粒化輪法處理鎳渣工藝應用實踐

趙 剛

（中鋼石家莊工程設計研究院有限公司，河北 石家莊 050021）

1 項目概況

本文以國內某企業鎳鐵項目為研究背景，該企業年產20 萬t 鎳鐵項目一期鎳渣處理工程，工程共四套渣粒化設施，每臺電爐設置一套爐渣粒化、脫水設備和水渣儲倉，兩臺電爐共用1 個水池、給排水系統、電氣控制系統等。礦熱爐渣每隔2 h 排放一次，含出渣時間40 min，兩座礦熱爐產渣量為1 900 t/d。

2 粒化輪法處理鎳渣設計難點及處理方案

2.1 渣型的選擇

鎳渣與高爐渣、鋼渣相比，多為酸性渣，其堿度較低、渣流動性較差。為適當降低鎳渣粘度，在回轉窯配料中加入石灰石，渣型以SiO2-CaO-MgO 為主體，堿度R 約為0.9；選擇此渣型時原料中會增加CaO 的用量，熔池中反應如下：

形成高溫而穩定的硅酸鈣結構，主要為CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·SiO2，其融化溫度分別為1 813 K、2 403 K、2 173 K，提高了熔渣的液相線溫度，從而提高了爐溫；而CaO 與SiO2的結合破壞了FeO-SiO2化合鍵，提高了FeO 的活度，利于其還原。在碳充足的情況下，FeO 的還原非常徹底，一般Ni、Fe 氧化物質量分數可達到90%～95%。合理的渣型選擇對冶煉鎳鐵十分重要，保證出渣流動性良好[1]。

2.2 鎳渣后續綜合利用

鎳渣作為水泥混合材可以用來生產水泥，直接應用在混凝土中，或者做填充料、建筑砌塊，其中作為水泥混合材是最有效的綜合利用方式，不僅可以提高鎳渣的利用率，同時還能提升其附加值，增加水泥產量，降低能耗。鎳渣作為混合材必須要求自身活性越高越好，而這一特性是在水淬過程中形成的。試驗證明，較高的排渣溫度和適當的冷卻速度是決定鎳渣活性的重要因素。設計排渣溫度在1 450～1 550 ℃；適當的冷卻速度主要在于沖渣水量和水壓，沖渣水和渣量比盡量控制在5～7，每生產1 t 渣大約需要補水0.6～0.9 t。試驗表明，沖渣水壓越高，水渣堆比重越大，水渣粒度越小，當沖渣水壓達到19.6 N/cm2時，水壓趨于平緩，實際生產中水壓在19.6～29.6 N/cm2時效果最佳，所以在滿足高排渣溫度和適當的冷卻速度時，鎳渣可以得到更為有效的利用，從而創造更多的經濟效益。

2.3 粒化輪壽命的保證

粒化輪的使用壽命是粒化輪法水淬渣工藝的一大難點，通過對比高爐實際生產得出，葉片損壞是最常見的問題，其主要原因是：葉輪材質；渣鐵分離不好、沖渣水的控制等操作影響；鎳渣流量和流速變化。

針對以上問題，從以下幾點采取措施：

1）粒化輪葉片材質是ZG3Cr24Ni7 系耐熱鑄鋼，通過分析其化學元素在鋼中作用的利弊，在GB/T 8492—2014 范圍內選取元素含量較為理想的材質，其中C、P、S、Mn、Cr 等元素含量需要較低，會損失一定的強度和硬度，降低致裂紋傾向的元素；w（Si）在1%～1.6%時，提高耐熱性；w（Ni）在6.5%～8%時，增加鎳元素含量可增加其韌性和高溫抗氧化性[2]。

2）鎳渣采用定時排渣制度，對于鎳鐵的產量而言，鎳渣產量約為鎳鐵的5 倍左右。鎳渣每天計劃排渣12 次，定時、多次的排渣可避免放渣時排出鎳鐵，而沖渣水流量變小或者中斷時，也會引起葉輪的損壞，須從操作上保證水量的穩定性，這就需要制定嚴格的制度，并根據生產實際情況作出相應調整，盡量避免因操作造成事故。

3）排渣前期由于礦熱爐內部的壓力較大，鎳渣流量和流速較大，隨著時間的變化，排渣慢慢變緩，到排渣后期流量和流速會明顯減小。設計時取用排渣前期數據，粒化器最大處理能力在4 t/min，工作轉速隨排渣時間變化范圍為160～220 r/min，設計排渣時間控制在40 min 左右，此時渣未排盡鎳鐵未排出。

2.4 水系統設備優化

鎳渣水循環系統中水泵的磨損也比較嚴重，選擇時采用渣漿泵，其優點是耐磨、使用壽命長（一般可達3 年）、耐高溫。

3 粒化輪法處理鎳渣先進性

3.1 爐渣粒化

爐渣從渣溝落到粒化器上，被快速粒化輪上的葉片打碎，并沿切線方向拋射出去，同時受高壓水射流的冷卻與水淬作用形成水渣產品。噴水只對液態渣和粒化輪轉鼓起冷卻作用，沒有對水淬渣的水力造成影響，因此水量可以大大減少[3]。

3.2 水淬渣脫水

冷卻水和粒化渣進入脫水器篩網中后，渣水分離，成品粒化渣留在篩網中，水經過篩網后流入水槽。隨著脫水器旋轉粒化渣上升，然后進入受料斗，通過受料斗斜面出口落到皮帶機上，再運到儲渣倉，此過程可將渣水快速分離，縮短渣處理的時間。

3.3 成品渣外運

儲渣倉的設計時考慮到每天的產量，倉儲量配合汽車運輸時間，在粒化渣儲存期間，可利用本身的熱量進行部分干燥，最終產品水分質量分數可降到10%以下。

3.4 高溫蒸汽集中排放

與傳統工藝相比，粒化輪法將粒化與脫水過程中產生的高溫蒸汽引至脫水器上部進行集中排放，避免高溫作業區域內人員接觸，改善了作業環境和職業衛生安全。

3.5 水資源的循環利用

冷卻水從脫水器分離后溫度可達到90 ℃，經過二級沉淀后進入吸水井，采用冷卻塔將水溫降至35℃進入冷水池，達到循環利用的目的，同時水里含有少量細渣，沉淀后由抓斗撈出，水資源經冷卻后達到二次利用，提高利用率，節約成本。

3.6 與傳統水淬的綜合比較

本項目粒化輪法渣處理工藝相比于北海誠德鎳業有限公司鎳鉻合金工程采用傳統底濾法渣處理工藝，具有明顯的優勢，按每座礦熱爐配置一套渣處理設施對比，渣處理設施對比表見表1；技術經濟指標與經濟效益分析對比如表2、表3。

表1 每座礦熱爐配置一套渣處理設施對比表

表2 技術經濟指標對比表

表3 經濟效益對比表

4 結語

本項目在一年多的生產實踐中，運行狀態良好，經濟效益顯著，在鎳渣的工藝處理上提出新的發展方向，利用粒化輪急冷的處理工藝，可得出活性較高的鎳渣，并作為混合材應用在水泥上，是對鎳渣綜合利用的最有效方式，為鎳鐵資源的綜合利用作出新的貢獻。