2500m3高爐冶煉過程中鋅負荷控制生產實踐

曾敏學，喻冰鶴

（新余鋼鐵股份有限公司，江西 新余 338000）

在冶金加工過程中，所用的原料中會含有一定量的鋅元素。這一雜質元素的存在會導致高爐冶煉過程中出現鋅元素循環富集的現象，進而引發消耗增加、結瘤、懸料、爐況下降等問題，對高爐冶煉的生產效率和綜合效益造成了不利影響，所以我們希望入爐料中鋅元素的含量越少越好。高爐冶煉過程中鋅的來源：一是選用礦石均不同程度地含有鋅礦物，礦石多為鉛鋅共生礦。二是兩個循環既爐內循環富集和爐外循環富集，三是燒結配料中加入的含鋅雜料如冶金污泥等,四是部分高爐在入爐料中配加的含鋅金屬料等。出于提高生產效率、降低生產成本的考慮，現階段的冶煉生產選擇將高爐瓦斯灰、污泥等雜料摻加至燒結原料中，實現了相對較好的降耗增產效果。但是上述措施也導致了生產過程中有害元素比重增加的問題，特別是鋅金屬的存在將顯著影響高爐運行的穩定性與可靠性。高爐內較長的氧化溫度區間使得鋅蒸汽在高爐上部被氧化吸附，從而降低排鋅率；在高爐內形成惡性循環和累積，劣化入爐原燃料質量，惡化軟熔帶透氣性，導致高爐生產效率下降。因此必須采取科學有效的措施對高爐生產過程中的鋅元素含量進行控制，才能確保生產過程的安全性與穩定性并實現更好的綜合效益。（國標GB-50427-2008規定鋅金屬負荷≤ 0.15kg/tFe）（表 1）。

表1 2012-2018年10號高爐堿金屬和鋅負荷，kg/tFe

1 鋅在高爐中的行為

鋅為低熔點有色重金屬，其熔點420℃，沸點907℃，液態鋅流動性好，易揮發，離子半徑較小，能浸入和充滿微細空間，有較大的表面張力系數，降溫時易凝聚在一起，在局部空間內呈現較高濃度，其硫化物具有熱不穩定性。礦石中的鋅，在燒結過程中約有10%左右被脫除，其余多以ZnO狀態存在，少量為亞鐵酸鹽化合物，隨燒結礦進入高爐。因其熔點較高(ZnS熔點為1650℃，ZnO熔點為2000℃)，在高爐內很難直接被熔化。

高爐入爐鋅主要來自燒結礦和良球；鋅在高爐內收支平衡計算結果表明：10號高爐鋅循環富集為71.72%，由此表明10號高爐排鋅能力較差。導致上述問題的主要原因在于鋅元素表現出相對較低的揮發溫度，在受熱揮發過程中氣態鋅元素會同粉礦、粉焦等物質接觸并將熱量傳遞給后者，使得鋅元素因溫度下降轉變為氧化鋅并與爐墻表面相粘結，造成高爐內部上部、中上部等區域出現厚度增加的情形影響其正常運轉。冶煉條件下，鋅在950℃以上的高溫區，被碳或氫氣直接還原，直接消耗炭素,也有部分被一氧化碳間接還原。而鋅元素則在400℃～500℃時就開始分解并以已還原出來的催化劑被還原，原料中所有鋅的還原過程，直到高溫區才能完成。在高爐冶煉過程中，鋅元素的循環主要分為高爐內部小循環、燒結-高爐大循環兩種不同情形。

1.1 高爐內的循環

高爐冶煉以各類礦石為主要原料，其中鋅元素這一雜質的存在形式主要表現為硅酸鹽(2ZnO·SiO2)、硫化物(ZnS)等。而硫化鋅會在高爐冶煉的過程中先發生氧化還原反應并生成氧化鋅，然后在高溫條件下（1000℃以上）與CO發生還原反應形成氣態鋅這一產物。

氣態鋅的沸點在907℃左右。氣態鋅會與燃氣同步運動，并在達到低溫區域（580℃以下）時發生冷凝，然后與氧氣發生反應生成氧化鋅，氧化鋅顆粒會隨著燃氣運動至高爐之外，并伴隨著爐料的下降而循環運動至高溫區域，形成上述受熱升華、低溫冷凝的循環反應過程，并在循環過程中逐漸富集于高爐內壁。

1.2 燒結、高爐之間的循環

在燒結礦料進入高爐之后，鋅會同含金屬成分一同參與冶煉過程。在溫度上升的過程中達到其沸點并發生還原反應形成氣態鋅，然后氣態鋅與燃氣同步運動經燃氣管運動至高爐之外。在凈化處理下，鋅元素以及其他固態顆粒將以除塵灰的形式再次進入燒結原料參與后續生產作業，從而形成了鋅元素在燒結-高爐的大循環過程。

2 鋅對高爐的影響

在冶煉原料中，鋅元素是含量相對較低但是影響較大的一種伴生元素，其常見的存在形式為閃鋅礦(ZnS),也可以表現為碳酸鹽、硅酸鹽等形態。雖然天然礦石中鋅元素的質量分數相對較小，但是受其沸點低、還原反應溫度低等因素的影響，導致鋅元素難以被吸收排出，因此會在高爐內形成循環富集的問題，并導致以下后果：

高爐內被還原出來的鋅在隨燃氣上升過程中，在低溫區冷凝成細小顆粒或再被氧化成氧化鋅，沉積于爐料孔隙中，使爐料透氣性變差，破壞燃氣分布,使燃氣分布紊亂,爐料下降困難，造成高爐塌料、滑料、甚至懸料。其次,高溫區還原出來的鋅,雖然有一大部分會隨燃氣上升,但還是有一部分會滲入爐襯爐墻的耐火材料中,并逐步形成爐瘤、破壞高爐運行。另外,還原出來的鋅還往往以渣皮的形式附著在冷卻壁上,這種以鋅為粘結物形成的渣皮極不穩定,容易引起頻繁的脫落,使爐溫出現波動。

鋅在耐火磚爐襯中沉積引起體積膨脹，產生內應力，造成材料破壞。由于耐火材料具有較高氣孔率，爐內較高的壓力燃氣，易于滲入耐火磚爐襯的氣孔內，尤其是鋅蒸汽，在高溫下有較大的穿滲能力，更容易浸入耐火材料的內部，甚至達到金屬爐殼附近，最易發生鋅在爐襯內部的沉積。

一般而言，在爐襯高度方向上：爐腰及以下部位沉積的多為金屬鋅，爐身上部和爐喉為氧化鋅，中間區域兩者兼有；在高爐爐襯徑向方向上：爐身以上，氧化鋅多沉積在耐火磚襯的前半部分(靠近熱面)：而鋅的沉積從上到下，隨爐襯內高溫區外移而變化。在鋅(氧化鋅)沉積最多的地方也往往產生大量的煙氣。

2.1 對高爐冶煉的影響

在循環富集的過程中，鋅元素存在形態的變化會導致高爐熱量出現了轉移，在造成高溫區溫度下降和低溫區溫度上升的同時使得礦渣的溫度下降，導致礦渣黏度增加對脫硫等生產活動造成了不利影響。此外，氣態鋅在到達高爐中上部區域時會因溫度下降而發生冷凝并附著于高爐內部或爐料表面，這種爐瘤會導致氣孔堵塞、料柱透氣性下降等問題，導致礦石、焦炭的冶金性能下降且導致料塊強度與還原性出現減弱的問題。圖1即1號風口上方，屬于上部結厚。

圖1 10號高爐低料線下顯示爐墻結厚

鋅元素含量的增加還可能導致焦比增大的后果。當鋅元素的含量增加時，會因氧化反應而釋放熱量，導致高爐上部燃氣溫度上升從而導致冶煉焦比增大的問題。從圖2可以看出，從2018年1月份開始，10號高爐爐頂溫度逐步上行，頂溫度在190℃～220℃，頂溫難以控制，尤其爐內出現低料線時，常常靠減風來控制頂溫。

圖2 10號爐頂溫度趨勢

2.2 對高爐壽命的影響

隨易燃氣體排出含鋅物質易堵在上升管中形成鋅瘤,還易在除塵入口形成堵塞,使壓差升高,同時含鋅高的除塵灰,遇空氣自燃,不僅造成極大的經濟損失,同時影響高爐生產。氣態鋅在高爐的循環富集會造成其與高爐內部、爐襯等相結合并轉化為熔點相對較低的化合物導致爐襯的強度下降，從而造成爐襯過度侵蝕、損耗的問題。此外，滲透至爐襯縫隙結構、孔隙結構的鋅元素也會導致爐襯體積變大的問題，造成其結構受損而韌性下降，導致高爐過度損耗。

3 10號高爐減輕鋅危害的措施

3.1 確保爐況順行

基于當前的原燃料狀況，若想保證冶金高爐的生產效率就必須開展科學管理和控制，實現生產流程的最佳效果。這就對順行預警、快速反應等管理策略提出了較高要求。

（1）開展科學管理和精準操作，及時調整高爐溫度確保冶煉溫度的穩定性。

（2）加強管理提升操作質量，盡可能降低生產風險維持高爐冶煉作業的持續性與穩定性。具體將爐況順行為出發點和目標，維持合理穩定的煤氣流狀態，將高爐上部溫度控制在100℃～250℃之間，為鋅元素的排出創造有利條件。

（3）做好槽外篩分工作，降低入爐原料中含鋅粉末的含量，為燒結作業奠定良好基礎降低鋅元素在燒結-高爐循環中的比重。

3.2 加強高爐監控

做好生產監控工作，重點對熱電偶溫度、冷卻水溫差、煤氣流分布等生產參數進行監控，及時發現生產風險并進行處理。

（1）優化改進原料結構與生產條件，盡可能降低原材料中鋅元素的含量。

（2）動態監控原材料中有害元素含量的變化，及時開展分析排查工作，及時發現和解決生產風險。

（3）實現休風與維護保養的有機結合，在提升高爐生產效率的同時盡可能降低停工檢修風險，確保生產時間的順利性。

4 結語

（1）在高爐冶煉生產實踐中必須充分認識到鋅元素的存在對生產作業的不利影響。

（2）盡可能減少原材料里鋅元素的含量，必要時開展鋅提取凈化處理提升原材料品質。如湖南建鑫冶金科技有限公司建議高爐主溝高溫熔融還原處理含鋅瓦斯灰、污泥等固廢新技術。

（3）充分發揮現有技術手段的積極作用，盡可能降低高爐冶煉過程中的鋅元素循環富集程度，以此提升高爐冶煉生產效率和綜合效益水平。