Nikel ve ferronikelin kullanımları
Nikel atmosferde kolayca paslanmaz ve flor, alkaliler, tuzlar ve birçok organik maddeden kaynaklanan korozyona dayanıklıdır. Nikel, iyi dayanıklılığa ve yeterli mekanik dayanıklılığa sahip manyetik bir metaldir; bu da haddeleme, taşlama ve kaynak gibi çeşitli işleme süreçlerine dayanmasını sağlar.
Nikel ağırlıklı olarak metalik malzemelerin üretiminde kullanılır ve toplamın %70'inden fazlasını oluşturur; Elektrokaplamada kullanılır ve toplam nikel tüketiminin yaklaşık %15'ini oluşturur; petrokimyaların hidrojenlenme sürecinde katalizör olarak kullanılır; kimyasal bir güç kaynağı olarak kullanılır; pigment ve boyaların üretiminde kullanılır; ve seramik ile ferritlerin yapımında kullanılır.
Ferronikel, nikel ve demir karışımı olup karbon, silikon, fosfor ve diğer elementler içerir. Ferronikel esas olarak paslanmaz çelik eritilmesinde bir alaşım maddesi olarak kullanılır.
Laterit nikel cevherinden üretilen ferronikelin kimyasal bileşimi genellikle şöyledir: Ni %10~15%, Si≤7%, C≤4,5%, P≤0,06%, S≤0,04%~0,35%.
Laterit nikel cevheri, nikel-demir cevheri üretimi için kullanılan bir ham maddedir.
Laterit nikel cevheri kullanılarak nikel-demir eritmek için kullanılan hammaddeler arasında laterit nikel cevheri, kok ve kireç bulunur.
Lateritik nikel cevherinin mineral ve kimyasal bileşimi, özellikle nikel içeriği ve MgO/SiO₂ kütle oranı açısından büyük ölçüde değişir. Tipik lateritik nikel cevheri bileşimi şunlardır: Ni %1,3–%1,9%, Fe %10–%15%, SiO₂ %35–%45%, MgO %17–%25%, P %0,001–0,007%, H₂O %25–%33. Lateritik cevher, büyük miktarda bağlı su içerir ve eritilmeden önce kavurma ve kurutma gerektirir.
Kireçin CaO oranı %82 ≥ olmalıdır.
Koks için gereksinimler şunlardır: sabit karbon %82'den fazla, kül içeriği %15'ten az, kükürt içeriği %0,7 ≤, nem içeriği %6'dan az ve parçacık boyutu 10-25mm.
Laterit nikel cevherinin nikel-demir eritme prensibi
Lateritik nikel cevheri esas olarak NiO, Cr₂O₃, Fe₂O₃, Al₂O₃, MgO ve SiO₂ gibi çeşitli oksitler içerir. Oksit reaksiyonlarının serbest enerji verilerine dayanarak, lateritik nikel cevherinin erime noktası aralığında (1600–1700 K), indirgenç atmosferde her oksidin indirgeme sırası, en kolaydan en zoruna doğru: NiO > FeO > SiO₂ > Fe₂O₃ > MgO > Cr₂O₃ > Al₂O₃. NiO önce indirgenir ve indirgeme sıcaklığı FeO'dan daha düşüktür. Bu seçici indirgeme ilkesi kullanılarak, lateritik nikel cevherindeki neredeyse tüm nikel oksitlerini tercihen metale indirgemek için karbon eksikliği uygulanabilir; yüksek değerli Fe₂O₃'nın uygun bir kısmı metale, kalan kısmı ise ceyruk içine giren FeO'ya indirgenir. Bu, nikelin zenginleştirilmesi amacına ulaşır. Demir indirgeme derecesi, indirgentici madde koks kömürü miktarı eklenerek ayarlanır.
Elektrik ark fırınının içindeki ark sıcaklık bölgesi 2500°C'nin üzerine çıkar ve erimiş havuz sıcaklığı 1800°C'nin üzerine çıkabilir. Bu sıcaklıkta gerçekleşen ana reaksiyonlar şunlardır:
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
Bu reaksiyon, silikon ve magnezyum gibi elementler içeren nikel-krom-demir alaşımı üretir. Fırının içindeki kimyasal reaksiyon yukarıda tarif edilenden çok daha karmaşıktır.
Laterit nikel cevheri nikel-demir eritme süreci
Laterit nikel cevherinden ferronikel üretmek için üç ana yöntem vardır: yüksek fırın yöntemi, döner fırın doğrudan indirgeme yöntemi ve döner fırın-battırılmış ark fırın kombine yöntemi.
4.1 Yüksek Fırın Eritme
Bir yüksek fırında ferronikel üretiminin ana süreci şöyledir: cevher kurutma ve tarama (büyük ölçekli ezme) – partileme – sinterleme – kok blokları ve akı ile sinterlenmiş cevher, yüksek fırına eklenmiş ve eritme için – ferroniksel külçe dökümü ve cüruf suyu soğutma – ferroniksel külçeleri ve suyla söndürülmüş cüruf üretimi. Yüksek fırınlar öncelikle düşük nikelli domuz demir üretiminde kullanılır; yaklaşık %50 demir ve %1 nikel içeren laterit nikel cevheri kullanılarak yaklaşık %5 nikel içeren düşük nikelli domuz demir üretilir. Genellikle, koka-nikel oranı yaklaşık 800 kg koka/ton ferronikelde olur.
4.2 Döner fırında doğrudan indirgeme eritme
Döner fırında doğrudan indirgeme eritme, en düşük enerji tüketimi ve maliyete sahip üretim yöntemi olarak yaygın olarak kabul edilir. Temel süreç şudur: ham cevherin kurutulması (büyük ölçekli ezme ve öğütme) – indirgentici kömür ve akı eklenmesi – döner fırında indirgeme ve eritme – erimiş cevherin su soğutulması – suyla söndürülmüş cüruf ve nikel-demir parçacıklarının ezilmesi, öğütülmesi ve manyetik ayrılması – nikel-demir granülleri ve ince erimiş cüruf üretimi. Bu süreç kok veya büyük miktarda elektrik gerektirmez, kısa bir süreç akışına sahiptir ve az adımlı bir süreç akışına sahiptir ve güçlü rekabet ve uygulanabilirliğe sahiptir. Şu anda, bu süreç Çin'de henüz büyük ölçekli üretime girmemiştir; bunun başlıca nedeni, partileme, refrakter malzemeler ve halka oluşumu gibi sorunlar henüz tam olarak çözülmemiştir.
4.3 Döner fırında batırılan ark fırını eritme
Döner fırında battırılmış ark fırını eritme süreci, yüksek nikel içeriğine sahip nikel-demir alaşımları üretiminde hem yurt içi hem de uluslararası alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Tam eritme süreci şöyledir: ham cevherin kurutulması ve büyük ölçekli kömür ve akı karıştırma → büyük ölçekli kırma ve döner fırında → sualtı ark fırını azaltıcı eritme eritme ve nikel-demir erimiş demir döküm → cüruf suyu soğutma → nikel-demir külçeleri (veya suyla soğutulan nikel-demir granülleri) ve suyla soğutulmuş cüruf üretimi.
Ana süreçler şunlardan oluşur:
(1) Kurutma: Nikel cevherinden nem, döner kurutma silindiri kullanılarak çıkarılır;
(2) İçergeler: Laterit cevheri, antrasit ve kireçtaşı belirli bir oranda karıştırılmış ve oranlı olarak ayarlanmıştır;
(3) Ön redüksiyon: Döner fırında indirgeme;
(4) Eritme: Sıcak malzemeler eritme için doğrudan fırına beslenir;
(5) Rafinkirin: Alaşımın sülfürüzasyon, silikonizasyon ve dekarbonizasyon arındırılması;
(6) Döküm veya Granülasyon: Döküm makinelerinde külçelerin granülasyonu, kurutması, paketlenmesi veya döküm işlemleri;
(7) Baca gazı arıtma: Toz toplayıcıya girdikten sonra egzoz gazı boşaltılır ve elektrik fırını gazı geri kazanılır.
Laterit nikel cevheri limandan stok sahasına depolamak ve karıştırmak üzere taşınır. Hammadde sahasında depolanan ve önceden karıştırılan laterit cevheri, önce nemin çoğunu gidermek için kurutma fırınında kurutuluyor, ardından ezilir ve elenir. Kireçtaşı ve indirgentici hammadde sahasında ve hazırlık odasında elenir, kırılır, ardından kurutulmuş laterit cevheriyle karıştırılır ve döner fırına gönderilir.
Döner fırında, ham maddeler daha fazla kurutulur, kavrulur ve yaklaşık 900–1000°C sıcaklığında nikel cürufu (kısmen indirgenmiş bir ürün) elde edilir. Döner fırın baca gazı, atık ısı kazanından geçtikten, toz giderme ve kükürtten arındırmadan sonra tahliye edilir. Toz ham maddelerle karıştırılır ve ardından fırına tekrar eklenir.
Nikel cürufu, kapalı, yalıtımlı bir durumda (yükseltilmiş besleme arabası) su altında su altı ark fırın silosuna (refrakter tuğlalarla kaplı) eklenir. Süreç gereksinimlerine göre, sıcak indirgeme ürünleri elektronik hafif raylı terazıyla ikincil partilerle üretilir ve ardından su altında ark fırını eritme sistemine gönderilir. Cüruk, farklı yerlerdeki besleme boruları aracılığıyla su altındaki ark fırınına dağıtılır. Su altı ark fırını, yarı kapalı (veya tamamen kapalı) olup, kendi kendine fırınlayan elektrotlarla, daldırılmış ark eritme, ham ferronikel ve cüruru indirgenç ve ayıran bir yapıya sahiptir; aynı zamanda yaklaşık %75 CO içeren su altındaki ark fırını gazı üretir. Bu gaz arıtılır ve döner fırın ocağına gönderilir; burada kömürle birlikte yakıt olarak kullanılır. Toz toplayıcıdan gelen toz işlenir ve ham madde sahasına geri gönderilir. Su altında kalan ark fırını cürufu, su soğutmadan sonra yol inşaatı ve tuğla yapımında inşaat malzemesi olarak kullanılabilir.
Sıvı nikel-demir alaşımı, periyodik olarak su altındaki ark fırınından kepçeye dökülür, kepçe arabasıyla döküm için döküm tesisine taşınır ve nitelikli nikel-demir külçeleri depolanıp satılmaktadır. Battırılmış ark fırınının ürünü ham nikel-demirdir ve eritilmiş demir kepçesine tıklamadan önce bir sülfür giderici madde eklenebilir; böylece kükürtten arındırma ile aynı anda gerçekleşir.
Ham ferronikelde Si, C ve P gibi safsızlıklar bulunur ve daha fazla rafine edilmesi gerekir. Cürüruf çıkardıktan sonra, oksijen üfleme için bir dönüştürücüye beslenir ve silisyum çıkarılır. Aynı zamanda, erimiş demir sıcaklığının çok yüksek olmasını önlemek için nikel içeren hurda da eklenir. Silikon çıkarıldıktan sonra cüruf çıkarılır (veya cüruf demire dokunmak için bloklanır) ve fosfor ile karbonu uzaklaştırmak için oksijen üfleme için alkali dönüştürücüye aktarılır. Alkali cüruf oluşturmak için kireçtaşı eklenir. Alkalin dönüştürücüde rafine edilen erimiş ferroniksel, döküm atölyesine gönderilerek nitelikli ticari ferronikel bloklara dökülür veya hâlâ sıcakken doğrudan çelik fabrikasına gönderilir.
Genel süreç akışı Şekil 1'de gösterilmiştir.
Şekil 1. Nikel-demir üretim süreci akışı
Nikel-demir üretiminde enerji tasarrufu
Elektrik ark fırınlarında nikel içeren domuz demirin eritilmesi için kullanılan ham cevherin çoğu yurtdışından gelmektedir. Ham cevher çoğunlukla ince cevherden oluşuyor; yaklaşık %30 ve yaklaşık %10 kristal su oranı var. Bu nedenle, bu cevher fırında eritilmeden önce sinterlenmelidir. Sinterleme, eritme sürecinin ilk adımıdır; bu sadece eritme sürecinin normal işleyişini etkilemekle kalmaz, aynı zamanda ürünün teknik ve ekonomik göstergelerini de etkiler. Aynı zamanda, sinterleme süreci önemli miktarda enerji tüketir, bu nedenle sinterleme ekipmanı ve süreci akılcı olarak seçilmelidir. Dikey fırın sinterleme ve döner fırın sinterleme en iyi seçeneklerdir.
Fırında sıcak malzemelerin kullanılması, enerji tasarrufu için önemli bir yöndür; bu da elektrik tüketimini önemli ölçüde azaltacaktır ve aktif olarak test edilmelidir. Döner fırında sinterlenen sıcak malzemelerin kullanılması, sadece maliyetleri azaltmakla kalmaz, aynı zamanda ürünlerin pazar rekabetçiliğini de artırır.
Nikel-demir üretimi için teknik göstergeler ve ham madde tüketimi
Nikel-demir üretiminde temel hammadde ve enerji tüketimi %10~15%, Si≤7%, C≤4,5%, P≤0,06% ve S≤0,04%~0,35%0,35 olarak üretilmiştir: laterit nikel cevheri 7200 kg/t, kireç 2300 kg/t, kok 470 kg/t (sıcak malzeme), elektrot macunu 40 kg/t ve elektrik tüketimi 6000 kW·h/t (sıcak malzeme).