摘   要  研究鋅富集機(jī)理及對凌鋼高爐的危害，并提出排鋅措施。

關(guān)鍵詞  高爐   鋅危害   排鋅措施

1  前言

凌鋼目前5座高爐總爐容為5367m3，全部采用PW無鐘爐頂，爐缸為陶瓷杯結(jié)構(gòu)。高爐爐況運(yùn)行平穩(wěn)，產(chǎn)量逐年攀升，現(xiàn)已達(dá)到年產(chǎn)490萬噸合格生鐵的能力。公司在不斷改善煉鐵原燃料條件及優(yōu)化配礦同時，鋅害對高爐的影響已嚴(yán)重威脅高爐長期穩(wěn)定運(yùn)行和成本降低。探究和分析鋅害的形成機(jī)理，并采取有效控制措施對凌鋼高爐穩(wěn)產(chǎn)低耗意義重大。

2  鋅富集的機(jī)理

鋅是高爐原料中的一種微量元素，在鐵礦石中主要以紅鋅礦（ZnO）和閃鋅礦（ZnS）存在，在燒結(jié)礦中主要以鐵酸鹽（ZnO.Fe2O3）、硅酸鹽（2ZnO.SiO2）及硫化物（ZnS）的形式存在。其硫化物先轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的氧化物，然后在大于1000℃的高溫區(qū)被C還原為氣態(tài)鋅（鋅的沸點(diǎn)為907℃）：ZnO+C=Zn（氣）+CO -237730(J/mol),鋅蒸氣隨煤氣上升，到達(dá)溫度較低的塊狀帶時冷凝而再氧化(鋅熔點(diǎn)419.53℃)：Zn+CO2=ZnO+CO+65190(J/mol)。再氧化形成的氧化鋅細(xì)粒附著于上升煤氣的粉塵中被帶出爐外，富含鋅的高爐煤氣除塵灰被用于燒結(jié)原料，而燒結(jié)過程不能脫鋅。含鋅的燒結(jié)礦作為高爐的主要原料重新回到高爐，這就形成了高爐與燒結(jié)工序間的鋅富集大循環(huán)（圖1）。

再氧化形成的氧化鋅細(xì)粒附著于塊狀帶的低溫爐料并隨爐料下降，再次進(jìn)入高溫區(qū)再被還原成氣態(tài)鋅。周而復(fù)始，就形成了高爐內(nèi)部鋅富集的小循環(huán)。高爐內(nèi)鋅循環(huán)富集造成了熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致渣鐵溫度降低，爐渣粘度升高，破壞高爐穩(wěn)定順行，而在低溫區(qū)的氧化放熱使?fàn)t頂煤氣溫度升高，焦比上升。部分鋅蒸氣進(jìn)入磚襯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，脆化，影響高爐壽命。

2  鋅對凌鋼高爐的危害

2.1  對高爐風(fēng)口區(qū)域的危害

2.1.1  風(fēng)口中套變形導(dǎo)致漏煤氣嚴(yán)重

凌鋼原3號750m3高爐于2007年6月份投產(chǎn)，開爐不到一年，3#、4#、5#風(fēng)口風(fēng)口二套與大套間開始出現(xiàn)煤氣泄漏現(xiàn)象，后續(xù)逐漸發(fā)展到所有風(fēng)口；2008年12月投產(chǎn)的原4號1080m3高爐及2012年10月份投產(chǎn)的2300m3高爐在開爐一年以后均出現(xiàn)了相同的狀況。為治理煤氣泄漏，每次利用檢修對煤氣泄漏嚴(yán)重的風(fēng)口中套進(jìn)行更換，中套卸下后，自爐墻流出大量白色液態(tài)金屬，遇熾熱焦炭燃燒產(chǎn)生藍(lán)綠色火焰，燃燒處留下白色粉末，經(jīng)化驗(yàn)其主要成分為氧化鋅。

2.1.2  爐墻上漲嚴(yán)重

由于爐墻上漲（見圖片），被迫對風(fēng)口組合磚進(jìn)行處理安裝風(fēng)口中套。

中套卸下后風(fēng)口組合磚表面已經(jīng)超出大套接觸面約30㎜，考慮二套與組合磚設(shè)計有30㎜的緩沖泥漿，爐墻上漲約60㎜。風(fēng)口前爐墻周圍均出現(xiàn)顆粒狀銀白色金屬；大套前端面與組合磚間約有20㎜裂縫，應(yīng)為磚襯上漲與大套不同步所致。

2.1.3  風(fēng)口大套斷裂

原3號750m3高爐3#、5#風(fēng)口大套和4號1080m3高爐4#、10#風(fēng)口大套下部均發(fā)生過斷裂現(xiàn)象，這是非常罕見的。經(jīng)技術(shù)人員分析判斷，爐內(nèi)的嚴(yán)重鋅富集是使?fàn)t墻上漲而導(dǎo)致風(fēng)口大套下部斷裂的直接和重要的原因。

2.2  對高爐操作影響

2017年7月8日，2300m3高爐爐況出現(xiàn)波動，主要表現(xiàn)在上部靜壓波動大且中上部11段冷卻壁周向4點(diǎn)靜壓差距在20kpa左右，高爐受風(fēng)能力差，煤氣流二次分布不合理，爐體熱負(fù)荷穩(wěn)定且一直處于較低水平（10000MJ/h.℃左右），爐況運(yùn)行十分艱難，冶強(qiáng)較正常水平降低0.33t/m3.d，燃耗升高35kg/t。通過采取提高原燃料質(zhì)量、優(yōu)化入爐燃料結(jié)構(gòu)、調(diào)整上部操作制度、改善爐渣性能等一系列有效措施，逐步修復(fù)操作爐型，爐況恢復(fù)正常。經(jīng)鐵廠及相關(guān)技術(shù)術(shù)人員分析，此次爐況波動的重要原因?yàn)闋t內(nèi)鋅富集嚴(yán)重，導(dǎo)致爐身下部區(qū)域渣皮厚度嚴(yán)重不均，造成操作爐型不合理，給公司及鐵廠生產(chǎn)經(jīng)營造成嚴(yán)重影響。

2014年至2017年期間，每年均發(fā)生高爐原燃料條件、各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)和爐況平穩(wěn)運(yùn)行情況下，某一爐次出鐵時，鐵溝中呈現(xiàn)大量藍(lán)色絮狀煙霧落到鐵鉤兩側(cè)形成白色粉末，經(jīng)化驗(yàn)主要成分為氧化鋅，鐵水物理熱驟然下降。在查找所有原因并經(jīng)篩選確認(rèn)，是因渣皮（含鋅氧化物）脫落進(jìn)入爐缸所致。

2.3  對高爐煤氣系統(tǒng)影響

2010年2～3月間，4號高爐（1080m3）在清放灰過程中發(fā)現(xiàn)布袋除塵部分箱體無灰，經(jīng)檢查分析判定部分箱體荒煤氣支管堵塞。休風(fēng)卸下支管膨脹節(jié)檢查，發(fā)現(xiàn)2#、5#、7#、9#、10#箱體支管堵塞嚴(yán)重，直徑700mm的管道僅余不足100mm。2015年2月份，5號高爐發(fā)現(xiàn)布袋除塵荒、凈煤氣總管壓差達(dá)到12kpa，而單箱體壓差在3kpa之內(nèi)，高爐凈煤氣均壓遲緩，影響高爐正常生產(chǎn)。初步判斷分析荒煤氣支管和總管有堵塞，3月末檢修發(fā)現(xiàn)9個箱體荒煤氣出口支管和總管均有不同程度堵塞。由此造成導(dǎo)致高爐頂壓波動較大，影響爐況正常運(yùn)行，布袋灰量明顯減少。

2.4  對燒結(jié)生產(chǎn)影響

高爐灰（重力灰、布袋灰、出鐵場除塵灰）按不同比例配入燒結(jié)混勻料后，給燒結(jié)生產(chǎn)帶來一定困難。凌鋼燒結(jié)機(jī)近年來時常發(fā)生燒結(jié)機(jī)糊堵篦條現(xiàn)象，導(dǎo)致燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量下滑，被迫停產(chǎn)處理（見圖片）。

2.5  對其他方面影響

2.5.1  布袋除塵灰易自燃和結(jié)塊，卸車?yán)щy

在檢修箱體時，因布袋灰含鋅量高，開下人孔過早，除塵灰自燃導(dǎo)致箱體布袋部分燒毀。卸車時車內(nèi)布袋灰凝結(jié)成一體，被迫使用鉤機(jī)卸車。

2.5.2  對TRT系統(tǒng)的影響

2012年，凌鋼原3、4號高爐運(yùn)行的TRT余壓發(fā)電機(jī)組，在噴灑阻垢劑前每次運(yùn)行時間僅在一個月左右，甚至20天就因振動超標(biāo)停機(jī)檢修。檢修時發(fā)現(xiàn)透平機(jī)靜葉和轉(zhuǎn)子結(jié)垢嚴(yán)重。對結(jié)垢物成分（％）分析結(jié)果見下表：

為1kg/t左右，是設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的7-9倍，高爐布袋灰鋅含量在10-22%（見表1），說明高爐鋅富集已非常嚴(yán)重。結(jié)合國內(nèi)部分同立級高爐要求入爐鋅負(fù)荷控制在≤0.5kg/t（見表2）。5號高爐鋅含量主要由原料礦帶入，燒結(jié)約為50%，球團(tuán)礦約為38%，其中原料礦中的地方礦（含四合一）帶入鋅含量大于70% ，為主要鋅負(fù)荷攝入源（見表3）

3  高爐排鋅途徑

3.1  從爐頂煤氣排出

附著于細(xì)小顆粒隨煤氣排出，進(jìn)入高爐重力除塵灰，布袋除塵灰（濕法除塵為瓦斯泥）。而凈煤氣含鋅極少?？梢哉J(rèn)為由爐頂煤氣帶走的鋅全部進(jìn)入根據(jù)《高爐煉鐵工藝設(shè)計規(guī)范》要求標(biāo)準(zhǔn)入爐鋅負(fù)荷＜0.15kg/t，而我廠2016年上半年之前高爐鋅負(fù)荷重力除塵灰和布袋除塵灰。

3.2  從鐵口隨渣鐵排出

從表中可以看出（1）高爐主要依靠重力灰、布袋灰（濕法除塵為瓦斯泥）及出鐵場灰塵排鋅。（2）鋅在渣鐵與出鐵場灰塵之間的分配是由于鋅的沸點(diǎn)低、高溫下易揮發(fā)的特性造成的。（3）布袋灰（瓦斯泥）的鋅含量遠(yuǎn)高于重力灰，說明鋅主要吸附在細(xì)小的粉塵顆粒中。

4  高爐排鋅措施

針對凌鋼高爐入爐鋅負(fù)荷高，嚴(yán)重富集現(xiàn)狀及對高爐爐況、生產(chǎn)操作的影響，在引起公司及鐵廠高度重視的同時，必須采取有效排鋅措施，確保爐況長期穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1  調(diào)整高爐操作制度兼顧排鋅

采取合理的操作制度利于提高高爐排鋅能力。提高煤氣和渣鐵排鋅量，使鋅盡可能進(jìn)入重力灰、布袋灰、出鐵場除塵灰而減少其在爐內(nèi)的富集。下表是前蘇聯(lián)切列波維茨冶金廠高爐的操作實(shí)例。

由上表可見，合理的高爐操作制度可以達(dá)到提高煤氣排鋅能力的效果。通過降低頂壓、

縮小礦批、開放中心氣流等措施提高爐內(nèi)排鋅量。但是在開放中心氣流同時防止邊緣煤氣流過分發(fā)展，否則極易造成爐身上部或爐喉結(jié)鋅。另外，可以有計劃地提高爐溫降低爐渣堿度，增加渣鐵排鋅量，減輕鋅對爐缸磚襯侵侵蝕。

4.2  切斷高爐與燒結(jié)工序間鋅富集鏈

高爐操作調(diào)劑降低鋅的危害，不能從根本上解決問題。所以切斷鋅富集鏈應(yīng)是降低鋅害的主要措施：

（1）進(jìn)一步優(yōu)化配礦結(jié)構(gòu)，減少燒結(jié)礦和球團(tuán)礦使用原料礦中的地方礦用量，在保證燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量前提下，提高使用進(jìn)口礦等含鋅量較低的礦粉。同時控制高爐布袋灰、重力灰、出鐵場除塵灰在燒結(jié)原料的使用量。

（2）采用轉(zhuǎn)底爐處理含鋅固廢工藝。凌鋼近幾年始終關(guān)注入爐鋅負(fù)荷及對高爐的危害和影響，并對高爐布袋灰的鋅含量進(jìn)行化驗(yàn)分析，同時也階段性停止在燒結(jié)原料中配加布袋灰，效果顯著：①燒結(jié)機(jī)糊篦子現(xiàn)象明顯減少；②高爐爐頂溫度降低；③除塵灰自燃和凝塊現(xiàn)象基本消失。然而，這種方法只能是權(quán)宜之計，從環(huán)保和節(jié)約資源上都不足取。

4.3  強(qiáng)化高爐排鋅理念，建立長效控鋅和排鋅機(jī)制

（1）高爐操作者及技術(shù)人員需強(qiáng)化排鋅理念。煤氣是熱能和鋅金屬的攜帶者，排鋅的重要途徑是高爐煤氣，煤氣量大、溫度高的爐料含鋅量也隨之增加。保證爐況順行前提下，提高風(fēng)量、穩(wěn)定爐溫，物理熱≥1490℃，控制合理的爐渣堿度和頂溫，保持強(qiáng)勁開放的中心氣流（大于600℃），穩(wěn)定邊緣氣流，最大程度提高爐內(nèi)排鋅量。

（2）堅持精料方針，完善進(jìn)廠礦粉鋅含量、鈦含量及堿金屬含量等對高爐有害元素的考核準(zhǔn)入制度。

（3）建立高爐定期排鋅制度和鋅富集量預(yù)警制度，超過預(yù)警值時，高爐可采取有效措施

集中排鋅。

（4）加強(qiáng)入爐高爐原燃料鋅含量管控，及時核算入爐鋅負(fù)荷及排出量，加強(qiáng)冷卻壁壁面溫度及焓值監(jiān)控，保持高爐合理操作爐型。

5  結(jié)語

（1）鋅的循環(huán)富集，存在于高爐內(nèi)小循環(huán)和燒結(jié)-高爐間的大循環(huán)。高爐必須堅持精料方針，嚴(yán)格控制入爐鋅、鈦含量。

（2）鋅及氧化物極易造成爐墻粘結(jié)，破壞操作爐型，影響氣流合理分布。同時破壞爐缸爐底磚襯，影響高爐壽命。

（3）排出鋅金屬的主要渠道是高爐煤氣，必須要保持強(qiáng)勁的中心氣流，提高爐塵帶出鋅量。