嚴(yán)帥
摘 要：高爐煉鐵作為鋼鐵生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),直接決定著鋼鐵生產(chǎn)的效率與質(zhì)量。但由于高爐煉鐵的原料來源廣泛,成分相對復(fù)雜,其中含有許多雜質(zhì)會對高爐煉鐵造成影響?；诖?本文以高爐煉鐵中的鉛鋅雜質(zhì)為研究對象,首先介紹鉛鋅雜質(zhì)的物化性質(zhì),其次對高爐煉鐵中鉛鋅雜質(zhì)的循環(huán)過程及造成的危害進(jìn)行了剖析,最后提出避免鉛鋅雜質(zhì)危害的建議和措施,以降低鉛鋅雜質(zhì)對高爐煉鐵造成的危害,以供參考。
關(guān)鍵詞：鉛鋅雜質(zhì)；高爐煉鐵；物化性質(zhì)；循環(huán)過程
鋼鐵是我國工業(yè)化的基礎(chǔ)，對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。2022年，我國粗鋼產(chǎn)量為10.13億噸，但鐵礦石對外依存度仍高達(dá) 80% 左右。由于煉鐵原料來源復(fù)雜，并受成礦因素的影響，導(dǎo)致煉鐵原料中存在鉛鋅雜質(zhì)，進(jìn)而影響高爐煉鐵的質(zhì)量。受技術(shù)與經(jīng)濟(jì)條件的限制，目前還沒有很好的方法能夠?qū)㈣F礦中的鉛鋅雜質(zhì)完全去除，加上近幾年國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)能過剩問題突出，鋼鐵價(jià)格不斷下降，部分鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)為了節(jié)約成本，在生產(chǎn)時(shí)往往會選擇一些價(jià)格低廉且品質(zhì)差的礦石，更加劇了高爐鉛鋅的危害。
一、鉛鋅雜質(zhì)的物化性質(zhì)
煉鐵原料成分較為復(fù)雜，主要的成分及物化特性見表1。在含有鉛鋅雜質(zhì)的煉鐵原料進(jìn)入高爐后，鉛鋅雜質(zhì)會被還原并附著在爐襯、管道內(nèi)壁，影響高爐生產(chǎn)的質(zhì)量與安全，嚴(yán)重時(shí)還會引發(fā)安全事故。自然界中的鉛鋅物質(zhì)多以硫化物的形態(tài)賦存，而在鐵礦原料中，鉛鋅物質(zhì)的賦存形態(tài)復(fù)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(zhì)循環(huán)演變過程及其產(chǎn)生的危害
(一)鉛鋅雜質(zhì)的分布情況
高爐中的鉛鋅雜質(zhì)多分布在臨近鐵水的內(nèi)襯中，這一位置的鉛鋅含量最高。因鉛鋅與鐵在性質(zhì)上有所差異，鉛主要集中分布在爐底炭磚基質(zhì)中，鋅則主要分布在鐵口及風(fēng)口下方的棕剛玉磚中。
(二)高爐中鉛鋅的循環(huán)演變
鉛鋅雜質(zhì)在高爐煉鐵中的循環(huán)演變見圖 1。觀察圖1可知，含有鉛鋅雜質(zhì)的鐵礦原料在進(jìn)入高爐生產(chǎn)后，會被還原為單質(zhì)。不同的是，鋅先被轉(zhuǎn)換為氧化鋅，然后在 1000℃高溫作用下還原成為氣態(tài)鋅。這主要是因?yàn)殂U、鋅二者的熔沸點(diǎn)不同，使得鉛單質(zhì)主要以液體的形態(tài)存在，而鋅單質(zhì)則多以氣體的形態(tài)存在。此外，因?yàn)殂U的密度與鐵不同，液態(tài)鉛在進(jìn)入高爐后，會沉于鐵水下，之后經(jīng)過爐底的排鉛工藝排出，有時(shí)也會在冷凝的狀態(tài)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(nèi)襯中，被氧化還原后體積膨脹，此時(shí)會對爐體結(jié)構(gòu)造成破壞。在 400～500℃的高溫環(huán)境下，鉛液轉(zhuǎn)化為氣態(tài)并從鐵口處揮發(fā)，也可能隨著氣態(tài)鋅一同上升并附著于爐料，然后再次進(jìn)入循環(huán)還原的過程，在爐內(nèi)溫度達(dá)到1000℃時(shí)，鐵爐料與焦炭對鉛蒸汽的吸附達(dá)到峰值，可能會在爐內(nèi)形成爐瘤，也可能隨著爐塵一同進(jìn)入清洗系統(tǒng)被回收，最后在爐外形成大循環(huán)。
(三)高爐中鉛鋅雜質(zhì)的危害
1.鉛的危害
鉛單質(zhì)以液體形態(tài)進(jìn)入高爐后，會引起氧化膨脹破壞作用。具體表現(xiàn)為：(1)鉛液進(jìn)入爐內(nèi)并附著于爐內(nèi)的耐火磚上，會在氧化膨脹作用下，損壞耐火磚，嚴(yán)重的情況下還會導(dǎo)致爐殼破裂，甚至整個(gè)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(shí)維護(hù)處理，會堵死撇渣器，進(jìn)而引起跑鐵事故；(3)氧化后的鉛單質(zhì)會與爐內(nèi)其他組分反應(yīng)，生成熔點(diǎn)較低的化合物或共晶體，并在球團(tuán)礦、燒結(jié)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(zhì)會影響料柱的透氣性，而分布在爐墻的鉛雜質(zhì)會形成爐瘤并影響高爐的正常生產(chǎn)；(4)鉛液會被氣化并從渣鐵口排出爐外，不僅會污染環(huán)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(zhì)造成的危害主要體現(xiàn)這三個(gè)方面：
(1)在含鋅化合物的鐵礦原料進(jìn)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(jìn)而影響高爐的使用壽命；(2)鋅單質(zhì)以蒸汽形態(tài)存在時(shí)，在冷凝后會黏結(jié)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(dá)90%，此 時(shí)就會導(dǎo)致爐內(nèi)煤氣分布失常，影響高爐的正常運(yùn)行，爐瘤滑落后還會對風(fēng)口結(jié)構(gòu)造成破壞；
(3)在含有
鋅雜質(zhì)的礦石與焦炭進(jìn)入爐內(nèi)時(shí)，會氧化膨脹，此時(shí)會增加鐵礦石與焦炭的熱態(tài)強(qiáng)度。在冷凝后，鋅雜質(zhì)還會與爐內(nèi)粉塵聚合，此時(shí)會對爐內(nèi)氣流的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，并消耗爐內(nèi)的還原氣體，升高燃料比，進(jìn)而增加高爐的運(yùn)行成本。
三、高爐煉鐵中鉛鋅雜質(zhì)的影響機(jī)理
(一)鉛雜質(zhì)對高爐煉鐵過程的影響機(jī)理
高爐煉鐵過程中，鉛雜質(zhì)產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)這兩個(gè)方面：一方面，鉛液在進(jìn)入高爐時(shí)，或賦存于磚縫中，或吸附在炭磚孔內(nèi)，在適宜條件下，鉛單質(zhì)被氧化還原，此時(shí)磚體體積膨脹，會對高爐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞；另一方面，鉛液在進(jìn)入高爐后，賦存于炭磚孔內(nèi)，被氧化膨脹后，使得炭磚出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而破壞炭磚結(jié)構(gòu)。如果爐內(nèi)的溫度比鉛的熔點(diǎn)低，可有效抑制鉛液下沉。但現(xiàn)實(shí)情況是，鉛的熔點(diǎn)遠(yuǎn)比爐內(nèi)溫度低，這也使得鉛在爐內(nèi)廣泛滲透，并產(chǎn)生了更強(qiáng)的破壞作用。雖然目前鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)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(chǎn)生破壞作用，在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)形成了共識。不過，對于鉛是如何進(jìn)入磚體的還存在爭議。有研究認(rèn)為，鉛難以通過磚體的微氣孔滲透，而是通過爐內(nèi)的各種風(fēng)險(xiǎn)，尤其是通過爐殼和磚襯間隙滲透；也有研究認(rèn)為，鉛難以單獨(dú)滲入磚體，通常是在K、Na等元素對炭磚產(chǎn)生侵蝕作用并出現(xiàn)孔隙后，鉛賦存于磚體孔隙中，特別是目前制磚技術(shù)有了較大提升，使得鉛難以單獨(dú)進(jìn)入磚體，而是在其他元素侵蝕磚體后才大量進(jìn)入，或是因?yàn)橹t的原因，導(dǎo)致孔隙較大，也為鉛的進(jìn)入提供了便利。
(二)鋅雜質(zhì)對高爐煉鐵過程的影響機(jī)理
鋅雜質(zhì)對高爐煉鐵過程造成的影響，主要體現(xiàn)這三個(gè)方面：一是鋅滲入爐內(nèi)磚體微孔和縫隙后，被氧化還原，使得磚體體積膨脹，進(jìn)而對爐襯結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(nèi)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(jìn)入，然后在不斷富集、膨脹下對磚體結(jié)構(gòu)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(zhì)對高爐煉鐵危害的措施
結(jié)合鉛鋅雜質(zhì)對高爐煉鐵的影響機(jī)理分析，要想降低鉛鋅雜質(zhì)造成的危害，具體可從以下幾個(gè)方面著手：
(一)優(yōu)選入爐原料，重視預(yù)處理
為降低鉛鋅雜質(zhì)對高爐煉鐵的危害，首先應(yīng)從原料端出發(fā)，優(yōu)選入爐原料。在選擇入爐原料時(shí)，要加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)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(zhì)的含量，確保其在合理的范圍內(nèi)。一般情況下，進(jìn)入高爐生產(chǎn)的鐵礦原料，其含鉛鋅量不應(yīng)超過 0.02%，且要保證進(jìn)入爐內(nèi)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(yù)處理，尤其是對于粒度在3～20目的煉鐵粉塵進(jìn)行有效處理，避免其附著在燒結(jié)礦上，進(jìn)而降低鉛鋅雜質(zhì)在爐外的循環(huán)幾率。
(二)改進(jìn)排鉛工藝
為提高高爐的排鉛率，還應(yīng)從工藝端著手，對爐底排鉛工藝進(jìn)行改進(jìn)。雖然現(xiàn)階段的排鉛工藝應(yīng)用時(shí)間長，且效果明顯，但隨著排鉛次數(shù)的增加，容易出現(xiàn)堵塞的情況。對此，應(yīng)及時(shí)調(diào)整排鉛口的位置，可將其設(shè)置在爐底冷卻系統(tǒng)的下部位置，從而使鉛液快速冷凝，進(jìn)而有效抑制鉛液下滲。
(三)改進(jìn)筑爐技術(shù)
要想降低鉛鋅雜質(zhì)對高爐煉鐵的危害，還應(yīng)從筑爐方面著手，通過應(yīng)用超微孔炭磚實(shí)現(xiàn)。建議選擇具有較強(qiáng)抵抗侵蝕能力的石墨炭磚，減少使用復(fù)合棕剛玉磚，用大塊磚代替小塊轉(zhuǎn)，有效減小磚體的微孔孔徑，采用更先進(jìn)的材料填充縫隙，進(jìn)而有效抑制有害元素的滲入。
五、降低鉛鋅危害的技術(shù)展望
首先，結(jié)合鉛鋅雜質(zhì)對高爐煉鐵的影響機(jī)理，目前，國內(nèi)優(yōu)質(zhì)鐵礦的數(shù)量在逐漸減少，加上國外進(jìn)口鐵礦價(jià)格不斷攀升，要想有效降低鉛鋅的危害，應(yīng)重點(diǎn)抓原料端、工藝端、筑爐端和操作端，且各個(gè)環(huán)節(jié)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(zhì)對高爐煉鐵生產(chǎn)帶來的不利影響。其次，在高爐生產(chǎn)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(jìn)入高爐，并增強(qiáng)高爐的排除量，由此降低鉛鋅雜質(zhì)產(chǎn)生的危害。
六、結(jié)語
綜上所述，鉛鋅雜質(zhì)主要通過賦存或與其他礦物進(jìn)入高爐內(nèi)部，會對煉鐵質(zhì)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(zhì)在高爐煉鐵中的循環(huán)過程及危害，并結(jié)合其影響機(jī)理，從原料、排鉛工藝、筑爐技術(shù)、操作等方面提出了具體的措施，以期有效降低鉛鋅雜質(zhì)對高爐煉鐵的危害，進(jìn)而保證煉鐵過程的安全性，提高高爐煉鐵質(zhì)量。
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