利用红土镍矿冶炼镍铁合金及不锈钢

1 铁，镍与铁的合金，在炼钢工业中作为合金元素添加剂，可提高钢的抗弯强度和硬度，同时由于镍金属所包含的耐腐蚀、耐强碱以及能较好的适用于高温与低温环境性能，使得镍铁，作为镍的替代品，成为不锈钢冶炼主要原料之一。

2 《利用红土镍矿冶炼镍铁合金及不锈钢 》作者长期从事镍铁合金和不锈钢冶炼技术方面的研发和生产，熟知当前国内外的生产和科研进展情况。

 

本书结合镍铁合金及不锈钢的生产实践以及作者多年的现场实践经验，在介绍红土镍矿基本知识的基础上，全面介绍了红土镍矿矿床和矿物、镍铁合金及不锈钢冶炼的生产工艺、原辅材料、装备等知识，对不锈钢精炼等工艺细节进行了详细的介绍，特别是对东南亚红土镍矿矿床和矿物及用其冶炼镍铁和奥氏体不锈钢的原理和工艺进行了详细说明，同时结合企业的生产实际，列举了典型的工艺案例和生产线生产情况。可以给读者提供全面而实用的指导。

本书可供冶金领域技术人员，设计、研发人员以及高等院校相关专业师生参考。

周建男，中钢滨海实业有限公司，高级工程师 总经理

1983-2001年在抚顺钢厂（副总工程师），从事短流程特殊钢生产工艺装备技术研究；

2001-2008年在青岛钢厂（副总工程师），从事长流程普钢生产工艺装备技术研究；

2009-2012年在中钢中宝镍业有限公司（总经理），从事镍铁生产工艺装备技术研究。

发表论文80余篇，著作5部（独自完成3部、主编1部、参编1部），

先后任5所大学兼职教授或研究生指导教师，指导研究生数十名。

参加国家“75”、“85”重点技改项目（2项）；“95”科技项目（1项）

863项目（1项）研究工作，获中国高校科技进步奖一等奖等奖项7项。

第1章镍及冶炼技术概述1

1.1镍的发现、性质及主要用途4

1.1.1镍的发现和镍业发展4

1.1.2镍的性质6

1.1.3镍的用途6

1.2红土镍矿资源7

1.2.1世界红土镍矿资源7

1.2.2中国红土镍矿资源9

1.3镍的冶炼技术9

1.3.1火法冶炼11

1.3.2湿法冶炼20

1.3.3红土镍矿的其他处理工艺25

1.3.4气化冶金羰基法炼镍26

1.4用红土镍矿火法冶炼高品位镍铁、铁、镍、“半钢”、钢及不锈钢26

1.4.1高品位镍铁、金属镍、铁、钢的生产26

1.4.2“半钢”的冶炼28

1.4.3奥氏体不锈钢冶炼28

第2章红土镍矿30

2.1红土镍矿矿床及矿物30

2.1.1红土镍矿矿床32

2.1.2红土镍矿矿物36

2.2东南亚红土镍矿矿床简介45

2.2.1印尼北科纳威镍矿床45

2.2.2印尼摩落湾利县镍矿床51

2.2.3菲律宾迪纳加特群岛瓦伦西亚镍矿床52

2.2.4缅甸达贡山镍矿53

第3章高炉冶炼镍铁56

3.1氧化还原的基本规律56

3.1.1氧化转化温度56

3.1.2分解压与氧位57

3.1.3直接还原反应与间接还原反应59

3.1.4直接氧化反应与间接氧化反应60

3.1.5化学反应等温方程60

3.1.6活度及活度相互作用系数62

3.2镍铁还原反应63

3.2.1镍、铁还原63

3.2.2其他元素的还原66

3.2.3红土镍矿还原反应动力学68

3.3烧结69

3.3.1烧结生产工艺及设备69

3.3.2烧结矿质量71

3.3.3烧结反应过程72

3.4高炉冶炼过程及特点78

3.4.1高炉内各区域反应状况78

3.4.2燃烧反应80

3.4.3炉缸煤气成分82

3.4.4燃烧带与回旋区83

3.4.5炉渣的作用及造渣过程85

3.4.6高炉脱硫91

3.4.7炉料与煤气运动94

3.4.8高炉内能量利用97

3.4.9镍铁形成101

3.4.10铁水预处理101

3.5高炉设备及生产工艺107

3.5.1高炉主体设备107

3.5.2辅助设备112

3.5.3高炉生产工艺115

3.5.4生产主要技术经济指标117

3.5.5小高炉冶炼镍铁的优势123

3.6高炉镍铁冶炼工厂举例125

3.6.1高炉冶炼低镍镍铁工厂125

3.6.2高炉冶炼中镍镍铁工厂126

第4章鼓风炉熔炼镍铁及镍锍129

4.1鼓风炉熔炼工艺原理130

4.1.1还原硫化熔炼工艺130

4.1.2还原硫化熔炼分解反应131

4.1.3还原硫化熔炼还原反应132

4.1.4还原硫化熔炼硫化反应132

4.1.5造锍熔炼造渣134

4.2鼓风炉熔炼及设备135

4.2.1鼓风炉熔炼流程135

4.2.2鼓风炉的工艺技术操作136

4.2.3鼓风炉分类及结构138

4.3鼓风炉熔炼镍铁及镍锍工厂举例139

4.3.1新喀里多尼亚多尼安博冶炼厂139

4.3.2俄罗斯列什厂141

4.3.3日本住友公司四阪岛别子冶炼厂142

4.3.4中国营口某炉料有限公司144

第5章矿热炉冶炼镍铁145

5.1铁合金冶炼146

5.1.1铁合金冶炼原理146

5.1.2铁合金生产方法151

5.1.3硅、锰、铬系合金的生产153

5.1.4铁合金生产主要技术经济指标162

5.2矿热炉生产镍铁163

5.2.1冶炼原理165

5.2.2镍铁生产工艺180

5.2.3矿热炉镍锍生产工艺介绍184

5.3生产装备技术184

5.3.1回转干燥筒184

5.3.2回转窑188

5.3.3矿热炉200

5.3.4镍铁粒化装置221

5.4工厂举例236

5.4.1塞罗马托莎冶炼厂237

5.4.2多尼安博冶炼厂238

5.4.3日向冶炼厂240

5.4.4拉里姆纳冶炼厂243

5.4.5帕布什镍厂245

5.4.6Falcondo镍铁厂250

5.4.7滨海某镍业有限公司251

5.4.8福建某镍业有限公司257

5.4.9中色镍业有限公司259

第6章回转窑 (直接还原法) 冶炼镍铁262

6.1直接还原法炼铁262

6.1.1直接还原铁发展概况及用途262

6.1.2直接还原铁的生产工艺技术263

6.2回转窑直接还原法炼铁267

6.2.1回转窑直接还原法发展268

6.2.2回转窑直接还原工作原理269

6.2.3回转窑直接还原工艺271

6.3回转窑粒铁法275

6.3.1回转窑粒铁法的原理276

6.3.2回转窑粒铁法的工艺277

6.4回转窑粒铁法冶炼镍铁284

6.4.1日本大江山冶炼厂镍铁冶炼工艺286

6.4.2北海某公司镍铁冶炼工艺291

6.4.3辽宁某公司镍铁冶炼工艺293

6.4.4南通某公司镍铁冶炼工艺296

第7章镍铁合金精炼298

7.1铁合金精炼299

7.1.1硅铁精炼299

7.1.2锰铁精炼300

7.1.3铬铁精炼300

7.2镍铁精炼300

7.2.1精炼原理及方法300

7.2.2精炼工艺实例300

7.3镍铁精炼设备308

7.3.1氧气转炉308

7.3.2GOR炉312

7.3.3ASEASKF钢桶炉314

第8章不锈钢冶炼315

8.1不锈钢的力学性能和物理性能315

8.1.1不锈钢的力学性能315

8.1.2不锈钢的物理性能318

8.2不锈钢的腐蚀318

8.2.1均匀腐蚀319

8.2.2局部腐蚀319

8.3奥氏体不锈钢321

8.3.1奥氏体不锈钢中的相321

8.3.2合金元素对奥氏体不锈钢组织和性能的影响323

8.3.3奥氏体不锈钢的性能特点326

8.4不锈钢冶炼原理332

8.4.1不锈钢氧化熔炼的热力学332

8.4.2脱碳反应335

8.4.3硅的氧化和还原338

8.4.4锰的氧化和还原339

8.4.5铬的氧化和还原339

8.4.6脱磷反应340

8.4.7脱硫反应342

8.4.8脱氧反应345

8.4.9选择性氧化348

8.4.10真空和惰性气体搅拌352

8.4.11钢中的气体354

8.4.12钢中非金属夹杂物355

8.4.13不锈钢冶炼工艺及设备配置357

8.4.14电弧炉冶炼不锈钢362

8.4.15AOD炉冶炼不锈钢371

8.4.16VOD炉冶炼不锈钢379

8.4.17利用镍铁作母料的奥氏体不锈钢冶炼工艺381

8.5不锈钢连铸技术384

8.5.1连铸工艺技术384

8.5.2连铸设备389

8.5.3不锈钢宽板坯连铸工艺装备技术举例397

8.5.4不锈钢板坯连铸机采用的新技术409

8.6不锈钢生产厂冶炼工艺举例412

8.6.1300系不锈钢工艺实例413

8.6.2节镍型奥氏体不锈钢工艺实例417

8.6.3几点说明421

附录一铁合金分类及牌号423

附录二不锈钢分类、钢号、性能及钢种的发展431

参考文献444

镍的发现距今仅200多年。1863年法国加尼埃首次在新喀里多尼亚发现含镍7%～8%的红土镍矿，即氧化镍矿，1875年开始开采，矿石送往法国、德国冶炼，是世界上早用鼓风炉炼镍的矿石。加尼埃将矿石加石膏和煤进行还原冶炼，还原后得到镍锍。在烧掉了硫之后，将得到的氧化镍在固态用碳还原。1886年发现克里斯顿矿床，从而发现了世界闻名的萨德伯里大型铜镍硫化物矿床，1901年露采出矿。从此世界镍的冶炼用矿由氧化镍矿红土镍矿转向硫化镍矿，使硫化镍矿冶炼技术得到了较快发展。

根据Ashok D Dalvi等学者2004年在加拿大勘探开发者协会年会（PDAC）上发布的资料，陆地已查明的镍储量为22300万吨，其中硫化镍矿为6200万吨（平均品位0.58%），占27.8%；红土镍矿（氧化矿）的储量占世界陆基镍资源总量的72.2%，约为16100万吨（平均品位1.28%）。用红土镍矿生产的镍金属年产量占世界原生镍年产量在逐年增加，从1970年的28%（72%为硫化镍矿生产）经30多年发展，目前大于50%。随着硫化镍矿资源的日趋枯竭，红土矿将是未来镍的主要来源。又据英国MEPS报告：2014年不锈钢粗钢产量4100万吨，同比上升7.6%。2015年将达到4300万吨，同比上升4.9%。

随着不锈钢产量的逐渐提高，特别是奥氏体不锈钢产量的巨大提高，导致了对镍铁的巨大需求。反之，由于利用红土镍矿冶炼镍铁的工艺逐渐成熟及其廉价的成本，又推升了不锈钢的进一步发展。由于矿热炉的大型化及其与干燥、预还原工序的完美结合（如RKEF工艺），使得矿热炉（热镍铁水）+转炉（或电炉）短流程工艺冶炼奥氏体不锈钢成为可能。早在30多年前，日本太平洋金属公司八户工厂开发了用液态FeCr、FeNi原料直接冶炼不锈钢方法。为了降低能耗，他们放弃用电炉或LD炉作初炼炉的做法，而直接用FeCr、FeNi铁水在AOD炉内进行吹炼，获得成功并用于正常生产中（参见8.4.17一节）。

本书共分8章，内容包括：镍及冶炼技术概述、红土镍矿、高炉冶炼镍铁、鼓风炉熔炼镍铁及镍锍、矿热炉冶炼镍铁、回转窑（直接还原法）冶炼镍铁、镍铁合金精炼和不锈钢冶炼。在第1章里简述了镍的发现、发展、用途、镍矿资源及镍的火法和湿法冶炼技术，同时介绍了用红土镍矿火法冶炼高品位镍铁、铁、镍、“半钢”、钢及不锈钢的工艺技术；在第2章中介绍了红土镍矿矿床与矿物以及东南亚4个红土镍矿矿床，其中重点介绍了印尼北科纳威镍矿床的矿区地理及地质情况、矿床地质特征、矿物质量特征和矿床成因；第3章介绍了氧化还原的基本规律、镍铁还原反应以及烧结生产原理、工艺、装备和高炉生产原理、工艺、装备,同时列举了目前国内6个高炉冶炼镍铁指标情况及2个高炉镍铁冶炼工厂实例；第4章介绍了鼓风炉熔炼工艺原理，特别是还原硫化熔炼工艺原理,介绍了鼓风炉熔炼流程及设备，重点列举了4个熔炼镍铁及镍锍工厂；第5章介绍了铁合金冶炼原理(如选择性还原原理等)、生产方法（如高炉法、矿热炉法等），介绍了硅、锰、铬系合金的生产、铁合金生产主要技术经济指标等以及矿热炉生产镍铁的冶炼原理、生产工艺装备技术，其中对回转干燥筒、回转窑、矿热炉和镍铁粒化装置做了较详细的叙述,列举了9个镍铁生产工厂；第6章重点介绍了回转窑直接还原法炼铁之回转窑粒铁法的原理及工艺、回转窑粒铁法冶炼镍铁的4个工厂；第7章讲述了铁合金精炼、镍铁精炼原理、方法及装备，列举了9个镍铁精炼工艺实例；第8章较系统地介绍了不锈钢分类、钢号、性能、钢种的发展、不锈钢的腐蚀、奥氏体不锈钢、不锈钢冶炼原理、工艺装备、不锈钢连铸技术等。重点介绍了7个300系不锈钢生产工艺实例和5个节镍型奥氏体不锈钢生产工艺实例。

本书经锱铢积累，在山西河津、辽宁沈阳用时两年四个月写成。本书内容涉及了地质学的矿物与岩石、钢铁冶金的氧化矿冶金（炼铁、铁合金冶炼）及炼钢和有色冶金的硫化矿冶金。写作过程中，编者参考和引用了国内外红土镍矿山、镍铁冶炼厂、不锈钢厂调研资料及有关书籍和论文，谨向有关作者致以深深的谢意。编者对建设中宝滨海镍业镍铁项目并对本书编著给予帮助和鼓励的中国中钢集团股份有限公司副总经理宫敬升，中钢滨海实业有限公司副总经理康忠，中宝滨海镍业有限公司副总工程师樊魁博士、总经理助理丰志辉，吉林铁合金有限公司总经理刘维国，广西铁合金有限公司总经理黄海胜，中钢集团吉林机电设备有限公司总经理计鹏，中钢集团洛阳耐火有限公司总经理薄均，中国冶金规划院副院长刘晓民，中国瑞林工程技术有限公司（南昌有色冶金设计研究院）副总经理徐赤农、刘雪珂，副总工程师唐尊球及总设计师叶逢春、黄永青、杨小伟，中国恩菲工程技术有限公司教授卢笠渔、李曰荣，东北大学教授薛向欣，赫氏工程咨询（上海）有限公司戴刘韵、邓华、黄卫华先生及庄燕女士，云南省有色地质局三○八队三代队长罗玉福（副局长）、谭木昌及王凯，罕王实业有限公司董事局主席杨敏，山西达康科工贸集团有限公司总裁王小峰一并表示感谢。

编者还要感谢乌克兰国家冶金学院院长виличкр、萨道夫尼克教授（中宝滨海镍业有限公司特聘技术顾问），乌克兰钛科设计研究院副院长АЛександров，乌克兰帕布什镍厂厂长Nikita Novikov、工程师策利克（中宝镍业特聘矿热炉冶炼专家）。

限于编者水平及冶金工艺装备技术的快速发展，书中难免有不足之处，殷切希望读者批评指导。

周建男 周天时

2015年2月23日于抚顺