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红土镍矿冶炼炉渣提镍及再利用的研究和实践(一)
红土镍矿冶炼炉渣提镍及再利用的研究和实践
红土镍矿冶炼炉渣提镍及再利用的研究和实践
摘要：本文分析和总结了红土镍矿冶炼炉渣回收利用的半工业试验、工业试验及工业生产的探索研究及应用。阐述了一种适宜红土镍矿冶炼炉渣回收利用的有效方法,为有色及黑色金属冶炼炉渣回收利用的研究提供一些参考。
关键词：镍 红土镍矿 水萃 水萃炉渣 冶炼炉渣 磁选 浮选 硅酸盐水泥
YANG Yongliang,GAO Suoshan,GAO Zhankui
Abstract:Summary:This paper analyzes and summarizes the laterite nickel ore smelting slag recycling semi-industrial testing, industrial testing and industrial production, exploration and research and application. Describes a suitable laterite smelting slag recycling and effective method for non-ferrous and ferrous metal smelting slag recycling research to provide some reference.
Keywords:nickel ; laterite –nickel ore; water extract; water extraction slag; slag; magnetic separation; flotation; Portland cement
概述
在自然界中，镍主要以硫化镍矿（30%）和氧化镍矿（70%）存在。由于镍元素亲氧及亲硫性的差异，在熔融岩浆中，当有硫元素存在时，镍能优先形成硫化矿物，并富集形成硫化矿床；而氧化镍矿是含镁铁硅酸盐矿物的超基性盐经长期风化形成的矿石，在风化过程中镍自上层浸出而后在下层沉淀，NiO取代了相应硅酸盐氧化铁矿晶格中的MgO和FeO。如何利用红土镍矿资源是当下各研究机构及镍行业企业需要考虑和面对的，而目前国内外红土镍矿利用主要以火法工艺、湿法工艺及火湿结合工艺。随着火法冶炼技术的不断提高及除尘技术及工艺的不断完善，近年来红土镍矿采用火法工艺利用的企业不断增加，但由于火法工艺在生产过程中，冰镍项及渣项层难以准确把握，难免导致炉渣中流入部分冰镍熔融体，再者炉渣长期堆放形成的淋溶现象将严重污染周边环境。针对红土镍矿资源的现实利用情况，本文阐述了采用磁—浮联合工艺处理红土镍矿冶炼炉渣的方法及过程（已投入工业化生产，并获得良好的经济效益和环境效益），展望了红土镍矿冶炼炉渣综合循环利用的研究方法及思路，
1、冶炼炉渣的现状说明
红土镍矿冶炼炉渣提镍及再利用的研究和实践(二)
国外红土镍矿冶炼处理工艺
常见的红土镍矿冶炼处理工艺主要有湿法工艺和火法工艺。湿法工艺是使用硫酸、盐酸或者氨水溶液作为浸出剂，浸出红土镍矿中的镍和钴金属离子。常见的湿法处理工艺有高压酸浸工艺（HPAL）、常压酸浸工艺（PAL）和氨浸工艺（Caron）。硅镁质型红土镍矿中镁含量高，浸出过程酸耗大，目前较多采用火法工艺处理。常用的红土镍矿火法处理工艺有：电炉溶炼、高炉镍铁工艺、硫化熔炼等。目前国外大部分采用湿法工艺冶炼红土镍矿。
美国：新型还原焙烧－氨浸法回收率提高
还原焙烧-氨浸工艺又称为Caron流程，属于湿法冶炼工艺。其主要流程为：矿石经破碎、筛分后在多膛炉或回转窑中进行选择性还原焙烧，还原焙砂用氨-碳酸铵溶液进行逆流浸出，经浓密机处理后得到的浸出液经净化、蒸氨后产出碳酸镍浆料，再经回转窑干燥和煅烧后，得到氧化镍产品，并用磁选法从浸出渣中选出铁精矿。焙烧过程采用的还原剂主要是煤或还原性气体，其主要目的是将矿石中的镍和钴还原，而三价铁大部分被还原为磁性的Fe3O4，少数被还原成金属铁。氨浸的主要目的是将焙砂中的镍和钴以络氨离子的形式进入溶液，而铁、镁等主要杂质仍以单质或氧化物的形式留在浸出渣中，从而实现镍、钴与铁等杂质的初步分离。该工艺的优点是常压操作，浸出液杂质含量较少，浸出剂中的氨可回收；主要缺点是镍、钴回收率较低，镍的回收率为75%~80%，钴的回收率低于50%。截止到目前,全球只有少数几家工厂采用该法处理红土镍矿。
为提高镍、钴回收率，美国矿物局最近发展了还原焙烧－氨浸法处理红土矿回收镍的新流程，简称USBM法。该法的要点在于还原焙烧前加入了黄铁矿（FeS2）进行制粒，还原时用的是纯CO。浸出液用LIX64-N作为萃取剂实现钴、镍分离，整个系统为闭路循环，有效地利用了资源。据报道，用该法处理含镍1%、钴0.2%的红土矿时，镍、钴的回收率分别为90%和85%。若处理含镍0.53%、钴0.06%的低品位红土矿时，钴的回收率亦能达到76%。与原来的氨浸工艺相比较，新工艺大大提高了镍钴的回收率，降低了过程的能耗。
澳大利亚和古巴：硫酸加压酸浸法回收率高
硫酸加压酸浸工艺适合处理含氧化镁低的褐铁矿型红土矿，此流程最大的优势在于金属的回收率都能达到90%以上。该技术首次用于古巴毛阿湾镍厂，被称为A-MAX-PAL技术。
古巴毛阿湾镍厂采用加压酸浸法处理低氧化镁含镍红土矿，其是世界上唯一采用高温高压直接酸浸红土矿提取镍和钴的工厂。该厂采用的工艺较先进，工厂布置较紧凑，占地面积小，厂内环境清洁。
该厂处理的含镍红土矿如果在常压和常温下用硫酸溶液浸出，那么存在于矿石中大量的铁（该矿含68%氧化铁）容易进入含镍和钴的溶液。然而，采用同样浓度的硫酸溶液，在高温高压（246℃，3.6MPa）下浸出，铁只有少量进入溶液中而镍和钴的浸出率都超过95%。矿石中碱性氧化物的含量相当低，无须消耗大量的硫酸中和矿石中含量高的碱性氧化物。加压浸出硫酸用量为每吨干精矿量的22.5%，浸出渣含铁51%，可作为炼铁原料。浸出液送沉淀高压釜（118℃～121℃，压力为1MPa），通H2S沉淀出镍、钴、
铜等硫化物沉淀，产出含Ni55%、Co5.9%、Cu1.0%的硫化物精矿，送精炼厂用于进一步精炼。
由于约70%的红土矿资源属于褐铁矿型，高压酸浸技术广受关注，在技术上得到了较多改进。从2000年以来，几家大公司，包括必和必拓、巴西国有矿业公司（CVRD）、加拿大的鹰桥公司（FalconBridge）等都进行了该技术的开发研究。必和必拓公司和巴西国有矿业公司都倾向于用新流程生产混合硫化物或氢氧化物。鹰桥公司采用了两步溶剂萃取法，镍从硫酸介质转入盐酸介质，然后将溶液高温水解，得到氧化镍产品和盐酸，盐酸可循环利用。
澳大利亚的莫林莫林（MurrinMurrin）、科斯（Cawse）和布隆（Bulong）3家公司采用加压酸浸新工艺的红土矿开发项目陆续投产运营，引起很大的关注。这3家企业采用的酸性加压浸出技术与古巴莫奥公司生产中应用的工艺相近，只不过用卧式高压釜取代了莫奥公司的立式高压釜而已。然而，回收步骤有以下区别：第一，在Cawse工艺中，混合氢氧化物是从高压浸出液中沉淀出来的，然后用氨浸出它们，接着再进行溶剂萃取和电积；第二，在Bulong工艺中，用H2S从高压浸出液中沉淀出混合硫化物，然后在有氧条件下浸出硫化物，接着再进行溶剂萃取、氢还原、压片等作业；第三，在Murrin工艺中，直接对高压浸出液进行溶剂萃取和电积。
而SGSLakefileld公司研究出一种高压酸浸方案，其特点为：在高压釜内加入元素硫和氧，就地产生硫酸。这就不必在矿浆进入高压釜前进行预热，从而显著节约了设备成本。
加拿大：盐酸常压浸出工艺实现试剂循环使用
镍红土矿盐酸常压浸出比较成熟的工艺是加拿大切斯巴尔资源公司(ChesbarResources)开发的切斯巴尔法-氯化物常压酸浸工艺。该工艺的主要特点是通过喷雾热解工艺使浸出剂（盐酸）和中和剂（氧化镁）在流程中循环使用，从而大幅度降低了试剂消耗，废水排放量也大幅度减少，同时矿石中的镁得到综合回收。
常压酸浸法处理红土镍矿的一般工艺流程为：对镍红土矿先进行磨矿和分级处理，将磨细后的矿浆与洗涤液和酸按一定的比例在加热的条件下反应，使矿石中的镍浸出进入溶液，再采用碳酸钙进行中和处理，过滤进行液固分离，得到的浸出液用硫化物做沉淀剂进行沉镍。近年来，国外主要是针对红土镍矿中不同矿相在常压酸浸中的浸出行为进行了研究，如针铁矿相、蛇纹石矿相、蒙脱石矿相等矿相在常压酸浸过程中的反应动力学和反应活性等，得出了一系列相关的研究成果。有研究采用提高浸出温度、控制还原电位、加入催化剂盐、强化矿的前处理、加入硫化剂和预焙烧等方法强化镍和钴的浸出和抑制铁、镁等杂质金属的浸出，在减少酸耗的同时提高浸出的选择性，取得了较好的效果。
有实验室研究了稀盐酸溶液还原浸出红土镍矿的工艺。试验采用抗坏血酸作还原剂，用稀盐酸浸出低品位镍红土矿，在抗坏血酸用量与矿料质量比为3：l、浸出温度为60℃、浸出酸料质量比为2：7、固液比为1：4、反应时间为l小时的情况下，镍的浸出率达到95%，铁的浸出率也达到了95%以上。同时，他们对盐酸直接浸出低品位镍红土矿也进行
了试验研究。试验结果表明，采用盐酸直接浸出低品位镍红土矿，其镍的浸出率可以达到90%，而铁的浸出为55%左右。可见，盐酸常压浸出工艺虽然镍的浸出率可以达到90%以上，但同时矿石中的铁也被大量浸出，给后续的浸出液处理工序带来较大困难。因此，该工艺应用于实际生产，还须解决铁被大量浸出的问题。
盐酸常压浸出工艺对于褐铁矿型和腐植土型红土矿都较适用，因此可简化采矿方案、增加采矿的经济性。
日本：回转窑还原-磁选生产镍铁工艺最经济
日本冶金工业公司投资的大江山冶炼厂采用回转窑高温（约1350℃）半熔融还原焙烧－水淬－跳汰重选－尾矿球磨－磁选的工艺直接生产含镍大于20%的镍铁合金用来生产不锈钢。该工艺被称为大江山法，即回转窑还原-磁选法（又称克虏伯-雷恩法）。
日本大江山冶炼厂采用克虏伯－雷恩法处理新喀里多利亚的红土镍矿，主要工艺流程为：原矿经干燥、破碎、筛分处理后与石灰石、石英砂以及焦炭按比例混合制团，团矿经干燥和高温还原焙烧，生成海绵状的镍铁合金，合金与渣的混合物经水淬冷却、破碎、筛分、磁选或重选等处理，得到粗镍铁粒，而夹杂有金属微粒的炉渣再返回处理，然后将此产品运往川崎钢厂作为不锈钢生产的原料。这也是世界上唯一采用回转窑直接还原熔炼氧化镍的方法。该方法的特点是冶炼温度较低，因此产出的镍铁粒中C、Si、Cr、P等杂质含量较低。其最大的优点是能耗小、生产成本低，这主要是由于回转窑的能效很高，且使用廉价燃料，能耗中85%的能源由煤提供。【红土镍矿冶炼炉渣提镍及再利用的研究和实践】
日本大江山冶炼厂开发的残积型红土镍矿回转窑高温（约1350℃）半熔融还原焙烧生产粒铁工艺是截至目前被认为最为成功的技术，也被业界公认为是最为经济的残积型红土镍矿处理方法。该工艺的实质是以矿物自身被还原的金属铁作为镍的捕收剂，实现镍的高效回收。
与回转窑干燥预还原-电炉熔炼法相比较，大江山法不消耗焦炭（用煤还原），用电负荷仅为前者的40%，投资也只有前者的50%。与常压硫酸直接浸出工艺相比较，大江山法基本不消耗化学试剂，无废水排放，对环境影响小，且镍回收率高。但大江山法的关键———半熔融物料在回转窑内的结圈控制技术，掌控难度很大，加之日方的技术封锁，多年来一直没有推广应用。但从节能、低成本和综合利用（处理低品位氧化镍矿）镍资源的角度分析，这一工艺是值得进一步研究和推广的。
随着不锈钢产业的迅速发展，全球硫化镍矿资源的逐渐减少和开采难度的增加势必推高电解镍的生产成本，不锈钢冶炼成本难免水涨船高，而加强红土镍矿的利用成为必然趋势。
我国红土型镍矿主要分布在云南、四川以及青海等地区，目前只有部分矿山得到开发利用，且基本为中小型矿山。红土镍矿资源主要以中低品位为主，因此研究开发清洁高效的低品位镍红土矿资源处理技术十分必要。【红土镍矿冶炼炉渣提镍及再利用的研究和实践】
根据国内企业目前所掌控的红土矿资源，借鉴并深入研究国外先进的红土镍矿冶金技术，结合国内新工艺方法的研究和系统集成，实现红土镍矿中伴生元素的综合利用，对缓解我国资源的供需矛盾、保障国家经济安全，意义重大。
红土镍矿冶炼炉渣提镍及再利用的研究和实践(三)
浅析红土镍矿火法(RKEF法)冶炼
【红土镍矿冶炼炉渣提镍及再利用的研究和实践】
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浅析红土镍矿火法（RKEF法）冶炼
作者：王新凤
来源：《科技创新与应用》2013年第01期
摘 要：本文中简要的介绍了一下我国红土镍矿的处理方法，将小高炉熔炼法 “烧结机-矿热炉“，同RKEF（回转窑-矿热炉熔炼法）进行简单的对比，以突出RKEF工艺在红土镍矿处理中的优点，主要是从环保、节能、综合利用、产品质量等这几个方面分析。
关键词：红土镍矿；火法冶炼；RKEF工艺
1 小高炉熔炼法
小高炉熔炼法是我国处理红土镍矿自主研发的一种冶炼方法。小高炉熔炼的流程是：红土镍矿--破碎筛分--干燥--配料--烧结--高炉熔炼--含镍生铁和炉渣。
1.1 工艺流程当中的高炉熔炼有很大的缺点：
（1）要用优质的焦炭作为熔炼的燃料，焦炭的耗能量很大，能耗高；（2）产品镍含量通常在2～8%，大多在5%以下，镍品位低，杂质含量高，一般用于200系的不锈钢生产。（3）在冶炼的过程中有害气体的排放量大，比如为了增加炉渣的流动性而添加萤石，萤石加入量占炉料总量的8～15%，然而在国内，镍铁小高炉没有设置脱氟设备，全部放散，从而导致排放的高炉烟气中含有大量有害的含氟气体。（4）红土镍矿可分为“高铁低镁（低镍）“、 低铁高镁（高镍）红土镍矿，两种不同类型原料。而当红土矿含镍1.5%、含铁35%时比较适合小高炉熔炼，可产出含镍约 4%的低镍生铁。但如果是低铁高镁（高镍）矿用小高炉熔炼，那么就会导致高炉的产渣量大、粘度大情况，从而难以保证炉况顺行。（5）由于炉料强度低，所以只能采用小型高炉（矮高炉）生产镍铁，而无法进行大规模的生产。（6）小型高炉生产镍铁的成本较高，目前，只能在市场镍价15万元以上才能维持盈利。
鉴于以上原因，无论是从技术还是经济的角度来看，小高炉法对原料的适应性差、无法大型化生产，随着焦炭价位回归合理、镍价下跌和环保政策落实，目前我国的高炉镍铁厂大部分已停产。
2.冷料入炉“烧结机-矿热炉“镍铁工艺根据焦炭涨价和用户要求高含镍量的镍铁的实际情况，国内建设了一些用烧结机生产红土镍矿烧结矿，冷却后入矿热炉冶炼镍铁的工厂。
虽然该工艺的生产过程中不用焦炭，原料适应性比小高炉好，产品镍含量较高，生产的粗镍铁含镍量约8～14%，但仍存在能耗高、效率低的缺陷，例如：用1.8～2%品位的红土镍矿，生产含镍～12%的粗镍铁，每吨粗镍铁冶炼电耗～1.0×104kWh，甚至有的厂可达
1.2×104kWh以上，这是因为矿热炉预还原需要高温料，但是“烧结机-矿热炉“无法提供，从而导致粗镍铁冶炼的电耗相当高。
红土镍矿冶炼炉渣提镍及再利用的研究和实践(四)
红土镍矿还原焙烧―氨浸工艺还原焙烧工序研究
【摘 要】随着硫化镍矿资源日趋匮乏，开发利用红土镍矿尤为重要。火法工艺、湿法工艺是最主要的红土镍矿处理工艺，其中湿法工艺以其高回收率、低能耗、低原料要求等优点，已逐渐成为红土镍矿主要处理工艺。 【关键词】镍；红土镍矿；火法冶炼；湿法冶炼
1前言
镍是一种银白色金属，具有优良的使用性能，在航空领域、国防领域和日常生物中得到广泛应用。不锈钢、耐热钢、合金钢及合金铸铁作为镍的最大消耗行业，其需求量的迅速增长，进一步提高了镍的需求量。现今，可开发利用的镍资源主要有硫化镍矿和氧化镍矿，而硫化镍矿资源的日趋殆尽，促进了红土镍矿的开发研究[1]。
2 红土镍矿镍资源分布
红土镍矿是由含镍的岩石经风化、浸淋、蚀变、富集而成的，是由铁、铝、硅等含水氧化物组成的疏松粘土状矿石。世界镍资源中约70%属于红土型镍矿床，即氧化矿，主要分布在环赤道的菲律宾、巴西等国[2]。我国红土镍矿由于其品位低、提取效率低等缺点，目前仅部分开发。
3 红土镍矿处理工艺
3.1火法冶炼工艺
3.1.1还原-熔炼镍铁工艺
干燥红土镍矿经回转窑中预还原焙烧后，控制出窑炉料温度在650℃-900℃，经电炉还原熔炼后，得到镍铁，对其精炼即可得到精炼镍铁。该工艺镍回收率可达90%以上， Co回收问题有待解决。
3.1.2还原-硫化熔炼生产镍锍工艺
该工艺是在1500～1600℃下，加入硫化剂进行还原熔炼过程中，产出低镍锍后，再通过转炉吹炼得到高的工艺过程。硫化过程可添加有黄铁矿、硫磺等硫化剂。镍锍工艺Ni回收率为80%左右，但存在工艺冗杂、高能耗的问题，应用并不广泛。
3.2湿法冶炼工艺
红土镍矿湿法工艺主要用于处理低品位红土镍矿。常用的湿法冶炼工艺有以下三种：即还原焙烧-氨浸工艺、加压酸浸工艺、以及常压酸浸法。
3.2.1还原焙烧-氨浸工艺
还原焙烧-氨浸工艺又称Caron 法，由Caron教授发明，并最早应用于古巴尼加罗（Nicaro） 冶炼厂。其原则工艺流程为：红土镍矿经回转窑内还原焙烧后，所得焙砂用氨-碳酸铵混合溶液浸出，浸出液中回收镍。该工艺可实现镍、钴与铁等杂质的初步分离，Ni、Co回收率分别在75～80%、40～50%之间。
3.2.2硫酸加压浸出工艺（HPAL）
硫酸加压浸出工艺是指，控制反应温度在240～265℃，采用硫酸对红土镍矿进行浸出，使Ni、Co生成可溶的硫酸盐进人溶液，铁等杂质留在渣中。该工艺具有高金属回收率、低生产成本等优点。同时，也存在投资费用高、反应设备寿命短等缺点 。
3.2.3硫酸常压浸出工艺（AL）
由于硫酸加压浸出工艺浸出过程操作条件要求高、对设备的磨损严重。为此，研究者开始寻求一种高效的、易操作的红土镍矿处理工艺―常压酸浸工艺。经过研究者们长期研究，结果表明，该工艺可很好的避免加压浸出工艺存在的问题，但其存在的低金属回收率、高杂质浸出液等问题，制约了其在工业生产中的应用。
3 其它处理工艺
随着细菌冶金、微波技术的发展，研究者开展了此方面的研究，并取得一定成果。
3.1细菌冶金工艺
细菌冶金工艺是通过利用细菌自身所特有的氧化或还原特性，使目标金属氧化或还原，从矿物中分离出来。细菌冶金具有投资少、成本低等优点。但其反应过程速度缓慢、生产效率低、受环境影响较大、可利用细菌菌种较少等缺点，因此，未能成功用于工业生产。
3.2微波浸出工艺
研究者发现，利用微波辐射可强化硫酸常压浸出红土镍矿的过程，通过采用微波加热技术，仅需微波处理40min，镍浸出率即可达99%。但该工艺尚处于研究阶段，未来前景较好。
4 结语
1）随着硫化镍矿资源日趋匮乏，寻去高效处理储量较大的红土镍矿工艺尤为重要。
2）火法工艺主要用于镍品位较高的腐殖土型红土镍矿，其具有处理量大的优点。同时，能耗高、原料适应性较差、综合回收率低制约了其在红土镍矿中的广泛应用。
3）湿法工艺主要用于镍品位较低的褐铁矿型或过渡层红土镍矿。由于该具有金属回收率高、能够综合回收镍钴铁等有价金属、能耗低、能够处理低品位矿石等优点，在红土镍矿工业生产应用中，越来越受更多人的青睐。预计在未来几年里，湿法冶炼工艺将成为红土镍矿处理的主导工艺，采用镍红土矿湿法工艺生产镍量将占从镍红土矿提取总镍产量的60%以上。
【参考文献】
[1]郭学益.镍红土矿处理工艺的现状和展望[J].金属材料与冶金工程，2009.
[2]张欧邦.贵州某难选褐铁矿磁化焙烧弱磁选试验研究[J].现代矿业，2009.
【作者简介】
公琪琪（1988―），女，汉族，新疆呼图壁县人，工学硕士，初级工程师，从事有色冶金方向的设计工作。
红土镍矿冶炼炉渣提镍及再利用的研究和实践(五)
红土镍矿回转窑还原焙烧的过程控制
摘 要：介绍了镁质红土镍矿还原焙烧试验的工艺流程和特点，分析了各工艺参数的主要影响因素并据此设计出试验的控制系统和过程控制方案，经摸索调整，在后续的试验过程中实现了回转窑的良好运行，窑况稳定，镍回收率大于90%。 关键词：红土镍矿；回转窑；模糊控制
中图分类号：TTF81 文献标识码：A
1 概述
镁质红土镍矿是氧化镍矿的一种，常采用回转窑干燥预还原-电炉熔炼法（RKEF）处理，但投资高、电耗大、生产成本高。回转窑金属化还原焙烧-球磨-磁选的新技术与RKEF法相比，流程短，投资少，而且不使用焦碳，仅使用价格低廉的煤进行加热和还原，是比较经济的镁质红土镍矿处理方法。本次连续扩大试验是对该新工艺的一次技术验证，由于还原条件的限制和低熔点硅酸铁的产生，容易出现物料粘结、窑壁结圈、回收率低等问题，所以在还原焙烧过程中温度、气氛等工艺参数的控制是试验能否顺利进行的关键。
2 试验设备
本次试验所处理的物料为含镍1.45%，含铁16%的缅甸某镁质红土镍矿，所使用的回转窑规格为Φ450×7000mm，并配套有混料机、压球机、圆盘给料机、空压机、油枪、供油装置、收尘器、换热器、喷淋塔等设备。
设备连接示意如图1所示，红土镍矿经干燥、破碎后，按比例将煤粉、石灰石等一起加入混料机，混合均匀后送压球机制粒，再经圆盘给料机将粒料输送入回转窑进行还原焙烧。从回转窑内排出的还原焙砂经水淬、球磨、磁选后，分别分析焙砂、磁选精矿和尾矿成分含量，验证试验结果。回转窑加热用柴油通过雾化油枪喷入窑内，物料中混入的煤既提供部分所需热量又作还原之用。焙烧过程中产生的烟气经旋风收尘、布袋收尘和喷淋吸收塔吸收后排空。
3 控制方案的设计
3.1 控制内容
除去配矿因素，在焙烧环节中影响窑况和还原效果的最主要因素有三个：物料停留时间、窑内反应区温度和气体成分。如果温度不够或者停留时间过短，还原反应进行不充分；如果温度过高，不但对耐火材料是极大考验，而且随物料融化、团聚，会逐渐形成球状的固熔块，严重时熔融物料会直接粘在窑壁上，导致回转窑结圈；气体成分对影响主要在于CO含量，应保持一定的CO浓度，使整个焙烧过程在还原气氛下进行。
图2列出了影响焙烧温度、物料停留时间、窑内气氛的主要因素及其调整方法。其中单个条件的改变对工艺参数的影响并不是独立的。鉴于试验的多变量和探索特性，从开窑到窑况趋于稳定之前，采用手动控制并通过实践摸清经验数据，当相关指标达到工艺要求后，进入自动控制模式，只对作用于工艺最明显的几项关键参数进行微调，保证试验稳定进行。物料停留时间主要受内径等固定值和窑速等设定值影响，可在调整好后保持稳定；窑内气氛是通过取样和奥式气体分析仪来测试的，实践证明，缘于进出风量及燃烧情况，窑内的压力状况可间接反映出气体成分，而压力则可由烟道蝶阀开度来调节。另外，诸如布袋收尘吹扫、吸收塔pH值及喷淋泵、油泵等辅助设备也需接入控制系统。
3.2 控制方式
3.2.1 主要参数的采集
需接入中控系统并作为主要控制依据的采集对象有窑内温度、压力以及油枪鼓风、烟道出风和柴油流量。窑体温度的采集采用热电偶+滑环接触的传统测温方式，其优点是测温可靠，信号也无需复杂的后期处理。试验中选用的热电偶为S级的铂铑热电偶，可测1300℃以上高温，表头采用带输出的智能仪表，便于现场观察和集中控制。窑内压力信号的采集也采用压力变送器和智能表头的形式，需要注意的是由于窑内气体温度较高，一方面尽量延长引气管长度以降温，另一方面选用耐热等级较高的变送器。喷枪柴油和鼓风、出风流量分别选用专用的涡轮流量计、涡街空气流量计和靶式高温烟道流量计，将信号输送到PLC模拟量模块。
在检测点设置方面，温度共设6个采集点，窑体上有3个，分别监控前、中、尾部温度，其中位于窑头火焰附近的高温还原区温度为主要控制依据。另外三个温度采集点分别位于旋风收尘、布袋收尘器和吸收塔前部，前者反映尾气温度，后两者则为避免温度过高造成设备损伤。柴油、鼓风流量监测在喷枪进油口和送风口前端各设一个，烟气流量计设置在旋风收尘前端。压力监测在窑尾、布袋收尘前后共设3个采集点，分别反映窑内压力和布袋收尘工作状况。
3.2.2 控制系统架构
系统提供现场和中控两种控制模式，在主要测控设备附近安装现场柜，并设置切换开关，方便就近观察和及时调整。整个控制系统采用传感器+可编程控制器+工业控制计算机+组态软件的架构，分别提供数据采集、控制核心、运行平台和人机界面的职能。
如图3所示，传感器信号经变送器和现场仪表后，以模拟量的形式输送入PLC的AI模块，经A/D转换后通过PPI串口电缆传入上位机实时显示。经统计，模拟量输入信号共计10点，来自温度、压力、流量及pH计；模拟量输出信号共计9点，分别驱动各变频电机、供油阀、鼓风阀和烟道蝶阀；数字量输入输出信号主要用于各电机、电动阀门的启停控制和状态显示，共计20余点。根据需求情况，选用两台西门子S7-200CPU224型PLC和匹配的模拟量模块，其单台CPU最多可扩展7个模块至32 AI/32 AO ，其中一台主要负责传感器信号的采集和处理，另一台主要负责控制电路的运行和状态显示。
3.3 控制策略
当窑况趋于稳定，主要工艺参数达到设定范围后，系统允许切换入自动控制模式。自动控制的测量参数两个：窑内温度和窑内压力，分别来自窑头热电偶和窑尾压力表；控制参数有三个：供油流量、配风流量和烟道出风流量，执行机构是各自调节阀，反馈来自流量计。在工况条件下，这些参数是相互耦合、相互影响的，某一个控制量的改变会同时影响多个工艺参数，直接利用传统的PID控制将会出现波动大、响应慢、抗干扰能力差等问题，难以取得满意的控制效果。为此，采用模糊控制和PID控制结合的串级控制系统。 模糊控制的特点是不需要定量和精确的数学模型，特别适用于数据量大、耦合度高、被控对象复杂可变的非线性系统，其控制依据来自于操作者的经验，制定并优化控制规则是控制稳定性的关键。在回转窑实际操作中，燃烧油量与鼓风量的调整往往成比例关系，为简化过程模型，可用比例控制器来控制鼓风量，而窑转速、进料等其它影响因素则视为扰动的信号，其控制策略框图如图4所示。
首先确认输入输出的范围，窑头温度与目标值偏差T[-25，25]℃、窑尾压力与目标值偏差P[-30，30]Pa、供油流量Y[0.05，0.35]L/min、烟道出风流量F[2.5，6.5]m3/min。建立模糊控制要把对象模糊化，将具体值用相应的语言变量来表示，分别定义各参数模糊子集合如下：温度偏差XT{太低、低、稍低、正常、稍高、高、太高}，标识为{XT1、XT2、XT3、XT4、XT5、XT6、XT7}；压力偏差XP{太低、低、正常、高、太高}，标识为{XP1、XP2、XP3、XP4、XP5}；供油流量YY{多减、减、少减、保持、少加、加、多加}，标识为{YY1、YY2、YY3、YY4、YY5、YY6、YY7}；烟道出风流量YF{多减、少减、保持、少加、多加}，标识为{YF1、YF2、YF3、YF4、YF5}。根据实际经验，在matlab中分别建立YY、YF、XT、XP的三角隶属度函数，横坐标以偏差的形式限定论域各描述对象的具体范围，纵坐标用0～1间的数来描述隶属关系 （见表1）。
模糊规则制定也依据试验数据和操作经验，先分别建立YY与XT+XP、YF与XT+XP的单输出双输入模糊推理规则，然后进行拟合，最后得出整个系统的模糊控制规则如表1所示。模糊规则的执行是通过if……then……else条件语句和and、or等逻辑语句来处理的，在Matlab的Rule Editor对话框中编辑即可。对三角隶属度函数，可采用面积重心法来解模糊（选择centroid），即在论域YY和YF上将各自隶属度函数曲线与横坐标围成区域的面积平分为两部分的元素，作为确切的输出量，输出结果可在Rule Viewer中查看。利用Matlab的Simulink仿真工具，将保存好的模糊控制器FIS文件通过readfis函数导入到基于in、out和Fuzzy Logic Controller的仿真系统中，通过数据交换实现出风量、鼓风量和油量值的给定，进而利用S7-200的内部PID模块对调节阀分路进行精准控制。
3.4 软件设计及通讯方式
上位机软件选用亚控科技的组态王kingview工业组态软件，其集成了市面大多自控仪表和设备的接口驱动，通过配置可以方便快捷的与各设备建立连接，将工艺参数和设备运行状态以及报警情况实时显示出来并存档，以备查询和打印，同时还设置有软按钮并编写控制程序对设备进行远程控制。
数据通讯可分为三个层面，各变送器、就地仪表、开关与PLC间的通讯为4～20ma模拟量或开关量信号，PLC与上位机之间为PPI串口通信，而Matlab与组态王之间的数据交换则通过DDE（动态数据交换）技术来进行，两者均提供了DDE通信接口。首先在组态王中配置DDE设备并定义I/O变量，然后在Matlab中调用DDE客户函数编程进行通信处理。由于采集到的数据或Matlab仿真运算数据发生改变时均需实时向对方传输，所以两软件之间的采用热链连接。其具体数据交换通过Matlab的S函数来进行，分别用function函数定义DDE初始化、接收数据、发送数据的S函数，设置好通道和变量、采样周期、偏移量等参数，即可实现组态王与Matlab的即时通讯。
4 控制效果及影响因素
试验经过摸索调整，在后续的过程中总体上运行良好，温度、压力状况稳定，焙砂磁选后在精矿品位和镍、铁回收率方面均达预期目标。
数据采集和模糊规则是影响控制效果的主要因素。如碳刷随滑环跳跃式接触时会产生脉冲干扰，在该点采样进行控制运算无疑将引起系统的大幅波动，所以应对采样数据进行滤波处理，温度值惯性较大，可采用限幅滤波法，对压力值，则使用算术平均滤波法。采样时间设置为90秒，避免周期太短导致的稳定性差和太长引起的超调。控制策略是基于大量样本和专家经验制定的，当试验设备或条件改变时，可能会变得不再适用。所以在试验时应做好记录，及时总结，制定合理的模糊控制规则，并不断优化，保证系统在设定范围内稳定运行。如果被控对象波动超出阈值，则立即执行报警动作，并自动切换为手动控制模式。
结语
文章介绍了镁质红土镍矿还原焙烧试验中各工艺参数的主要影响因素，并据此设计出试验的控制系统和过程控制方案，采用模糊控制与PID控制相结合的方法，有效解决了多变量耦合系统所带来的非线性和不确定性问题，在工业生产中具有一定的应用前景。
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红土镍矿冶炼炉渣提镍及再利用的研究和实践(六)
惯性圆锥破碎机在铜渣破碎流程中的应用研究
摘要：它简述了现在世界范围内铜渣的综合利用现状及各种冶炼方法所需不同的回收工艺。根据铜渣的硬度高、密度大、耐磨等特性，通过惯性圆锥破碎机在铜渣选矿厂破碎流程中的应用实例，为铜渣选矿法回收的破碎处理提供了一种比较理想“多碎少磨”、简单高效、节能降耗的破碎流程。 关键词：铜渣破碎；惯性圆锥破碎机；破碎流程；“多碎少磨”；节能降耗
中图分类号：TD451 文献标识码：A 文章编号：1001-828X（2013）08-0-02
一、铜渣的综合回收利用与选矿法的“多碎少磨”
1.铜渣的综合利用现状
近年世界铜冶炼产量迅速增长，1980年世界铜的总产量为929万吨，2007年达到了1763万吨。我国铜产量也在迅猛增长，2007年我国铜产量约344万吨，超越智利成为世界第一。目前世界上铜产量中80%火法冶炼生产，约20%用湿法冶炼生产。传统的处理方法是将这些废渣直接堆放或经过简单处理回收，这样既占用了土地，又造成铜和铁等资源的极大浪费。因此，采取有效措施处理铜渣，大力开展对铜渣的综合回收利用研究，对资源循环利用和环境保护都具有重要意义。
现有铜渣的回收利用主要有以下几种方法：
（1）火法贫化法
返回重熔和还原造锍是铜渣火法贫化的主要方式。炉渣返回重熔是回收铜的传统方法，产生的冰铜返主流程。针对炉渣的钴、镍回收，采取在主流程之外的单独还原造锍。主要方法是电炉贫化法、真空贫化法、渣桶法、选择性还原法等。
（2）选矿法
依据有价金属赋存相表面亲水、亲油性质及磁学性质的差别，通过磁选和浮选分离富集。主要方法是浮选法和磁选法。
（3）湿法浸出法。
湿法过程可以克服火法贫化过程的高能耗以及产生废气污染的缺点，其分离的良好选择性更适合于处理低品位炼铜炉渣。铜渣中铜的浸出则一般要用到氯化浸出法和硫酸化浸出法。主要方法是直接浸出和间接浸出。
（4）联合工艺法
采用单一的工艺处理铜渣，往往存在着很多问题，达不到预期的目的。在处理渣时，将几种处理工艺联合使用，往往能达到更好的回收效果。其中包括还原-浸出法、浮选-焙烧-浸出法等。
2.铜渣的选矿法回收技术与“多碎少磨”
铜渣具有硬度高、比较致密、有较好的耐磨性等特点，处理难度大。由于铜渣经过冶炼后硬度比矿石大，在破磨流程上有较大难度。国内外处理铜转炉渣的选矿流程一般具有以下特点：（1）需要高浓度磨矿；（2）需要较高的浮选浓度；（3）多段磨矿多段浮选；（4）药剂制度简单。
破碎和磨矿的作用原理表明：强化破碎，尽量降低入磨粒度，是提高碎磨效率、降低选矿成本的重要途径。经过多年的实践和总结，粉碎领域正大力提倡“多碎少磨”的工艺流程，即降低破碎产品最终粒度，增加细粒级在破碎产品中的含量，从而提高磨机的处理能力，达到降低电耗和金属消耗量、减少成本、增加经济效益的目的。
铜渣结构特殊，一般是是铁、铜等金属或其氧化物和渣的结合体，普通的弹簧、液压等圆锥破碎机很难完成它的细碎，所以细碎成为制约铜渣选矿法回收利用的瓶颈破碎。传统的钢渣破碎流程一般是三段闭路破碎，流程长循环量大。而惯性圆锥破碎机恰能弥补普通圆锥破碎机的该弱点，较好的实现了铜渣的细碎，可以降低铜渣的入磨粒度，实现“多碎少磨”，为整个流程的提高处理量，实现节能降耗。
二、惯性圆锥破碎机
惯性圆锥破碎机是破碎领域具有革命性突破的新型节能细碎设备，具有先进的破碎理念、独特的设计思路、合理的机械结构和优良的性能，克服了传统破碎设备的不足，很好地满足“多碎少磨”新工艺的要求。
惯性圆锥破碎机主要特点如下：
1.具有良好的“料层选择性破碎”作用。由于是挤满给料，被破碎物料在破碎腔中承受全方位的挤压、剪切和强烈的脉动冲击作用，料层内颗粒相互作用，造成颗粒间的强制自粉碎。
2.可破碎硬度非常大的脆性物料。如金刚石、碳化硅、刚玉、烧结高铝矾土、磁性材料、锰铁、冶金炉渣、高冰镍等；
3.破碎比大，产品粒度可调。调节偏心静力矩、激振器转速和排料间隙等参数，可以方便地调节所需的破碎比。根据需要有效地防止过粉碎，提高某粒级的产率或相反增加细粉的产量；
4.良好的“过铁保护”性能。由于动锥与传动机构之间无刚性联接，如果物料中混入不可破碎的物体，不会破坏传动系统和主机；
5.操作安装方便。由于整机采用二次隔振，振动小，安装时不需要庞大基础和地脚螺栓；该机充满给料，满负载启动和停车，操作、检测和控制十分方便；
6.简化破磨流程，实现“多碎少磨”，减少辅助设备台数。由于破碎比大，产品粒度细，可实现开路破碎，减少破碎段数，降低入磨粒度，无需很多辅助设备，大大节省设备和基建投资；
7.应用范围广。可广泛应用于矿山、冶金、建材、磨料、加工等领域。俄罗斯、哈萨克斯坦、中国、日本等地均有应用，得到了用户及业内人士的认可。
三、惯性圆锥破碎机在铜渣破碎流程的应用
1.GYP-900 惯性圆锥破碎机在铜渣破碎流程的应用
（1）物料性质
赤峰某公司的铜渣是转炉渣，含铁较高48～54%，主要金属元素及含量见表3。铜渣质地致密，密度大，硬度高，难破碎。主要矿物组成是铁橄榄石、磁铁矿、赤铁矿、硅灰石、辉铜矿等。
（2）破碎流程
该选厂破碎生产工艺流程设计为两段破碎。第一段用PE400×600颚式破碎机，第二段用GYP-900 惯性圆锥破碎机。粒度为-300 mm的原矿给入PE400×600颚式破碎机， 破碎后物料直接进入GYP-900惯性圆锥破碎机，由于GYP-900惯性圆锥破碎机产品粒度细，可以开路破碎，产品直接进入粉矿仓，与传统铜渣破碎工艺相比减少了一段破碎并实现了开路，实现了破碎工艺的极大简化，大大节约了基建投资和设备采购成本。 （3）生产应用情况
从2008年11月6日起正式开车至今，GYP-900惯性圆锥破碎机运行情况良好，达到了生产要求。在生产应用中多次取样测试，产量为35.1～46.8×103kg/h，在惯性圆锥破碎机的给料粒度为-70 mm、工作间隙为35mm时，产品筛分粒度见表4，此时产量为40.1×103kg/h。
2.GYP-1200 惯性圆锥破碎机在铜渣破碎流程的应用
（1）物料性质
东营某公司渣选厂所处理的铜渣，是该公司铜冶炼厂的炉渣，含铜量较高。由于一直没有找到合适的处理设备，该公司在铜渣方面积压的资金就有上千万元得不到及时回收，严重影响公司的正常运转。该厂铜渣的性质与赤峰选厂的基本一致，但由于后续处理得当，其物料的致密程度得到了一定改善。
（2）破碎流程
此破碎生产工艺流程同样采用的是两段破碎。第一段用PE600×900颚式破碎机，第二段用GYP-1200 惯性圆锥破碎机。由于惯性圆锥破碎机产品粒度细，实行了开路破碎，产品直接进入粉矿仓，简化了破碎流程。
（3）生产应用情况
从2009年06月12日起至今，GYP-1200惯性圆锥破碎机运行情况良好，产品粒度合格，产量也达到了生产要求。在生产应用中多次取样测试，产量为65.1～85.8×103kg/h。当工作间隙为55mm时，产量为76.5×103kg/h，产品筛分粒度见表5。
四、结论
惯性圆锥破碎机具有良好的“料层选择性破碎”作用、破碎比大、产品粒度细、能破碎硬度很大的脆性物料等优点，在处理冶金炉渣如钢渣、铜渣等的破碎流程中具有其它破碎机无法比拟的优势。惯性圆锥破碎机在铜渣破碎流程中的成功应用表明，该破碎机能很好地满足铜渣破碎流程对细碎设备的要求，是实现铜渣综合回收利用不可或缺的细碎设备。
1.惯性圆锥破碎机可克服铜渣难破碎的特点，破碎产品粒度细，可实现“多碎少磨”。极大地降低了磨矿流程的能耗，提高了其处理能力，实现节能降耗；
2.开路破碎，流程简单。两段破碎实现开路，流程简单高效，极大减少基建投资及流程布置对场地空间的要求；
3.良好的“过铁保护”性能。在破碎过程中出现不可破碎物时，设备不会出现故障，保证了设备的运转率。
惯性圆锥破碎机在铜渣破碎流程中的成功应用，为铜渣的综合回收利用提供了一种“多碎少磨”、简单高效、节能降耗的破碎流程。惯性圆锥破碎机是铜渣选矿法回收极其理想的细碎设备。
参考文献：
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作者简介：王立兴（1968-），河南中牟人，助理工程师，主要从事选矿设备管理研究。
本文来源：http://www.zhuodaoren.com/dangzheng343336/
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