镍铁冶金技术及设备
前言：
就陆地资源而言，镍的矿物资源主要是硫化镍矿和氧化镍矿。人
们从硫化镍矿中提取镍金属的历史已久，工艺成熟。但地球上硫化镍
矿资源日益枯竭，因而开发利用氧化镍矿已成为当今世界镍金属提取
业的主流。从氧化镍矿中提取镍金属有火法和湿法之分，前者一般采
用电炉或高炉生产线。
1.镍冶金概述
镍矿资源
全世界镍的矿物资源主要有硫化镍矿、氧化镍矿和深海底含镍锰
结核三种。陆地资源中氧化镍矿约占 65%，硫化镍矿约占 35%，海
底含镍锰结核则是潜在的巨大镍资源。硫化镍精矿一般伴生有铜、钴、
金、银和铂族金属等，在冶炼过程中可以综合回收。氧化镍矿主要分
为镁质硅酸盐型、褐铁矿型和中间型三大类，可综合回收的成分只有
钴和铁。
镍的性质及用途
镍是元素周期表中第℃族的元素，其在元素周期表中的位置决定
了镍及其化合物的一系列物理化学性质与钴，铁相似，在亲硫和亲氧
性方面接近于铜。
镍是一种银白色金属,原子序数为 28,相对原子质量为 ,熔点
2
为(1453±1)℃,沸点为 2732℃,其在不同条件下的密度如下表 1-1 所示。
表 1-1 镍的密度
条件 20℃ 1453℃ 1500℃ 铸镍 电解镍 镍丸 化学纯
密 度
/g·cm−3
（±）
镍的化合物在自然界里有三种形态，即镍的氧化物、硫化物和砷
化物。其氧化物有氧化亚镍（NiO）、四氧化三镍（Ni3O4）及三氧化
二镍（Ni2O3）。三氧化二镍仅在低温时稳定，加热至 400-450℃，则
离解为四氧化三镍，进一步升温则变为氧化亚镍。氧化亚镍的熔点
为 1650-1660℃，很容易被 C 或 CO 还原。氧化亚镍与 CO 和 FeO 一
样，可形成 NiO·SiO2 和 2 NiO·SiO2 两类硅酸盐化合物，但 NiO·SiO2
不稳定。氧化亚镍能溶于硫酸、亚硫酸、盐酸和硝酸等溶液中，形成
绿色的两价镍盐。
概况起来镍的用途可分为六类：
（1） 制作金属材料。包括制作不锈钢、耐热合金钢和多种镍合金等
约 3000 余种金属材料，约占消费总量的 70%以上。
（2） 用于电镀。其用量约占镍总消费量的 15%。
（3） 在石油化工的氢化过程中作催化剂。在煤气化过程中，专用 CO
和 H2 合成甲烷时发生下列反应：CO+H2→CH4+H2O（温
度 800℃加催化剂），常用的催化剂为高度分散在氧化铝基
体上的镍复合材料（25%-27%），这种催化剂不易被 H2S、
SO2 等毒化。
（4） 用作化学电源，是制作电源的材料。如在工业上已生产的
Cd-Ni、Fe-Ni、Zn-Ni 电池和 H2-Ni 密封电池。
（5） 制作颜料和染料。其最主要的是组成黄橙色颜料，该颜料由
TiO2、NiO 和 Sb2O3 的混合料在 800℃以下煅烧而成，覆盖
能力强，具有金红石或尖晶石结构，故化学性质稳定。
（6） 制作陶瓷和铁素体。如陶瓷工业上用 NiO 作着色剂，此外，
还能增加料坯与铁素体间的黏结性，并使料坯表面光洁致
密。铁素体是一种较好的陶瓷材料，主要用于高频电气设
备。
2.镍铁冶炼用耐火材料
耐火材料是能满足高温条件下使用的无机非金属材料，如热工设
备中的内衬结构材料，高温容器内衬材料，高温装置中的元件、部件
材料等。
冶金对耐火材料的性能要求非常严格，即耐火度要高，高温强度
要好，能经受熔渣、金属液的侵蚀和急剧的温度变化，有的还要求其
在高真空和高温下不挥发或不发生分解，可以说，冶金工业的发展与
耐火材料工业的进步是密不可分的。
按其原料的化学性质，耐火材料可分为碱性、酸性和中性三类。
碱性耐火材料的主要成分是 MgO 和 CaO；酸性耐火材料的主要成分
为 SiO2；中性耐火材料分为 Al2O3 质、C 质和 SiC 质等，耐火材料成
分如表 2-1 所示。
4
表 2-1 耐火材料的分类
分类 耐火材料名称 主要原料 主要成分
黏土质耐材 耐火黏土 SiO2+Al2O3
硅质耐材 石英岩、硅石 SiO2酸性耐火材料
石英玻璃 —— SiO2
高铝质耐材 铝矾土、蓝晶石 Al2O3+ SiO2
刚玉质耐材 工业铝氧、电熔刚玉 Al2O3
碳质耐材 炭素材料、石墨 C
中性耐火材料
碳化硅质耐材 碳化硅 SiC
镁质耐材 菱镁矿、海水镁矿 MgO
镁碳质耐材 高级镁砂、石墨 MgO、 C
白云石质耐材 白云石 CaO+ MgO
碱性耐火材料
石灰质耐材 石灰、化学纯碳酸钙 CaO
按照使用温度，可分为普通耐火制品（耐火度为 1580-1770℃）、
高级耐火制品（耐火度为 1770-2000℃）、特级耐火制品（耐火度大于
2000℃）。
耐火材料具有如下重要性质：
（1）耐火度和荷重软化点。耐火度是材料在高温下抵抗熔化的性能，
耐火度是衡量硅酸铝系耐火材料品质的一个重要指标。熔点是
纯物质的固液相平衡温度，耐火度是低于纯物质熔点的。耐火
材料在使用时都承受一定负荷，如果耐火材料受热后变形，炉
体必然损坏，因此荷重软化点是耐火材料的另一个重要质量指
标。
（2）高温抗折强度。高温强度大的砖，其抗渣性能必然好，抗急冷
急热变化的能力也强，因此高温抗折强度成为许多耐材特别是
碱性耐材的关键指标。
（3）热震稳定性。耐火材料受到的急剧温度变化称作热震（或叫热
冲击）。由于耐火制品为脆性材料，膨胀率较大而弹性较小，因
此在受到热冲击时引起内应力使材料破裂或剥落。
（4）气孔率和密度。耐材的气孔有和外界相通的开口气孔和与外界
不通的封闭气孔两类，封闭气孔体积很难测定，因此，制品的
气孔率用开口气孔体积所占的百分比表示，称为显气孔率。耐
火制品的密度和气孔有关，不包括任何气孔体积的密度称为真
密度；包括全部气孔体积在内的密度称为体积密度；仅包括封
闭气孔体积而不包括开口气孔体积的密度称为假密度。气孔率
和密度是耐火制品致密程度的指标，高密度制品的力学性能好，
也有利于抗渣侵蚀和抗热震，得到高密度制品的关键是高压成
型设备。
（5）抗渣性。对于冶金耐材，抗渣侵蚀是非常重要的性能，与渣的
性质及耐火材料品种有关。
硅酸铝系耐火材料价格便宜、用途广泛而且品种多，其基本化学
成分是 SiO2 和 Al2O3，黏土砖、高铝砖及硅砖是典型的硅酸铝系耐火
材料。
碱性耐火材料主要组分为 CaO- MgO 共晶成分，为 67%CaO、
33%MgO，共晶温度为 2300℃。
耐火材料的损毁与寿命
导致耐火材料损毁的原因很多，有耐火材料性能、质量和使用条
件问题，也有炉子设计、砌筑质量和冶炼操作等问题。耐火材料的损
毁往往是许多因素的综合结果。一般来说，碱性材料炉衬，在熔炼过
6
程中与熔渣反应，会改变材料组成和结构，造成耐材的损毁。操作温
度剧烈波动以及金属液、渣和气流的冲击等因素，则加速耐火材料的
损毁。
耐材的剥落：由于开口气孔的毛细作用，熔渣可以进入砖的内部，
形成以硅酸盐为主的新相，在高温下原砖和新形成的变质层膨胀系数
有差异，往往产生热应力以致出现裂纹，裂纹扩展使变质层剥落而损
毁，气孔率大、气孔直径大、熔渣和耐火材料间润湿良好，都使这种
损毁加剧。
总之，要提高冶炼炉衬的寿命，从耐火材料性能方面看要高纯原
料、高压成型、高温烧成的“三高技术”，以得到高纯度、高密度、高
强度的耐火材料。从使用耐火材料的方面看，要正确选择耐火材料砌
筑方法和改进冶炼工艺，以使炉衬均衡侵蚀，可见冶炼工艺对炉衬寿
命的影响也大。
火法冶金耐火材料用量大，其保管也非常重要，应在专门仓库中
分类存放，防止其受潮变质，不定形材料要防止混料，以免降低质量
甚至使材料变质。
3.镍铁冶炼用原材料
原材料的质量及供应条件直接关系着镍铁冶炼的各项技术经济
指标,是确保按计划品种顺利进行生产,达到优质、高产、低耗、高效
的前提条件。必须大力改善冶炼原料的供应和管理，积极实现冶金原
料的“精细”化，确保冶炼用原料的化学成分和物理性质符合技术条件，
连续供应的原料成分和物理性质保持稳定。
镍铁冶炼所需基本原料科分为主炉料即氧化镍矿和含镍、铁返回
料，辅料即还原剂、熔剂、成球黏结剂等。
氧化镍矿及返回料
氧化镍矿的大致成分见表 3-2。硅酸盐型氧化镍矿的火法冶炼，
首先要对购回的矿石进一步筛选或手选，以排除那些风化程度较差、
含镍品位较低的大块贫矿，并经均匀化处理，力求获得镍品位较高且
稳定的矿石。
氧化镍矿含游离水和结晶水一般在 30%左右，经干燥后仍含 20%
左右结晶水，须经 720℃以上煅烧，充分排水，并预还原后，方可入
炉冶炼。
红土矿是由铁和镍的氧化物组成的次生共生矿，其特点是硬度小，
含水高（ω（H2O）=20%-40%），易泥化，品位约为 1%。据统计，红
土矿一类镍矿占世界镍储量的 75%以上，是非常有价值的镍资源。红
土矿各成分含量如下表 3-1 所示。
表 3-1 红土矿成分的质量分数 %
矿类 Ni+C
o
Fe Cu Cr2O3 SiO2 Al2O3 MgO CaO
红土矿 40-48 10-17 3-5 3-5 -3
含镍不锈钢、合金冶炼产生的除尘灰，含镍材料加工产生的打磨
屑、酸洗泥、镀镍泥及其他含镍、铁返回料，经干燥脱水后，根据入
炉成分要求，可与新矿搭配造球利用，具有很好的技术效果和经济价
8
值。
表 3-2 氧化镍矿类型及成分
类型 类
号
Ni Co Fe MgO SiO2 CaO Al2O3 灼减
A
A
A
镁质
硅酸
盐
Fe8-12%
SiO240-48%
MgO25-35%
A
B1 褐 铁
矿
Fe＞30%
B1SiO2＜20%
B2＞25%
B2
C1 23 37
C1
C1
C1 10
C2
C2 10
C2
C2
C2
中间
型
Fe12-25%
C1 MgO
20-35%
C2 MgO
10-25%
C2
冶金辅料
还原剂用煤炭
煤是一种固体燃料和化工材料，含碳量一般为 46%-97%，呈褐
色至黑色，具有暗淡至金属光泽，相对密度为 。就世界矿物能
源探明的地质储量看，煤炭资源最为丰富，约 10 万亿吨。中国探明
可直接利用的煤炭资源储量为 1886 亿吨，剩余可采储量为 900 亿吨。
我国煤炭总的分为无烟煤、烟煤和褐煤三类，其中烟煤又包括贫煤、
贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3 焦煤、气肥煤、气煤、1/2 中黏煤、
弱黏煤、不黏煤、长焰煤。
煤的性质
煤的性质通常指煤的物理性质、化学性质和工艺性质。煤的性质
与成煤植物积聚环境和煤化程度有关。煤的物理性质包括煤的光泽、
颜色、密度、表面性质（润湿性、比表面积和孔隙度等）、光学性质
（折射率、反射率）及其热学、力学、电学和磁学性质。煤的热学性
质包括煤的比热容、煤的导热系数和热稳定性。煤的力学性质包括硬
度、强度和可磨性。煤的化学性质是指煤与多种化学试剂在一定条件
下产生不同化学反应的性质，包括氧化、加氢、卤化、水解和烷基化
以及煤与 CO2 的反应性等，还包括用不同溶剂萃取的可萃取性。煤的
工艺性质指煤在一定加工条件下或转化过程中所呈现的特性，如煤的
塑性、可选性、黏结性、结焦性以及煤的发热量、煤灰熔融性和煤的
结渣性等，煤的性质决定其用途。
煤的主要用途
无烟煤的主要用途：
（1）煤化程度大的无烟煤可用作还原剂（代焦炭）炼制电石、碳化
硅、红磷、黄磷、镁钙磷肥、石灰、白云石及其他冶金产品（如
烧结矿等），可用作石墨电极、合成氨等的原料，用作其他工业
窑炉燃料、还原剂等。
（2）煤化程度中等的无烟煤中，低硫、低灰分煤可用于高炉喷吹，
块煤可用于煤气发生炉制气，小高炉还可用块煤代替焦炭作还
原剂。
10
（3）煤化程度小的无烟煤用于合成氨、煤气发生炉、高炉喷粉、矿
石烧结及火电、水泥、石灰等生产的原燃料。
不黏结煤（烟煤）主要包括长焰煤、不黏煤、弱黏煤、贫煤。
其主要用途如下：
（1）长焰煤主要用作机车、发电及工业锅炉和窑炉燃料，通过低
温干馏加工为各种液体燃料，制成合成原料气等，用于发生
炉制成煤气，高压加氢制成各种液体燃料。
（2）不黏煤主要作为燃料用于机车、发电及各种工业锅炉、窑炉
和制作发生炉煤气。
（3）弱黏煤主要作为燃料用于机车、发电及各种工业锅炉、窑炉，
用于发生炉制造煤气为冶金、水泥、玻璃工业提供能源，低
灰分低磷分者可配煤炼焦。
（4）贫煤用于发电、工业窑炉及制造合成原料或发生炉煤气，作
为工业燃料使用。
褐煤的主要用途如下：
（1）块煤或压制成型以造气、炼焦（加黏结剂）或低温干馏为半
焦、焦油再加工等。
（2）用作工业原料制作活性炭、磺化煤、合成塑料，提取褐煤蜡、
腐殖酸钠等。
（3）制造农肥等。
煤质指标分级
国内外目前尚无评价煤质优劣的统一标准。根据有关资料介绍，
有关主要煤质指标等级如表 3-3 和表 3-4 所示。
表 3-3 煤质指标等级（一）
等级 固定碳/% 挥发分/% 灰分/% 水分/% 硫分/% 磷分/%
低分 ＜60 ＜20 ≤15 ≤5 ≤ ＜
中等 60-79 20-35 15-25 5-15
高分 ≥80 ＞35 25-40 ＞15 -4 ＞
表 3-4 煤质指标等级（二）
级别 发热量
/kJ·kg-1
块煤强度（大于
25mm）/%
黏结性（胶质层
最大厚度）/mm
热稳定性 K6P/%
高值 25121/29308 高强 ＞65 强黏 ＞20 好 ≤30
中值 18841/25121 中强 50-65 中黏 10-20 中等 3-45
低值 12560/18841 低强 30-50 弱黏 ＜10 差 45-60
对煤质要求的应用实例
氧化镍矿焙烧处理过去多用低硫、低灰分、高发热值的焦粉。为
了节约焦炭和改善工艺效果，目前多用无烟煤粉代替或部分代替，对
其煤质要求为：灰分小于 15%，硫分小于 %，磷分小于 %。
煤气发生炉用煤质量如表 3-5 所示。
表 3-5 煤气发生炉用煤质量要求
项目 无烟煤 烟煤 褐煤
灰分/% ≤25 ＜20 ≤20
硫分/% ≤4 ≤ ≤
灰分熔点/℃ ＞1200 ＞1200 ＞1200
胶质层厚/mm ＜16
机械强度（＞
25mm）/%
＞65 ＞65
12
热稳定性（＞
13mm 残焦）/%
＞60
6-13（＜13%） 13（不含）-25
（＜15%）
25（不含）-50
（＜15%）
13（不含）-25
（＜10%）
25（不含）-50
（＜12%）
50（不含）-100
（＜12%）
粒度（括号内为限
下率%）/mm
25（不含）-50
（＜8%）
50（不含）-100
（＜10%）
熔剂用石灰石
石灰石作为镍铁冶金熔剂使用，其质量应符合以下要求：
（1）碱性氧化物（CaO）含量应高，酸性氧化物（SiO2+Al2O3）含
量应低。石灰石中 CaO 的理论含量为 56%，自然界中石灰石都
会有一定的杂质，故实际含量要比理论含量低。冶炼要求石灰
石中 SiO2 和 Al2O3 含量不大于 %，以使石灰石的有效熔剂提
高，即有效 CaO 活度提高。
（2）有害杂质 S、P 越低越好。石灰石中一般含 S %，P
%%。
（3）石灰石应有一定的强度和均匀的块度。
石灰石化学成分和粒度要求如表 3-6 和表 3-7 所示。
表 3-6 石灰石化学成分要求
化学成分/%
CaO CaO+Mg
O
MgO SiO2 P S
类别 等级
不小于 不大于
特级品 54
一级品 53
普通石
灰石
二级品 52 3
三级品 51
四级品 50
特级品 55
一级品 54
二级品 53 8
三级品 52
高镁石
灰石
四级品 51
表 3-7 石灰石粒度要求
允许波动范围/%用途 粒度范围/mm 最大粒度/mm
上限不超过 下限不超过
煅烧（回转窑） ≤30 8 10
冶炼（电炉） 10-50 60 10 6
黏结剂用膨润土
膨润土又称皂土，分钙质和钠质两种，是以蒙脱石为主的层状黏
土矿物，用作成球黏结剂，配加量为成品量的 1%-2%，对其质量要
求如下：
（1）最适宜的水分含量为 7%-8%（干燥温度不大于 149℃）。
（2）小于 粒度的含量大于 70%，小于 粒度
的含量大于 90%，小于 粒度的含量不小于 97%。
（3）膨润土应具有如下形态，即当 3g 膨润土与 化学纯的
氧化镁及 100mm 蒸馏水混合后静置 24h，应无沉淀产生。
胶体量不小于 90ml，上层溶液不超过 10%。膨润土的质量
参考指标如表 3-8 所示。
14
表 3-8 膨润土质量参考指标
级别指标
一级 二级
蒙脱石含量/% ＞60 45-60
2h 吸水率/% ＞120 100-120
膨胀倍数 ＞12 8-12
粒度 小于 的占 99%以上
水分/% 小于 10%
硫分/% 小于 %
氧化镍矿成球使用粉化的石灰粉（消石灰）取代膨润土作黏结剂
被实践证明是合理的，值得推广。
4.镍铁冶金原料的加工
镍铁冶金的原料加工处理,可大致分为两段:前段主要是块矿破碎、
物料干燥、矿物制粉和配混料后造球；后段则主要是生球焙烧。其中
破碎、造球和生球焙烧是生产过程的主要环节。
矿石破碎
破碎是原料加工过程中的一个基本工序，包括对氧化镍矿块料、
块煤和石灰石的破碎，为后续炉料加工准备必要的条件。
物料的一般技术特征
物料粒度是指物料料块的大小，通常以料块最大边长（mm）来
表示，也有以通过的筛孔尺寸或筛余百分比来表示的。破碎机的喂料
粒度与破碎后的出料粒度的比值称为破碎比，即
i= Dmax/dmax
式中 i——破碎比；
Dmax——破碎机喂粒最大粒度，mm；
dmax——破碎后的出最大料粒度，mm。
破碎比的大小是破碎机选型的重要参数之一，不同破碎机有不同
的破碎比，如表 4-1 所示。
表 4-1 破碎等级及粒度
破碎等级 喂料粒度/mm 出料粒度/mm
粗碎 300-500 ＞100
中碎 100-300 20-100
细碎 50-100 0-20
破碎机的喂料粒度应与来料的粒度相适应，换言之，要根据破碎
物料的最大粒度，合理选择破碎机。破碎机的出料粒度，决定于破碎
机出料口的宽度及破碎机的特性，为了提高磨机的工作效率，降低粉
磨电耗，在物料入磨前，将其尽可能破碎得细一些是十分必要的。因
此，破碎机的出料粒度，往往按入磨物料所要求的粒度而定。
矿石强度及硬度系数
物料破碎的难易程度主要取决于矿石的机械强度（抗压、抗折），
通常采用普式硬度系数来评定矿石的强度。所谓普式硬度系数（f）
是矿石的极限抗压强度（σ 压）除以 100 所得的数值，即 f=σ 压/100。
按普式硬度系数的大小，可将矿石分为五个硬度等级，如表 4-2 所示。
表 4-2 按按普式硬度系数划分的硬度等级
矿石硬度等级 普式硬度系数 矿石举例
很软 ＜2 烟煤、褐煤、水淬矿渣、黏土
软 2-4 氧化镍矿、炉渣、混灰石
中硬 4-8 石灰岩、石膏、萤石
16
硬 8-10 坚硬石灰岩、铁矿、石英岩
很硬 ＞10 花岗岩、玄武岩、硬石英岩
原料烘干与配粉
为了获得适于还原电炉冶炼使用的合格炉料，必须将氧化镍矿
（含返回料）、还原剂、熔剂、黏结剂等物料加工成符合粒度要求的
粉体，在前述粗破的基础上，为准确配料和均匀混料进而造球创造条
件。
镍铁冶金所用原（辅）料硬度都不大（见表 4-2），易破碎，但情
况复杂。就原（辅）料中量最大的氧化镍矿而言，它是由自然风化程
度大的土质粉矿和风化程度小的石质块矿构成的。两者各有特点：土
质粉矿镍品位较高且成分均匀，但含游离水较多；石质块矿镍品位较
低且不均匀，但含游离水较少。
石质块矿经破碎、制粉后可直接进入配混料、造球工序；而土质
粉矿不需破碎，却须烘干后方可入磨。为了确保原料成分均匀、稳定，
多将经粗破（大块石质矿）后的石质和土质矿一同进行烘干，然后细
磨。
配料
各种物料配量如下：
（1）镍铁矿。按其化学成分及各辅助原料配量分批配入。
（2）除尘灰等返回料。依经验，按配料基量的 5%配加。
（3）还原剂。按一定量铁和全部镍元素得以还原的量配入。
（4）熔剂。熔剂配加量按碱度要求确定。
（5）黏结剂。其配入量应由试验确定，一般膨润土用量为成品
量的 1%-2%。使用消石灰作黏结剂，其用量与膨润土相近。
5.镍铁冶金主要设备
环形烧结机
烧结是将粉状料或细粒料进行高温加热，在不完全熔化的条件下
烧结成块的过程。烧结的方法有鼓风烧结和抽风烧结之分，以抽风烧
结最为常见。抽风烧结分为连续式和间歇式，用于连续式抽风烧结的
有带式烧结机和环式烧结机等；用于间歇式抽风烧结的有固定式烧结
机（如盘式烧结机和箱式烧结机）和移动式烧结机等。
现代烧结机主要是抽风带式烧结机和环形烧结机，前者由于生产
能力大，机械化程度高，自动控制装置较完善，劳动生产率也高，在
大型铁矿粉烧结生产中多被采用。从生产规模和技术经济合理性考虑，
环形烧结机更适合与电炉冶炼镍铁配套使用。
环形烧结机工艺流程
烧结的过程是伴随着物料物理化学变化的过程。烧结料因强烈的
热交换从 70℃以下被加热到 1200-1400℃，并从固相中产生液相，液
相又被迅速冷却而凝固，其过程包括：
（1）燃料燃烧和热交换；（2）水分蒸发及冷凝；（3）碳酸盐
分解，燃料中挥发分的挥发；（4）矿物的氧化、还原与分解；（5）
18
硫的氧化和去除；（6）固相间的反应与液相的生成；（7）液相冷凝
和烧结矿二次氧化等。其中包含的化学反应如下所列：
2Fe2O3·3H2O=2 Fe2O3+3 H2O
CaCO3=CaO+CO2
3 Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2
Fe3O4+CO=3FeO+ CO2
2FeO+SiO2=2 FeO·SiO2
3Ni2O3+CO= 2Ni3O4+CO2
Ni3O4+CO=3NiO+ CO2
2NiO+SiO2=2 NiO·SiO2
原料厂矿粉、返料、燃料、熔剂按比例混合，然后送混料机进行
二次混匀和造球，由皮带运输机送到烧结机给料仓，完成供料工艺。
混好的料由布料器均匀地分布在烧结机盘面进行点火烧结，从烧结机
机头布好料开始抽风烧结，到机尾（大盘末端）双辊破碎机进行破碎。
通过漏斗溜到设在下层平台的热振动筛中进行筛分，不小于 5mm 的
合格烧结矿通过溜槽溜到储矿槽，供电炉使用，不大于 5mm 的粉矿，
通过配料皮带机进行重新配料。烧结过程产生的废气，通过重力第一
次除尘，双旋风第二次除尘，脉冲布袋除尘器（捕集粒径大于 μm
的细小粉尘）第三次除尘后，除尘效率达到了 99%以上，再经风机抽
入烟卤水幕除尘后，排入大气。其工艺流程如图 5-1 所示。
5-1 烧结工艺流程图
烧结机各系统及其功能如下：
（1）配料系统。配料系统由配料仓、圆盘给矿机、配料皮带机等组
成。用装载机将矿粉、燃料、熔剂、返矿等物料装入配料室料仓内，
通过圆盘给矿机将以上物料按要求比例，送到配料皮带机上，由皮带
机将物料运至圆筒混料机进行混匀造球。
（2）混料制粒系统。混料系统一般由二次混合完成，一次混合主要
是将从配料室来的各种物料混合均匀，再用皮带机送至二次混合造球，
20
二次混合的目的主要是为了提高球团质量，改善烧结过程中的透气性。
将混合料最终制成 3-8mm 占 75%的小球形混合料，再由皮带机送到
布料仓进行布料，圆筒混料机具有混料范围广、能适应原料的变动、
构造简单、生产可靠及生产能力大等优点。
（3）混合料布料系统。混合料布料系统主要由圆辊给料机、反射板、
扇形闸门等组成，按照工艺要求通过调节扇形闸门的开启度和圆辊给
料机的转速将混合料供到反射板上进行偏析布料，通过调速反射板的
角度来得到不同的布料效果。
（4）煤气点火系统。煤气点火系统由煤气及空气调节系统、烧嘴、
助燃风机、点火室等组成。点火器采用自身预热装置对助燃空气进行
预热，可提高助燃空气温度 100-150℃，从而取得良好的节能效果。
烧结生产使用的燃料分为点火燃料和烧结燃料。
（5）烧结主机。烧结主机系统主要由传动装置、头尾端部密封、台
车风箱、吸风装置、机架、落尘系统和粉尘收集系统等组成。主传动
机构设在大盘下部侧方，由电动机、减速机、蜗轮减速机等组成，通
过普通减速器与蜗轮减速机配合，保障设备正常运转。卸料器采用
3kV 电动机，位于大盘尾部，独立的动力系统完成大盘卸料，台车与
风箱紧密连接，没有空隙，有效地防止了漏风。
（6）烧结矿的破碎、筛分系统。双齿辊破碎机设置在烧结机的尾部，
它主要负责将台车卸下的大块烧结矿破碎成小块。经双齿辊破碎机破
碎后的烧结矿进行筛分，目的是将成品和返矿分开（对热矿生产流
程），或者提高冷却效果（对冷矿却生产流程）。不小于 5mm 的烧结
矿提高溜槽到鳞板输送机再由皮带机运至储矿槽内，供电炉使用。小
于 5mm 的粉料经过筛下皮带机运至混料系统重新进行混合、烧结。
（7）抽风除尘系统。抽风除尘系统由降尘管、旋风除尘器、重力除
尘器、水除尘器、主抽风机、管路及烟冲组成。在烧结抽风过程中产
生的烟气及灰尘和抽风冷却过程中产生的废气及灰尘（灰尘约
-3g/m3）通过风箱进入降尘管(50mm 以上)除掉，经降尘管除尘后
的烟气进入重力除尘器进行二次除尘，灰尘经除尘器的卸灰阀排到运
输小车上运到配料室料仓参与配料。重力除尘后的烟气通过旋风和水
幕进一步除尘后，达到国家规定的排放标准。
回转窑
回转窑属于可旋转窑炉，其筒体与水平成一角度，由电动机通过
减速装置靠齿轮传动带动筒体旋转。回转窑使用固体（粉煤）燃料或
液体（油）燃料和气体燃料。与竖炉相比，回转窑具有以下优点：
（1）生产能力大，可实现机械化、自动化运转，生产率高；
（2）对煅烧物料适应性好，原料粒度可小到 10mm，充分利用
矿山资源；
（3）煅烧产品质量稳定，燃料带入杂质少，产品纯度高。
与竖炉相比，其不足之处是：投资较高，占地面积较大，单位燃
料消耗较高等。
回转窑煅烧氧化镍矿可依生产条件因地制宜，采用成球法或直接
将矿物入窑煅烧。
22
回转窑筒体类型有：
（1）直筒型。这是回转窑最常见的筒体结构，整个筒体直径相
同，结构简单，部件及窑内衬砖规格较少，便于制造、维修。
（2）窑头扩大型。扩大回转窑燃料燃烧区域的直径，以扩大燃
烧带的窑积，从而提高窑的发热能力，增加火焰气体辐射层厚度，改
善窑内高温区域传热。
（3）窑尾扩大型。扩大窑尾筒体直径能加强窑尾的预热能力，
降低窑尾气体流速和废气温度。
回转窑的支撑及传动装置：
（1）滚圈——是安装在回转窑的筒体上与托轮接触支撑筒体、
窑衬、物料等所有回转部分的部件。
（2）托轮——是回转窑的支撑装置，它除了支撑回转窑筒体的
重力外，还在径向和轴向对回转窑筒体起着定位作用。托轮的数量根
据窑的长短不同而异，与滚圈相对应匹配，一般为 2-4 对。
（3）挡轮——回转窑是倾斜安装的，斜度一般为 3%左右。在正
常运转情况下，由于窑体本身的重力而产生沿轴向下滑的分力等于滚
圈与托轮间产生的摩擦力，使窑体处于平衡状态。但有时下滑力大于
摩擦力则会使窑体向下窜动，挡轮就是在传动设备附近的一滚圈两侧
安装的辅以限制回转窑筒体的轴向窜动的装置。
（4）传动装置——回转窑的传动装置是回转窑的重要组成部分，
主要由主传动装置、辅助传动装置、小齿轮、大齿轮等组成。主传动
装置用于回转窑正常运转时为回转窑提供动力。当主传动装置不能正
常位回转窑提供动力保证窑运转时，辅助传动装置可保证回转窑低速
运转，防止高温状态下回转窑长时间不转动造成筒体变形。回转窑的
传动是通过电动机运转带动安装在减速机低速轴上的小齿轮，在通过
小齿轮带动安装在筒体上的大齿轮连同回转窑一起旋转。回转窑的转
速通过主电动机直流调速或变频调速实现。
窑头罩及密封装置：
（1）窑头罩——设在回转窑窑头，下部开设出料口，侧面多半
设置检修入孔，还留有燃枪安装孔和观察孔等。
（2）密封装置——回转窑进出口处的密封质量对系统运行能否
正常、热工过程能否稳定至关重要。回转窑的密封方式很多，主要有
摩擦式、迷宫式和气封式等，其中以摩擦式较为常见。摩擦式密封多
为弹簧片或石墨块式。
还原电炉
用于还原氧化镍矿的电炉主要分为矮烟罩半封闭式还原电炉、半
封闭旋转式还原电炉、全封闭式还原电炉。还原电炉的机械设备包括
炉体、电极系统、烟罩或炉盖、炉体旋转机构、加料装置、液压系统
和水冷系统等。
炉体——由钢制炉壳和耐火材料砌衬组成，普遍采用圆形炉体，
其优点是结构紧凑，短网的布置也较容易做到合理，容易制造，大中
型电炉炉壳采用 16-25mm 厚的锅炉钢板制成。
炉衬——一般在渣线以下的炉衬和炉底接触铁水部分，用碳质耐
24
火材料或镁质耐材，其他部位用高铝质或黏土质耐材，靠近炉壳部位
用隔热材料。
电极
镍铁还原电炉的电极绝大部分为自焙电极，自焙电极由电极壳和
电极糊（固体炭素材料和黏结材料组成）组成。在生产时将电极糊加
入特制的电极壳内，通过炉内的传导热、辐射热和电阻热将电极焙烧
硬化。
电极焙烧的有三个阶段：（1）第一阶段为软化段。温度由室温
升到 200℃，此时电极糊全部软化成流体状态，并有少量黄烟冒出，
正常时这个区域由上部开始直到铜瓦上缘 500mm 左右。（2）第二阶
段为挥发段。温度为 200-600℃，此时电极糊已充满熔化充填电极壳，
并明显挥发，电极糊逐渐变稠。靠近铜瓦上部，铜瓦冷却作用使外部
温度较中心温度低，并保持温度上升较慢，这样可使电极的挥发分充
分排出，不急于焦化，使电极糊保持塑性，填充得好，空隙少使电极
致密强度高。此阶段是电极烧结的关键阶段，尤其挥发段的下半段在
铜瓦约 3/5 高处，正好外部有一定的塑性，中心开始焦化，因此既能
少量导电，又可使电极和铜瓦接触良好。（3）第三阶段为烧结段。电
极糊已移至铜瓦下部 2/5，温度已升到 600-800℃，电极糊焦化，将最
后少量挥发物排出，变硬，形成导电好的电极。此处电流密度大，炉
口辐射热也增大，故电极周围温度又上升较快，中心和外部温度逐渐
一致。当电极从铜瓦中出来时，已是导电性良好、坚硬的电极了，又
经过料面上进一步升温，进行部分石墨化转变，进入料面变成石墨化
电阻小的电极。
自焙电极事故主要有电极糊悬料、漏糊、软断和硬断。
还原电炉变压器
电炉供电回路是电能输送的主回路，其供电系统为：电网→高压
电缆→母线→高压隔离开关→高压断路器→电炉变压器→短网→经
电极输入电炉。
电炉变压器主要技术特点：
（1）低压侧电压特别低，电流特别大；
（2）低压绕组每相几路的引线端头都是首尾相间隔引出箱外，
高压绕组最好也是每相的首尾均引出箱外，而不在箱内连
接；
（3）具有多级分接电压；
（4）具有良好的绝缘强度及机械强度；
（5）具有不大的阻抗或短路电压；
（6）接线组别一般采用 12 组；
（7）具有一定的过载能力，配有相应的良好冷却措施；
（8）大容量电炉采用三台单相变压器组是合理的；
（9）选用壳式结构有一定的优越性，壳式结构与芯式结构相比，
其感抗可降低到原来的 1/5-1/3，因而大大降低了变压器空
载损耗。同时与同容量的芯式变压器相比，壳式变压器具
26
有体积小、质量轻、过载能力强等优点，尤其是大中型电
炉变压器应优先采用。
通常在还原电炉生产中，在配料恰当、操作工艺合理的条件下，
电炉能否达到高产、优质、低耗的目标，决定于电炉的功率因数
cos φ、电效率和热效率。因为在一定的变压器视在功率下，功率因数
高时，才能从电网中多获得有功功率，为高产创造有利条件。电效率
高，才能把从电网得到的一定功率，充分输入炉内进行生产，设备有
功损耗减少，产品单位电耗相应降低。热效率高，电炉所得到的总热
能可以充分利用于生产。总热能的主要部分是由输入电炉的有效功率
的电能转变而来，当然，也有少量的其他来源，如副反应中的放热反
应以及炭材的燃烧等，但相对较少，以至可以忽略不计。因此电炉的
实际生产能力，可以用变压器的视在功率与功率因数、电效率及热效
率的乘积来表示，后三个因数都恒小于 1。
还原电炉生产工艺(参考)
将烧结矿、还原剂（焦丁）和熔剂(石灰)混制由料罐从炉顶料仓
下部的加料管导入炉内，间断加料定时出渣出铁。液态金属镍铁与炉
渣经分渣器分离后，通过链式铸铁机浇铸成锭，炉渣流入渣盘进行水
淬冷却，冷却后运至渣场处理。成品金属锭经计量、检验后，包装、
外运。其工艺流程如图 5-3 所示。
图 5-3 工艺流程
冶炼过程初期，NiO 炉料中的在 750℃时，已有显著还原，其基
本反应为：
NiO+C=Ni+CO
在 900-1100℃时，Ni 的还原反应进行的很充分。当有 Si 存在时，
总的反应是：
3NiO+Si+C=3Ni+SiO2+CO
镍与铁可形成连续固溶体，液态时两元素有无限互溶性，从而可
促进还原反应。可见，冶炼初期镍被充分还原，还原率可达 90%左右。
炉料中 FeO 和 Cr2O3 与 C 反应如下：
3（FeO·Cr2O3）+3C=3Cr2O3+3CO+3Fe
Cr2O3+3C=2Cr+3CO
当有 Si 存在时：
Fe2O3+Si+C=2Fe+SiO2+CO
28
Cr2O3+Si+C=2Cr+SiO2+CO
炉料中的 FeO 和 Cr2O3，经还原剂作用先生成铁，然后才是 Cr2O3
被还原。还原电炉的工作温度可达 2000℃左右，故铬和铁均能得以充
分还原，前者还原率可达 85%以上，后者还原率可达 95%以上。
部分炉次产品主要成分及炉渣成分的统计结果如表 5-4 和表 5-5
所示。
表 5-4 部分炉次产品主要成分 %
元素 Ni P S C Si Fe
数值 余量
表 5-5 炉渣成分的统计结果 %
成分 Ni SiO2 CaO MgO Fe 碱度
数值
6.环境保护及综合治理
镍铁生产过程中排出的废气、污水和炉渣，对环境造成的污染不
容忽视。努力做到环保、节能、综合利用，任重道远。
污染控制技术的发展是与工艺及设备的技术进步紧密相关。以电
炉冶炼为例，20 世纪 50-60 年代的还原炉一般为敞口冶炼，高悬式烟
罩，炉内产生的高温烟气混入大量冷空气后通过烟冲排空。进入 70
年代，电炉改造和建造为半封闭式和全封闭式操作，混入冷空气减少
后烟气量也相应减少，排烟温度提高，要求除尘器前配置降温冷却设
备，袋式除尘器的滤料也有较大改进，烟尘净化效率提高，满足了日
趋严格的环保排放标准。冶炼过程中产生的炉气含 CO 高达 70%以上，
从炉内引出后采用洗涤降温冷却后净化，净煤气予以回收利用。含酚、
氰等有害的煤气洗涤水经处理循环利用，少量污水经处理达标后外排，
电炉熔融渣处理后综合利用。
镍铁冶金工业废气
镍铁冶金厂的废气主要产自各种炉窑，包括还原电炉、精炼炉、
焙烧回转窑、烧结机、多层焙烧炉等。
还原电炉冶炼，其主要原料为矿石、还原剂和熔剂。原料入炉后，
在熔池高温下呈还原反应，生成 CO、CH4 和 H2 的高温含尘可燃气体，
称为炉气。它透过料层逸散于料层表面，当接触空气时 CO 燃烧形成
高温高含沉的烟气。依产品不同每吨成品合金的炉气发生量波动在
700-2000m3（标态）。炉气温度约为 600℃左右。
镍铁冶金工业废水
电炉冶炼过程排出的液态熔渣量随电炉容量大小、冶炼品种不同
而变化。放出的液态渣流入渣灌，再从渣灌下部卸渣管流入冲渣沟，
同时用高压水对熔渣喷冲水淬，水与渣均流入沉渣池，经自然沉淀分
离后，水渣综合利用，冲渣水循环利用。冲渣水量一般按渣水比 1：
（10-15）。悬浮物的质量浓度在 36-200mg/L，总硬度小于 15（德国
度），氰化物的质量浓度小于
镍铁冶金固体废物
镍铁电炉冶炼，渣量很大。熔融渣经水淬处理，少量可配作精炼
炉渣用以改善炉渣结构，回收 Ni、Cr、Fe 等元素，大部分可作建筑
30
材料使用。
