張武剛
(新余鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，江西 新余 338001)
摘 要：通過對(duì)新鋼高爐原燃料及進(jìn)廠鐵料進(jìn)行分析，明確新鋼高爐入爐鋅的主要來源為轉(zhuǎn)爐污泥、大頂?shù)V及外購球團(tuán)，燃料帶入鋅較少，僅占 1%~1。5%。 針對(duì)新鋼鋅負(fù)荷高且爐況順行度及指標(biāo)較好的 6#、10# 高爐，以及因爐身上部結(jié)厚，指標(biāo)較差的 11# 高爐十字測(cè)溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，強(qiáng)化高爐中心氣流，提高中心溫度才能有效減輕高爐內(nèi)鋅循環(huán)，降低鋅害，高爐布袋灰的含鋅量能客觀反映高爐中心氣流強(qiáng)弱。高爐渣排鋅較少，占入爐鋅的 1%~2%。
關(guān)鍵詞：高爐；鋅負(fù)荷；原料來源；控制措施
0 引 言
高爐原料中鋅通常以氧化物或硫化物進(jìn)入高爐[1]，高爐冶煉時(shí)，其硫化物先轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的氧化物，在不低于 1000 ℃的高溫區(qū)還原為 Zn，還原出 來的 Zn 氣化混入煤氣，上升過程中有一部分隨煤氣逸出爐外， 一部分凝結(jié)成固態(tài)重新回到爐料，少量在管道中凝集， 一部分又被氧化成 ZnO 并被爐料吸收再度下降還原，形成循環(huán)[2]。其危害主要表現(xiàn)：①進(jìn)入礦石或焦炭?jī)?nèi)部被氧化成 ZnO 后，由于體積膨脹產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力， 導(dǎo)致礦石和焦炭的強(qiáng)度降 低，增大球團(tuán)礦和燒結(jié)礦的粉化指數(shù)；于隨煤氣上升過程中，阻塞礦石和焦炭孔隙，惡化爐料透氣性； ②滲入爐襯耐火材料縫隙中，隨溫度降低冷凝并氧化形成 ZnO 體積膨脹，破壞耐火材料結(jié)構(gòu)，加速爐襯侵蝕；榆鋅蒸汽氧化并冷凝在爐喉堯爐身等部位， 粘結(jié)塵垢，形成爐瘤[3-7]。 隨鋼材市場(chǎng)好轉(zhuǎn)，廢鋼使用量增加造成轉(zhuǎn)爐污泥含鋅上升，以及環(huán)保壓力加 大造成高爐布袋灰外銷困難，2017 年以來，新鋼高爐鋅負(fù)荷逐年增加，造成高爐爐墻結(jié)厚，燃耗上升， 特別是 11# 高爐爐身上部出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)厚現(xiàn)象，為緩解鋅對(duì)高爐生產(chǎn)的影響，文中就新鋼高爐鋅負(fù)荷現(xiàn)狀、來源及控制措施進(jìn)行探討，以達(dá)到降低高爐鋅害的目的。
1 新鋼高爐鋅負(fù)荷現(xiàn)狀及來源
1.1 新鋼高爐鋅負(fù)荷現(xiàn)狀
隨著鋼材市場(chǎng)轉(zhuǎn)好，廢鋼特別是含鋅高的冷軋壓塊使用量增加，轉(zhuǎn)爐污泥含鋅增加，及環(huán)保因素影響造成布袋灰外銷困難，使新鋼高爐鋅負(fù)荷逐年增加，具體見表 1。
1.2 高爐鋅來源分析
通過對(duì)新鋼 2019 年 1-3 月高爐用料及原燃料鋅含量進(jìn)行分析，高爐入爐原燃料中主要來源于燒結(jié)礦，鋅負(fù)荷越高其所占比例越大，其次為球團(tuán)礦，燃料帶入鋅占比例較小，僅占 1%~1。5%，見表2。
1.3 鐵料鋅來源分析
為了解新鋼鐵料鋅來源， 對(duì) 2019 年 1-3 月進(jìn)廠鐵料進(jìn)行數(shù)量和含鋅量分析， 見表 3。 高爐除塵灰、瓦斯灰等高爐產(chǎn)生循環(huán)料已經(jīng)在鐵料中參與計(jì)算， 分析時(shí)不考慮。 轉(zhuǎn)爐污泥和大頂?shù)V含鋅較高， 對(duì)鋅來源影響較大， 將單獨(dú)計(jì)算。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果， 轉(zhuǎn)爐污泥堯大頂?shù)V的量?jī)H占 4。88%，帶入鐵料的鋅占 50.27%，特別是轉(zhuǎn)爐污泥帶入鋅占 35.32%。 外購球團(tuán)也是鋅的重要來源之一，其購入量?jī)H占 3.59%而帶入鋅占 8.46% ， 主要是金珠 球團(tuán)含鋅達(dá)到0.136%， 遠(yuǎn)超自產(chǎn)球團(tuán)平均含鋅 0.06%。 進(jìn)口礦帶入鋅較少，量占 72.28%，鋅僅占 14.59%。 因此，降低轉(zhuǎn)爐污泥含鋅量， 控制含鋅較高的冷軋壓塊使用， 控制大頂?shù)V及含鋅較高的外購球團(tuán)礦使用，才能有效減少鋅來源。
2 高爐鋅排出的影響因素分析
高爐鋅排出主要是隨煤氣通過重力灰、布袋灰排出，及通過渣、鐵、出鐵場(chǎng)除塵排出。 新鋼高爐重力灰、出鐵場(chǎng)除塵灰送燒結(jié)廠使用，高爐布袋灰統(tǒng)一外賣，均未單獨(dú)進(jìn)行成份檢測(cè)及計(jì)量，鐵、渣也未進(jìn)行含鋅檢驗(yàn)，難以進(jìn)行高爐鋅平衡分析，文中僅進(jìn)行影響因素定性分析。 新鋼高爐采取鐵水分級(jí)冶煉以滿足品種材生產(chǎn)需要，其中 6#、7# 高爐鐵水質(zhì)量要求低，循環(huán)料等二次資源配比高，鋅負(fù)荷高。 近年來隨環(huán)保壓力加大造成布袋外銷困難，及廢鋼使用量增加，造成高爐鋅負(fù)荷逐年上升。 為了解煤氣流分布堯爐渣對(duì)排鋅的影響，文中選取高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好，受鋅害影響小的 6#、10# 高爐，及受鋅害影響大 11# 高爐進(jìn)行對(duì)比分析。
2.1 爐渣的影響
爐渣中鋅的還原反應(yīng)如方程式（1）[8]所示。
ZnSiO3+2CaO+2C=Zn（g）+2CaO·SiO2+2CO
(1) 堿度升高后，爐渣中自由 CaO 的數(shù)量增加，促進(jìn)了該還原反應(yīng)的進(jìn)行，因此，降低爐渣堿度有利于提高高爐爐渣的排鋅能力。 取 6#、11#、10# 高爐爐渣檢測(cè)，其含鋅分別為 0.003%、0.004%、0.003%，其帶出鋅僅占高爐入爐鋅的 1%~2%，因此，靠增加爐渣排鋅來減少高爐內(nèi)部鋅的循環(huán)是不可取的， 而且爐渣堿度過低，會(huì)降低爐渣熱焓，降低爐缸溫度，影響爐況順行，降低爐渣脫硫能力，影響鐵水質(zhì)量。
2.2 高爐煤氣分布的影響
鋅在高爐內(nèi)的循環(huán)過程：1 000 ℃左右的高溫區(qū)發(fā)生反應(yīng)如方程（2），580 ℃左右低溫區(qū)發(fā)生反應(yīng)如方程（3）。
ZnO+CO=Zn+CO2 （2）
Zn+CO2=ZnO+CO （3）
由于高爐煤氣流中心溫度較高、流速快，鋅重新凝固的機(jī)會(huì)較少，強(qiáng)的中心氣流可以在短時(shí)間內(nèi)將鋅帶入煤氣， 而不被重新凝固回落到爐料中[8，9]。
邊緣氣流受爐墻冷卻影響，溫度降低快且流速較中心慢，鋅氧物易粘結(jié)在爐墻上，故鋅氧化物造成爐墻結(jié)厚，重點(diǎn)集中在爐身上部。 因此，要想增加鋅由爐頂煤氣的排出量，要適度放開中心氣流，控制邊緣氣流，減少鋅在爐內(nèi)的積累。
2.2.1 6#、10#高爐爐頂溫度
新鋼 6# 高爐 2017 年 8 月大修投產(chǎn)，有效容積 1050 m3；10# 高爐 2009 年 11 月建成投產(chǎn)， 有效容積 2500 m3。 兩座高爐鋅負(fù)荷高且相差較大， 雖存在爐墻結(jié)厚及渣皮脫落等現(xiàn)象，整體看，近幾年來爐況順行度好，特別是 10# 高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)處于行業(yè)先進(jìn)水平，具體情況見表 4。
由表 4 可知，鋅害對(duì) 6#、10# 高爐的影響較輕， 未產(chǎn)生嚴(yán)重鋅富集現(xiàn)象，說明高爐鋅的進(jìn)出基本達(dá)到了平衡。 選取 2019 年 2 月爐頂十字測(cè)溫各點(diǎn)溫度平均值見表 5 并作曲線圖見圖 1、 圖 2。 兩座高爐煤氣分布均為中心發(fā)展形，其中 10# 高爐中心平 均 402 ℃，第 5 點(diǎn)平均 120 ℃，第 1 點(diǎn)平均 94 ℃；6# 高爐中心測(cè)溫點(diǎn)壞，第 5 點(diǎn)平均 380 ℃，第 1 點(diǎn) 平均 124 ℃， 煤氣流中心溫度及范圍均遠(yuǎn)超 10# 高爐，雖然鋅負(fù)荷高，但排鋅能力強(qiáng)。 因此，高爐操作中應(yīng)隨入爐料鋅負(fù)荷增加適當(dāng)增加料柱中心布焦量，提高中心及第 5 點(diǎn)平均溫度，減少高爐內(nèi)鋅循環(huán)富集。
2.2.2 11# 高爐爐頂溫度
新鋼 11# 高爐 2011 年 12 月建成投產(chǎn)，有效容 積 1050 m3。 2017 年以前鋅負(fù)荷低于 6#堯10# 高爐， 2018 年開始上升， 目前略高于 10# 高爐。 高爐長 期中心氣流弱， 高爐內(nèi)鋅的富集造成爐身上部局 部結(jié)厚嚴(yán)重， 高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較差， 燃耗較其 它 1050 m3 高爐高 20 kg/t 左右。 2019 年 2 月 16 日大部分結(jié)厚物脫落，爐況順行度好轉(zhuǎn)，煤氣流分布發(fā)生顯著變化。 由圖 3 可知院結(jié)厚期間煤氣流偏行嚴(yán)重，中心溫度約 200 ℃，雖鋅負(fù)荷較其它高爐低，但富集嚴(yán)重，高爐爐身上部局部嚴(yán)重結(jié)厚,布袋灰含鋅僅 2%耀3%。 17-28 日由于爐瘤脫落，爐況順行度好轉(zhuǎn)，見圖 4。 煤氣流分布呈中心發(fā)展形，布袋灰 含鋅上升至 4%~5%。
2.2.3 布袋灰含鋅與煤氣分布關(guān)系
高爐煤氣中粉塵越細(xì)，比表面積越大，對(duì)鋅氧化物的吸附能力越強(qiáng)，所以高爐布袋灰含鋅遠(yuǎn)高于重力除塵灰。 布袋灰含鋅量越高，說明高爐鋅的排 出量大，鋅在爐內(nèi)富集少，因此，可以通過布袋灰含鋅量，來判斷高爐煤氣分布狀態(tài)。 高爐中心氣流強(qiáng) 則布袋灰含量越高，含鋅低則中心氣流弱。 煤氣流 分布合理，爐況順行度好，爐塵吹出也相對(duì)減少，煤 氣分布紊亂，爐況順行度差，爐塵吹出量多。 新鋼高爐布袋灰外賣，未進(jìn)行含鋅檢測(cè)，近年來由于環(huán) 保壓力加大，含鋅較低 11# 高爐布袋灰轉(zhuǎn)送燒結(jié)廠使用，1 月 27 日開始對(duì) 11# 高爐布袋灰每天進(jìn)行一次常規(guī)分析，取 1 月 27 日至 3 月 28 日鋅含量檢 測(cè)數(shù)據(jù)，按 20 天為一周期統(tǒng)計(jì)，見表 6。 1 月 27 日 至 2 月 16 日，由于中心氣流弱且煤氣流不穩(wěn)，造成 布袋灰量大且含鋅低。 2 月 17 日后，由于局部結(jié)厚 物脫落，中心氣增強(qiáng)，布袋灰含鋅逐漸升高且量逐 漸減少。
2.3 高爐鋅負(fù)荷對(duì)燃耗的影響
根據(jù)高爐內(nèi)鋅的氧化堯還原機(jī)理，高爐燃耗隨 入爐鋅負(fù)荷增加而增加，①ZnO 在 1 000 ℃以上高溫區(qū)被 CO 還原為 Zn，消耗下部高溫區(qū)的 CO[10]；于隨高爐鋅負(fù)荷增加， 需增加中心氣流溫度及范圍， 減少鋅在高爐內(nèi)的循環(huán)富集；②惡化料柱透氣性及造成爐墻結(jié)瘤堯結(jié)厚等嚴(yán)重影響煤氣分布。
3 結(jié) 論
1）新鋼高爐鐵料中鋅主要來源于是燒結(jié)礦，鋅負(fù)荷越高，燒結(jié)礦帶入的鋅比例越大，燃料帶入鋅 僅占 1%~1。5%。
2）新鋼轉(zhuǎn)爐污泥堯大頂?shù)V及外購球團(tuán)量占鐵料8。47%，帶入鐵料鋅占 58。73%，特別是轉(zhuǎn)爐污泥使用量?jī)H占鐵料 1.19%， 而帶入的鋅達(dá)到 35.32%。 控制轉(zhuǎn)爐污泥、外購球團(tuán)含鋅及大頂?shù)V的使用量，才能有效控制新鋼高爐鋅負(fù)荷。
3）降低爐渣堿度雖可以增加鋅的排出比例，但低堿度爐渣會(huì)降低爐缸溫度， 影響爐況順行及鐵水質(zhì)量而且其排鋅僅占入爐鋅的 1%~2%， 因此，降低堿度不可取。
4）提高高爐煤氣中心溫度，強(qiáng)化中心主導(dǎo)氣流才能有效增加鋅的排出[9]，減少鋅在高爐內(nèi)循環(huán)富集，降低鋅害。 隨著高爐鋅負(fù)荷增加，高爐操作中應(yīng)增加料柱中心布焦量，提高中心及第 5 點(diǎn)平均溫度。
5）布袋灰含鋅高低及單位時(shí)間內(nèi)重量變化，可判斷高爐中心煤氣流的強(qiáng)弱及煤氣流穩(wěn)定狀況，含鋅增加及量減少、說明中心氣流增強(qiáng)且穩(wěn)定性提高，因此，應(yīng)將布袋灰納入每天常規(guī)檢驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 王雪松,付元坤.寶鋼高爐鋅平衡及鋅分布的研究[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,21(3):181-182。
[2] 鄭華偉,夏進(jìn)朝,李博.武鋼 5 號(hào)高爐鋅負(fù)荷分析及控制[J].煉鐵,2014,33(2):17-19。
[3] 張賀順,馬洪斌。首鋼高爐鋅及堿金屬負(fù)荷的研究[J].鋼鐵研究,2010,38(6):51-55。
[4] 陸隆文,李向偉,尹騰,等.大型高爐如何有效排鋅[N].中國冶金報(bào), 鐵前窯煉鐵,2015-01-08(006).
[5] 尹慧超,張建良,王偉琳.國豐 1 號(hào) 1780 m3 高爐鋅平衡的研究[J].煉鐵,2009,28(3):48-49.
[6] 周偉曲.高爐煉鐵技術(shù)手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005:115.
[7] 徐海波，孫艷芹，李燕江.抑制高爐鋅危害的措施[J].河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,37(3):49-51.
[8] 王偉偉,黃幫福,劉江偉,等.低品礦高爐鋅平衡探究[J].河北冶金,2018,265:38-41.
[9] 張偉,田中明,胡德順,等.鞍凌高爐鋅平衡及熱力學(xué)行為分析[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2015,27(7):32-36.
[10] 李肇毅,姜偉忠.高爐鋅負(fù)荷對(duì)燃料比影響的定量分析[J].煉鐵, 2016,35(4):15-17.