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

7.3.3ASEASKF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4442100433B

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。

现代生产镍的方法主要有火法和湿法两种。根据世界上主要两类含镍矿物（含镍的硫化矿和氧化矿）的不同，冶炼处理方法各异。含镍硫化矿主要采用火法处理，通过精矿焙烧反射炉（电炉或鼓风炉）冶炼铜镍硫吹炼镍精矿电解得金属镍。氧化矿主要是含镍红土矿，其品位低，适于湿法处理；主要方法有氨浸法和硫酸法两种。氧化矿的火法处理是镍铁法。

虽然红土镍矿处理工艺主要分为湿法冶炼工艺和火法冶炼工艺，但世界范围内比较成熟的利用红土镍矿冶炼镍铁合金的工艺方法仍旧以火法冶炼为主。 火法冶炼镍铁是在高温条件下，以C（或Si）作还原剂，对氧化镍矿中的NiO及其他氧化物（如FeO）进行还原而得。同时采用选择性还原工艺，合理使用还原剂，按还原顺序NiO、FeO、Cr2o3、SiO2进行还原反应。 因不同产地的镍矿成分不同，NiO及各种氧化物之间组成的化合物也有所不同，因而，在镍铁冶炼过程中，其实际反应较复杂。反应生成的Ni和Fe能在不同比例下互溶，生成镍铁。

NiO、FeO还原反应开始温度较低，而且，NiO的开始反应温度比FeO约低200℃；因而，火法冶炼镍铁过程中，尽管所采用的镍矿NiO含量较低，但NiO 90%以上被还原，而且，在Ni/Fe很低的情况下，可通过不同的工艺操作，使产品含Ni量提高到较高水平，与铁合金其他产品（如高碳铬铁、锰硅合金等）相比，电炉粗镍冶炼难度相对较低。

《红土镍矿冶炼镍铁新技术：原理与应用》对镍资源及红土镍矿的开发利用进行了综述，详细阐述了红土镍矿冶炼镍铁流程中的选择性固态还原技术、熔炼渣系调控技术、软熔性能调控技术、冶炼渣资源化利用技术的原理与工业生产应用新进展。

《红土镍矿冶炼镍铁新技术：原理与应用》可供冶金工程、矿业工程、资源综合利用等领域的科研、生产、管理人员阅读参考。

用红土镍矿提取镍金属有三种主要工艺，即湿法冶炼（电解法），火法冶炼（电炉法），火法冶炼（高炉法）。

目前我国新设工业项目已实行环保评估一票否决制度，因此首先从环保与循环经济方面进行比较：

红土镍矿冶炼工艺技术湿法冶炼

一般红土镍矿含Ni在0.8~3.0%之间，含Co在0.02~0.3%之间，湿法冶炼仅提取其中的Ni和Co，其余近97%部分包含含量较高的Fe（占总量的10~45%%）和少量的Cr全部作为固体废弃物废弃，需建专门场地堆集；湿法冶炼采用液态酸或氨作为Ni、Co的浸出剂，使用后除部分回收利用外，其余均以液态经处理后排放江河或汇入废液潭；湿法冶炼中还会产生大量的CO2气体排放。由于生产中产生的固体、液体、气体废弃物不能被循环利用，从而对环境造成极大危害，属三废全排放，因此，在我国没有发展前途。

红土镍矿冶炼工艺技术火法冶炼

无论是电炉还是高炉，生产中产生的固体炉渣因已经高温煅烧，经干燥研磨即成为低强度的水泥，是水泥生产厂家生产标准水泥时最佳的填充剂，也是砖瓦厂生产砖瓦的优质原料，可100%得到循环使用；另外，高炉生产中使用的冷却水，可建封闭冷却水池循环使用；高炉冲渣水也可沉淀后循环使用。因此火法冶炼产生的固体、液体废弃物几乎全部得到循环回收利用，在三废中彻底解决了二废，因此是我国镍金属提炼工业发展的方向。但无论是电炉还是高炉，对生产中产生的CO2排放尚没有彻底解决的办法，国际上也没有解决此难题的报导。由于红土镍矿与一般铁矿相比硫含量较低，因此生产中SO2排放较一般生铁冶炼大大减少，但火法冶炼中对煤气的回收利用，对粉尘的回收利用则是重点。其中电炉占地面积小，较易处理；高炉则相对工程与投资量较大。我们应密切结合我国的实际，加速研究、制定整套火法冶炼镍铁的符合环保生产和循环经济需要的设备、标准和工艺是当务之急。

电炉冶炼

主要以电为主要能源。一般人都认为电能清洁、方便，冶炼时不排放CO2，符合环保。我们应了解，如果所用的电是核电、风电、太阳能电，这观点当然不错。但事实是我国电炉冶炼绝大部分使用煤电，发电过程中产生大量CO2与废气，煤燃烧经锅炉将水变成高温、高压蒸汽以气体能带动气轮机转动形成机械能，汽轮机的机械能再带动发电机转动形成电能。能量的形式每转换一次，效率就降低一次；加之电能远距离输送的损耗，因此经层层损耗，电能至用户电炉时每消耗一度电发出的热量远低于将发这一度电的煤炭直接投入高炉产生的热量。因为投入高炉的焦炭是直接燃烧不经能量转换而效率高。由于用电能和电炉冶炼同高炉相比必须达到同样的温度才能出铁水，因此用电能与电炉冶炼耗电转化为电煤的用量将高于用高炉用焦炭的用量，推而论之，用电能经电炉冶炼排放CO2总量将超过高炉冶炼。其次，高炉冶炼时以焦炭为能源，而将煤炼成焦炭过程可从煤中提取几百种化工原料，公认是最经济合理综合利用煤资源的有效途径。最后，电力生产投资大，焦炭生产投入少。因此，高炉生产镍铁比电炉生产在能源消耗与环保上更胜一筹。

从不同工艺的产品质量、价格与市场需求比较，湿法冶炼：能分别提炼出含量99.9%的镍和钴金属，这是湿法冶炼最大的优势。其产品纯镍是电镀、电池、化工催化设备与特种不锈钢特钢的主要原料；纯钴是耐高强、高温、高耐磨特钢的主要原料。

湿法冶炼在我国历史比较长，占我国镍金属产量比例较高。但纯镍的年产量已远超过以上用途的年市场需求量。因此，目前相当大部分被转用于300系列含镍不锈钢的冶炼。这真是高射炮打蚊子，有大材小用之嫌。由于湿法冶炼生产工艺投资大，周期长，工艺复杂，成本较高而售价较高，使不锈钢与特钢生产企业对其是又爱又恨。爱其纯度高，使用方便，产品质量有保证；恨其价格太高，使产品成本上升盈利降低，减少市场竞争能力，但这种状态一时尚难以改变。

火法冶炼的电炉工艺：

能提炼出含镍10~25%，含少量钴与铬的镍铁，可以代替纯镍成为冶炼300系列不锈钢的镍原料。因其以电作为主要热能（一般需消耗7000~8000度电生产一吨镍铁），它不像高炉用焦炭作为热源同时也把焦炭中的磷带入产品中，因此电炉产的镍铁磷含量应比高炉低，对缩短冶炼不锈钢时间有利，因此广受市场欢迎。但美中不足的是，我国电力供应持续紧张，我国对高耗电行业管制很严，而且生产企业所在地区一旦用电紧张，首当其冲是断用电大户电炉的电，使生产不正常。其次，电炉炼镍铁产量较低，单台2.5万KW的电炉，每年产含镍14%的镍铁为2.5万吨左右，远远不能满足近几年我国不锈钢产业井喷式发展对镍金属的大量需求；最后要说明，电炉冶炼含镍15~25%，甚至更高含镍量的镍铁并不是通过提高入炉镍矿的镍含量来实现，相反是通过减少镍矿中铁的还原来实现，这样大量的未经还原的氧化铁以炉渣排出（有时炉渣中铁的含量竟高达20%以上），炉渣又被运到水泥厂做水泥或制砖厂做砖瓦。考虑到目前含铁量65%的进口铁矿市场价已达到一千几百元一吨，大量的含铁炉渣去做水泥或砖瓦实在是对资源的极大浪费。

电炉工艺生产的镍铁销售价以含镍量计，在市场纯镍价基础上打一定折扣，其余铁、钴、铬奉送不计价，冶炼300系列不锈钢相比用纯镍冶炼，每吨可下降成本3000~4000元。

火法冶炼高炉法：

能冶炼出含镍1.5~10%并含少量铁与铬的镍铁，可以成为冶炼含镍不锈钢的基础原料。由于矿价与海运费高和镍铁销售仅以含镍量计价的原因，除非客户特别要求并给于升价，一般含镍4%以下的镍铁已很少有厂家冶炼，市场上最受欢迎的是含镍10%，含磷≤0.035%的镍铁，不锈钢厂家只需要加入一定量铬铁即可冶炼成300系列的产品（低于镍含量10%的镍铁去冶炼300系列不锈钢还需加入一定量的纯镍或电炉产高镍镍铁作调节）。因技术、矿的成分等原因，目前能生产以上成分的高炉不多。高炉冶炼镍铁的最大特点是产量高。一座208m3高炉年产量可达到4万吨以上，由于需加入铬铁与高镍铁，6座这样的高炉可满足一家年产30万吨304不锈钢厂的基本镍与铁需求。

不锈钢冶炼脱磷最难，高炉镍铁控制磷含量达到0.035%以下是关键。目前本公司已基本掌控了高炉内脱磷技术，我们的产品甚至比一些电炉冶炼厂家的产品镍更高，磷更低。由于产量比较高，镍含量一般比电炉冶炼低，销售计价方式同电炉镍铁，但折扣系数更大些，每个镍略低于电炉镍价。综上所述，以高炉镍铁为基本原料，以电炉镍铁为调节原料，是组成300系列不锈钢原料的成本最低，供应量最有保障的最佳组合，是今后发展的方向。

高炉能炼生铁，也能炼镍铁。镍铁和生铁虽一字之差，却分属于铁合金与普铁二个行业，其所用矿成分、配方及冶炼工艺等有相当大的区别，将冶炼生铁的一套观念生搬硬套到镍铁冶炼上去是绝对错误的。

镍铁和生铁矿的金属含量有天壤之别：高炉冶炼生铁如用进口含铁65%矿，出一吨铁产几百公斤的渣；如炼含镍7%的镍铁，一般需要消耗含镍1.5%、含铁20%左右的干矿5吨，湿矿为7.7吨左右，矿总金属含量在21.5%左右，因此出1吨镍铁产4吨炉渣，几乎是生铁冶炼出渣的近十倍。渣口打开与出渣耗时、出渣次数明显增加，工艺等必须作大的调整。

目前盛行炼生铁大高炉是先进生产力，符合环保，小高炉是落后生产力，是污染大户，必须淘汰，并把这一观点生搬硬套到冶炼镍铁上来，其实这是天大的误解。由于炼镍铁出渣是炼生铁的很多倍，因此大型高炉不宜转炼镍铁，因为出渣量实在太大，出渣口开放时间太长，影响炉温，影响生产顺行。从高炉每立方米炉容每天出铁吨数来比较，一般100~200立方米的小高炉出铁系数在3.4，即每立方米每天产铁3.4吨，炉型、炉料和技术如果配合好，还可超过这一系数。相反，近年国内外大量投产的几千立方米高炉，其出铁系数仅在2左右徘徊，原因何在？

原来高炉大小是按炉容来衡量的，而炉容是长宽高的三维立体空间，是以长度单位米的3次方计量的，但高炉以顶部加入烧结矿与焦炭后逐步下降并燃烧，温度逐步上升，直至某一个高度层面温度才达到矿中氧化铁在此温度环境下还原流出铁水，即主要的产铁量主要是由层面面积大小决定的，而层面面积是以长度单位米的2次方计量，在米的数字大于1以后，米的二次方永远小于米的三次方。因此说大高炉一定比小高炉好，在出铁比上却恰恰相反，虽然大高炉上环保设备比较经济，人力成本分摊相对较低，但如果大高炉不装节能环保设备同样是污染大户。

目前国内冶炼镍铁高炉一般均从炼铁高炉改造而来，最大炉容没有超过400m3，生产尚正常，但我们已发现炉容越大，生产越困难，单位容积每天出镍铁量越少的规律。实践是检验真理的唯一标准，科学发展观首先必须建立在科学的客观的在实践基础上的调查研究上，才能保证在实事求是的基础上制定新的政策。因此就高炉冶炼镍铁这一特定项目而言，说大高炉一定比小高炉好，甚至不经调查研究，拍脑袋下达新建镍铁高炉必须达到1000m3以上的标准是典型的反科学的行为，而且已造成十分严重的后果。举个例子：我公司生产的产品以冷的镍铁块运至我国主要的几家不锈钢厂供冶炼300系列不锈钢用。其中一家不锈钢冶炼厂去年因新建的一座几千立方米的高炉即将投产，原有的二座各为700 多立方米的高炉将停炉，希望我公司将其改炼镍铁，本公司表示同意。

我们预计这二座完全符合国家铁合金生产标准的高炉可年生产含镍7%左右的镍铁水25万吨左右，可直接入该厂转炉及AOD炉炼成300系列不锈钢。镍铁水热装热送符合国家大力提倡的节能减排政策，与用冷的镍铁块需用中频炉熔化相比每吨可节省电费300~400元左右，以25万吨计，每年可节省近一亿元以上的电费，相当于每年节约用煤近7万余吨，可减少排放CO220万吨左右。但不久该厂说为完成节能减排指标此二座高炉必须拆除。去年年末，当一家著名报刊头版刊登该厂二座700多立方米高炉被拆除，每年可减少排放多少万吨废气时我只有痛心疾首，几亿元完全有使用价值的国家资产顷刻灰飞烟灭，而每年几十万吨冷的镍铁块仍源源不断的运往该厂加热熔化炼成不锈钢，而这一切均是在节能减排名义下进行的。