嚴帥
摘 要：高爐煉鐵作為鋼鐵生產中的關鍵環節,直接決定著鋼鐵生產的效率與質量。但由于高爐煉鐵的原料來源廣泛,成分相對復雜,其中含有許多雜質會對高爐煉鐵造成影響。基于此,本文以高爐煉鐵中的鉛鋅雜質為研究對象,首先介紹鉛鋅雜質的物化性質,其次對高爐煉鐵中鉛鋅雜質的循環過程及造成的危害進行了剖析,最后提出避免鉛鋅雜質危害的建議和措施,以降低鉛鋅雜質對高爐煉鐵造成的危害,以供參考。
關鍵詞：鉛鋅雜質；高爐煉鐵；物化性質；循環過程
鋼鐵是我國工業化的基礎，對我國經濟發展具有重要作用。2022年，我國粗鋼產量為10.13億噸，但鐵礦石對外依存度仍高達 80% 左右。由于煉鐵原料來源復雜，并受成礦因素的影響，導致煉鐵原料中存在鉛鋅雜質，進而影響高爐煉鐵的質量。受技術與經濟條件的限制，目前還沒有很好的方法能夠將鐵礦中的鉛鋅雜質完全去除，加上近幾年國內鋼鐵產能過剩問題突出，鋼鐵價格不斷下降，部分鋼鐵生產企業為了節約成本，在生產時往往會選擇一些價格低廉且品質差的礦石，更加劇了高爐鉛鋅的危害。
一、鉛鋅雜質的物化性質
煉鐵原料成分較為復雜，主要的成分及物化特性見表1。在含有鉛鋅雜質的煉鐵原料進入高爐后，鉛鋅雜質會被還原并附著在爐襯、管道內壁，影響高爐生產的質量與安全，嚴重時還會引發安全事故。自然界中的鉛鋅物質多以硫化物的形態賦存，而在鐵礦原料中，鉛鋅物質的賦存形態復雜多變，具體可見表 2。鐵礦石中的鉛鋅常與其他礦物共生或賦存于該礦物中，如賦存于石英、碳酸鹽礦物中，或賦存于鐵礦物晶格中，且多為針狀、散粒狀，粒度小，分離難度大。
二、高爐煉鐵中鉛鋅雜質循環演變過程及其產生的危害
(一)鉛鋅雜質的分布情況
高爐中的鉛鋅雜質多分布在臨近鐵水的內襯中，這一位置的鉛鋅含量最高。因鉛鋅與鐵在性質上有所差異，鉛主要集中分布在爐底炭磚基質中，鋅則主要分布在鐵口及風口下方的棕剛玉磚中。
(二)高爐中鉛鋅的循環演變
鉛鋅雜質在高爐煉鐵中的循環演變見圖 1。觀察圖1可知，含有鉛鋅雜質的鐵礦原料在進入高爐生產后，會被還原為單質。不同的是，鋅先被轉換為氧化鋅，然后在 1000℃高溫作用下還原成為氣態鋅。這主要是因為鉛、鋅二者的熔沸點不同，使得鉛單質主要以液體的形態存在，而鋅單質則多以氣體的形態存在。此外，因為鉛的密度與鐵不同，液態鉛在進入高爐后，會沉于鐵水下，之后經過爐底的排鉛工藝排出，有時也會在冷凝的狀態下，從爐皮的裂縫或開口處流出，或者在堿性元素的作用下賦存于內襯中，被氧化還原后體積膨脹，此時會對爐體結構造成破壞。在 400～500℃的高溫環境下，鉛液轉化為氣態并從鐵口處揮發，也可能隨著氣態鋅一同上升并附著于爐料，然后再次進入循環還原的過程，在爐內溫度達到1000℃時，鐵爐料與焦炭對鉛蒸汽的吸附達到峰值，可能會在爐內形成爐瘤，也可能隨著爐塵一同進入清洗系統被回收，最后在爐外形成大循環。
(三)高爐中鉛鋅雜質的危害
1.鉛的危害
鉛單質以液體形態進入高爐后，會引起氧化膨脹破壞作用。具體表現為：(1)鉛液進入爐內并附著于爐內的耐火磚上，會在氧化膨脹作用下，損壞耐火磚，嚴重的情況下還會導致爐殼破裂，甚至整個爐底漏穿；(2)鉛液與鐵水密度不同，鉛液的密度更大，流動性較差，且難溶于鐵水中，如果在爐底中聚集較多的鉛液，就會使高爐無法正常工作，若不能及時維護處理，會堵死撇渣器，進而引起跑鐵事故；(3)氧化后的鉛單質會與爐內其他組分反應，生成熔點較低的化合物或共晶體，并在球團礦、燒結礦上賦存，伴隨著鐵礦原料軟熔溫度降低，分布在焦炭上的鉛雜質會影響料柱的透氣性，而分布在爐墻的鉛雜質會形成爐瘤并影響高爐的正常生產；(4)鉛液會被氣化并從渣鐵口排出爐外，不僅會污染環境，還可能引起人員鉛中毒。
2.鋅的危害
在高爐煉鐵中，鋅雜質造成的危害主要體現這三個方面：
(1)在含鋅化合物的鐵礦原料進入高爐后，會被沉積氧化，在氧化膨脹作用下，會對爐襯造成破壞，進而影響高爐的使用壽命；(2)鋅單質以蒸汽形態存在時，在冷凝后會黏結在磚襯上形成塵垢，在一定的條件下形成爐瘤，且爐瘤的含量非常高，可達90%，此 時就會導致爐內煤氣分布失常，影響高爐的正常運行，爐瘤滑落后還會對風口結構造成破壞；
(3)在含有
鋅雜質的礦石與焦炭進入爐內時，會氧化膨脹，此時會增加鐵礦石與焦炭的熱態強度。在冷凝后，鋅雜質還會與爐內粉塵聚合，此時會對爐內氣流的穩定性產生影響，并消耗爐內的還原氣體，升高燃料比，進而增加高爐的運行成本。
三、高爐煉鐵中鉛鋅雜質的影響機理
(一)鉛雜質對高爐煉鐵過程的影響機理
高爐煉鐵過程中，鉛雜質產生的影響主要體現這兩個方面：一方面，鉛液在進入高爐時，或賦存于磚縫中，或吸附在炭磚孔內，在適宜條件下，鉛單質被氧化還原，此時磚體體積膨脹，會對高爐結構產生破壞；另一方面，鉛液在進入高爐后，賦存于炭磚孔內，被氧化膨脹后，使得炭磚出現裂紋，進而破壞炭磚結構。如果爐內的溫度比鉛的熔點低，可有效抑制鉛液下沉。但現實情況是，鉛的熔點遠比爐內溫度低，這也使得鉛在爐內廣泛滲透，并產生了更強的破壞作用。雖然目前鋼鐵生產企業會通過排鉛工藝緩解爐底積鉛造成的危害，但多次排鉛容易堵塞排鉛口，降低排鉛量。鉛對磚體產生破壞作用，在行業內已經形成了共識。不過，對于鉛是如何進入磚體的還存在爭議。有研究認為，鉛難以通過磚體的微氣孔滲透，而是通過爐內的各種風險，尤其是通過爐殼和磚襯間隙滲透；也有研究認為，鉛難以單獨滲入磚體，通常是在K、Na等元素對炭磚產生侵蝕作用并出現孔隙后，鉛賦存于磚體孔隙中，特別是目前制磚技術有了較大提升，使得鉛難以單獨進入磚體，而是在其他元素侵蝕磚體后才大量進入，或是因為筑爐的原因，導致孔隙較大，也為鉛的進入提供了便利。
(二)鋅雜質對高爐煉鐵過程的影響機理
鋅雜質對高爐煉鐵過程造成的影響，主要體現這三個方面：一是鋅滲入爐內磚體微孔和縫隙后，被氧化還原，使得磚體體積膨脹，進而對爐襯結構產生破壞；二是鋅在爐襯表面沉積，形成附著物甚至爐瘤；三是鋅賦存于爐料上，使得爐料的透氣性降低，甚至因此引起懸料。而對于鋅是如何滲入爐內磚體中的，原因與鉛的滲透類似，也是在其他元素侵蝕磚體后才大量進入，然后在不斷富集、膨脹下對磚體結構造成破壞，使原本致密的磚體變得疏松，直到磚體破裂。
四、降低鉛鋅雜質對高爐煉鐵危害的措施
結合鉛鋅雜質對高爐煉鐵的影響機理分析，要想降低鉛鋅雜質造成的危害，具體可從以下幾個方面著手：
(一)優選入爐原料，重視預處理
為降低鉛鋅雜質對高爐煉鐵的危害，首先應從原料端出發，優選入爐原料。在選擇入爐原料時，要加強優質礦與有害金屬的比例控制，尤其是要控制礦原料中鉛鋅雜質的含量，確保其在合理的范圍內。一般情況下，進入高爐生產的鐵礦原料，其含鉛鋅量不應超過 0.02%，且要保證進入爐內的鉛鋅的微粒小于12mm。除了要精選入礦原料外，也要重視煉鐵粉塵的預處理，尤其是對于粒度在3～20目的煉鐵粉塵進行有效處理，避免其附著在燒結礦上，進而降低鉛鋅雜質在爐外的循環幾率。
(二)改進排鉛工藝
為提高高爐的排鉛率，還應從工藝端著手，對爐底排鉛工藝進行改進。雖然現階段的排鉛工藝應用時間長，且效果明顯，但隨著排鉛次數的增加，容易出現堵塞的情況。對此，應及時調整排鉛口的位置，可將其設置在爐底冷卻系統的下部位置，從而使鉛液快速冷凝，進而有效抑制鉛液下滲。
(三)改進筑爐技術
要想降低鉛鋅雜質對高爐煉鐵的危害，還應從筑爐方面著手，通過應用超微孔炭磚實現。建議選擇具有較強抵抗侵蝕能力的石墨炭磚，減少使用復合棕剛玉磚，用大塊磚代替小塊轉，有效減小磚體的微孔孔徑，采用更先進的材料填充縫隙，進而有效抑制有害元素的滲入。
五、降低鉛鋅危害的技術展望
首先，結合鉛鋅雜質對高爐煉鐵的影響機理，目前，國內優質鐵礦的數量在逐漸減少，加上國外進口鐵礦價格不斷攀升，要想有效降低鉛鋅的危害，應重點抓原料端、工藝端、筑爐端和操作端，且各個環節缺一不可，需要彼此之間相輔相成，如此才能有效降低鉛鋅雜質對高爐煉鐵生產帶來的不利影響。其次，在高爐生產過程中，K、Na等堿性元素的侵蝕作用，也為鉛鋅滲入高爐提供了便利。對此，需要有效減少堿性元素進入高爐，并增強高爐的排除量，由此降低鉛鋅雜質產生的危害。
六、結語
綜上所述，鉛鋅雜質主要通過賦存或與其他礦物進入高爐內部，會對煉鐵質量與安全造成影響。為降低鉛鋅對高爐煉鐵的危害，本文具體分析了鉛鋅雜質在高爐煉鐵中的循環過程及危害，并結合其影響機理，從原料、排鉛工藝、筑爐技術、操作等方面提出了具體的措施，以期有效降低鉛鋅雜質對高爐煉鐵的危害，進而保證煉鐵過程的安全性，提高高爐煉鐵質量。
參考文獻
[1] 白鋼釘 . 鉛鋅雜質在高爐煉鐵中的循環研究[J].冶金管理,2022(03):4-6.
[2] 郭亞光,李東波,陳學剛,梁帥表,王云 . 銅渣中鐵、鋅、鉛回收研究現狀及展望[J]. 礦冶,2021,30(05): 103-108.
[3] 郭亞光,李東波,梁帥表,馬登,王云.銅熔煉渣綜合回收銅鉛鋅基礎研究[J].有色金屬(冶煉部分),2021(02):27-34.
[4] 魏晨曦,羅立群,鄭波濤.鉛鋅在高爐煉鐵中的循環過程與影響評析[J].現代化工,2020,40(03):30-35.
[5] 羅立群,鄭波濤,魏晨曦.鉛鋅礦物冶金還原過程相態演變與特性述評[J]. 中國礦業,2019,28(10): 122-130.