การหลอมและการถลุงเป็นกระบวนการที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน การหลอมคือการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพที่แปลงโลหะแข็งให้กลายเป็นของเหลวโดยไม่เปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมี ในขณะที่การถลุงเป็นกระบวนการทางเคมีที่แยกโลหะออกจากแร่โดยใช้ความร้อนและตัวรีดิวซ์เพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมี การทำให้ทั้งสองสับสนเป็นเรื่องปกติ แต่ความแตกต่างเป็นสิ่งสำคัญสำหรับทุกคนที่ทำงานในด้านโลหะวิทยา การแปรรูปทางอุตสาหกรรม หรือวิศวกรรมเตาเผา อุปกรณ์ อุณหภูมิ พลังงานที่ป้อนเข้า และเอาต์พุตจะแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง
บทความนี้จะอธิบายวิทยาศาสตร์เบื้องหลังกระบวนการทั้งสอง โดยมีรายละเอียด เตาถลุง ชนิดที่ใช้ในอุตสาหกรรมสมัยใหม่และจะพิจารณาอย่างลึกซึ้ง อาร์เคอีเอฟ ระบบการเผาไหม้ถลุงนิกเกิล — หนึ่งในการดำเนินการถลุงแร่ที่ใช้พลังงานมากและมีความต้องการทางเทคนิคมากที่สุดในโลก
การทำความเข้าใจว่าอะไรที่ทำให้กระบวนการทั้งสองนี้แยกออกจากกัน ให้ความกระจ่างว่าเหตุใดเทคโนโลยีเตาเผา เชื้อเพลิง และวิธีการปฏิบัติงานที่แตกต่างกันจึงจำเป็นสำหรับแต่ละกระบวนการ
การละลายคือก ทางกายภาพ การเปลี่ยนเฟส โลหะแข็งจะดูดซับพลังงานความร้อนมากพอที่จะเอาชนะโครงสร้างผลึกขัดแตะและกลายเป็นของเหลว เอกลักษณ์ทางเคมีของวัสดุไม่เปลี่ยนแปลง — เหล็กละลายเป็นเหล็กเหลว อลูมิเนียมละลายเป็นอลูมิเนียมเหลว ไม่มีการสร้างสารใหม่ขึ้นมา การหลอมละลายสามารถย้อนกลับได้: การระบายความร้อนของของเหลวจะทำให้ของเหลวกลับมาอยู่ในรูปของแข็งที่มีองค์ประกอบเหมือนกัน
อุณหภูมิหลอมเหลวทางอุตสาหกรรมโดยทั่วไปมีตั้งแต่ 660°C สำหรับอะลูมิเนียม ถึง 1,538°C สำหรับเหล็กบริสุทธิ์ . เตาหลอม — เตาเหนี่ยวนำ เตาอาร์คไฟฟ้าที่ใช้สำหรับการหลอมเศษเหล็ก และเตาสะท้อนกลับ — ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้บรรลุและรักษาอุณหภูมิเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องใช้เคมีปฏิกิริยา
การถลุงแร่คือก สารเคมี กระบวนการ วัสดุป้อนเข้าไปคือแร่ — หินหรือแร่ธาตุที่มีโลหะเป้าหมายอยู่ในรูปแบบพันธะเคมี โดยทั่วไปจะเป็นออกไซด์ ซัลไฟด์ หรือคาร์บอเนต ความร้อนและสารรีดิวซ์ (โดยทั่วไปคือคาร์บอนในรูปของโค้กหรือก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์) ถูกนำมาใช้เพื่อทำลายพันธะเคมีและปล่อยโลหะออกมา
ตัวอย่างเช่น การถลุงเหล็กในเตาหลอมเหล็กจะแปลงแร่เหล็ก (Fe₂O₃) โดยใช้โค้กและหินปูนที่อุณหภูมิเกิน 1,600°ซ . ผลิตภัณฑ์นี้เป็นเหล็กพิก ซึ่งเป็นวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติทางเคมีแตกต่างจากแร่เหล็กที่ป้อนเข้า การถลุงไม่สามารถย้อนกลับได้ในลักษณะเดียวกัน: คุณไม่สามารถทำให้ผลผลิตเย็นลงและนำแร่เดิมกลับมาได้
| คุณสมบัติ | ละลาย | การถลุง |
|---|---|---|
| ประเภทของการเปลี่ยนแปลง | ทางกายภาพ | สารเคมี |
| วัสดุเข้า | โลหะแข็งหรือโลหะผสม | แร่โลหะ (ออกไซด์ ซัลไฟด์ ฯลฯ) |
| สารเคมี composition | ไม่เปลี่ยนแปลง | Transformed — สารใหม่ที่ผลิตขึ้น |
| จำเป็นต้องมีสารรีดิวซ์ | ไม่ | ใช่ (โค้ก, CO, ไฮโดรเจน ฯลฯ) |
| ผลพลอยได้ | ไม่ne (same material, liquid state) | ตะกรัน, ก๊าซ (CO₂, SO₂), ฝุ่น |
| ช่วงอุณหภูมิโดยทั่วไป | 660°C – 1,538°C | 1,200°ซ – 1,700°ซ |
| การย้อนกลับได้ | กลับด้านได้เต็มที่ | ไม่t reversible |
| ตัวอย่าง | ละลาย aluminum scrap for casting | การสกัดนิกเกิลจากแร่ศิลาแลง |
เตาถลุงต้องทำมากกว่าการสร้างความร้อน ต้องสร้างและรักษาสภาพแวดล้อมทางเคมีเฉพาะที่จำเป็นในการลดแร่ แยกโลหะออกจากตะกรัน และจัดการกับปริมาณวัสดุจำนวนมหาศาลอย่างต่อเนื่อง โลหะและแร่ประเภทต่างๆ จำเป็นต้องมีการออกแบบเตาเผาที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน
เตาหลอมเหล็กเป็นเทคโนโลยีที่โดดเด่นสำหรับการผลิตเหล็กและเหล็กกล้า ทำงานอย่างต่อเนื่องโดยมีแร่เหล็ก โค้ก และหินปูนพุ่งจากด้านบน ขณะที่อากาศอุ่น (ระเบิด) จะถูกฉีดเข้าไปใกล้ฐานที่อุณหภูมิประมาณ 1,000–1,200°ซ . อุณหภูมิภายในสูงถึง 2,000°ซ ในเขตการเผาไหม้ เตาถลุงเหล็กสมัยใหม่ผลิตเหล็กหมูได้ 5,000–10,000 ตันต่อวัน และมีอายุการรณรงค์ 15–20 ปีก่อนจึงนำไปเผาใหม่
แม้ว่า EAF จะใช้กันอย่างแพร่หลายในการหลอมเศษเหล็ก แต่ก็ยังใช้สำหรับการถลุงในการผลิตโลหะผสมเหล็กและนิกเกิลอีกด้วย ในโหมดการถลุง อาร์กไฟฟ้าจะให้พลังงานเพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาการลดสารเคมี EAF ที่ใช้ในการถลุงโดยทั่วไปจะทำงานที่ 1,500–1,700°ซ และบริโภค 400–700 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อตัน ของผลิตภัณฑ์ขึ้นอยู่กับวัสดุ
พัฒนาโดย Outokumpu ในทศวรรษที่ 1940 และปัจจุบันมีโรงถลุงแร่มากกว่า 40 แห่งทั่วโลกใช้ การถลุงแบบแฟลชจะระงับแร่บดละเอียดที่มีความเข้มข้นในกระแสอากาศที่อุดมด้วยออกซิเจน การเผาไหม้และการถลุงเกิดขึ้นพร้อมกันในเพลาปฏิกิริยาในหน่วยมิลลิวินาที การถลุงแบบแฟลชใช้เป็นหลักสำหรับความเข้มข้นของทองแดงและนิกเกิลซัลไฟด์ และประหยัดพลังงานมากกว่าการถลุงแบบสะท้อนกลับแบบธรรมดา — ลดการใช้พลังงานได้ถึง 80% เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีรุ่นเก่า
ระบบ RKEF เป็นเทคโนโลยีหลักในการแปรรูปแร่นิเกิลศิลาแลง โดยผสมผสานเตาเผาแบบหมุน (สำหรับการอบแห้งและการลดขนาดล่วงหน้า) เข้ากับเตาไฟฟ้า (สำหรับการถลุงขั้นสุดท้าย) วิธีการสองขั้นตอนนี้จำเป็นโดยลักษณะของแร่ศิลาแลง ซึ่งเป็นวัสดุคล้ายดินเหนียวเปียกซึ่งไม่สามารถบรรจุลงในเตาไฟฟ้าโดยตรงได้ โดยไม่ก่อให้เกิดการระเบิดของไอน้ำที่เป็นอันตราย มีการสำรวจระบบ RKEF โดยละเอียดในส่วนด้านล่าง
การออกแบบเตาเผาแบบเก่าที่เปลวไฟจากเตาให้ความร้อนกับหลังคาที่ห้อยต่ำ ซึ่งจะแผ่ความร้อนลงสู่อ่างแร่ เตาสะท้อนกลับเคยมีความโดดเด่นในการถลุงทองแดง แต่ส่วนใหญ่ถูกแทนที่ด้วยการถลุงแบบแฟลช เนื่องจากประสิทธิภาพการใช้พลังงานต่ำและมีการปล่อย SO₂ สูง ยังคงใช้สำหรับการถลุงขั้นที่สอง (การแปรรูปเศษซากและสารตกค้าง) เนื่องจากความยืดหยุ่นและต้นทุนเงินทุนที่ต่ำกว่า
ที่ เตาเผาแบบหมุน-เตาไฟฟ้า (RKEF) กระบวนการนี้เป็นมาตรฐานสากลในการแปลงแร่นิเกิลศิลาแลงให้เป็นเฟอร์โรนิกเคล (FeNi) ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นกลางที่ใช้ในการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิม ต่างจากการสะสมของนิกเกิลซัลไฟด์ (ซึ่งผ่านกระบวนการลอยตัวและการถลุงแฟลช) แร่ศิลาแลงนั้นมีปฏิกิริยาออกซิไดซ์และไม่สามารถทำให้เข้มข้นได้โดยการลอยตัว พวกมันจะต้องได้รับการประมวลผลแบบแร่ทั้งหมด ซึ่งหมายถึงการจัดการวัสดุเปียกและต่างกันในปริมาณมหาศาล
ที่ RKEF process is split into two distinct thermal stages that address the material's properties sequentially:
การถ่ายโอนแคลเซียมร้อนโดยตรงจากเตาเผาไปยังเตาเผา แทนที่จะปล่อยให้เย็นเป็นมาตรการประหยัดพลังงานที่สำคัญ โดยจะช่วยลดการใช้พลังงานของเตาไฟฟ้าได้ประมาณ 15–25% เมื่อเทียบกับการทำงานแบบชาร์จเย็น
ที่ combustion system in the rotary kiln stage of RKEF is one of the most demanding burner applications in industrial metallurgy. It must deliver enormous, precisely controlled heat input across a rotating cylinder that may be ยาว 60–120 เมตร และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 4–6 เมตร แปรรูปแร่หลายร้อยตันต่อชั่วโมง
ที่ choice of fuel for RKEF rotary kiln combustion systems is driven by local availability, cost, and environmental regulations. The main options are:
ที่ rotary kiln burner for RKEF smelting typically fires from the discharge end (the hot end) of the kiln, with the flame extending back toward the feed end. Key combustion system design parameters include:
| โซน | ที่ตั้ง | อุณหภูมิ (°ซ) | กระบวนการที่เกิดขึ้น |
|---|---|---|---|
| โซนอบแห้ง | ปลายฟีด | 100–400°ซ | ระเหยความชื้นฟรี |
| โซนการเผา | เตาเผากลาง | 400–700°ซ | ดีไฮดรอกซิเลชันของแร่ธาตุแร่ |
| โซนก่อนการลด | กลางถึงปลายร้อน | 700–1,000°ซ | การลด NiO และ Fe₂O₃ บางส่วนด้วยถ่านหิน/โค้ก |
| คลายร้อน | ปลายปล่อย (ปลายหัวเผา) | 900–1,050°ซ | เผาทางออกสู่ระบบป้อนเตาไฟฟ้า |
การถลุงนิกเกิล RKEF เป็นหนึ่งในกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่ใช้พลังงานมากที่สุดในการดำเนินงาน การใช้พลังงานจำเพาะจะแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญขึ้นอยู่กับเกรดแร่ ปริมาณความชื้น และประสิทธิภาพการดำเนินงาน แต่ตัวเลขทั่วไปจะให้ภาพที่ชัดเจนของขนาดที่เกี่ยวข้อง
จากการเปรียบเทียบ การผลิตนิกเกิลจากแร่ซัลไฟด์ผ่านการลอยอยู่ในน้ำและการถลุงแบบแฟลชนั้นสิ้นเปลืองพลังงานโดยประมาณ 20–30 GJ ต่อนิกเกิลหนึ่งตัน – น้อยลงอย่างเห็นได้ชัด ช่องว่างพลังงานนี้เป็นตัวขับเคลื่อนหลักที่ทำให้ต้นทุนการผลิตที่สูงขึ้นของ RKEF และความกดดันที่เพิ่มขึ้นในการปรับปรุงประสิทธิภาพการเผาไหม้และการใช้ไฟฟ้าเมื่อเป็นไปได้
ทั้งเตาเผาแบบหมุนและเตาไฟฟ้าในระบบ RKEF ทำงานภายใต้สภาวะความร้อนและสารเคมีที่รุนแรง ซึ่งทำให้เกิดความต้องการวัสดุซับในที่ทนไฟมหาศาล
ที่ kiln lining must withstand continuous rotation, thermal cycling, and chemical attack from the ore and combustion gases. High-alumina bricks (60–70% Al₂O₃) are standard in the calcination and pre-reduction zones. The hot discharge zone, which sees the most severe conditions, often uses อิฐแมกนีเซีย - โครเมี่ยมหรือแมกนีเซีย - สปิเนล สามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงกว่า 1,200°C ภายใต้บรรยากาศที่ลดลง อายุการใช้งานเฉลี่ยของวัสดุทนไฟในเตาเผา RKEF คือ 3-5 ปี หลังจากนั้นจะต้องปิดเตาเผาและปูใหม่
ที่ EAF hearth in RKEF smelting contacts molten ferronickel at 1,550–1,650°C and highly fluid slag simultaneously. The hearth lining typically uses กระแทกแมกนีเซีย หรืออิฐแมกนีเซีย-คาร์บอนในโซนโลหะ และอิฐแมกนีเซียสูงในโซนตะกรัน องค์ประกอบของตะกรัน โดยเฉพาะอัตราส่วนซิลิกาต่อแมกนีเซีย ("ความเป็นพื้นฐานของตะกรัน") จะต้องได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อลดการละลายที่ทนไฟให้เหลือน้อยที่สุด ค่าพื้นฐานที่ 0.8–1.2 (MgO/SiO₂) นั้นเป็นเรื่องปกติในการทำงานกับนิกเกิล RKEF เพื่อปรับสมดุลความลื่นไหลกับอายุการใช้งานของวัสดุทนไฟ
การดำเนินงานของ RKEF ก่อให้เกิดกระแสสิ่งแวดล้อมที่สำคัญหลายประการที่จำเป็นต้องมีการควบคุมทางวิศวกรรม
RKEF ไม่ใช่เทคโนโลยีเดียวที่มีสำหรับการผลิตนิกเกิล และการทำความเข้าใจว่าเทคโนโลยีดังกล่าวเหมาะสมเมื่อเปรียบเทียบกับทางเลือกอื่นช่วยอธิบายว่าทำไมเทคโนโลยีนี้จึงมีอิทธิพลเหนือการประมวลผลศิลาแลงแม้ว่าจะมีต้นทุนพลังงานสูงก็ตาม
| เทคโนโลยี | ประเภทแร่ | สินค้า | การใช้พลังงาน | ข้อได้เปรียบที่สำคัญ |
|---|---|---|---|---|
| RKEF | ศิลาแลง (ซาโปรไลท์) | เฟอร์โรนิเคล (15–40% Ni) | สูงมาก | จัดการแร่ซาโปรไลต์ที่มี Mg สูงได้โดยตรง |
| HPAL (การชะล้างด้วยกรดแรงดันสูง) | ศิลาแลง (ลิโมไนต์) | ตะกอนไฮดรอกไซด์ผสม | ปานกลาง | กู้คืน Co เป็นผลิตภัณฑ์ร่วม เอาต์พุตระดับแบตเตอรี่ |
| การถลุงแฟลช | ซัลไฟด์เข้มข้น | นิกเกิลด้าน (65–75% Ni) | ต่ำ-ปานกลาง | ปริมาณงานสูง การจับ SO₂ สำหรับโรงงานกรด |
| กระบวนการคารอน | ศิลาแลง (ลิโมไนต์) | เผานิกเกิลออกไซด์ | สูง | ต้นทุนเงินทุนต่ำกว่า HPAL |
ความโดดเด่นของ RKEF ในการถลุงศิลาแลง — โดยเฉพาะในอินโดนีเซีย ซึ่งปัจจุบันมีมากกว่า 50% ของการผลิตนิกเกิลทั่วโลก — มีต้นกำเนิดมาจากความสามารถในการจัดการเกรดแร่ซาโปรไลต์ (1.5–2.5% Ni) และส่งมอบเฟอร์โรนิกเคลที่นำไปใช้ได้โดยตรงในการผลิตเหล็กสเตนเลส เมื่อความต้องการนิกเกิลเกรดแบตเตอรี่เพิ่มมากขึ้น ผู้ปฏิบัติงาน RKEF อยู่ภายใต้แรงกดดันที่เพิ่มขึ้นในการอัพเกรดเฟอร์โรนิกเคลเป็นนิกเกิลคลาส 1 ผ่านกระบวนการแปลงนิกเกิลแมตต์ หรือเพื่อพัฒนาโฟลว์ชีตแบบไฮบริดที่ผสมผสานการกลั่นด้วยโลหะวิทยาด้วยไฮโดรเมทัลโลจิคัล