摘要：在分析中中国镍资源和镍生产现状的基础上，提出开发海外镍矿资源，利用进口红土型镍矿原料在沿海地区建设大型镍铁生产厂的思路。根据红土镍矿成分的不同，镍生产厂可以选择不同的冶炼工艺。中国目前还没有一座大型镍铁生产工厂，为了少走弯路可以引进国外成熟的先进技术，在中国国内制造全部设备，以较少的投资，在最短的时间内，选择适宜的沿海地区建设一座大型镍铁生产厂。为此，比较详细的介绍了乌克兰帕布什镍厂的火法冶炼镍铁的工艺流程和生产指标。文章还介绍了在镍铁精炼车间，直接冶炼300系列不锈钢工艺的开发。     1. 开发利用海外镍资源满足中国日益增长的镍需求：     尽管中国镍资源的开发与利用近年来得到了快速的发展，但是，发展的速度远远跟不上冶金等行业对镍需求增长的速度。近几年，中国精炼镍产量在8万吨左右，受到资源的限制，短时间内不大可能快速增长。合资在国外开发镍矿、建设镍生产厂的几个项目虽然已经签约，但是项目产能有限、实施还需要时间。     目前中国镍的年消费量已经快速的增加到14.6万吨，中国已经成为仅次于日本的世界第二大镍消费国，是近年来全球镍消费增长最快的国家。随着国民经济的快速发展，人民生活水平的提高，不锈钢的消费量将上升，这将导致镍的需求量增长的速度大大超过目前可以预期的镍的产出量的增长速度。有色金属工业协会预计到2010年，中国镍消费量将达到24 万吨。     近年来，为了保证国民经济发展对镍的需求，中冶、五矿、太钢、宝钢等大企业实施“走出去”的发展战略，参与海外镍矿资源的开发，这将对中国镍的稳定供应发挥重要作用。中国的一些民营企业，也积极进行开发利用海外镍资源的探索，取得进展。利用红土镍矿生产的低镍含量的生铁已经广泛的用于200系列不锈钢的冶炼。     目前中国镍冶炼工艺基本上处于以电解镍为主的单一产品的局面。研究开发利用红土型镍矿，生产镍铁的技术是必要的。红土型镍矿用来生产镍铁在经济上合理，没有必要一定要生产电解镍。这项技术的开发有利于中国企业参与海外镍矿资源开发，占有更多优势矿产资源。     2. 建设火法冶炼镍铁的工厂的条件分析：     目前中国还没有大型的镍铁生产厂。中国金川镍厂以中国产的硫化镍矿为原料，适合于湿法冶金工艺。吉恩镍业和元江镍业镍虽然以红土镍矿为原料，但是都采用了高压酸浸工艺生产镍。中国目前有小的炼铁厂，采用传统的烧结技术处理进口红土镍矿，生产镍渣，再加入高炉生产含镍量为1%-3%的低镍生铁，用于冶炼200系列的不锈钢。     建设镍的冶炼工厂投资大，限制了中国镍业发展。有报道，国外采用湿法冶金生产镍，每一公斤镍的投资在20-24美元。如果引进设备，在中国建设火法冶炼镍铁的工厂，投资也相似。所以本文主要想探讨利用国际先进的技术和设计，在中国制造设备，建设镍的生产工厂的可行性。这样可以规避风险，收到高利润、低风险的效果。通过与乌克兰的专家近一年的讨论，利用原苏联的技术和设计，采用国产设备建设一座年产镍1.0 万吨 (镍铁5万吨) 的工厂，每一公斤镍的技资大约为6美元。     生产镍铁，能源消耗大。生产一吨含镍20%的镍铁，大约需要80Nm3氧气和 4000-6000kwh（矿石含镍为 1.2%-2.0% 时）电力。所以厂区周边的电力供应状况很重要。     在建设工厂以前必须落实矿石的来源。理论上讲，所有的红土镍矿石都可以用火法冶金生产镍铁，但是由于矿石的性质不同，为了降低生产成本，火法工艺优先选择以硅镁镍矿做原料。而碱性镍矿可以 选择还原焙烧一氨浸法处理；褐镁矿型红土矿可以选择加压 （或常压）酸浸处理工艺。有报道：约有40亿吨红土镍矿适于高温冶炼，平均纯度为1.55%, 含量约为6200万吨 , 约占红土镍矿总数的38%：约有86亿吨的红土镍矿适于湿法冶金，平均纯度为1.15%, 含量约为9900万吨，占红土镍矿总数的62%。但是，乌克兰国家冶金学院的专家怀疑这组数据 , 根据他们在帕布什镍厂工作的经验 , 适合于火法冶金的矿石很容易购买，而且价格便宜。目前全球镍矿供求基本处于动态平衡。2004年全球镍矿产总产量为128万吨，约有60%的镍矿产量来源于硫化镍矿石，约25%源自高温冶炼的红土镍矿石，约15%为水冶红土镍矿石。     渣子数量大，要考虑炉渣的处理和利用。在生产镍铁时，主要是回收了矿石中的镍和铁。同时结晶水蒸发掉了。理论上渣子可以用来作为建筑材料，但是由于数量巨大，建筑材料的市场容量要研究。如果堆存将占用土地。由于这种炉渣不会对环境造成化学污染，可以用来填海造地。     由于原料量大，运输是重要的问题。乌克兰帕布什镍铁厂虽然不临海，但是通过第聂伯尔河，原料可以方便的运输到工厂的料场。     3. 这是一个符合中国产业政策的好项目：     中国《有色金属工业长期发展规划 (2006-2020年)》指出：“ 世界己查明镍资源量1.3亿吨，其中硫化镍矿占40%，红土镍矿占60%。由于硫化镍矿资源紧缺，开发镍红土矿具有重要意义。针对不同类型镍红土矿，研究火法工艺处理硅镁镍矿；还原焙烧——氨浸法处理碱性镍矿：加压或常压酸浸处理褐镁矿型红土矿。”     另外，镍是各国重要的战略物质，开发红土镍矿冶炼技术，将强化中国企业参与海外镍矿资源开发的能力，占有更多的矿产资源。     4. 乌克兰帕布什镇铁厂生产工艺流程介绍 ：      4.1 概况：     乌克兰帕布什镍厂建设于苏联时代，于1972年投产。工厂位于乌克兰著名的冶金和航空航天城的第聂伯尔市的西南部。工厂不临海，但是可以通过第聂伯尔河将进口红土镍矿运到工厂料场。这项工程由苏联的国立镇工业设计院承担总体设计，乌克兰国家冶金学院等大学和研究院为这项工程提供了技术支持。     这个工厂投产以后的十几年间，利用苏联境内的红土镍矿为原料生产含镍14%~20% 的镍铁。红土镍矿石含镍量在1.0%左右，矿石含较高的氧化镁和氧化硅。为了提高镍铁的产量和提高经济效益，近年来从南太平洋的新克林顿岛购入镍含量比较高的红土镍矿石，进口的红土镍矿石含镍量波动在1.5%~2.0% 。     这个工厂设计年产纯镍2.0万吨。2004年这个工厂生产了8.5万吨镍铁 ( 含镍 20%) , 折合纯镍1.7 万吨，在世界上镍价大约为1.2 万美元/ 吨时，工厂生产的镍的销售额达到2.04亿美元/年。有乌克兰的冶金专家称这个企业2004年利润率达到200% 以上，是乌克兰效益最好的企业。 2005年因为设备检修和技术改造，镍铁产量降低到6.8万吨。     这个工厂在1972年投产后进行了多次的技术改造，保持了镍铁冶炼工艺的最佳配置，工艺上的创新使这个工厂保持了青春。     为了扩大工厂的生产能力，这个工厂正在筹划进行扩大生产能力的技术改造。规划在原有设施的基础上再建设一条相似的镍铁冶炼生产线，使年产镍铁的能力提高一倍。     帕布什镍厂建设之初立足于使用含氧化硅和氧化镁高的红土镍矿。独立开发了多项专有技术。乌克兰冶金专家指出；从整体的工艺流程上看，这个工厂似乎少有特殊之处， 但是一些具体的工艺技术进步和技术诀窍，保证了这个工厂的生产工艺能更好的适应目前多变的原料条件，保证技术经济指标在同行业中处于领先水平，这样才取得了现在这样好的经济效益。     4.2粗制镍铁的生产工艺：     从船上卸下的矿石，运入工厂的原料场。在原料场红土镍矿被清洁、破碎、筛分、中和混匀。然后按工艺要求进行配料，通过胶带输送机送入下一工序。     红土镍矿石一般含有30%左右的水分 ( 结晶水) , 需要在还原焙烧阶段将其去除。这个任务是在回转窑中完成的。矿石在料场破碎、中和混匀以后，向其中加入炭素还原剂 ( 焦粉或煤粉)和熔剂，将其充分混匀后加入到回转窑中，在回转窑中，矿石被焙烧脱水，重量减少 30%左右。在回转窑中 , 氧化镍被加入的炭素还原剂还原。回转窑内形成温度为600~700 ℃镍渣，这些镍渣在隔热的状态下，被送入到矿热炉的供料料仓 ( 内衬耐火保温层)，根据生产工艺的要求，镍渣通过一个密封的管状布料装置，均匀的分配到矿热炉内。     在这种工艺流程中，矿热炉是投资最大的设备。为了环保、工业卫生和回收粉尘的需要，炉子被密封起来。在矿热炉中通过电弧冶炼，分离出粗制镍铁和电炉炉渣，同时产生含 C075%的还原性气体，这种气体经过净化以后返回到回转窑中作为燃料进行燃烧，提供回转窑所需要的热能，除尘灰返到矿热炉继续参与冶炼。电炉炉渣是一种很好的建筑材料 , 但是目前仅利用于道路的建设。从矿热炉中得到的镍铁含高的硫、硅、炭、磷等杂质 , 不适合冶炼高级不锈钢，还需要进行精炼以后才能作为成品出厂。     在目前的原料条件下，将1吨的原料矿加入回转窑，大约可以得到650~700公斤的镍渣，这些镍渣加入到矿热炉中，大约可以得到120~150公斤的粗制镍铁。粗制镍铁中的镍含量一般为14%，最高时可以达到18% 。     4.3 帕布什镍厂目前采用的粗制练铁精炼工艺 ：     为了去除粗制镍铁中的杂质 , 采用三步精炼工艺。     首先 , 从矿热炉放出粗制镍铁水到铁水包中 , 并向铁水包内加入苏打灰 , 加入的比例是每吨镍铁水14 千克 , 镍铁水中的硫可以降到0.015%~0.08%。也可以向铁水包中喷入钝化的镁颗粒 , 这需要用特殊的蒸发器将颗粒续喷入铁包内1.5米左右的深处,这种工艺可以将镍铁水中的硫含量降到0. 015%以下 ( 近年来中国 30 多家钢铁公司从乌克兰引进这种工艺 , 应用于高炉铁水脱硫)。     将脱硫处理后的镍铁水上面的渣子倒掉以后，兑入到用酸性耐火材料做炉衬的氧气顶吹转炉中，在酸性氧气顶吹转炉中，通过吹氧，硅被氧化，此时，熔池的温度快速提高，为了控制合适的熔池温度，需要向炉内加入生产过程中产生的金属废弃物或者购入的含镍的废料。     经过脱硅处理后的镍铁水再被装入到一座相同吨位的碱性氧气顶吹转炉中，通过顶吹氧气，去除镍铁水中的炭、磷及其它杂质。为了造碱性的炉渣和降温，向转炉内加入石灰石。在有充足的含镍废料时，可以用石灰代替石灰石。     从碱性氧气顶吹转炉中出来的镍铁水中的杂质含量已经符合商品镍铁标准的要求，含镍量提高到20%左右，可以作为商品镍铁出售。上面这些操作是通过计算机控制系统来完成的     5. 帕布什镇厂的主要工艺装备和主要原料材料的消耗指标：     5.1 主要工艺装备 :     这个工厂有两条平行的工艺生产路线。每一条 生产线上都装备有二台回转窑、一台变压器功率为 48MVA 的矿热炉 ( 矿石还原炉〉、一座容量为 40 吨的 酸性顶吹转炉、一座容量为 40 吨的碱性氧气顶吹转炉。     5.2 主要的消耗指标 :     成本和消耗指标是企业的商业机密，因此不能保证以下数据的准确性。     电能的消耗占镍铁总成本的30%~33% 。每一 吨商品镍铁的电力消耗与矿石的镍含量相关 , 在矿石镍含量为 1.5% 时 , 电能消耗约为 6000 KWH/每吨干矿石。在矿石的镍含量为2.5% 时 ，一吨镍铁的电能消耗降到4000KWH。     原料消耗：国外购入的含镍1.5%~2.0% 的红土镍矿石 , 其消耗量大致是12吨 / 吨镍铁。     还原剂 ( 采用无烟煤的煤粉时 ) 大约占矿石数量的 8% 。     各种燃料的重量是50千克 / 吨镍铁。     氧气 80 立方米 / 吨镍铁。     石灰5千克/每吨焙烧前的矿石。     6. 正在开发的新工艺 :     帕布什镍铁厂正在进行的扩建工程将采用多项先进技术。下面介绍重点研究的两项新的工艺技术。     6.1 粗制保铁的二步法精炼工艺 :     因为硫可以在碱性转炉中脱除,因此可以将铁水包脱硫和酸性转炉脱硅合并在一个碱性转炉中进行。将4.3节介绍的酸性转炉,改为顶底复合吹炼的碱性转炉,通过底吹氧气 ( 氮气 ) 或混合气体,可以实现在还原的气氛下脱硅和脱硫。     从第一个转炉出来的镍铁水再进入第二个转炉内脱磷 , 在冶炼过程中要向炉内加入石灰石 , 保证合适的冶炼温度。在这个转炉中冶炼出合格的镍铁水。     6.2 用粗制保铁直接冶炼不锈钢的工艺 :     在上面的二步法精炼工艺中 , 将第二个转炉改 为 GOR 转炉 , 可以直接生产出合格的 300系列的不锈钢。     10吨GOR转炉采用这种工艺直接生产不锈钢的工业试验介绍如下：      乌克兰冶金学院等大学和科研机构在原苏联时期开发出 GOR 转炉冶炼不锈钢的工艺技术 , 用这种转炉作为粗制镍铁精炼的第二座精炼转炉 , 可以直接生产以X18H9( 相当于中国的OCr18Ni9)为代表的镍基不锈钢。     这种转炉是一种顶底复合吹炼转炉：顶吹氧枪向炉内供氧 , 达到脱磷的目的。底吹喷嘴数量为 3 个 , 套管式的底吹喷嘴向炉内输送氧气、氮气、氧气、 天然气及其这些气体的混合气体 , 达到深度脱硫、 脱炭的目的。这个炉子的原料除了从第一座脱 硅、脱硫的精炼转炉来的镍铁水以外，还要加入：直接来自矿热炉的粗制镍铁、石灰、大量的铬铁( 以保证成分合格为限量) , 从而得到合格的不锈钢水。这些钢水被浇铸成钢锭供给无缝管轧机或带钢的初轧机。     2005 年6月到2006年6月 , 参加帕布什工程建设，并为帕布什厂的建设提供专利技术克兰专家们多次来华进行技术交流。期间，对使含镍量的红土镍矿石直接生产镍基不锈钢的课题，进行了深入的讨论。第二座精炼转炉在顶吹氧脱磷任务完成以后，可以直接转入 GOR 转炉的基本冶炼工艺 , 这时的主要任务就是进行铬的合金化。计算表明为了冶炼合格的300系列不锈钢一般要加入300kg/t的高炭铬铁，这些铬铁的熔化和提高温度所需要的部分热量来自加入第二座精炼转炉 ( 转炉 ) 中的粗制镍铁中的硅氧化产生的热量。在向GOR 转炉加入铬铁以前先向GOR转炉中加入这些粗制的镍铁。     这种方案是不锈钢生产工艺中有竞争力的一种创新工艺技术，用这种工艺生产不锈钢可以不用建设电炉熔化废钢以生产初炼钢水，节省了投资。节省了熔化镍铁和生产初炼钢水的电能，还使得镍铁精炼过程中被当做杂质而被氧化掉的部分金属铁直接进入不锈钢中。在有不锈钢废钢资源时，还可以直向精炼转炉中加入不锈钢废钢，节省了熔化这些冷料消耗的能量。     乌克兰专家强调：用12吨红土镍矿石，生产1吨的粗制镍铁水，其中含有140~180千克的金属镍，利用上述的工艺，只需要加入高炭铭铁，则可以接生产出2吨左右300系列的不锈钢，其成本比通的冶炼工艺低很多。这种工艺在不直接生产不锈钢时，也可以生产含镍20%的镍铁直接销售。     尽管这项技术有如此诱人的前景，但是也存在不少的问题需要在工业生产中解决 , 例如 :     一一目前投入工业生产的 GOR 转炉主要用于四 初始钢水为原料 , 冶炼不锈钢 , 气体的供给以底吹为 主。带有顶枪的 GOR 转炉只有小型转炉的生产实践。     一一在 GOR 转炉中要完成脱磷任务、深度的脱 炭和脱硫任务 , 炉子的寿命问题和生产效率问题需 要再深入的研究。     一还要进行冶炼成本的分析 , 确认经济上的合理性。     7. 对于运输条件好的铁合金厂或转炉钢厂的产晶转型有意义     低镍含量的红土镍矿石可以从国外购入 , 例如可以从新克里多尼亚的巴赫德公司或印度尼西亚硅镁镍矿购买，这两个矿山的镁矿质量好。目前国际市场上红土镍矿的资源条件很好。     用红土镍矿生产镍铁的工艺技术是成熟可靠的 , 中国西南不锈钢有限公司的60吨GOR 转炉已经于2006年3月份投入正常生产。结合这两种技术，可以设计一种低成本的不锈钢冶炼工艺。     7.1 这种工艺可以做为铁合金企业转型的一种选择 :     现在一批铁合金企业 , 由于价格、市场、成本等原因 , 在亏损边缘上挣扎 , 这些企业一般有6300~ 25000千伏安的矿热炉 , 投入少量的资金 , 在矿热炉 工序 ( 这是投资最大的一个工序 ) 的前面建设回转 窑 , 在其后面建设镍铁的精炼车间 , 生产镍铁。如果资金条件好，还可以研究直接生产不锈钢连铸坯的技术方案。     如果设计能力设定在帕布什镍厂的一半 , 年产 4.25 万吨镍铁 , 则流程可以设计为 : 二套回转窑--二台 25MVA 的矿热还原炉 ( 也可以采用价 12.5MVA 的矿热还原炉 ) --台 40 吨的一次精 炼炉--台 40 吨的二次精炼炉--铸铁机。资金允许时，可以将一次精炼转炉设计为复合吹炼转炉 , 二次精炼的转炉设计为 GOR 不锈钢精炼转炉 , 后面再配套一台不锈钢的连铸机 , 年产镍含量在 9% 左 右的不锈钢10万吨。如果在转炉生产过程加入不锈钢废钢以平衡热量 , 产量可以提高。     7.2 小型转炉流程的冶金工厂的转型：     生产普通钢的小型转炉由于能耗高、环境污染严重、劳动效率低下、消耗高等原因 , 必将被淘汰。这些工厂有原料场,有20~40吨的转炉, 也有连铸机,可以充分利用现有的生产设施进行技术改造,转产镍铁,进而生产不锈钢。生产普通钢的 15~50 吨转炉将被淘汰,转产镍铁和不锈钢或许是一条出路。     8. 结论 :     乌克兰帕布什镍铁厂近年来创造了高利润率的骄人业绩 , 这个案例值得我们认真研究。在沿海选择 电力资源有保证的地区 , 建设镍铁厂将取得好的经济效益 , 也有利于缓解中国镍资源紧张的局面。设想采用乌克兰的技术 , 由原帕布什厂的设计人员进行工艺设计 , 在中国的机械厂制造全部设备 , 建设一座年产1~2万吨的镍铁厂。这个项目符合中国有色金 属工业长期发展政策 , 并且投资节省、效益好。这个项目对中国以矿热炉为主要生产设备的铁合金厂转产镍铁 , 提供了有益的思路 : 对于中国面临淘汰的小 型转炉炼钢生产企业 , 也提供了一种可供选择的转产方案。     乌克兰国家冶金学院和乌克兰钛设计院愿意就这个项目的技术转让、技术方案研究、技术设计、施工设计、工艺设备设计、施工和安装期间的技术指导、操作规程编制、试车指导、设备投产后的技术支持等问题 , 与中国的专家和企业家进行讨论。