我国不锈钢原料将长期依赖国际市场,主要以铬铁矿和硫化镍(或红土镍矿)形式进口。鉴于不锈钢冶炼工艺的进步,各种含镍含铬原料都可以作为冶炼不锈钢的原料,不锈钢冶炼的原料制备技术创新将是降低不锈钢生产成本的重要研究方向。
对于含铬原料,最初采用中低碳铬铁,随着VOD/AOD精炼技术的进步,大量采用高碳铬铁为原料。但由于高碳铬铁由矿热炉生产,要求铬铁矿块度为10mm~70mm,铬铁比(Cr2O3/FeO)大于2.5,同时矿热炉冶炼电耗高达2372kWh/t~4024kWh/t.因此矿热炉生产铬铁合金受到资源条件和能源结构的严重制约,开发以粉矿为原料,以煤代电的铬铁生产工艺曾引起人们的重视。
熔融还原技术是建立在直接还原、喷射冶金、转炉复合吹炼和煤气化等技术基础上的一项高度综合技术,其基本原理是将氧化物矿或预还原氧化物矿和还原剂(碳)喷入碳饱和铁水中进行直接还原。
研究表明,顶吹氧和底吹气搅拌、大渣量、合适的炉渣成分和焦矿比等都能促进熔渣铬氧化物的还原速度。由于转炉熔融还原法须依托大型钢铁联合企业,生产的不锈钢母液的含铬量低,铬元素回收率低,投资大,没有得到广泛推广,目前仅在日本川崎钢铁公司应用。
理论和实践表明,高炉生产含铬铁水,随着铁水铬含量的增加,其工艺难度增加,铁水磷含量的控制也更加困难。针对不锈钢冶炼的需要,在高炉内冶炼含铬18的铁水,并控制铁水磷含量,在工艺技术上是能够解决的。
虽然硫化镍矿占我国镍资源的85左右,但经过多年的开采,进一步增加产能已十分困难。近年来,我国利用进口红土镍矿生产含镍生铁,对满足不锈钢生产对镍的需求起到了重要作用。
在红土镍矿处理方面,多种工艺各具特色。总体来说,湿法冶金流程并不十分成熟,高炉法对红土矿的适应性较差,回转窑电炉工艺流程长,能耗尤其是电耗高,因此国内许多单位都在开发红土镍矿冶金新工艺。主要工艺思路包括含碳球团法磁选富集法、氯化离析法、红土镍矿预脱硅法和一些湿法冶金流程,这些研究大部分还未达到工业应用的水平,仍须不断探索。
近期,国内出现了以红土镍矿为主要原料的镍铁不锈钢一体化流程,基本模式是高炉流程对应200系列不锈钢,回转窑电炉流程对应于300系列不锈钢。该流程的竞争力在于从红土镍矿矿山到不锈钢产品生产要素的优化组合,而在红土镍矿冶炼技术上仍采用传统的火法冶金流程。
现有红土矿处理流程,都是将红土矿进行全量处理,为减少能耗和增加经济性,首先要解决选矿问题。
鉴于红土矿直接富集镍的困难,高炉法和RKEF(回转窑-矿热炉)工艺必须进行全量处理,冶炼温度高,渣量大,能耗高。在全量处理条件下,若能够降低处理温度,将能够进一步降低能耗、提高经济性。日本大江山冶炼厂采用回转窑高温还原焙烧产出粒铁被公认为是目前最为经济的处理红土镍矿的方法。其基本流程如下:将红土矿磨细后,与碳质还原剂和熔剂石灰石混合,然后制成球团,通过预热器将球团送至回转窑。在回转窑中,球团与煤燃烧所产生的热气流逆流运动,球团经受干燥、脱水、还原和金属颗粒成长。金属是在回转窑中半熔融条件下形成的,从回转窑排出的半熔融产物经水淬磨细后,用淘汰和磁选机将镍铁颗粒分离出来,作为不锈钢生产的原料。
综上所述,要解决我国不锈钢生产的原料问题,除开发无镍(如400系列)或低镍(如200系列)不锈钢品种外,还应从铬铁矿和镍矿的资源条件出发,采用成熟的现代冶金技术,进行不锈钢原料制备技术的集成创新,以降低不锈钢原料的成本、提高不锈钢产业竞争力。
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