红土镍矿回转窑窑皮形成机理与控制技术研究

1 概述

是全球首家工业化应用富氧侧吹炉冶炼（OESBF）红土镍矿并取得成功的企业，该工艺可处理不同类型的红土镍矿，具有备料简单、处理能力高、生产成本低等特点。具体工艺流程：红土镍矿从堆场经皮带输送机运干燥厂房，经皮带秤计量、配料再加入干燥窑内干燥。经110 米回转窑焙烧后，高温焙砂温度约为 ，经热料输送系统将焙砂输送到富氧侧吹炉内熔炉。焙烧回转窑基本流程见图 1。

焙烧工艺设有 2 台 Φ5.5×110m 回转窑，富氧侧吹炉高温烟气以高温火焰形态流入回转窑，热量以气体对流、火焰的辐射和窑砖（窑皮）热传导的方式传给物料，依靠回转窑筒体的斜度和转动物料向前运动，逐步升温，完成预热和高温煅烧，在此过程中由于侧吹炉烟气温度稳定性差，极易产生窑皮，严重时甚至影响侧吹炉生产稳定。针对这种状况，通过开展挥发窑窑皮的形成机理和特性研究，探讨窑皮形成的控制措施。

2 回转窑加热行为分析

回转窑窑内壁受到烟气与物料的温度共同作用，随着回转窑的转动的，内壁先从高温烟

气中获取热量，使其温度升高；高温的窑壁与冷物料接触，将其所带的热量传递给物料后窑壁温度下降，如此不断循环。因此，在热烟气和物料的热量传递过程中，回转窑的窑内壁起到了“桥梁”作用，且其温度始终处于两者之间[1]。

取回转窑前后 6 个点位并检测回转窑表面温度，每个点位平均温度如表 2 鉴于烟气温度与窑衬温度成正比例关系，以检测点温度按等差温度推测窑内烟气温度，从窑头至窑尾方向，烟气温为先急速下降-趋于平缓-急速下降-趋于平缓的趋势，烟气温度趋势如图 2 所示。推测火焰形状为：火焰偏离物料而偏向窑皮，在回转窑及物料转动的扰动下成螺旋状延回转窑顶部流向窑尾。

图2：回转窑内烟气和内壁温度分布

结合回转窑外表面温度，在 30～110m 段在烟气和窑内共同加热物料升温，物料所含水分蒸发、部分结晶水被分解；在 0～30m ，物料直接受到火焰温度加热，通过对流、辐射与热传导的方式将热能传递给原料，使原料温度迅速上升，平均温度达到 720℃，局部温度接近 1000^∘C ，为物料发生物理化学反应创造了良好的条件。

3 窑皮形成的机理

印度尼西亚红土镍矿除含镍氧化物以外， Fe₂O₃ 、 SiO₂ 、MgO 占比较高，并含有少量的 Al₂O₃ 、Cr₂O₃ 等氧化物[2]。郑思奇等研究发现，镍红土矿的主要矿物成分是高岭石（ Al₂Si₂O₅ （OH） 、针铁矿（FeOOH）、赤铁矿 （Fe₂O₃） 、石英 （SiO₂） 、（含镍）蛇纹石（ Ni， Mg ） ₃Si₂O₅ （ OH₄ ）等[3]。回转窑焙烧过程中，烟气温度可达 1400‰ ，其中含有的 CO（浓度 3%～5% ）与物料充分接触，如图 2，温度大于 737℃存在 Fe₂O₃ 还原为 FeO，即原料中部分 Fe³⁺ 被 CO 还原为 Fe²⁺ ，并与 SiO₂ 形成低熔点铁橄榄石（ FeO⋅SiO₂） 。窑内主要反应包括：

Fe₂O₃+CO=2FeO+CO₂ （1）

2FeO+SiO₂=2FeO⋅SiO₂ （2）

结合表 2 窑皮化学成分分析，由于原料中含有大量的（含镍）蛇纹石（ Ni， Mg ） ₃Si₂O₅ （ （OH₄ ）等，在高温还原气氛条件下，除形成了铁橄榄石（ FeO⋅SiO₂ ）外，还有少部分原料形成了辉石（ Mg FeSiO）、镁方铁矿（Mg（Ni）FeO）[4]。

结合窑皮物相成分，在回转窑中物料的温度到达 1200℃时就出现少量熔融态的液相，并且随物料温度的提升，熔融态液相的粘度也随之变小，液相量增加[5]。暴露在侧吹炉烟气流中的回转窑耐材温度一直高于其物料的温度。当回转窑耐材被物料所覆盖时，由于热交换的作用耐材温度骤然降低，再加上窑体的外表面散热，部分熔融态的液相在耐材上凝固，就形成了新窑皮。当回转窑继续转动时，新窑皮再次暴露在高温的余热烟气流中，再次被加热烧熔掉下来，当其再次被物料覆盖时，熔融态的液相再次凝固，如此周而复始。假设以上过程中达到一定平衡，窑皮就不会继续加厚，从而达到新的平衡状态。如果粘结上的多，而掉落相对较少，窑皮就会变厚，反之则会变薄[6]。因此，保持回转窑烟气流的温度稳定，避免由于热工况稳定性被破坏，窑内局部时冷时热，可以从根本上解决窑皮量高问题。

4 结论

烟气温度波动大，会造成高温带长度和温度随之变化，造成富含辉石（ MgFeSiO）和铁橄榄石（Feo⋅siO₂⟩ ）的窑皮不断形成又不断脱落，是造成窑窑皮量增加主要原因。烟气温度稳定，低温预热带、高温焙烧带长度和温度都相对稳定，有利于回转窑形成结构稳定、保护耐火材料免受侵蚀的良性窑皮。保持回转窑烟气温度稳定，避免由于热工况稳定性被破坏、窑内局部时冷时热，可以从根本上解决窑皮量高问题。

参考文献：

[1]王燕鹏等.回转窑内气固模型耦合解法的热传递分析［J］.热科学与技术，2024（05）：502-508.

[2]王瑞卿.镍铁冶炼回转窑燃烧系统及窑内结圈的控制［J］.山东冶金，2024（01）：24-27.

[3]ZHENG Si-qi， 2024. Characterization of fluidized reduction roasting of nickel laterite ore und

er CO/CO₂ atmosphere. J. Cent. South Univ. （2024） 31： 3068－3078.

[4]I Setiawan， . Investigations on mineralogical characteristics of Indonesian nickel laterite ores

during the roasting process.International Seminar on Metallurgy and Materials. （2019） 012038： 1757-899.

[5]王敏.窑尾烟室结大颗粒、厚窑皮解决方法［J］.中国建材报，2008（11）：87-88.

[6]林宗寿.预分解窑产生结圈的原因主要有哪些［J］.中国建材报，2009（03）：22-24.

作者简介徐天京（1985-），男，云南曲靖，工程师，本科，研究方向为金属冶炼与综合回收领域*通讯作者：张国莹（1985-），男，河北唐山，高级工程师，本科，研究方向为冶金与环保领域