高爐有效排鋅技術(shù)研究應(yīng)用

陳生利， 向杜全， 秦洋洋

（1.廣東韶關(guān)鋼鐵公司煉鐵廠， 廣東 韶關(guān) 511100；2.重慶科技學(xué)院， 重慶 401331）

隨著優(yōu)質(zhì)鐵礦石資源緊缺和價格高起，鋼鐵企業(yè)的利潤被進(jìn)一步壓縮，為了企業(yè)的生存和發(fā)展，全國許多鋼鐵企業(yè)都提出了“經(jīng)濟(jì)煉鐵”，即使用有害元素含量較高的高爐入爐原料對有害元素是有要求的，這是因為有害元素的帶入要嗎對冶煉過程帶來不利影響，要嗎對產(chǎn)品質(zhì)量帶來不利影響，這都是不可接受的。有害元素中鋅富聚能力強(qiáng)，鋅對高爐冶煉中的危害：鋅常以鐵酸鹽、硅酸鹽或閃鋅礦的形式存在。在高爐進(jìn)行冶煉時，鋅的硫化物先轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的氧化物，然后在不小于1 000 ℃的高溫區(qū)還原為鋅，由于其沸點很低（907 ℃），所以還原出來的鋅立即氣化，有一小部分鋅隨煤氣逸出爐外，該部分鋅易在煤氣管道中凝集，而其他大部分鋅又被氧化成ZnO，并被爐料吸收后再度下降還原，形成循環(huán)。沉積在高爐爐墻上的鋅與爐襯和爐料反應(yīng)，形成低熔點化合物而在爐身下部甚至中上部形成爐瘤。當(dāng)鋅富集嚴(yán)重時，料柱因空隙度變小，透氣性變壞，爐墻嚴(yán)重結(jié)厚，使?fàn)t內(nèi)煤氣通道變小、爐料下降不暢。嚴(yán)重時，高爐難以接受風(fēng)量，崩、滑料頻繁，影響高爐順行和技術(shù)指標(biāo)。

對使用鋅含量較高礦石冶煉，掌握使用技術(shù)的企業(yè)較少，而此種有害元素的礦量大而市場小，價格低于市場估值，配加后有很大的經(jīng)濟(jì)利益。因此，韶鋼有必要針對周邊資源含堿金屬和鋅等有害元素高的特點進(jìn)行專項研究，如果能夠摸索到排出高爐有害元素的冶煉技術(shù)，對韶鋼拓寬資源采購和推行低成本戰(zhàn)略起到至關(guān)重要的作用。

針對廣東韶關(guān)鋼鐵公司（全文簡稱韶鋼）7 號高爐風(fēng)口上翹，休風(fēng)期間從風(fēng)口流出大量含鋅的銀白色金屬液體的現(xiàn)象，開展排鋅技術(shù)研究意義重大。7 號高爐休風(fēng)期間風(fēng)口狀態(tài)如圖1、圖2 所示。

圖1 項目開展前高爐風(fēng)口區(qū)

圖2 域流出含鋅物質(zhì)

1 高爐過程鋅的基本行為

鋅是隨礦石原料被帶入高爐內(nèi)的一種常見金屬氧化物，還原后得到低沸點的金屬鋅，沸點是907 ℃。鋅在爐內(nèi)還有一個特點，那就是隨爐料自上而下運(yùn)動同時被還原形成鋅蒸氣，鋅蒸氣又隨著煤氣自下而上運(yùn)動到爐身上不再被氧化成固體，如此循環(huán)產(chǎn)生富集并逐漸放大對高爐的危害。通常上部氧化的固體粉末會隨煤氣爐塵排除一部分，作為二次資源可以提取利用。

2018 年，項目組成員通過對入爐鋅負(fù)荷的根據(jù)分析，得出韶鋼7 號高爐的鋅大部分來源于燒結(jié)礦。從韶鋼高爐配礦來看，2016 年2017 年期間，配礦中時常配加1%的低塵泥，進(jìn)一步提高了入爐鋅含量。

2 鋅對高爐危害分析

目前，冶金工作者對鋅在高爐內(nèi)的危害是基本清楚的，主要是破壞高爐順行和提高冶煉消耗，同時對風(fēng)口壽命也有不利影響。首先，上部氧化出來的氧化鋅固體呈細(xì)微顆粒狀，會堵塞塊狀帶爐料的通道造成順行不暢，同時削弱間接還原造成煤氣利用變差。其次，Zn 對焦炭的溶碳反應(yīng)有催化作用，提高焦炭的反應(yīng)性降低焦炭熱強(qiáng)度，料柱透氣性變差。三是上部還原產(chǎn)生的氧化鋅粉末會進(jìn)入磚縫反應(yīng)結(jié)晶出來并沉積，這個過程會積累應(yīng)力撐壞磚襯破壞爐型結(jié)構(gòu)。第四鋅氧化物會與多種氧化物結(jié)合成低熔點物質(zhì)形成爐瘤，嚴(yán)重破壞高爐順行。另外，韶鋼還發(fā)現(xiàn)爐缸不活躍時鋅會風(fēng)口前端粘附造成風(fēng)口燒損。總而言之，高爐工程師對高爐排鋅操作有強(qiáng)烈愿望。

3 高爐排鋅技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 鋅平衡原理

要解決高爐鋅富集的問題，有兩個途徑：一是控制入爐原料鋅含量；二是合理排鋅操作。前者需要強(qiáng)化供應(yīng)管理，后者要求提高工藝操作水平。

如果原料端控制有效，那么剩下的排鋅操作就是工藝端需要強(qiáng)化的技術(shù)。通常鋅的排除途徑主要是爐頂煤氣，上西部調(diào)劑就是完成理想排鋅操作的關(guān)鍵。從成熟的經(jīng)驗來看，成功排鋅主要是將鋅的氧化凝固控制早煤氣管道中去，要想讓鋅的凝固不在爐內(nèi)完成那么只有打開中心氣流使?fàn)t頂溫度升高，促使鋅蒸氣來不及凝固就進(jìn)入煤氣管道系統(tǒng)。只有這樣才可以將鋅隨煤氣排出爐外，減少在高爐內(nèi)循環(huán)鋅的積累。

3.2 高爐排鋅途徑

從物質(zhì)平衡的角度出發(fā)，高爐內(nèi)鋅的出路主要是金屬鋅和氧化物隨渣鐵排出、部分參與爐內(nèi)的循環(huán)富集和爐頂煤氣帶出。這三個途徑爐頂帶出的鋅基本占了排鋅的90%以上，是最主要的排鋅途徑。在這個過程中，鋅是以氧化物形態(tài)存在于除塵灰中，這種富含ZnO 的除塵灰作為二次資源被各個國家廣泛回收利用。

3.3 除塵灰中鋅的回收

目前，一般認(rèn)為高爐產(chǎn)生的塵泥富含鐵、碳及有色金屬等，這些有價值的元素使得這些塵泥成為了優(yōu)質(zhì)的二次資源，可以通過加工提取獲得具有較高價值的鋼鐵生產(chǎn)副產(chǎn)品。

目前對鋅的提取主要有濕法和火法兩種工藝。含鋅除塵灰中的鋅一般以氧化物形式存在，氧化鋅是一種兩性氧化物，可溶于酸堿，如果能選擇合適的浸出劑則可以通過濕法工藝回收除塵灰中的有價金屬鋅。需要注意的是，濕法回收鋅無論酸浸還是堿浸效果都不十分理想，前者利用率低且難達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)，后者浸出劑消耗大步驟繁瑣，因此不被廣泛采用。

火法處理工藝是目前被廣泛采用的處理塵泥工藝，細(xì)分工藝主要有高溫還原法和冷壓塊進(jìn)入煉鋼等。高溫還原發(fā)主要是利用回轉(zhuǎn)窯處理塵泥，在充分利用塵泥中的碳、鐵的同時還可收集塵泥中的鋅、鉛并加以回收利用。需要說明的是我國在利用轉(zhuǎn)底爐處理鋼鐵塵泥已經(jīng)具有較為成熟的經(jīng)驗，改法對鋅的提出是通過高溫還原時再次將鋅、鉛蒸發(fā)并進(jìn)入管道氧化回收，這樣可獲得含鋅50%以上的氧化鋅煙塵，完成了初步的富集回收。

4 高爐排鋅技術(shù)應(yīng)用

4.1 送風(fēng)制度調(diào)整

為了強(qiáng)化中心氣流，減少中心死料柱，經(jīng)項目組成員的分析討論，一致認(rèn)為應(yīng)該適當(dāng)縮小風(fēng)口進(jìn)風(fēng)面積。從2018 年7 月份以后，分三次逐步調(diào)整風(fēng)口面積，進(jìn)風(fēng)面積由0.334 8 m2調(diào)整逐步縮小至0.332 1 m2。風(fēng)口調(diào)整布局如圖3 所示。

圖3 風(fēng)口最小進(jìn)風(fēng)面積分布圖

4.2 高爐料制優(yōu)化技術(shù)

現(xiàn)項目開展過程中，針對韶鋼7 號高爐爐齡達(dá)14 年的特點，爐身大量冷卻壁燒壞，成員認(rèn)真分析總結(jié)了韶鋼7 號高爐的爐型變化趨勢，并完善了型結(jié)構(gòu)參數(shù)模型，從新校對了爐缸體積與安全容鐵量標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)采取排鋅技術(shù)措施提高基礎(chǔ)理論依據(jù)。

通過對上部布料制度進(jìn)行優(yōu)化，以中心加焦為技術(shù)手段，逐步增加中心焦比例，強(qiáng)化中心氣流，改善高爐排鋅能力。中心加焦比例由2018 年7 月份的3 圈，逐步增加到2019 年3 月份的4.25 圈，中心加焦量由25%增加到34%左右，目前維持在4.25 圈左右微調(diào)，進(jìn)一步強(qiáng)化了中心氣流后，爐況穩(wěn)定性增強(qiáng)。

針對2018 年7—8 月，高爐在休風(fēng)復(fù)風(fēng)后，出現(xiàn)燒壞風(fēng)口小套的工藝事故，經(jīng)過項目組成員研究，認(rèn)為在休風(fēng)過程中，風(fēng)口堆焦不合理，渣鐵滴落導(dǎo)致小套燒壞。鑒于此，在2018 年10 月份的休風(fēng)料加入過程中，采取來集中加入兩批凈焦的模式，同時計算好加焦時間，保證休風(fēng)后風(fēng)口全部堆焦。

通過對休、復(fù)風(fēng)后爐缸狀態(tài)進(jìn)行研究，考慮爐溫因素以及煤氣流分布情況，一般在休風(fēng)復(fù)風(fēng)期間，適當(dāng)退礦批至。裝料制度的調(diào)整采用疏松邊緣強(qiáng)化中心，發(fā)展兩道氣流以此引導(dǎo)爐況恢復(fù)，后續(xù)爐況走順并風(fēng)量、礦批恢復(fù)后，逐步調(diào)整中心焦量至恢復(fù)常態(tài)。

4.3 高爐出渣鐵制度優(yōu)化（見圖4）

圖4 出鐵模式分布圖

為了穩(wěn)定爐況，改善爐缸工作狀態(tài)，為高爐加風(fēng)創(chuàng)造條件，將出鐵模式由“兩用一備”改“三個鐵口輪流出鐵”同時組織對鐵高鐵口合格率進(jìn)行攻關(guān)，解決了高爐鐵口漏鐵的問題、解決了新投鐵口深度淺的問題，鐵口合格率提高至98%，出渣鐵穩(wěn)定性增強(qiáng)。

4.4 增加入爐風(fēng)量

實踐證明，鋅主要隨爐頂煤氣排出，瓦斯灰中w（Zn）達(dá)95%以上。在通過以上技術(shù)措施實施后，高爐嘗試逐步加風(fēng)，風(fēng)量由4 600 m3/min 增加到5 000 m3/min，高爐排鋅能力得到了進(jìn)一步增強(qiáng)（見圖5）。同時，各項指標(biāo)得到了明顯改善。

圖5 入爐風(fēng)量、氧量趨勢圖

4.5 提高爐頂煤氣流速

經(jīng)過以上各項操作制度的優(yōu)化，7 號高爐風(fēng)速由245 m/s 逐步提高到270 m/s，鼓風(fēng)動能從110 kJ/s 提高到135 kJ/s（見圖6），為爐頂煤氣流排鋅創(chuàng)造了有利條件。

圖6 鼓風(fēng)動能趨勢圖

5 結(jié)論

對高爐排鋅技術(shù)的重視，建立了原燃料需求條件標(biāo)準(zhǔn)，為高爐的長期穩(wěn)定順行提供了保證。同時，拍鋅技術(shù)的實施實現(xiàn)了高爐入爐鋅負(fù)荷與排鋅量的平衡，降低了鋅在高爐內(nèi)部的循環(huán)富集，杜絕了風(fēng)口流出鋅液現(xiàn)象。

1）適當(dāng)開放高爐中心氣流，增加鋅從爐頂煤氣的排除量，盡可能避免鋅蒸汽重新凝固回落到爐料中，減少鋅在高爐內(nèi)的積累，縮小爐內(nèi)循環(huán)。

2）加大鋅等可利用資源的回收力度，減少爐外循環(huán)的鋅富集，穩(wěn)定高爐鋅負(fù)荷，實現(xiàn)高爐的平穩(wěn)運(yùn)行。

3）利用高爐瓦斯灰、除塵灰回收提取ZnO，解決了韶鋼固體廢棄物排放帶來的環(huán)境污染問題，又增大固廢回配量，降低了原料成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。

4）該項技術(shù)的實施還帶來了中心加焦技術(shù)的突破，優(yōu)化了造渣制度，實現(xiàn)了高爐各項指標(biāo)的提升。