M etallurgical smelting 侧吹一步炼镍生产高镍锍的理念与思考
陆金忠，吴 玲，李晓霞
摘 要：硫化镍精矿采用侧吹炉熔炼直接产出高镍锍，简称一步炼镍（ＮＤＳ）技术，其原理借鉴连续炼铜熔炼炉直接产 出７０％~７５％的冰铜。理念提出后，经过了小型试验和某工厂生产实践，印证了该技术可行，为硫化镍矿火法冶炼短流
程炼镍带来了技术革新，更加适用于当前低碳经济产业政策。
关键词：侧吹炉；一步炼镍；高镍锍；渣贫化；设计理念 中图分类号：ＴＧ１４６．１＋５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２２）０６－０００５－３
Thoughts on the concept of nickel matte side blowing and one-step nickel matte production
LU Jin-zhong, WU Ling, LI Xiao-xia
（Ｃｈｉｎａ Ｅｎｆｅｉ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８１４）
Abstract: Ｎｉｃｋｅｌ ｓｕｌｆｉｄｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ ｉｓ ｓｍｅｌｔｅｄ ｉｎ ｓｉｄｅ ｂｌｏｗｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ ｔｏ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｐｒｏｄｕｃｅ ｈｉｇｈ ｎｉｃｋｅｌ ｍａｔｔｅ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ
ｒｅｆｅｒｒｅｄ ｔｏ ａｓ ｏｎｅ－ｓｔｅｐ ｎｉｃｋｅｌ ｓｍｅｌｔｉｎｇ （ＮＤＳ） ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｉｔｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃｏｐｐｅｒ ｓｍｅｌｔｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ
ｔｏ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｐｒｏｄｕｃｅ ７０％~７５％ ｍａｔｔｅ． Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ， ｔｈｅ ｓｍａｌｌ－ｓｃａｌｅ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ
ａ ｆａｃｔｏｒｙ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｆ
ｅａｓｉｂｌｅ， ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｂｒｏｕｇｈｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｎｉｃｋｅｌ
ｓｍｅｌｔｉｎｇ ｏｆ ｎｉｃｋｅｌ ｓｕｌｆｉｄｅ ｏｒｅ ｐｙｒｏｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｓｍｅｌｔｉｎｇ， ａｎｄ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｏｌｉｃｙ ｏｆ ｌｏｗ－ｃａｒｂｏｎ
ｅｃｏｎｏｍｙ．
Keywords: Ｓｉｄｅ ｂｌｏｗｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ； ＮＤＳ； Ｈｉｇｈ ｇｒａｄｅ ｎｉｃｋｅｌ ｍａｔｔｅ； ｓｌａｇ ｄｉｌｕｔｉｏｎ； ｄｅｓｉｇｎ ｐｈｉｌｏｓｏｐｈｙ
1 镍硫化矿传统冶炼技术
国内外硫化镍精矿的火法熔炼有两种工艺，即熔池熔炼工艺和闪速熔炼工艺。低镍锍吹炼普遍采用了传统的P-S 转炉。 1.1 熔池熔炼工艺
熔池熔炼工艺主要包括密闭鼓风炉熔炼、电炉熔炼、富氧顶吹炉熔炼和富氧侧吹炉熔炼等。由于鼓风炉熔炼和电炉熔炼属于高耗能、淘汰工艺，不进行详细介绍。本文只简单介绍富氧顶吹炉熔炼和富氧侧吹炉熔炼工艺。
富氧顶吹浸没喷熔池熔炼工艺。是将富氧空气喷浸没到熔池中送风熔炼，精矿在入炉前需制粒，喷送风富氧浓度可达60%~80%甚至更高，熔炼过程所需的热量除了化学反应热外，由加入的块煤和喷送入的煤粉燃烧补充；喷套筒同时向炉内鼓入富氧空气以完全燃烧镍精矿分解产生的单体硫和煤不完全燃烧产生的CO。熔炼产出低镍锍、炉渣和烟气。低镍锍大部分送去吹炼，还有一部分与炉渣一起进入沉降电炉进行沉降分离，烟气净化后制酸。由于单支喷浸没深度300mm左右，氧气利用率不超过95%，烟气中CO比例最高占到全C的35%，燃料燃烧效率不高。另外，沉降电炉产出的炉渣含镍高于0.3%，渣贫化效果不好，在处理高MgO方面，富氧顶吹浸没喷熔池熔炼和沉降电炉之间的协调性有待进一步研究和解决，特别是热工制度方面。
富氧侧吹熔炼工艺。通过位于炉体侧部的数个风口向炉内送风熔炼，也是一种熔炼强度大的熔池熔炼工艺，侧吹熔炼炉的主要特点是熔体厚度高达2000mm以上，风口位于渣层，风口区侧墙为铜水套，由于炉渣对铜水套材质基本不侵蚀，可直接挂渣熔炼。气相区设干二次风燃烧反应产生的单体S和CO，产出的低镍锍送吹炼，炉渣经电炉贫化后水碎，烟气净化后制酸。由于反应炉床面积大、送风均匀氧气利用率及燃料煤燃烧效率略高于富氧顶吹浸没喷熔炼工艺。国内某厂采用该工艺处理硫化铜
镍混合精矿，电炉贫化后的弃渣含Ni为0.16%左右，由于原料自身Ni品位低于Cu品位，熔炼低镍锍的Ni品位不超过20%，从渣和镍锍中有价金属分配比来看是合理的，但是不能充分说明其与富氧顶吹浸没喷熔池熔炼工艺相比孰优孰劣。
1.2 闪速熔炼
1.2.1 奥托昆普闪速熔炼
奥托昆普闪速熔炼技术1959年在芬兰哈贾伐尔塔应用于熔炼镍精矿，充分利用粉末状态的巨大比表面积和硫化矿物反应放热的特点，提高了生产效率并改善了环境。经过深度干燥到含水不大于0.3%的镍精矿由中央喷嘴喷入反应塔内，与一同喷入炉内的富氧空气快速完成熔炼，混合熔体随后落入沉淀池进行分离产出低镍锍和炉渣，炉渣进一步贫化后水碎堆存。烟气SO2浓度高，经余热回收和除尘后送制酸。
收稿日期：２０２２－０２
作者简介：陆金忠，男，生于１９６９年，汉族，１９９２年毕业于中南工业大学
有金属冶炼专业，正高级工程师，副总工程师，从事铜、镍、铅等重金属火法
冶炼领域设计，固废和危废的资源化、无害化处置。
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冶金冶炼
M etallurgical smelting
目前采用奥托昆普工艺的镍闪速熔炼厂主要有澳大利亚的卡尔古利、俄罗斯的诺里尔斯克、博茨瓦纳的BCL及中国的金川等；其中卡尔古利和金川采用了奥托昆普闪速熔炼与炉渣贫化电炉合二为一的合成式闪速炉。
1.2.2 INCO氧气闪速熔炼工艺
加拿大国际镍公司铜崖冶炼厂的INCO氧气闪速熔炼工艺实在炼铜的基础上发展起来的，所用氧气为含氧96%~97%的工业氧气。经过干燥的精矿和熔剂的混合物水平方向吹入炉内，在气相中完成脱硫氧化反应和熔化，熔体落入下部熔池完成造渣反应及低镍锍与炉渣的分离。INCO 型闪速炉的水平精矿喷嘴，特别适合充分加热整个炉床空间。
该工艺在加拿大铜崖厂、美国赫尔利厂和美国海登厂得到应用。
1.2.3 DON一步炼镍工艺
天宝系
DON一步炼镍（DON（Direct Outokumpu Nickel）工艺是芬兰哈贾伐尔塔厂1995年在奥托昆普传统闪速熔炼工艺的基础上发展起来的，工艺与闪速熔炼技术类似，主要是为了处理含MgO较高的原料。通过直接生产高镍锍，降低渣中MgO含量来降低操作温度；同时，将吹炼化学反应热在熔炼炉释放，降低能源消耗。不同之处在于：一是原料在反应塔内深度氧化、脱硫和除铁，直接产出高镍锍；二是炉渣含镍比较高，需要单独的炉渣贫化电炉贫化；三是炉渣贫化电炉产出S含量7%左右的高金属化镍锍。DON一步炼镍运行了近30年，缩短了硫化镍精矿冶炼工艺，实现了短流程冶炼；但是在炉渣贫化上仍采用了传统的电炉间断贫化，金属回收率上没有得到实质上的突破，推广应用效果不明显。
2 侧吹一步炼镍的工艺理念
高镍锍的主要成分为Ni+Cu≥75%左右，Fe≤4%，S21%~23%。侧出炉一步炼镍生产高镍锍，其技术理念来自连续炼铜，连续铜冶炼熔炼炉直接产出70%~75%的铜锍，Fe、S含量与高镍锍接近。一步炼镍理念的提出是基于以下镍硫化矿冶炼特点：
（1）借鉴连续炼铜和DON工艺理念，侧吹一步炼镍将传统冶炼过程镍锍中20%~45%的Fe大部分氧化进入炉渣，稀释了渣中MgO，降低冶炼温度，减少能源消耗和降低冶炼风险。
（2）将P-S转炉吹炼低镍锍过程的FeS氧化释放的热量，转移释放到熔炼炉，增加了熔炼化学反应热量，降低了熔炼过程的能耗。
偏振分束器
（3）借鉴铜冶炼行业连续炼铜技术，淘汰低镍锍P-S转炉吹炼和低镍锍及吹炼渣倒运环节，实现短流程冶炼，解决硫化镍精矿冶炼行业P-S转炉吹炼带来低空污染的问题。
（4）低镍锍P-S转炉吹炼工序的取消，大大减小了冶炼工艺烟气和环境集烟处理系统，使得进入制酸系统烟气量和成分比较稳定，制酸系统可实现高浓度转化或搭配处理部分环集烟气。
（5）冶炼流程的缩短、烟气处理系统的减小，节约了项目占地面积、大幅度减少了系统的基建投资。
（6）原料化学能量的转移、渣型的优化、工序的缩减或减小等，大幅度降低了单位能耗和加工成本。
上述诸多优点可以说明：侧吹一步炼镍的工程化应用，如同连续炼铜技术等，将会为硫化镍精矿冶炼技术带来质的飞跃和进步。在此也希望感兴趣的同行们共同为中国乃至世界镍冶炼行业的技术进步献计献策。
总体工艺设计理念：硫化镍精矿等混合物料侧吹炉熔炼产出高镍锍；熔炼产出的炉渣采用新型渣贫化炉处理，产出含镍、铜、钴较低的弃渣和金属化较低的低镍锍。
国内外硫化镍精矿冶炼工厂，熔炼渣和吹炼渣的贫化基本上采用了电炉来贫化回收有价金属；也有人
探索熔炼渣还原、硫化后选矿；进入21世纪，随着单生产规模进一步扩大，炉渣处理效果均不理想。
结合前述情况，本项目采用一步炼镍工艺，技术的难点在于一步炼镍冶炼炉渣的深度贫化，保证金属回收率。
3 一步炼镍技术来源及实践支撑
3.1 一步炼镍的技术来源
侧吹一步炼镍技术是中国恩菲工程技术有限公司发明的一种镍精矿一步冶炼至高镍锍的技术（英文Nickle Direct Smelting，简写NDS）。
随着连续炼铜技术在中国的发展，闪速炉、底吹炉、侧吹炉等熔炼炉均实现了生产高品位铜锍，铜锍品位从传统的低于60%达到了68%~78%，实现了传统铜精矿的熔炼和吹炼造渣期的有机融合，推动了铜冶炼技术向绿、低碳、环保方向更进一步。
一步炼镍的技术团队研究了铜冶炼熔炼炉生产高品位铜锍技术的特点和生产实践，借鉴了DON一步炼镍的技术方向，提出了侧吹炉一步炼镍新思路，这是因为侧吹炉具有良好的水冷却系统，风口区为全水冷结构，炉缸为后耐火材料保温结构，上部有较大的气相区空间的特点。这就为侧吹一步炼镍提供如下技术支撑：
（1）高强度、全水冷的反应区，依靠冶炼过程动态挂渣保护水套，这就为适应硫化镍精矿高MgO原料需要高温冶炼操作创造了条件。
（2）保温炉缸为抑制微金属化高镍锍中的金属相创造了条件。
（3）大气相区空间为高价硫化物分解及冶炼产出的CO 二次燃烧创造了条件。
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冶金冶炼
M etallurgical smelting
可能有人担心，一步炼镍熔炼氧化深度较深，易出现泡沫渣的风险，这点可以解释为：
一是连续不断加入的精矿是最好的还原剂。
二是铜冶炼侧吹熔炼也适当加入块煤来控制渣中的氧势在合适的范围，相比于DON工艺，侧吹一步炼镍能够更好的解决这一问题。
范长秘
三是泡沫渣的出现是当前渣的粘度与温度不匹配引起的，一步炼镍的前提是适度高温冶炼，为渣贫化
创造条件。从这点出发，可以从操作理念上解决泡沫渣的问题。
四是在设计上，结合铜冶炼、固废冶炼等，设计相应的应急措施。
至此，项目团队从机理上、理论上理解了侧吹一步炼镍的总体思路，也对比了底吹炉熔炼、顶吹炉熔炼，从工艺上、装置结构上和理念上均没有侧吹更加突出。
3.2 一步炼镍的技术的实践支撑
侧吹一步炼镍技术提出后，在中国恩研究院菲河南偃师试验基地，联合国内某厂2020年进行了多炉次小型试验，产出了合格的高镍锍，高镍锍含Fe3.8%，期间未出现泡沫渣，试验团队分析一直认为技术可行，并终止了试验，也形成了系统性的试验研究报告。
同时，国内某厂原鼓风炉处理硫化镍精矿，与2021年改造升级为侧吹炉处理硫化镍精矿。项目建建成投产后，由于原料成分物相变化和化验分析不能够及时准确的指导生产，导致了对技术人员的误导，连续多日侧吹炉产出Fe含量0.5%~7%的镍锍，也从工厂生产中进一步印证了侧吹炉一步炼镍的可行性；期间由于操作温度低产生过泡沫渣，但处置及时未造成直接后果和影响。
渣贫化炉也采用了新技术，国内比较先进的镍熔炼渣贫化工艺采用侧吹还原+硫化剂的方法，渣含Ni可降至0.12%。硫化镍矿熔炼渣贫化工艺的关键是增强反应动力学、增加侧吹还原手段，以提高还原剂
利用率，可以考虑采用多种工艺手段结合的工艺路线来降低尾渣中有价金属含量[1]。
实验设计的严密性4 一步炼镍系统设计思想
镍硫化精矿侧吹一步炼镍系统在工程化道路上，需要分析理解工艺的特点，解决工程化中共同担心的、突出的几个关键问题，降低项目风险，才具有推广应用的前景。
4.1 工艺设计
（1）高镍锍成分的稳定性与熔炼炉工艺控制之间的协调性，适度拓宽熔炼炉的适应性和波动性。
（2）联合火法和湿法冶炼流程，制定合理的熔炼渣贫化产出低镍锍的处理。党史文苑
4.2 冶金炉设计
（1）熔炼炉重点解决高镍锍中金属相在炉低的沉积和冻结问题，化解风险。
（2）打破常规，渣贫化炉重点解决炉渣的高效还原、硫化和沉降分离，提高金属回收率，以此为契机，对渣贫化技术进行创新和突破。
4.2.1 工艺设计优化思考
一步炼镍高镍锍成分的稳定性直接与熔炼原料成分、工艺参数的稳定性相关，高镍锍排入类似回转阳极炉的保温炉进行微调，满足湿法对高镍锍成分的要求，这样就适当放宽了熔炼炉的控制条件。
渣贫化产出的低镍锍的处理，可以单独设小型吹炼炉处理，也可以与湿法浸出渣共同生产富含贵金属的二次镍锍，进一步富集贵金属。
咸阳偏转集团公司4.2.2 冶金炉设计优化
（1）熔炼炉
侧吹熔炼炉根据熔炼炉冶炼温度、高镍镍锍产率，设计合适的保温炉缸及排放位置，保证排放出来的镍锍高于合金析出温度。还可以通过增加排放频次来加速炉低热量传递来改善。
（2）渣贫化炉
熔炼渣贫化在传统的熔炼渣和吹炼渣电炉贫化的基础上，创新设计新型高效渣贫化炉，新型渣贫化炉设贫化区和沉降分离区。
贫化区主要完成还原、贫化和补热、搅拌等功能，熔体液面波动大、喷区熔体喷溅高度高，空间需要完成CO和S2的二次燃烧，设计为大炉膛空间；不设计低镍锍储存区。
结合炉渣高氧化镁的特点，对渣贫化炉沉降区电极的配置进行优化设计，适当提高功率密度，满足炉渣快速提温的要求和MgO在炉墙的析出和粘结。
渣贫化炉控制合适的操作液面，能够调整渣层和贫化低镍锍之间的热量分布和控制手段，以及合理设置镍锍排放口位置，防止金属化镍锍中合金析出在炉底冻结。
5 结语
通过文章中对侧吹一步炼镍、炉渣处理及相关工艺的总体研究和思考，以及前期的相关试验及生产数据，可以得出结论：采用侧吹一步炼镍生产高镍锍从技术上是可行的。
在工程应用中，针对性的研究和分析的基础上，解决重点关注的问题，降低工程化应用风险，实现硫化镍精矿火法短流程连续冶炼技术升级和变革，大幅度降低冶炼能耗、成本和投资，促进硫化镍精矿冶炼技术和炉渣贫化技术的进步与革新，开创镍硫化矿火法冶炼的绿、低碳新局面。
[1] 王雪亮，石润泽，李兵等.镍熔炼渣贫化工艺现状与展望《中国有冶
金》.2020年6期：1.
7
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