2500m3高爐冶煉過程中鋅負荷控制生產(chǎn)實踐

曾敏學(xué)，喻冰鶴

（新余鋼鐵股份有限公司，江西 新余 338000）

在冶金加工過程中，所用的原料中會含有一定量的鋅元素。這一雜質(zhì)元素的存在會導(dǎo)致高爐冶煉過程中出現(xiàn)鋅元素循環(huán)富集的現(xiàn)象，進而引發(fā)消耗增加、結(jié)瘤、懸料、爐況下降等問題，對高爐冶煉的生產(chǎn)效率和綜合效益造成了不利影響，所以我們希望入爐料中鋅元素的含量越少越好。高爐冶煉過程中鋅的來源：一是選用礦石均不同程度地含有鋅礦物，礦石多為鉛鋅共生礦。二是兩個循環(huán)既爐內(nèi)循環(huán)富集和爐外循環(huán)富集，三是燒結(jié)配料中加入的含鋅雜料如冶金污泥等,四是部分高爐在入爐料中配加的含鋅金屬料等。出于提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的考慮，現(xiàn)階段的冶煉生產(chǎn)選擇將高爐瓦斯灰、污泥等雜料摻加至燒結(jié)原料中，實現(xiàn)了相對較好的降耗增產(chǎn)效果。但是上述措施也導(dǎo)致了生產(chǎn)過程中有害元素比重增加的問題，特別是鋅金屬的存在將顯著影響高爐運行的穩(wěn)定性與可靠性。高爐內(nèi)較長的氧化溫度區(qū)間使得鋅蒸汽在高爐上部被氧化吸附，從而降低排鋅率；在高爐內(nèi)形成惡性循環(huán)和累積，劣化入爐原燃料質(zhì)量，惡化軟熔帶透氣性，導(dǎo)致高爐生產(chǎn)效率下降。因此必須采取科學(xué)有效的措施對高爐生產(chǎn)過程中的鋅元素含量進行控制，才能確保生產(chǎn)過程的安全性與穩(wěn)定性并實現(xiàn)更好的綜合效益。（國標(biāo)GB-50427-2008規(guī)定鋅金屬負荷≤ 0.15kg/tFe）（表 1）。

表1 2012-2018年10號高爐堿金屬和鋅負荷，kg/tFe

1 鋅在高爐中的行為

鋅為低熔點有色重金屬，其熔點420℃，沸點907℃，液態(tài)鋅流動性好，易揮發(fā)，離子半徑較小，能浸入和充滿微細空間，有較大的表面張力系數(shù)，降溫時易凝聚在一起，在局部空間內(nèi)呈現(xiàn)較高濃度，其硫化物具有熱不穩(wěn)定性。礦石中的鋅，在燒結(jié)過程中約有10%左右被脫除，其余多以ZnO狀態(tài)存在，少量為亞鐵酸鹽化合物，隨燒結(jié)礦進入高爐。因其熔點較高(ZnS熔點為1650℃，ZnO熔點為2000℃)，在高爐內(nèi)很難直接被熔化。

高爐入爐鋅主要來自燒結(jié)礦和良球；鋅在高爐內(nèi)收支平衡計算結(jié)果表明：10號高爐鋅循環(huán)富集為71.72%，由此表明10號高爐排鋅能力較差。導(dǎo)致上述問題的主要原因在于鋅元素表現(xiàn)出相對較低的揮發(fā)溫度，在受熱揮發(fā)過程中氣態(tài)鋅元素會同粉礦、粉焦等物質(zhì)接觸并將熱量傳遞給后者，使得鋅元素因溫度下降轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸\并與爐墻表面相粘結(jié)，造成高爐內(nèi)部上部、中上部等區(qū)域出現(xiàn)厚度增加的情形影響其正常運轉(zhuǎn)。冶煉條件下，鋅在950℃以上的高溫區(qū)，被碳或氫氣直接還原，直接消耗炭素,也有部分被一氧化碳間接還原。而鋅元素則在400℃～500℃時就開始分解并以已還原出來的催化劑被還原，原料中所有鋅的還原過程，直到高溫區(qū)才能完成。在高爐冶煉過程中，鋅元素的循環(huán)主要分為高爐內(nèi)部小循環(huán)、燒結(jié)-高爐大循環(huán)兩種不同情形。

1.1 高爐內(nèi)的循環(huán)

高爐冶煉以各類礦石為主要原料，其中鋅元素這一雜質(zhì)的存在形式主要表現(xiàn)為硅酸鹽(2ZnO·SiO2)、硫化物(ZnS)等。而硫化鋅會在高爐冶煉的過程中先發(fā)生氧化還原反應(yīng)并生成氧化鋅，然后在高溫條件下（1000℃以上）與CO發(fā)生還原反應(yīng)形成氣態(tài)鋅這一產(chǎn)物。

氣態(tài)鋅的沸點在907℃左右。氣態(tài)鋅會與燃氣同步運動，并在達到低溫區(qū)域（580℃以下）時發(fā)生冷凝，然后與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成氧化鋅，氧化鋅顆粒會隨著燃氣運動至高爐之外，并伴隨著爐料的下降而循環(huán)運動至高溫區(qū)域，形成上述受熱升華、低溫冷凝的循環(huán)反應(yīng)過程，并在循環(huán)過程中逐漸富集于高爐內(nèi)壁。

1.2 燒結(jié)、高爐之間的循環(huán)

在燒結(jié)礦料進入高爐之后，鋅會同含金屬成分一同參與冶煉過程。在溫度上升的過程中達到其沸點并發(fā)生還原反應(yīng)形成氣態(tài)鋅，然后氣態(tài)鋅與燃氣同步運動經(jīng)燃氣管運動至高爐之外。在凈化處理下，鋅元素以及其他固態(tài)顆粒將以除塵灰的形式再次進入燒結(jié)原料參與后續(xù)生產(chǎn)作業(yè)，從而形成了鋅元素在燒結(jié)-高爐的大循環(huán)過程。

2 鋅對高爐的影響

在冶煉原料中，鋅元素是含量相對較低但是影響較大的一種伴生元素，其常見的存在形式為閃鋅礦(ZnS),也可以表現(xiàn)為碳酸鹽、硅酸鹽等形態(tài)。雖然天然礦石中鋅元素的質(zhì)量分數(shù)相對較小，但是受其沸點低、還原反應(yīng)溫度低等因素的影響，導(dǎo)致鋅元素難以被吸收排出，因此會在高爐內(nèi)形成循環(huán)富集的問題，并導(dǎo)致以下后果：

高爐內(nèi)被還原出來的鋅在隨燃氣上升過程中，在低溫區(qū)冷凝成細小顆粒或再被氧化成氧化鋅，沉積于爐料孔隙中，使?fàn)t料透氣性變差，破壞燃氣分布,使燃氣分布紊亂,爐料下降困難，造成高爐塌料、滑料、甚至懸料。其次,高溫區(qū)還原出來的鋅,雖然有一大部分會隨燃氣上升,但還是有一部分會滲入爐襯爐墻的耐火材料中,并逐步形成爐瘤、破壞高爐運行。另外,還原出來的鋅還往往以渣皮的形式附著在冷卻壁上,這種以鋅為粘結(jié)物形成的渣皮極不穩(wěn)定,容易引起頻繁的脫落,使?fàn)t溫出現(xiàn)波動。

鋅在耐火磚爐襯中沉積引起體積膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，造成材料破壞。由于耐火材料具有較高氣孔率，爐內(nèi)較高的壓力燃氣，易于滲入耐火磚爐襯的氣孔內(nèi)，尤其是鋅蒸汽，在高溫下有較大的穿滲能力，更容易浸入耐火材料的內(nèi)部，甚至達到金屬爐殼附近，最易發(fā)生鋅在爐襯內(nèi)部的沉積。

一般而言，在爐襯高度方向上：爐腰及以下部位沉積的多為金屬鋅，爐身上部和爐喉為氧化鋅，中間區(qū)域兩者兼有；在高爐爐襯徑向方向上：爐身以上，氧化鋅多沉積在耐火磚襯的前半部分(靠近熱面)：而鋅的沉積從上到下，隨爐襯內(nèi)高溫區(qū)外移而變化。在鋅(氧化鋅)沉積最多的地方也往往產(chǎn)生大量的煙氣。

2.1 對高爐冶煉的影響

在循環(huán)富集的過程中，鋅元素存在形態(tài)的變化會導(dǎo)致高爐熱量出現(xiàn)了轉(zhuǎn)移，在造成高溫區(qū)溫度下降和低溫區(qū)溫度上升的同時使得礦渣的溫度下降，導(dǎo)致礦渣黏度增加對脫硫等生產(chǎn)活動造成了不利影響。此外，氣態(tài)鋅在到達高爐中上部區(qū)域時會因溫度下降而發(fā)生冷凝并附著于高爐內(nèi)部或爐料表面，這種爐瘤會導(dǎo)致氣孔堵塞、料柱透氣性下降等問題，導(dǎo)致礦石、焦炭的冶金性能下降且導(dǎo)致料塊強度與還原性出現(xiàn)減弱的問題。圖1即1號風(fēng)口上方，屬于上部結(jié)厚。

圖1 10號高爐低料線下顯示爐墻結(jié)厚

鋅元素含量的增加還可能導(dǎo)致焦比增大的后果。當(dāng)鋅元素的含量增加時，會因氧化反應(yīng)而釋放熱量，導(dǎo)致高爐上部燃氣溫度上升從而導(dǎo)致冶煉焦比增大的問題。從圖2可以看出，從2018年1月份開始，10號高爐爐頂溫度逐步上行，頂溫度在190℃～220℃，頂溫難以控制，尤其爐內(nèi)出現(xiàn)低料線時，常?？繙p風(fēng)來控制頂溫。

圖2 10號爐頂溫度趨勢

2.2 對高爐壽命的影響

隨易燃氣體排出含鋅物質(zhì)易堵在上升管中形成鋅瘤,還易在除塵入口形成堵塞,使壓差升高,同時含鋅高的除塵灰,遇空氣自燃,不僅造成極大的經(jīng)濟損失,同時影響高爐生產(chǎn)。氣態(tài)鋅在高爐的循環(huán)富集會造成其與高爐內(nèi)部、爐襯等相結(jié)合并轉(zhuǎn)化為熔點相對較低的化合物導(dǎo)致爐襯的強度下降，從而造成爐襯過度侵蝕、損耗的問題。此外，滲透至爐襯縫隙結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)的鋅元素也會導(dǎo)致爐襯體積變大的問題，造成其結(jié)構(gòu)受損而韌性下降，導(dǎo)致高爐過度損耗。

3 10號高爐減輕鋅危害的措施

3.1 確保爐況順行

基于當(dāng)前的原燃料狀況，若想保證冶金高爐的生產(chǎn)效率就必須開展科學(xué)管理和控制，實現(xiàn)生產(chǎn)流程的最佳效果。這就對順行預(yù)警、快速反應(yīng)等管理策略提出了較高要求。

（1）開展科學(xué)管理和精準(zhǔn)操作，及時調(diào)整高爐溫度確保冶煉溫度的穩(wěn)定性。

（2）加強管理提升操作質(zhì)量，盡可能降低生產(chǎn)風(fēng)險維持高爐冶煉作業(yè)的持續(xù)性與穩(wěn)定性。具體將爐況順行為出發(fā)點和目標(biāo)，維持合理穩(wěn)定的煤氣流狀態(tài)，將高爐上部溫度控制在100℃～250℃之間，為鋅元素的排出創(chuàng)造有利條件。

（3）做好槽外篩分工作，降低入爐原料中含鋅粉末的含量，為燒結(jié)作業(yè)奠定良好基礎(chǔ)降低鋅元素在燒結(jié)-高爐循環(huán)中的比重。

3.2 加強高爐監(jiān)控

做好生產(chǎn)監(jiān)控工作，重點對熱電偶溫度、冷卻水溫差、煤氣流分布等生產(chǎn)參數(shù)進行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)風(fēng)險并進行處理。

（1）優(yōu)化改進原料結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)條件，盡可能降低原材料中鋅元素的含量。

（2）動態(tài)監(jiān)控原材料中有害元素含量的變化，及時開展分析排查工作，及時發(fā)現(xiàn)和解決生產(chǎn)風(fēng)險。

（3）實現(xiàn)休風(fēng)與維護保養(yǎng)的有機結(jié)合，在提升高爐生產(chǎn)效率的同時盡可能降低停工檢修風(fēng)險，確保生產(chǎn)時間的順利性。

4 結(jié)語

（1）在高爐冶煉生產(chǎn)實踐中必須充分認識到鋅元素的存在對生產(chǎn)作業(yè)的不利影響。

（2）盡可能減少原材料里鋅元素的含量，必要時開展鋅提取凈化處理提升原材料品質(zhì)。如湖南建鑫冶金科技有限公司建議高爐主溝高溫熔融還原處理含鋅瓦斯灰、污泥等固廢新技術(shù)。

（3）充分發(fā)揮現(xiàn)有技術(shù)手段的積極作用，盡可能降低高爐冶煉過程中的鋅元素循環(huán)富集程度，以此提升高爐冶煉生產(chǎn)效率和綜合效益水平。