なる場所の給油管を通じて水中アーク炉に分配されます。浸没アーク炉は半密閉型(または完全密閉型)で、自己焼起電極、水中アーク製錬、粗鉄ニッケルおよびスラグの還元・分離を行い、同時に約75%COを含む水中アーク炉ガスを生成します。このガスは精製され、回転キルンバーナーに送られ、粉砕炭とともに燃料として使用されます。集塵機からの粉塵は処理され、原材料ヤードに戻されます。水漬け後のアークファーネススラグは、道路建設やレンガ製造の建材として利用可能です。
液状のニッケル鉄合金は、浸水中のアーク炉から定期的にレードルに注ぎ込まれ、レードルカーで鋳造工場へ運ばれ鋳造され、適格なニッケル鉄インゴットは保管・販売されます。浸水中のアーク炉の生成物は粗ニッケル鉄であり、タッピング前に溶融鉄のおたまに脱硫剤を加えることで、脱硫がタッピングと同時に行われるようにします。
粗製フェロニッケルにはSi、C、Pなどの不純物が含まれており、さらなる精製が必要です。スラグ除去後、酸素吹きでシリコンを除去するためのコンバーターに供給されます。同時に、溶融鉄の温度が高すぎるのを防ぐためにニッケルを含むスクラップも加えられます。シリコン除去後、スラグが除去される(または鉄をタップするためにスラグを塞ぎ)、アルカリコンバーターに供給され、リンと炭素を除去するために酸素を吹き出します。石灰岩はアルカリ性スラグを作るために添加されます。アルカリコンバーターで精製された溶融フェロニッケルは鋳造工場に送られ、適格な市販フェロニッケルブロックに鋳造されるか、熱いまま直接製鉄所に送られます。
全体のプロセスフローは図1に示されています。
図1。ニッケル鉄生産プロセスの流れ
ニッケル鉄生産におけるエネルギー保存
電気アーク炉でニッケルを含む銑鉄を精錬するための原鉱石の大部分は海外から供給されています。原鉱石は主に細かい鉱石で、付着水分含有量は約30%、結晶水含有量は約10%です。したがって、この鉱石は炉で精錬する前に焼結されなければなりません。焼結は精錬工程の最初の段階であり、製錬工程の通常の運転に影響を与えるだけでなく、製品の技術的および経済的指標にも影響を与えます。同時に、焼結プロセスは多くのエネルギーを消費するため、焼結装置やプロセスは合理的に選択されるべきです。垂直キルン焼結とロータリーキルン焼結が最良の選択肢です。
暖炉に熱い材料を使用することは省エネの重要な方向であり、電力消費を大幅に削減するため、積極的に検証されるべきです。回転窯で焼結された熱い材料を使用することで、コスト削減だけでなく製品の市場競争力も高めることができます。
ニッケル鉄生産における技術指標と原材料消費
ニッケル鉄を生産する主な原材料およびエネルギー消費は以下の通りです。ニッケル鉄含有量は10%~15%、Si≤7%、C≤4.5%、P≤0.06%、S≤0.04%~0.35%です。ラテライトニッケル鉱石7200 kg/t、石灰2300 kg/t、コークス470 kg/t(高温材料)、電極ペースト40 kg/t、電力消費6000 kW·h/t(高温材料)。
