Usos do níquel e do ferroníquel
O níquel não enferruja facilmente na atmosfera e é resistente à corrosão causada pelo flúor, álcalis, sais e muitas substâncias orgânicas. O níquel é um metal magnético com boa tenacidade e resistência mecânica suficiente, permitindo que suporte vários tipos de processos de usinagem, como laminação, rectificação e soldagem.
O níquel é usado principalmente na produção de materiais metálicos, representando mais de 70% do total; É usado em galvanoplastia, representando cerca de 15% do consumo total de níquel; É usado como catalisador no processo de hidrogenação de petroquímicos; É usado como fonte de energia química; é usado para fabricar pigmentos e corantes; e é usado para fabricar cerâmicas e ferritas.
O ferroníquel é uma liga de níquel e ferro, contendo carbono, silício, fósforo e outros elementos. O ferroníquel é usado principalmente como agente de liga na fundição de aço inoxidável.
A composição química do ferroníquel produzido a partir do minério de níquel laterítico é geralmente a seguinte: Ni 10%~15%, Si≤7%, C≤4,5%, P≤0,06%, S≤0,04%~0,35%.
O minério de níquel laterítico é uma matéria-prima para a produção de minério de níquel-ferro.
As matérias-primas para a fundição de níquel-ferro usando minério de níquel laterítico incluem minério de níquel laterítico, coque e cal.
A composição mineral e química do minério de níquel laterítico varia muito, especialmente no teor de níquel e na razão de massa MgO/SiO₂. A composição típica do minério de níquel laterítico é: Ni 1,3%–1,9%, Fe 10%–15%, SiO₂ 35%–45%, MgO 17%–25%, P 0,001%–0,007%, H₂O 25%–33%. O minério laterítico contém uma grande quantidade de água ligada e requer torração e desidratação antes da fundição.
A cal deve ter um teor de CaO de ≥82%.
Os requisitos para coque são: carbono fixo superior a 82%, teor de cinzas inferior a 15%, teor de enxofre ≤ 0,7%, teor de umidade inferior a 6% e tamanho das partículas de 10-25mm.
Princípio da fundição de níquel-ferro do minério de níquel laterítico
O minério de níquel laterítico contém principalmente vários óxidos, como NiO, Cr₂O₃, Fe₂O₃, Al₂O₃, MgO e SiO₂. Com base nos dados de energia livre das reações de óxidos, dentro da faixa de ponto de fusão do minério de níquel laterítico (1600–1700 K), a ordem de redução de cada óxido em uma atmosfera redutora, da mais fácil à mais difícil, é: NiO > FeO > SiO₂ > Fe₂O₃ > MgO > Cr₂O₃ > Al₂O₃. NiO é reduzido primeiro, e sua temperatura de redução é menor que a do FeO. Utilizando esse princípio de redução seletiva, pode-se adotar uma operação deficiente em carbono para reduzir preferencialmente quase todos os óxidos de níquel do minério laterítico de níquel em metal, enquanto uma quantidade adequada do Fe₂O₃ de alta valência é reduzida a metal, e o restante é reduzido a FeO, que entra na escória. Isso alcança o propósito de enriquecer níquel. O grau de redução do ferro é ajustado adicionando a quantidade de carvão coque do agente redutor.
A zona de temperatura do arco dentro do forno de arco elétrico atinge mais de 2500°C, e a temperatura da piscina de fuso pode ultrapassar 1800°C. As principais reações que ocorrem nessa temperatura são:
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
A reação produz uma liga de níquel-cromo-ferro contendo elementos como silício e magnésio. A reação química real dentro do forno é muito mais complexa do que a descrita acima.
Processo de fundição de níquel com laterita e ferro
Existem três métodos principais para produzir ferroníquel a partir de minério de níquel laterítico: método de alto-forno, método de redução direta em forno rotativo e método combinado de forno rotativo-forno de arco submerso.
4.1 Fusão de Fornos
O principal processo para produzir ferroníquel em alto-forno é o seguinte: secagem e peneira de minério (britagem em grande escala) – lotagem – sinterização – minério sinterizado com blocos de coque e fluxo adicionados ao alto-forno para fundição – fundição de lingotes de ferroníquel e têmpera com água de escória – produzindo lingotes de ferroníquel e escória temperada em água. Altos-fornos são usados principalmente para produzir ferro-gusa com baixo teor de níquel, utilizando minério de níquel laterítico contendo aproximadamente 50% de ferro e 1% de níquel para produzir ferro-gusa com baixo teor de níquel contendo aproximadamente 5% de níquel. Normalmente, a proporção coque-níquel é de cerca de 800 kg de coque/tonelada de ferroníquel.
4.2 Fusão de redução direta em forno rotativo
A fusão de redução direta em forno rotativo é amplamente reconhecida como o método de produção com menor consumo e custo de energia. O processo básico é: secagem do minério bruto (britagem e moagem em grande escala) – adição de carvão redutor e fluxo – redução e fundição em forno rotativo – têmpera em água do minério fundido – britagem, moagem e separação magnética da escória e das partículas de níquel-ferro temperadas em água – produção de grânulos de níquel-ferro e escória fina derretida. Esse processo não requer coque nem grandes quantidades de eletricidade, possui um fluxo curto com poucas etapas e possui forte competitividade e viabilidade. Atualmente, esse processo ainda não está em produção em larga escala na China, principalmente porque questões como loteamento, materiais refratários e formação de anéis ainda não foram totalmente resolvidas.
4.3 Fusão por forno de arco submerso em forno rotativo
O processo de fundição por forno de arco submerso em forno rotativo é amplamente utilizado tanto no país quanto internacionalmente para a produção de ligas de níquel e ferro com alto teor de níquel. O processo completo de fundição é o seguinte: secagem do minério bruto e britagem em grande escala → mistura de carvão e fluxo, secagem e pré-redução minuciosas no forno rotativo → forno de arco submerso, redução da fusão → fundição de ferro de níquel-ferro e têmpera em água de escória → produção de lingotes de níquel-ferro (ou grânulos de níquel-ferro temperados em água) e escória temperada em água.
Os principais processos consistem nos seguintes:
(1) Secagem: A umidade é removida do minério de níquel usando um cilindro rotativo de secagem;
(2) Ingredientes: O minério laterítico, antracito e calcário são misturados e proporcionados em uma certa proporção;
(3) Pré-redução: redução em um forno rotativo;
(4) Fundição: Materiais quentes são alimentados diretamente para a fornalha para fundição;
(5) Refinação: Desulfurização, dessiliconização e refino de descarbonização da liga;
(6) Fundição ou granulação: Granulação, secagem, embalagem ou fundição de lingotes em máquinas de fundição;
(7) Purificação dos gases de combustão: os gases de escape são liberados após entrar no coletor de poeira e o gás do forno elétrico é recuperado.
Minério de níquel laterítico é transportado do porto até o curral para armazenamento e mistura. O minério de laterita armazenado e pré-misturado no pátio de matéria-prima é primeiro secado em um forno de secagem para remover a maior parte da umidade, depois é triturado e peneirado. Calcário e agente redutor são crivados e triturados no pátio de matéria-prima e na sala de preparação, e depois misturados com o minério de laterita seco e enviados para o forno rotativo.
No forno rotativo, as matérias-primas são ainda mais secas, torradas e pré-reduzidas para produzir escória de níquel (um produto parcialmente reduzido) a aproximadamente 900–1000°C. O gás de combustão do forno rotativo é descarregado após passar por uma caldeira de calor residual, remoção de poeira e desulfuração. A poeira é misturada com as matérias-primas e depois reintroduzida no forno.
Escória de níquel é adicionada ao silo submerso do forno de arco (revestido com tijolos refratários) sob condição fechada e isolada (carrinho de alimentação elevado). De acordo com os requisitos do processo, os produtos de redução a quente são agrupados em lotes secundários usando uma balança eletrônica de trilho leve antes de serem enviados para o sistema de fundição do forno de arco submerso. A escória é distribuída para o forno de arco submerso por meio de tubos de alimentação em diferentes locais. O forno de arco submerso é semi-fechado (ou totalmente fechado), com eletrodos auto-assadores, fundição por arco submerso, redução e separação de ferroníquel bruto e escória, enquanto simultaneamente gera gás de forno de arco submerso contendo aproximadamente 75% de CO. Esse gás é purificado e enviado para o queimador rotativo, onde é usado como combustível junto com o carvão pulverizado. A poeira do coletor de poeira é tratada e retornada ao pátio de matéria-prima. A escória do forno de arco submerso, após a têmpera em água, pode ser usada como material de construção para construção de estradas e fabricação de tijolos.
Liga líquida de níquel-ferro é periodicamente despejada do forno de arco submerso para uma concha, transportada por vagão de concha até a fábrica de fundição para fundição, e lingotes qualificados de níquel-ferro são armazenados e vendidos. O produto do forno de arco submerso é níquel-ferro bruto, e um agente dessulfurizante pode ser adicionado à concha de ferro fundido antes da extração, de modo que a dessulfuração ocorra simultaneamente com a filtração.
O ferroníquel bruto contém impurezas como Si, C e P, e requer refinamento adicional. Após a remoção da escória, ela é alimentada em um conversor para soprar oxigênio e remover o silício. Ao mesmo tempo, sucata contendo níquel é adicionada para evitar que a temperatura do ferro fundido seja muito alta. Após a remoção do silício, a escória é removida (ou a escória é bloqueada para aproveitar o ferro), e ela é alimentada em um conversor alcalino para soprar oxigênio e remover fósforo e carbono. Calcário é adicionado para criar escória alcalina. O ferroníquel fundido refinado no conversor alcalino é enviado para a oficina de fundição para ser fundido em blocos comerciais qualificados de ferroníquel ou enviado diretamente para a siderúrgica enquanto ainda está quente.
O fluxo geral do processo é mostrado na Figura 1.
Figura 1. Fluxo do processo de produção de níquel-ferro
Conservação de energia na produção de níquel-ferro
A maior parte do minério bruto usado para fundição de ferro-gusa contendo níquel em fornos de arco elétrico vem do exterior. O minério bruto é principalmente minério fino, com um teor de umidade anexado de cerca de 30% e um teor de água cristalina de cerca de 10%. Portanto, esse minério deve ser sinterizado antes de poder ser fundido no forno. A sinterização é a primeira etapa do processo de fundição, que não afeta apenas o funcionamento normal do processo, mas também influencia os indicadores técnicos e econômicos do produto. Ao mesmo tempo, o processo de sinterização consome uma quantidade significativa de energia, portanto o equipamento e o processo de sinterização devem ser selecionados racionalmente. Sinterização vertical em forno e sinterização rotativa são as melhores opções.
O uso de materiais quentes no forno é uma direção importante para a conservação de energia, o que reduzirá significativamente o consumo de eletricidade e deve ser testado ativamente. Utilizar materiais quentes sinterizados em um forno rotativo pode não apenas economizar custos, mas também aumentar a competitividade de mercado dos produtos.
Indicadores técnicos e consumo de matérias-primas para produção de níquel-ferro
As principais matérias-primas e consumo de energia para a produção de níquel-ferro com teor de Ni de 10%~15%, Si≤7%, C≤4,5%, P≤0,06% e S≤0,04%~0,35% são os seguintes: minério de níquel de laterita 7200 kg/t, cal 2300 kg/t, coque 470 kg/t (material quente), pasta de eletrodo 40 kg/t e consumo de eletricidade 6000 kW·h/t (material quente).