沈 煒，古勇合，彭志強
( 新余鋼鐵集團有限公司，江西 新余 338001)
摘要:對新鋼 2 500 m3 高爐煉鐵和對應(yīng)的燒結(jié)工序的鋅平衡情況進行研究，結(jié)果表明: 進入高爐的鋅量為1. 055 kg/t，主要由燒結(jié)礦和球團礦帶入，其中燒結(jié)礦帶入的鋅量占總量的 84%，高爐鋅主要由布袋灰排出( 占總排出量的89%) ; 燒結(jié)工序中，帶入的鋅量為 1. 162 kg/t，主要來源于混勻料、內(nèi)部冷返礦和除塵灰( 占總量的 97. 47%) ，鋅的排出由燒結(jié)礦和返礦帶出( 占總排出量的 95. 92%) 。結(jié)合新鋼生產(chǎn)實際情況，提出了在燒結(jié)、煉鐵工序中減少鋅帶入量、加大鋅排出量的建議。
關(guān) 鍵詞:燒結(jié); 高爐煉鐵; 鋅平衡; 控制措施
0 前言
近年來受成本壓力的影響，許多鋼鐵企業(yè)在高爐煉鐵過程中都會采用一些鋅含量超標的低價礦，在燒結(jié)過程中也配加了大量的高爐瓦斯灰和除塵泥等二次資源，這樣雖然降低了燒結(jié)和煉鐵工序的原料成本，但結(jié)果卻導(dǎo)致高爐鋅負荷不斷上升。
1 鋅對高爐生產(chǎn)的影響
鋅是高爐原料中的一種微量元素，其沸點僅為907 ℃。鋅通常以硫酸鹽、硅酸鹽等形式存在，鋅礦物進入高爐后很快就分解為 ZnO，ZnO 在不低于1 000 ℃的高溫區(qū)還原成鋅并進入煤氣中隨之上升，上升過程中小部分鋅隨著煤氣逸出爐外，但容易在管道中凝結(jié)，大部分又被氧化為 ZnO 并被爐料吸收后再度下降還原，形成循環(huán)。與此同時，進入煤氣中的鋅又隨著瓦斯灰進入燒結(jié)礦中而再次進入高爐［1 －2］ 。如此循環(huán)往復(fù)，鋅在高爐中不斷富集沉淀，給高爐生產(chǎn)帶來諸多不利影響。
1. 1 影響爐況順行
鋅含量高時便會在上升管處冷凝積聚，造成上升管阻塞，堵塞煤氣通路，進而導(dǎo)致高爐頂壓異常波動，高爐上部煤氣流紊亂，引起管道懸、崩料，這在很大程度上增加了高爐操作的難度，影響正常生產(chǎn)［3］ 。
1. 2 損害設(shè)備
鋅會附著凝結(jié)在爐頂設(shè)備上，對設(shè)備運行造成影響。在高爐上部磚襯縫隙中，鋅氧化后體積膨脹，嚴重時會破壞爐襯，甚至漲裂爐殼，引發(fā)安全事故。上部鋅富集后形成的“爐瘤”滑落會引起爐況嚴重失常，甚至造成風口灌渣與燒毀。此外，鋅在高爐風口處沉積，滲入耐火磚磚縫，侵蝕耐火材料，造成磚體疏松，并逐步形成腫瘤狀侵蝕體，從而導(dǎo)致風口和二套上翹或破損。
1. 3 影響原燃料性能
鋅在爐身上部以氣體形式滲入焦炭和礦石空隙中，沉積后會堵塞表面空隙，影響料柱透氣性。同時，體積膨脹會增加鐵礦石和焦炭的熱應(yīng)力，提高熟料的低溫還原粉化指數(shù)，降低焦炭反應(yīng)后強度。
1. 4 造成爐身黏結(jié)
含鋅蒸氣在上升過程中因溫度降低而析出液態(tài)鋅，液態(tài)鋅會粘結(jié)在磚襯表面，鋅液表面被煤氣中的H2O、CO2 等氧化，在液態(tài)鋅表面產(chǎn)生難熔的氧化鋅層，影響爐墻熱負荷［4］ 。
2 高爐鋅平衡
新鋼 2 500 m3 高爐在 2017 年 9 月出現(xiàn)了鋅負荷超標的現(xiàn)象，嚴重影響了高爐順行，因此利用該高爐 2017 年 9 月的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對高爐的鋅平衡進行分析。
2 500 m3 高爐使用的原料主要為燒結(jié)礦( 約85%) 、球團礦( 良山球團 + 泰利球團，約 12%) 和塊礦( 井岡山塊 + 云浮塊，約 3%) ，燃料主要為自產(chǎn)焦、外購焦和煤粉。高爐產(chǎn)物主要是生鐵、爐渣、重力降塵灰、爐前灰和布袋灰。由于鋅沸點為 907 ℃，因此鐵水中鋅很微量，其質(zhì)量分數(shù)小于 0. 001%，計算時忽略不計［5］ 。
對高爐入爐原燃料和產(chǎn)物進行取樣并化驗，其化驗結(jié)果見表 1、表 2。
高爐噸鐵原燃料消耗量和入爐鋅含量情況見表 3。
新鋼2 500 m3 高爐各產(chǎn)出物量和鋅排出量見表4。通過計算，可得出高爐的鋅平衡表見表 5。
從表 5 中可知，鋅排出高爐量占總鋅量的比例為: ( 0. 891 0/1. 055 0) ×100 =84%。這里需要說明一點，入爐鋅與高爐排出鋅之間的平衡有個缺口，不能理解為鋅在爐內(nèi)循環(huán)富集了，產(chǎn)生平衡缺口的原因有多個，如鋅排出在時間序列上有波動、取樣的代表性不夠好以及對微量鋅含量的檢測難度大，等等。高爐爐內(nèi)不會有大量的鋅存儲，循環(huán)富集不是存儲。從表 5 中還可看出，燒結(jié)礦帶入的鋅是高爐鋅的主要來源，約占總量的 84%，其次是良山球團礦，其帶入的鋅量約占總量的 6%。布袋灰是鋅排出高爐的主要途徑，占總排出量的 89% 左右，其次是重力降塵灰，其排出量占總排出量的 5. 5%左右。
3 燒結(jié)鋅平衡
同樣使用新鋼 2 500 m3 高爐 2017 年 9 月數(shù)據(jù)對燒結(jié)鋅平衡進行分析。對燒結(jié)使用的礦粉進行取樣并檢驗化學成分，檢測其鋅含量，結(jié)果見表 6。根據(jù)燒結(jié)混勻料中各種礦粉的鋅含量及礦粉的實際使用量，可計算出混勻料中各種礦粉帶入的鋅量，結(jié)果見表 6。
根據(jù)燒結(jié)工序的物料組成及各組分的含鋅情 況，可計算出燒結(jié)過程的鋅平衡，結(jié)果見表 7。
從表 7 可以看出，燒結(jié)過程中的鋅主要來自混勻礦，其帶入的鋅量占總鋅量的 63% 左右; 燒結(jié)返礦和內(nèi)部灰也是鋅的重要來源。混勻礦中的鋅主要來自其搭配使用的外部返礦，占比約 76%; 另外，混勻礦中硫酸渣和仙塘精粉中的鋅也值得注意，其對燒結(jié)礦鋅含量的提高也有一定“貢獻”; 其他礦種對混勻礦的鋅含量影響不大。
混勻礦中的外部返礦主要為高爐入爐料中粒度小的燒結(jié)返礦、轉(zhuǎn)爐灰( 含鐵塵泥 GC、含鐵塵泥GW) 、高爐灰( 含鐵塵泥 TD、含鐵塵泥 TW、瓦斯灰)和軋鋼污泥等。對這些燒結(jié)過程中配用的二次資源進行了 5 次取樣并化驗其含鋅量，結(jié)果見表 8。
從表 8 可知，燒結(jié)使用的二次資源中鋅含量相對較高的( 或者說影響較大的) 為含鐵塵泥 GW、含鐵塵泥 TW 和高爐瓦斯灰。高爐布袋灰 TB 含鋅也相對較高，但不參與燒結(jié)混勻配礦。
因此，燒結(jié)礦含鋅高的主要原因是轉(zhuǎn)爐灰、高爐爐前塵灰和重力降塵灰等作為燒結(jié)原料，將鋅帶入了燒結(jié)礦中，即高爐排出的鋅又進入燒結(jié)礦，最后又供高爐使用，形成爐外的循環(huán)富集 ［6 －7］ 。
4 建議采取的措施
基于新鋼燒結(jié)、煉鐵實際生產(chǎn)狀況，建議采取以下減少鋅入機、入爐和提高燒結(jié)、高爐煉鐵排鋅的可行性控制措施。
1) 原料降鋅。入爐鋅主要來源于燒結(jié)礦，而燒結(jié)混勻料和冷返礦 + 灰是燒結(jié)礦中鋅的主要來源，因此，降低原料中鋅含量是降低鋅入機、入爐的最直接和最有效的途徑。對含鋅偏高的轉(zhuǎn)爐灰、高爐爐前塵、重力降塵灰、雜礦和污泥等可采取進轉(zhuǎn)底爐的方式進行脫鋅處理; 在條件允許的情況下，盡可能采購鋅含量較低的礦粉。
2) 實施合理的燒結(jié)配礦及高爐配料，確保高爐鋅負荷不超標。按照新鋼鋅負荷的標準( 不超過0. 8 kg/t) ，要求燒結(jié)礦中鋅的質(zhì)量分數(shù)不超過0. 045%，從而要求外部返礦的鋅質(zhì)量分數(shù)不超過0. 10%。雖然新鋼鋅負荷標準要求遠低于國際先進高爐入爐鋅負荷的要求( 不超過 0. 15 kg/t) ，但根據(jù)新鋼的生產(chǎn)實踐，該標準仍具有實際生產(chǎn)意義。
3) 高爐操作降鋅。在新鋼高爐現(xiàn)有操作手段和爐況條件下，可以通過以下方法進一步降低鋅的有害影響: 提高燒結(jié)礦、球團礦的強度，加強原燃料篩分，提高入爐礦的冶金性能，選用鐵礦石軟熔溫度高的原料有助于提高高溫下鋅的還原程度，減少鋅循環(huán)區(qū)的鋅量，增加鋅從爐頂?shù)呐懦隽? 根據(jù)新鋼高爐鋅負荷標準優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)爐料結(jié)構(gòu)鋅含量超標時，操作上采取適當降低爐頂壓力并發(fā)展中心氣流的措施，以防止鋅過量造成爐墻結(jié)瘤及爐墻侵蝕;及時出盡渣鐵，減少鋅在爐內(nèi)的滯留時間，使鋅最大程度地排出。
4) 建立“燒結(jié)和煉鐵鋅動態(tài)數(shù)學模型”。將燒結(jié)和高爐煉鐵的鋅平衡檢測納入常規(guī)化學成分檢測范圍，定期對燒結(jié)工序和煉鐵工序進行鋅平衡檢測。在長期定時檢測的基礎(chǔ)上，建立“新鋼燒結(jié)和高爐煉鐵鋅動態(tài)數(shù)學模型”，及時提供鋅出入的變化情況，為降鋅措施提供理論依據(jù)。
5 結(jié)論
1) 新鋼 2 500 m3 高爐入爐鋅量為 1. 055 kg/t，鋅負荷偏高。入爐鋅主要由燒結(jié)礦帶入( 約占入爐總鋅量的 84%) ，其排出主要通過高爐布袋灰。
2) 進入新鋼燒結(jié)機的鋅量為 1. 162 kg/t，鋅負荷也偏高嚴重。入機鋅主要由混勻料、內(nèi)部冷返礦及灰?guī)? 合計約 97. 47%) ，由燒結(jié)礦和返礦帶出( 合計約 95. 92%) ，燒結(jié)過程基本不具備脫鋅能力。
3) 燒結(jié)礦含鋅高的原因主要是轉(zhuǎn)爐灰、高爐爐前塵和重力降塵灰的重復(fù)使用，形成了高爐外的循環(huán)富集。
［ 參 考 文 獻］
［1］ 周傳典 . 高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊［M］. 北京: 冶金工業(yè)出版社，2002: 125 －127.
［2］ 王筱留 . 鋼鐵冶金學［M］. 北京: 冶金工業(yè)出版社，1994: 127 －129.
［3］ 李肇毅 . 寶鋼高爐的鋅危害及其抑制［J］. 寶鋼技術(shù)，2002，( 6) : 21 －24.
［4］ 王雪松，付元坤，李肇毅 . 高爐內(nèi)鋅的分布及平衡［J］.鋼鐵研究學報，2005，17( 1) : 68 －71.
［5］ 鄭華偉，夏進朝，李 博，武鋼 5 號高爐鋅負荷分析及控制［J］． 煉鐵，2014，33( 2) : 17 －20.
［6］ 張祥富，白國華 . 鋼鐵廠含鐵塵泥回收利用新途徑研究［J］. 礦產(chǎn)綜合利用，1996，( 5) : 11 －14.
［7］ 湯樂山，張理強 . 綜合利用高爐塵泥的研究與實踐［J］． 燒結(jié)球團，2000，25( 3) : 52 －54.