劉海彬 

（凌源鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司第二煉鐵廠）

摘要 對(duì)凌鋼5號(hào)高爐入爐原燃料、爐渣、各種除塵灰等進(jìn)行了取樣分析，測(cè)定各種物料堿金屬、鋅含量，結(jié)合高爐實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)5號(hào)高爐進(jìn)行了堿金屬負(fù)荷、鋅負(fù)荷的研究。結(jié)果表明，凌鋼5號(hào)高爐堿金屬負(fù)荷為5.8082kg/t，鋅負(fù)荷為2290.12g/t，已嚴(yán)重影響高爐生產(chǎn)。根據(jù)堿金屬、鋅的分布，提出了降低堿金屬負(fù)荷、鋅負(fù)荷的措施。

關(guān)鍵詞 高爐 堿金屬負(fù)荷 鋅負(fù)荷 

2012年10月12日凌鋼5號(hào)2300m3高爐投產(chǎn)，高爐采用了多項(xiàng)成熟可靠、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益明顯的新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備，配備了與2300m3高爐配套的鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)、原料運(yùn)輸、渣鐵處理、干法煤氣除塵、卡魯金熱風(fēng)爐、噴煤、TRT發(fā)電和出鐵場(chǎng)除塵等系統(tǒng)，特別是在高爐爐型及內(nèi)襯選擇、高風(fēng)溫、水渣處理、干法除塵以及檢測(cè)手段設(shè)置等方面更加完善合理，以期實(shí)現(xiàn)一代爐役壽命（無(wú)中修）15年的技改目標(biāo)。

    2014年上半年，高爐相繼出現(xiàn)風(fēng)口中套上翹、煤氣管道粘結(jié)嚴(yán)重等問(wèn)題，計(jì)劃?rùn)z修時(shí)風(fēng)口前發(fā)現(xiàn)白色液態(tài)金屬流出，經(jīng)化驗(yàn)Zn含量超過(guò)80%，這表明5號(hào)高爐鋅富集已經(jīng)非常嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)高爐布袋灰、重力除塵灰等進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)堿金屬、鋅含量非常高。為此，對(duì)5號(hào)高爐入爐原燃料及其產(chǎn)物進(jìn)行了取樣和化驗(yàn)，系統(tǒng)分析了堿金屬負(fù)荷（本文指K₂O Na₂O）、鋅負(fù)荷情況。

1  堿金屬和鋅在高爐冶煉中的危害

1 堿金屬

堿金屬主要以硅鋁酸鹽和硅酸鹽形態(tài)存在，這些堿金屬礦物熔點(diǎn)很低，一般為800～1000℃。在高爐內(nèi)大于1000℃的高溫區(qū)里，一部分進(jìn)入爐渣，一部分則被碳還原成鉀和鈉元素。由于鉀和鈉的沸點(diǎn)分別只有799、822℃，所以被還原出來(lái)后立即氣化而隨煤氣上升，在不同的溫度區(qū)域又與其他物質(zhì)反應(yīng)生成氰化物、氟化物和硅酸鹽等，但大部分與CO反應(yīng)生成碳酸鹽。鉀和鈉及其碳酸鹽在高爐上部的中低溫區(qū)域進(jìn)行循環(huán)和富集，鉀和鈉的氰化物則在600～1600℃進(jìn)行循環(huán)和富集^[1]。

堿金屬對(duì)高爐的不利影響主要有：

（1) 降低礦石軟熔溫度，軟熔區(qū)間拉大，使礦石尚未充分還原就已經(jīng)熔化滴落，增加了高爐下部直接還原熱量消耗。

（2) 引起球團(tuán)礦異常膨脹而嚴(yán)重粉化。

（3) 強(qiáng)化焦炭的氣化反應(yīng)能力，使焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度急劇降低而粉化，嚴(yán)重惡化高爐料柱透氣性，危及高爐順行。

（4) 液態(tài)或固態(tài)堿金屬粘附于爐襯上，容易形成爐墻結(jié)瘤，又能直接破壞磚襯。堿金屬氧化物與耐火磚襯發(fā)生反應(yīng)形成低熔點(diǎn)化合物，并與磚中AI₂O₃形成鉀霞石和白榴石，使磚的體積膨脹30～50%，從而導(dǎo)致磚襯剝落。研究表明，爐腹、爐腰和爐身中下部磚襯破損原因中，堿金屬和鋅的破壞作用約占40%^[2]。

（5）堿金屬和鋅對(duì)爐缸、爐底侵蝕危害更大。在高爐風(fēng)口附近，含有堿金屬和鋅蒸汽的煤氣流在風(fēng)口周圍砌體的縫隙滲入，在爐襯中800～1030℃的溫度區(qū)間侵蝕高鋁磚，形成初始環(huán)縫。隨著堿金屬、鋅侵蝕反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，環(huán)縫逐漸在高鋁磚砌體中擴(kuò)展并向下延伸，逐步侵蝕爐缸、爐底砌體，影響高爐長(zhǎng)壽。

2 鋅

鋅主要以鐵酸鹽（ZnO·Fe₂O₃)、硅酸鹽（ZnO·SiO₂)及硫化物(ZnS)的形式存在。在高爐進(jìn)行冶煉時(shí)，鋅的硫化物先轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的氧化物，然后在不小于1000℃的高溫區(qū)被CO還原為氣態(tài)鋅（ZnO CO=Zn（g） CO₂-180.5KJ)，沸點(diǎn)(907℃)很低的鋅蒸汽，隨煤氣流上升，到達(dá)溫度較低的區(qū)域時(shí)冷凝（580℃）而再氧化，再氧化形成的氧化鋅細(xì)粒一部分附著于上升過(guò)程中的流煤氣中的粉塵中被帶出爐外，而另一部分附著于下降的爐料中被再次帶入高溫區(qū)，周而復(fù)始，就形成了鋅在高爐內(nèi)的循環(huán)富集現(xiàn)象。除此之外，高爐布袋灰、瓦斯灰中含有大量鋅，這些布袋灰、瓦斯灰又進(jìn)行了燒結(jié)配料，因此，鋅又存在于燒結(jié)-高爐-燒結(jié)這個(gè)大循環(huán)中。

鋅對(duì)高爐的不利影響主要有：

（1）影響高爐長(zhǎng)壽：部分鋅蒸氣進(jìn)入磚襯的氣孔和磚縫后冷凝并被氧化成氧化鋅，氧化鋅結(jié)晶和生成體積增大，造成爐襯異常膨脹，加快爐襯的侵蝕速度。

（2）影響高爐順行：當(dāng)鋅的循環(huán)富集加劇，高爐內(nèi)粘結(jié)也嚴(yán)重。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。富集嚴(yán)重時(shí)，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)。

2  高爐中堿金屬和鋅的控制水平

2.1 堿金屬的控制標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外部分企業(yè)大型高爐的堿金屬負(fù)荷控制水平為：日本新日鐵小于2.5kg/t，日本川崎制鐵小于3.1kg/t，德國(guó)ATHSchwelgen工廠小于4.0kg／t，瑞典GrangesSteel工廠小于7.0kg／t，加拿大Dofasco工廠小于2.8kg/t，加拿大Steelco工廠小于3.0kg/t，中國(guó)寶鋼小于2.0kg/t。由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外部分企業(yè)高爐堿金屬負(fù)荷控制水平為2.0-7.0kg/t，大型高爐堿金屬負(fù)荷可接受的控制標(biāo)準(zhǔn)為2.2kg/t。

2.2 鋅的控制標(biāo)準(zhǔn)

1998-2000年國(guó)內(nèi)外部分企業(yè)高爐的鋅負(fù)荷為40-192g/t，國(guó)際上公認(rèn)的鋅負(fù)荷可接受的水平為150g/t，我國(guó)寶鋼為200g/t。按此計(jì)算，高爐爐料(包括原燃料)的鋅含量平均控制水平為0.007％(國(guó)際)和0.009％(寶鋼)。1998～2000年國(guó)內(nèi)外部分企業(yè)高爐鋅負(fù)荷為：奧地利奧鋼聯(lián)75g/t，芬蘭Raahe64g/t，中國(guó)寶鋼2、3號(hào)高爐分別為130g/t、40g/t。

3 高爐堿金屬收支平衡分析

3.1 堿金屬收入項(xiàng)分析

采樣期間凌鋼5號(hào)高爐日產(chǎn)鐵量5400t，焦比450kg/t，煤比155kg/t，爐料結(jié)構(gòu)為：燒結(jié)礦63% 球團(tuán)礦37%。分析高爐堿金屬收入項(xiàng)（如表1所示）得出凌鋼5號(hào)高爐堿金屬負(fù)荷為5.8082kg/t。其中燒結(jié)礦帶入堿金屬量最多，占比達(dá)36.87%，其次為球團(tuán)礦和焦炭，比例分別為29.61%和26.12%。煤粉帶入堿金屬量較少，總計(jì)7.85%。由表1中數(shù)據(jù)可以看出，燒結(jié)礦因配比高，帶入堿金屬量最多，而球團(tuán)礦和外購(gòu)焦炭因自身含堿金屬量較高，使得堿金屬含量分別達(dá)到29.61%、26.12%。

與國(guó)內(nèi)外高爐相比，凌鋼5號(hào)高爐堿金屬負(fù)荷處于較高水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大型高爐堿金屬負(fù)荷可接受的控制標(biāo)準(zhǔn)2.2kg/t，需要引起重視并加以控制。

表1  5號(hào)高爐堿金屬入爐項(xiàng)分析

3.2堿金屬支出項(xiàng)分析

對(duì)各種高爐產(chǎn)出物化驗(yàn)計(jì)算（見(jiàn)表2）得出凌鋼5號(hào)高爐噸鐵支出堿金屬量為3.202kg/t。其中爐渣帶出的堿金屬量最多，達(dá)到80.51%，其次為布袋除塵灰16.21%，出鐵場(chǎng)除塵灰、重力除塵灰?guī)С鰤A金屬量較少。

表2  5號(hào)高爐堿金屬支出項(xiàng)分析

由此可見(jiàn)，凌鋼5號(hào)高爐處于堿金屬循環(huán)富集狀態(tài)，循環(huán)富集量高達(dá)2.6062kg/t，循環(huán)富集率44.87%，排堿控制不理想。

4 高爐鋅收支平衡分析

鋅主要來(lái)源于高爐入爐的燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、焦炭及混合煤粉。鋅的排出主要是從高爐煤氣煙塵及爐渣排出。

4.1鋅的收支情況

對(duì)高爐入爐料燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、焦炭及混合煤粉及高爐產(chǎn)品、副產(chǎn)品（包括爐渣、重力除塵灰、布袋灰及出鐵場(chǎng)除塵灰）進(jìn)行半年時(shí)間的取樣化驗(yàn)。各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3  5號(hào)高爐鋅入爐項(xiàng)分析

表4  5號(hào)高爐鋅支出項(xiàng)分析

從表3可以看出，高爐入爐料中，球團(tuán)礦中鋅含量最高，球團(tuán)礦在高爐爐料結(jié)構(gòu)中的配比為37%；燒結(jié)礦中鋅含量低于球團(tuán)礦，但由于燒結(jié)礦配比為63%，所以入爐燒結(jié)礦與球團(tuán)礦帶入的鋅量基本持平，二者相加所占比例高達(dá)86.74%。

由表4可以看出，支出項(xiàng)中布袋除塵灰中鋅含量最高，占總支出的74.94%。高爐爐渣鋅含量比較低，為0.0992%，但由于渣量比較大，由爐渣帶走的鋅占鋅支出項(xiàng)的22.43%。

4.2 鋅的平衡分析

由表3、表4可知，凌鋼5號(hào)高爐鋅負(fù)荷為2290.12g/t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)際上公認(rèn)的鋅負(fù)荷可接受的水平150g/t，所以必須加以嚴(yán)格控制，否則會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

凌鋼5號(hào)高爐鋅平衡的相對(duì)誤差為28.56%，這個(gè)誤差在工業(yè)生產(chǎn)中是允許的。國(guó)外高爐在進(jìn)行鋅平衡計(jì)算時(shí)其相對(duì)誤差通常在20%～30%以上^[3]。而引起高爐內(nèi)鋅的收支不平衡的主要原因是高爐內(nèi)的鋅在不同生產(chǎn)階段有一個(gè)積累和集中排出的過(guò)程，高爐內(nèi)的鋅量是循環(huán)變化的。

    由表3可知，燒結(jié)礦與球團(tuán)礦中帶入的鋅量最多，即絕大部分鋅是由燒結(jié)礦與球團(tuán)礦帶入高爐的。因此，要控制高爐入爐鋅量，首要控制的就是入爐礦石中的鋅含量。其次是禁止高鋅的布袋除塵灰在燒結(jié)工序中使用，有效地降低凌鋼高爐鋅負(fù)荷。

5  堿金屬及鋅負(fù)荷控制對(duì)策措施

針對(duì)過(guò)高的堿金屬及鋅負(fù)荷，應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行控制：

（1)制訂凌鋼高爐堿金屬及鋅負(fù)荷控制標(biāo)準(zhǔn)。參照國(guó)內(nèi)先進(jìn)鋼企相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合凌鋼自身原料及生產(chǎn)條件，適當(dāng)兼顧固廢返生產(chǎn)工作要求，制定合理堿金屬及鋅含量控制標(biāo)準(zhǔn)。

（2)修訂完善鐵前大宗原燃料進(jìn)廠、生產(chǎn)樣及產(chǎn)副品，包括鐵后、化工各工序等所有固廢的檢化驗(yàn)制度，明確各物料品種的取樣點(diǎn)、頻次及檢測(cè)項(xiàng)目，進(jìn)一步加強(qiáng)公司全流程所有相關(guān)物料堿金屬和鋅含量的檢測(cè)、預(yù)警和管控工作。

（3)燒結(jié)礦生產(chǎn)應(yīng)停止各類除塵灰使用量。

（4)建立重點(diǎn)工序堿金屬和鋅負(fù)荷統(tǒng)計(jì)臺(tái)賬和分析制度；編制高爐和燒結(jié)工序的堿金屬和鋅元素超標(biāo)應(yīng)對(duì)預(yù)案。

（5）制定高爐定期排堿措施。嚴(yán)格執(zhí)行高爐定期排堿制度。堿金屬主要從爐渣排出，這就要求爐渣具有較好的排堿性能，要求爐渣具有較好的流動(dòng)性，堿度不宜過(guò)高，控制1.1～1.15排堿效果最好。

(6)采用轉(zhuǎn)底爐脫鋅工藝，該工藝的優(yōu)點(diǎn)是：①生產(chǎn)效率高。因不添加任何固體燃料，所以還原時(shí)間僅為10～20min；②附加值高。脫鋅率大于90％，且鋅粉得到回收，主要產(chǎn)品為金屬化率大于70％、品位約為68％的金屬化球團(tuán)。轉(zhuǎn)底爐脫鋅是一種環(huán)保、高效的脫鋅工藝，能夠解決鋅在燒結(jié)和高爐生產(chǎn)過(guò)程中的循環(huán)富集，降低高爐鋅負(fù)荷。

6  結(jié)語(yǔ)

（1）凌鋼5號(hào)高爐堿金屬主要來(lái)源是燒結(jié)礦、球團(tuán)礦，爐渣是堿金屬的主要排出載體。鋅元素的主要來(lái)源也是燒結(jié)礦和球團(tuán)礦，布袋除塵灰是鋅元素的主要排出載體。而燒結(jié)礦、球團(tuán)礦中的堿金屬、鋅含量主要來(lái)源于地方精礦粉，因此，針對(duì)地方精礦粉如何控制至關(guān)重要。

（2）目前，凌鋼5號(hào)高爐堿金屬負(fù)荷為5.8082kg/t，鋅負(fù)荷為2290.12g/t，已經(jīng)嚴(yán)重影響到高爐的安全、穩(wěn)定生產(chǎn)，必須在原燃料采購(gòu)環(huán)節(jié)對(duì)堿金屬、鋅負(fù)荷進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（3）凌鋼5號(hào)高爐的堿金屬排出率偏低，必須嚴(yán)密監(jiān)控高爐的堿金屬平衡，必要時(shí)采取排堿措施。

（4）建議相關(guān)鋼鐵企業(yè)采用轉(zhuǎn)底爐等新工藝，降低高爐堿金屬和鋅負(fù)荷。

7  參考文獻(xiàn)

[1] 周傳典.高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)[M].北京: 冶金工業(yè)出版社，2002.

[2] 項(xiàng)鐘庸，王筱留. 煉鐵工藝設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M]. 北京:冶金工業(yè)出版，2007.

［3] 劉裕信.鋅在高爐中的行為[J].國(guó)外鋼鐵,1994(2):22.