Usos del níquel y ferroníquel
El níquel no se oxida fácilmente en la atmósfera y es resistente a la corrosión causada por el flúor, los álcalis, las sales y muchas sustancias orgánicas. El níquel es un metal magnético con buena tenacidad y suficiente resistencia mecánica, lo que le permite soportar diversos tipos de procesos de mecanizado como laminación, rectificado y soldadura.
El níquel se utiliza principalmente en la producción de materiales metálicos, representando más del 70% del total; Se utiliza en el electrochapado, representando aproximadamente el 15% del consumo total de níquel; Se utiliza como catalizador en el proceso de hidrogenación de petroquímicos; se utiliza como fuente de energía química; se utiliza para fabricar pigmentos y tintes; y se utiliza para fabricar cerámica y ferritas.
El ferroníquel es una aleación de níquel y hierro, que contiene carbono, silicio, fósforo y otros elementos. El ferroníquel se utiliza principalmente como agente aleador en la fundición del acero inoxidable.
La composición química del ferroníquel producido a partir del mineral de níquel laterita es generalmente la siguiente: Ni 10%~15%, Si≤7%, C≤4,5%, P≤0,06%, S≤0,04%~0,35%.
El mineral de níquel de laterita es una materia prima para la producción de mineral de níquel-hierro.
Las materias primas para la fundición de níquel-hierro utilizando mineral de níquel de laterita incluyen mineral de níquel de laterita, coque y cal.
La composición mineral y química del mineral de níquel laterítico varía mucho, especialmente en el contenido de níquel y en la relación de masas MgO/SiO₂. La composición típica del mineral de níquel laterítico es: Ni 1,3%–1,9%, Fe 10%–15%, SiO₂ 35%–45%, MgO 17%–25%, P 0,001%–0,007%, H₂O 25%–33%. El mineral laterítico contiene una gran cantidad de agua ligada y requiere tueste y deshidratación antes de fundirse.
La cal debería tener un contenido de CaO del ≥82%.
Los requisitos para el coque son: carbono fijo superior al 82%, contenido de ceniza inferior al 15%, contenido de azufre ≤ 0,7%, contenido de humedad inferior al 6% y tamaño de partículas 10-25 mm.
Principio de la fundición de níquel-hierro del mineral de níquel de laterita
El mineral de níquel laterítico contiene principalmente varios óxidos como NiO, Cr₂O₃, Fe₂O₃, Al₂O₃, MgO y SiO₂. Según los datos de energía libre de las reacciones de óxidos, dentro del rango de punto de fusión del mineral de níquel laterítico (1600–1700 K), el orden de reducción de cada óxido en una atmósfera reductora, de más fácil a más difícil, es: NiO > FeO > SiO₂ > Fe₂O₃ > MgO > Cr₂O₃ > Al₂O₃. NiO se reduce primero, y su temperatura de reducción es inferior a la de FeO. Utilizando este principio de reducción selectiva, se puede adoptar una operación deficiente en carbono para reducir preferentemente casi todos los óxidos de níquel en el mineral laterítico de níquel a metal, mientras que una cantidad adecuada del Fe₂O₃ de alta valencia se reduce a metal, y el resto se reduce a FeO, que entra en la escoria. Esto cumple el propósito de enriquecer el níquel. El grado de reducción del hierro se ajusta añadiendo la cantidad de carbón coque del agente reductor.
La zona de temperatura de arco dentro del horno de arco eléctrico supera los 2500°C, y la temperatura de la piscina de fusión puede superar los 1800°C. Las principales reacciones que ocurren a esta temperatura son:
NiO + C = Ni + CO
Fe₂O₃ + 3C == 2Fe + 3CO
NiFe₂O₄ + 4C = 2Fe + Ni + 4CO
Fe₂O₃ + C = 2Fe₂O + CO
FeO + C = Fe + CO
Cr₂O₃ + 3C = 2Cr + 3CO
MgO + C = Mg + CO
SiO₂ + 2C = Si + 2CO
La reacción produce una aleación de níquel-cromo-hierro que contiene elementos como silicio y magnesio. La reacción química real dentro del horno es mucho más compleja de lo que se ha descrito anteriormente.
Proceso de fundición de níquel-hierro con laterita
Existen tres métodos principales para producir ferroníquel a partir de mineral de níquel de laterita: el método de alto horno, el método de reducción directa en horno rotatorio y el método combinado de horno rotatorio-arco sumergido.
4.1 Fundición en alto horno
El proceso principal para producir ferroníquel en un alto horno es el siguiente: secado y cribado de mineral (trituración a gran escala) – lote – sinterización – mineral sinterizado con bloques de coque y fundente añadidos al alto horno para fundición – colada en lingotes de ferroníquel y temple con escoria – produciendo lingotes de ferroníquel y escoria templada en agua. Los altos hornos se utilizan principalmente para producir arrabio de bajo contenido en níquel, utilizando mineral de níquel de laterita que contiene aproximadamente un 50% de hierro y un 1% de níquel para producir arrabio de bajo contenido con aproximadamente un 5% de níquel. Normalmente, la proporción coque-níquel es de alrededor de 800 kg de coque/tonelada de ferroníquel.
4.2 Fundición por reducción directa en horno rotatorio
La fundición con reducción directa en horno rotativo es ampliamente reconocida como el método de producción con menor consumo energético y coste. El proceso básico es: secado del mineral en bruto (trituración y molienda a gran escala) – adición de carbón reductor y flux – reducción y fundición en horno rotatorio – temple en agua del mineral fundido – trituración, molienda y separación magnética de la escoria templada en agua y partículas de níquel-hierro – producción de gránulos de níquel-hierro y escoria fina fundida. Este proceso no requiere coque ni grandes cantidades de electricidad, tiene un flujo corto con pocos pasos y posee una gran competitividad y viabilidad. Actualmente, este proceso aún no se produce a gran escala en China, principalmente porque problemas como la agrupación, materiales refractarios y formación de anillos no se han resuelto completamente.
4.3 Fundición con horno de arco sumergido en horno rotatorio
El proceso de fundición con horno de arco sumergido en horno rotatorio se utiliza ampliamente tanto a nivel nacional como internacional para producir aleaciones de níquel-hierro con alto contenido de níquel. El proceso completo de fundición es el siguiente: secado de mineral en bruto y trituración a gran escala → mezcla de carbón y fundente, y secado y pre-reducción exhaustivos en horno rotatorio → reducción de horno de arco sumergido, fundición → fundición de hierro níquelado y escoria → producción de lingotes de níquel-hierro (o granos de níquel-hierro templados en agua) y escoria templada en agua.
Los procesos principales consisten en los siguientes:
(1) Secado: La humedad se elimina del mineral de níquel mediante un cilindro rotatorio de secado;
(2) Ingredientes: El mineral laterítico, la antracita y la piedra caliza se mezclan y proporcionan en cierta proporción;
(3) Pre-reducción: reducción en un horno rotatorio;
(4) Fundición: Los materiales calientes se introducen directamente en el horno para la fundición;
(5) Refinamiento: Desulfuración, dessiliconización y refinamiento por descarburización de la aleación;
(6) Fundición o granulación: Granulación, secado, envasado o fundición de lingotes en máquinas de fundición;
(7) Purificación de gases de combustión: los gases de escape se descargan tras entrar en el colector de polvo y se recupera el gas de la caldera eléctrica.
El mineral de níquel de laterita se transporta desde el puerto hasta el corral para su almacenamiento y mezcla. El mineral de laterita almacenado y premezclado en el depósito de materia prima se seca primero en un horno de secado para eliminar la mayor parte de la humedad, y luego se tritura y criba. La piedra caliza y el agente reductor se cribajan y trituran en el patio de materia prima y la sala de preparación, y luego se mezclan con el mineral de laterita seca y se envían al horno rotatorio.
En el horno rotatorio, las materias primas se secan aún más, tuestan y pre-reducen para producir escoria de níquel (un producto parcialmente reducido) a aproximadamente 900–1000°C. El gas de combustión del horno rotatorio se descarga tras pasar por una caldera de calor residual, eliminar el polvo y desulfurar. El polvo se mezcla con las materias primas y luego se reintroduce en el horno.
Se añade escoria de níquel al silo sumergido del horno de arco (revestido con ladrillos refractarios) bajo una condición cerrada y aislada (carro de alimentación elevado). Según los requisitos del proceso, los productos de reducción en caliente se agrupan en secundario utilizando una báscula electrónica de tren ligero antes de enviarse al sistema de fundición del horno de arco sumergido. La escoria se distribuye en el horno de arco sumergido a través de tuberías de alimentación en diferentes ubicaciones. El horno de arco sumergido es semicerrado (o completamente cerrado), con electrodos autohorneados, fundición por arco sumergido, reducción y separación de ferroníquel y escoria brutos, mientras simultáneamente genera gas de horno de arco sumergido que contiene aproximadamente un 75% de CO. Este gas se purifica y se envía al horno rotatorio, donde se utiliza como combustible junto con carbón pulverizado. El polvo del colector de polvo se trata y se regresa al depósito de materias primas. La escoria del horno de arco sumergido, tras el temple con agua, puede utilizarse como material de construcción para la construcción de carreteras y la fabricación de ladrillos.
La aleación líquida de níquel-hierro se vierte periódicamente desde el horno de arco sumergido en un cucharón, se transporta en vagón de cuchara hasta la planta de fundición para su fundición, y se almacenan y venden lingotes de níquel-hierro cualificados. El producto del horno de arco sumergido es níquel-hierro en bruto, y se puede añadir un agente desulfurante al cucharón de hierro fundido antes de la extracción de hierro fundido, de modo que la desulfuración ocurre simultáneamente con el torniquete.
El ferroníquel crudo contiene impurezas como Si, C y P, y requiere un refinamiento adicional. Tras la eliminación de la escoria, se introduce en un convertidor para que el oxígeno sople y así eliminar silicio. Al mismo tiempo, se añade chatarra que contiene níquel para evitar que la temperatura del hierro fundido sea demasiado alta. Tras la eliminación del silicio, se elimina la escoria (o se bloquea para extraer el hierro), y se introduce en un convertidor alcalino para soplar oxígeno y eliminar fósforo y carbono. Se añade piedra caliza para crear escoria alcalina. El ferroníquel fundido refinado en el convertidor alcalino se envía al taller de fundición para ser fundido en bloques comerciales cualificados de ferroníquel o directamente a la planta siderúrgica mientras aún está caliente.
El flujo general del proceso se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Flujo del proceso de producción de níquel-hierro
Conservación de energía en la producción de níquel-hierro
La mayor parte del mineral en bruto utilizado para fundir arrabio que contiene níquel en hornos de arco eléctrico proviene del extranjero. El mineral en bruto es mayormente mineral fino, con un contenido de humedad añadido de alrededor del 30% y un contenido de agua cristalina de alrededor del 10%. Por lo tanto, este mineral debe ser sinterizado antes de poder fundirse en el horno. La sinterización es el primer paso del proceso de fundición, que no solo afecta al funcionamiento normal del proceso de fundición, sino que también influye en los indicadores técnicos y económicos del producto. Al mismo tiempo, el proceso de sinterización consume una cantidad significativa de energía, por lo que el equipo y el proceso de sinterización deben seleccionarse racionalmente. La sinterización vertical en horno y la sinterización rotatoria en horno son las mejores opciones.
El uso de materiales calientes en el horno es una dirección importante para la conservación de energía, lo que reducirá significativamente el consumo eléctrico y debería ser probado activamente. Utilizar materiales calientes sinterizados en un horno rotatorio no solo puede ahorrar costes, sino también aumentar la competitividad de los productos en el mercado.
Indicadores técnicos y consumo de materias primas para la producción de níquel-hierro
Las principales materias primas y el consumo energético para producir níquel-hierro con un contenido de Ni del 10%~15%, Si≤7%, C≤4,5%, P≤0,06% y S≤0,04%~0,35% son los siguientes: laterita de níquel 7200 kg/t, cal 2300 kg/t, coque 470 kg/t (material caliente), pasta de electrodos 40 kg/t y consumo eléctrico de 6000 kW·h/t (material caliente).