胡淋
(新余鋼鐵集團有限公司，江西新余338001)
摘要: 鋅在高爐內循環富集，不僅影響爐況順行，鋅蒸氣還會滲入爐襯，造成磚襯膨脹，風口中套變形上翹，大套上翹開裂及爐皮開裂。對新鋼1 050 m3 高爐鋅負荷進行系統分析后，采取控制入爐原料鋅含量、分級冶煉、優化高爐操作和合理利用高鋅物料等措施，減少了鋅在高爐內外的循環富集，有效控制了鋅害。
關鍵詞: 高爐冶煉; 鋅負荷; 鋅循環富集; 操作爐型
0 前言
新鋼第二煉鐵廠現有1 050 m3 高爐4 座，其中6 號高爐大修后于2017 年8 月投產，7 號高爐大修后于2017 年2 月投產，8號高爐大修后于2012 年3月投產，11 號高爐于2011 年12 月投產。近年來，雖然新鋼1 050 m3 高爐入爐原燃料質量有所下降，但是隨著高爐煉鐵技術的進步，高爐冶煉仍然在日益強化，高爐技術經濟指標逐年提高( 見表1) 。
在技術經濟指標取得進步的同時，尚存在一些影響高爐進一步強化和一代爐齡的因素，尤其是高爐入爐鋅負荷，隨著工業固體廢棄物的加強管控，鋼鐵廠大量使用含鋅廢鋼，高爐鋅負荷逐年提高( 見表2) 。鋅在高爐內循環富集已嚴重影響高爐順行和高爐熱制度穩定，滲入爐襯的鋅蒸氣在爐襯內冷凝下來，造成高爐磚襯上漲，風口中套變形上翹，大套上翹開裂及爐皮開裂，同時高鋅負荷爐料還會破壞焦炭強度，造成高爐懸塌料次數增多，消耗上升，不僅影響高爐爐況順行，還危害高爐一代壽命。通過對新鋼1 050 m3 高爐鋅負荷進行分析，采取了控制入爐原料鋅含量、實施高爐分級冶煉、優化高爐操作和合理利用高鋅物料等措施，減少了鋅在高爐內外的循環富集，實現了高鋅負荷條件下高爐穩產高產。
1 鋅負荷分析
1． 1 取樣
在正常生產情況下，對4 座高爐所用的原燃料進行取樣，取樣期為3 天。對燒結礦、進口球團礦、自產球團礦、進口塊礦和焦炭等原燃料，取樣地點設在槽下振動篩下料口處，每天上、下午各取樣1 次，每次取20 kg 左右，同品種礦經人工混勻縮分后，取1 ～ 2 kg 試樣供制樣分析用; 對噴吹用煤粉，從高爐風口噴槍吹掃管放煤粉進行取樣; 對瓦斯灰、布袋除塵灰，從各自放灰口取樣。煤粉、瓦斯灰和除塵灰每天上、下午各取樣1 次，每次1 ～ 2 kg。
在以上試樣中，每天各取2 個燒結礦、瓦斯灰樣品直接供制樣分析用，其余物料則均將上午和下午所取的試樣合為1 個樣品供制樣分析用。生鐵、爐渣分別從爐前鐵、渣溝中取樣，每天各取2 個。由于環境除塵灰和凈煤氣中的鋅含量都很低，根據寶鋼等企業對高爐鋅平衡的研究，這兩者帶走的鋅還不到高爐全部鋅支出的1%，對高爐鋅平衡沒有明顯影響，因此未對此二者進行取樣分析。
對樣品進行分析檢測，數據見表3、表4。從檢測數據中可以看出原燃料中鋅含量由高到低排序如下: 自產4 號、5 號機燒結礦，外購球團礦、自產機燒球團礦，自產7 號機燒結礦、良山球團礦，自產8 號機燒結礦、自產豎爐球團礦，周邊塊礦，進口塊礦，燃料。
1． 2 高爐系統鋅平衡計算
根據以上所檢測的新鋼1 050 m3 高爐的入爐原燃料和主要產品的化學成分數據，結合測定期間生鐵產量、爐渣量以及各種原燃料( 燒結礦、外購球團礦、自產球團礦、進口塊礦、焦炭、煤粉) 用量、高爐生產主要技術經濟指標數據以及高爐產生的瓦斯灰、布袋除塵灰的數量，進行高爐系統鋅的平衡計算，結果見表5。
計算結果表明:
1) 高爐鋅負荷主要來源于燒結礦，其帶入的鋅量占鋅總收入的72% ～ 88%，球團礦占總收入的9% ～ 23%，塊礦占總收入的1． 5% ～ 2． 2%，燃料占總收入的1． 3% ～ 2． 5%;
2) 高爐鋅的收支基本平衡，但是不同的高爐在不同的生產階段，鋅有一個積累和排出過程，因此高爐的鋅收支平衡有波動。
2 高爐鋅害及分析
2． 1 現狀
6 號、8 號高爐采用板壁結合工業水開路冷卻形式，7號高爐采用磚壁合一的全冷卻壁工業水開路冷卻形式， 11 號高爐采用板壁結合軟水密閉+ 工業水開路結合的冷卻形式。鋅害對11 號高爐生產的影響尤甚，11 號高爐上部頻繁結厚，雖然多次采取了降料線、空料線炸瘤等措施，但是效果不明顯。
2． 1． 1 破壞磚襯及爐體
6 號、7 號高爐在大修開爐3 個月后均陸續發現風口中套變形，續而風口大套開裂，目前所有的風口中套都出現了不同程度的變形，并導致7 號高爐爐缸二段爐皮開裂。在更換風口中套時發現風口中套磚襯前沿已嚴重破壞脫落，中套下沿沉積了非鐵金屬物，中套上翹造成風口大套法蘭變形開裂。由于風口大套、中套變形上翹，造成小套難以安裝到位;同時，由于角度及高度變化，導致吹管安裝難以到位，目前所有吹管都縮短了40 ～ 60 mm，才勉強可以安裝到位。
磚襯異常膨脹后，造成板壁結合的高爐爐身爐皮多次開裂，煤氣泄漏嚴重，不得不多次休風進行焊補，灌漿。
2． 1． 2 破壞高爐順行
高爐操作內襯在高爐內鋅的危害下，爐身中上部磚襯均已出現局部脫落，同時鋅冷凝或沉積在爐料中，造成料柱透氣性惡化進而產生管道，或生成難熔物附著在爐身上部爐襯表面造成結厚，嚴重時結厚部位超過500 mm，甚至發生結瘤，嚴重影響了高爐布料的準確性。高爐操作內型破壞后，爐況順行度差，如果頂溫未控制好，就易發生上升管、放散管等煤氣管道堵塞的現象。
2． 1． 3 影響熱制度
高爐出現的周期性爐況難行和爐溫大幅波動，很有可能是由于富鋅渣皮周期性地脫落而引起的。此時會出現鐵水冒白煙，鐵水溫度下降且鐵水物理溫度與鐵水中硅的質量分數高低不符，渣蓋上冒藍火，爐渣黏度升高且流動性顯著變差等現象，嚴重影響到高爐的正常生產。取樣化驗分析結果表明，此時鐵水中鋅的質量分數達0. 244%，渣中鋅的質量分數達0. 268%。
2． 2 鋅害分析
鋅為低熔點有色金屬，其熔點為419. 47 ℃，沸點907 ℃。熔比熱為6. 678 kJ /mol，氣化熱為114． 8 kJ /mol，鋅離子半徑為0． 65 A，液態鋅流動性良好，易揮發，能浸入和充滿細微空間，有較大的表面張力系數，降溫時易凝聚富集。鋅主要以ZnO 形式存在于礦物中，在爐腹高溫區完成原料中所有鋅的還原，鋅蒸氣隨煤氣上升一小部分滲入爐襯的氣孔中，還有一小部分隨煤氣溢出爐外，而大部分鋅會被爐料吸收，重新氧化成ZnO在爐內循環富集。
鋅在磚襯內沉積及氧化，會引起磚襯體積膨脹，產生內應力，造成爐缸爐底磚襯異常上漲; 鋅蒸氣在冷卻設備———風口大、中、小套下沿低溫處析出沉積，導致風口中、小套變形上翹，更換風口中小套時發現風口下沿沉積物絕大部分為鋅( 見表6) 。當爐襯的膨脹作用力超過爐殼強度時，就會使其變形甚至發生開裂; 當鋅與鐵反應生成鋅鐵合金時，又會使爐殼強度降低，從而進一步加大裂縫，且這種裂縫不易焊補。
鋅蒸氣在隨煤氣上升的過程中，到達高爐上部較低溫度區域時，冷凝成細小顆粒，或再次被氧化成ZnO，沉積于爐料空隙中，從而降低焦炭熱強度，使料柱透氣性變差，影響高爐爐況順行。當液態鋅附在爐料表面時易粘結焦粉、礦粉，同時還生成一些難熔物粘結在爐墻上，形成結厚，甚至爐瘤。
Zn 在爐內循環對高爐熱制度會產生不利影響，在高溫區吸熱，低溫區放熱，造成高爐內熱量從高溫區向低溫區轉移，致使爐缸溫度降低，容易誘發高爐爐涼事故，同時使高爐生產消耗增加。
3 鋅害的控制
3． 1 控制鋅負荷
3． 1． 1 制定采購標準
制定嚴格的原燃料采購標準，盡可能采用低鋅原料，減少入爐鋅量。控制一般入爐料中鋅的質量分數小于0. 03%，同時應控制新購原料的鋅負荷不超過0. 5 kg /t。
3． 1． 2 分級冶煉
針對高爐級別及產線對鐵水質量的要求，實施鐵水分級管理。新鋼2 500 m3 高爐使用7 號機生產的燒結礦、良山球團礦和進口塊礦為主的爐料結構，并控制其鋅負荷不超過0. 5 kg /t; 8 號、11 號高爐使用8 號機生產的燒結礦、自產豎爐球團礦和進口塊礦為主的爐料結構，控制鋅負荷不超過0. 8 kg /t; 6號、7 號高爐使用4 號、5 號機生產的燒結礦、自產機燒球團礦、外購球團礦和周邊塊礦為主的爐料結構，控制鋅負荷不超過1. 5 kg /t。
3． 1． 3 加強原燃料篩分管理
嚴格控制入爐原燃料粉末含量，入爐粉末量應不超過總量的3%。加強對燒結礦的強度及低溫還原粉化率的動態跟蹤及考核，同時對高爐槽下原燃料的過篩速率設立自動跟蹤報警裝置，確保高效篩分。
3． 1． 4 提高原料的軟熔溫度
對礦石的軟熔溫度檢測后，將燒結礦堿度由1. 8 倍提至1. 9 倍，減少或停用軟熔溫度低的地方礦，從而縮小鋅的循環區，減少循環區的鋅量。
3． 2 優化高爐操作
1) 根據新鋼4 座1 050 m3 高爐的各自特點，制定了合理的操作方針，使煤氣流分布合理，采取適當發展中心氣流的平臺加漏斗的布料方式，穩定爐況，避免爐溫、堿度劇烈波動，禁止長期低料線作業。
2) 選擇合理的造渣制度，減小其他有害物質( K2O，Na2O，Pb) 的疊加危害，高爐實施定期集中降堿操作，有效提高高爐排鋅能力，防止循環富集加劇。
3) 針對7 號高爐薄壁爐襯的特點，采取適當兼顧邊緣氣流的措施，防止邊緣結厚和周期性渣皮脫落。
4) 嚴格控制好頂溫( 小于350 ℃) ，防止鋅在煤氣管道內沉積堵塞管道。
5) 針對風口中小套上翹而導致的鼓風動能減弱的影響，采取了加長風口、縮小風口面積和周期性更換風口中套及采用斜風口等措施。
3． 3 爐殼密封堵漏
1) 針對磚襯上漲、爐皮開裂和大套法蘭開裂等現象，對爐缸實施壓入灌漿措施。
2) 采取特殊焊接技術對爐皮裂縫進行補焊，加強焊縫強度。
3) 對大套法蘭進行打包密封，防止煤氣泄漏，降低煤氣中的鋅向磚襯中遷移、沉積而破壞磚襯、爐殼的幾率。
3． 4 消除鋅的外部循環
1) 對燒結工序和煉鐵工序的所有原料都進行含鋅量分析，并對鋅含量高的原料進行跟蹤，當原料中鋅含量超出采購上限時，立即上報相關部門。
2) 對高爐瓦斯灰、布袋除塵灰、燒結除塵灰和轉爐污泥等資源進行綜合利用時，必須先進行脫鋅處理，并掌握其流向，以消除鋅的外部循環。
4 結語
1) 在高鋅負荷條件下，高爐雖然能夠實現長期穩定冶煉，但鋅害會嚴重威脅高爐的正常生產，影響高爐的一代壽命，高爐操作者應高度重視，及早采取措施將鋅負荷控制在0． 5 kg /t 以內。
2) 控制高爐鋅負荷最直接、最有效的方法就是建立高爐爐內、爐外鋅流向圖，努力降低入爐鋅負荷。
3) 高爐鋅負荷的控制關鍵是要降低燒結礦的鋅含量，提高進口塊礦比例及減少外購球團礦的使用量，促進高爐降低鋅負荷。