2500m3高炉冶炼过程中锌负荷控制生产实践

曾敏学，喻冰鹤

（新余钢铁股份有限公司，江西 新余 338000）

在冶金加工过程中，所用的原料中会含有一定量的锌元素。这一杂质元素的存在会导致高炉冶炼过程中出现锌元素循环富集的现象，进而引发消耗增加、结瘤、悬料、炉况下降等问题，对高炉冶炼的生产效率和综合效益造成了不利影响，所以我们希望入炉料中锌元素的含量越少越好。高炉冶炼过程中锌的来源：一是选用矿石均不同程度地含有锌矿物，矿石多为铅锌共生矿。二是两个循环既炉内循环富集和炉外循环富集，三是烧结配料中加入的含锌杂料如冶金污泥等,四是部分高炉在入炉料中配加的含锌金属料等。出于提高生产效率、降低生产成本的考虑，现阶段的冶炼生产选择将高炉瓦斯灰、污泥等杂料掺加至烧结原料中，实现了相对较好的降耗增产效果。但是上述措施也导致了生产过程中有害元素比重增加的问题，特别是锌金属的存在将显著影响高炉运行的稳定性与可靠性。高炉内较长的氧化温度区间使得锌蒸汽在高炉上部被氧化吸附，从而降低排锌率；在高炉内形成恶性循环和累积，劣化入炉原燃料质量，恶化软熔带透气性，导致高炉生产效率下降。因此必须采取科学有效的措施对高炉生产过程中的锌元素含量进行控制，才能确保生产过程的安全性与稳定性并实现更好的综合效益。（国标GB-50427-2008规定锌金属负荷≤ 0.15kg/tFe）（表 1）。

表1 2012-2018年10号高炉碱金属和锌负荷，kg/tFe

1 锌在高炉中的行为

锌为低熔点有色重金属，其熔点420℃，沸点907℃，液态锌流动性好，易挥发，离子半径较小，能浸入和充满微细空间，有较大的表面张力系数，降温时易凝聚在一起，在局部空间内呈现较高浓度，其硫化物具有热不稳定性。矿石中的锌，在烧结过程中约有10%左右被脱除，其余多以ZnO状态存在，少量为亚铁酸盐化合物，随烧结矿进入高炉。因其熔点较高(ZnS熔点为1650℃，ZnO熔点为2000℃)，在高炉内很难直接被熔化。

高炉入炉锌主要来自烧结矿和良球；锌在高炉内收支平衡计算结果表明：10号高炉锌循环富集为71.72%，由此表明10号高炉排锌能力较差。导致上述问题的主要原因在于锌元素表现出相对较低的挥发温度，在受热挥发过程中气态锌元素会同粉矿、粉焦等物质接触并将热量传递给后者，使得锌元素因温度下降转变为氧化锌并与炉墙表面相粘结，造成高炉内部上部、中上部等区域出现厚度增加的情形影响其正常运转。冶炼条件下，锌在950℃以上的高温区，被碳或氢气直接还原，直接消耗炭素,也有部分被一氧化碳间接还原。而锌元素则在400℃～500℃时就开始分解并以已还原出来的催化剂被还原，原料中所有锌的还原过程，直到高温区才能完成。在高炉冶炼过程中，锌元素的循环主要分为高炉内部小循环、烧结-高炉大循环两种不同情形。

1.1 高炉内的循环

高炉冶炼以各类矿石为主要原料，其中锌元素这一杂质的存在形式主要表现为硅酸盐(2ZnO·SiO2)、硫化物(ZnS)等。而硫化锌会在高炉冶炼的过程中先发生氧化还原反应并生成氧化锌，然后在高温条件下（1000℃以上）与CO发生还原反应形成气态锌这一产物。

气态锌的沸点在907℃左右。气态锌会与燃气同步运动，并在达到低温区域（580℃以下）时发生冷凝，然后与氧气发生反应生成氧化锌，氧化锌颗粒会随着燃气运动至高炉之外，并伴随着炉料的下降而循环运动至高温区域，形成上述受热升华、低温冷凝的循环反应过程，并在循环过程中逐渐富集于高炉内壁。

1.2 烧结、高炉之间的循环

在烧结矿料进入高炉之后，锌会同含金属成分一同参与冶炼过程。在温度上升的过程中达到其沸点并发生还原反应形成气态锌，然后气态锌与燃气同步运动经燃气管运动至高炉之外。在净化处理下，锌元素以及其他固态颗粒将以除尘灰的形式再次进入烧结原料参与后续生产作业，从而形成了锌元素在烧结-高炉的大循环过程。

2 锌对高炉的影响

在冶炼原料中，锌元素是含量相对较低但是影响较大的一种伴生元素，其常见的存在形式为闪锌矿(ZnS),也可以表现为碳酸盐、硅酸盐等形态。虽然天然矿石中锌元素的质量分数相对较小，但是受其沸点低、还原反应温度低等因素的影响，导致锌元素难以被吸收排出，因此会在高炉内形成循环富集的问题，并导致以下后果：

高炉内被还原出来的锌在随燃气上升过程中，在低温区冷凝成细小颗粒或再被氧化成氧化锌，沉积于炉料孔隙中，使炉料透气性变差，破坏燃气分布,使燃气分布紊乱,炉料下降困难，造成高炉塌料、滑料、甚至悬料。其次,高温区还原出来的锌,虽然有一大部分会随燃气上升,但还是有一部分会渗入炉衬炉墙的耐火材料中,并逐步形成炉瘤、破坏高炉运行。另外,还原出来的锌还往往以渣皮的形式附着在冷却壁上,这种以锌为粘结物形成的渣皮极不稳定,容易引起频繁的脱落,使炉温出现波动。

锌在耐火砖炉衬中沉积引起体积膨胀，产生内应力，造成材料破坏。由于耐火材料具有较高气孔率，炉内较高的压力燃气，易于渗入耐火砖炉衬的气孔内，尤其是锌蒸汽，在高温下有较大的穿渗能力，更容易浸入耐火材料的内部，甚至达到金属炉壳附近，最易发生锌在炉衬内部的沉积。

一般而言，在炉衬高度方向上：炉腰及以下部位沉积的多为金属锌，炉身上部和炉喉为氧化锌，中间区域两者兼有；在高炉炉衬径向方向上：炉身以上，氧化锌多沉积在耐火砖衬的前半部分(靠近热面)：而锌的沉积从上到下，随炉衬内高温区外移而变化。在锌(氧化锌)沉积最多的地方也往往产生大量的烟气。

2.1 对高炉冶炼的影响

在循环富集的过程中，锌元素存在形态的变化会导致高炉热量出现了转移，在造成高温区温度下降和低温区温度上升的同时使得矿渣的温度下降，导致矿渣黏度增加对脱硫等生产活动造成了不利影响。此外，气态锌在到达高炉中上部区域时会因温度下降而发生冷凝并附着于高炉内部或炉料表面，这种炉瘤会导致气孔堵塞、料柱透气性下降等问题，导致矿石、焦炭的冶金性能下降且导致料块强度与还原性出现减弱的问题。图1即1号风口上方，属于上部结厚。

图1 10号高炉低料线下显示炉墙结厚

锌元素含量的增加还可能导致焦比增大的后果。当锌元素的含量增加时，会因氧化反应而释放热量，导致高炉上部燃气温度上升从而导致冶炼焦比增大的问题。从图2可以看出，从2018年1月份开始，10号高炉炉顶温度逐步上行，顶温度在190℃～220℃，顶温难以控制，尤其炉内出现低料线时，常常靠减风来控制顶温。

图2 10号炉顶温度趋势

2.2 对高炉寿命的影响

随易燃气体排出含锌物质易堵在上升管中形成锌瘤,还易在除尘入口形成堵塞,使压差升高,同时含锌高的除尘灰,遇空气自燃,不仅造成极大的经济损失,同时影响高炉生产。气态锌在高炉的循环富集会造成其与高炉内部、炉衬等相结合并转化为熔点相对较低的化合物导致炉衬的强度下降，从而造成炉衬过度侵蚀、损耗的问题。此外，渗透至炉衬缝隙结构、孔隙结构的锌元素也会导致炉衬体积变大的问题，造成其结构受损而韧性下降，导致高炉过度损耗。

3 10号高炉减轻锌危害的措施

3.1 确保炉况顺行

基于当前的原燃料状况，若想保证冶金高炉的生产效率就必须开展科学管理和控制，实现生产流程的最佳效果。这就对顺行预警、快速反应等管理策略提出了较高要求。

（1）开展科学管理和精准操作，及时调整高炉温度确保冶炼温度的稳定性。

（2）加强管理提升操作质量，尽可能降低生产风险维持高炉冶炼作业的持续性与稳定性。具体将炉况顺行为出发点和目标，维持合理稳定的煤气流状态，将高炉上部温度控制在100℃～250℃之间，为锌元素的排出创造有利条件。

（3）做好槽外筛分工作，降低入炉原料中含锌粉末的含量，为烧结作业奠定良好基础降低锌元素在烧结-高炉循环中的比重。

3.2 加强高炉监控

做好生产监控工作，重点对热电偶温度、冷却水温差、煤气流分布等生产参数进行监控，及时发现生产风险并进行处理。

（1）优化改进原料结构与生产条件，尽可能降低原材料中锌元素的含量。

（2）动态监控原材料中有害元素含量的变化，及时开展分析排查工作，及时发现和解决生产风险。

（3）实现休风与维护保养的有机结合，在提升高炉生产效率的同时尽可能降低停工检修风险，确保生产时间的顺利性。

4 结语

（1）在高炉冶炼生产实践中必须充分认识到锌元素的存在对生产作业的不利影响。

（2）尽可能减少原材料里锌元素的含量，必要时开展锌提取净化处理提升原材料品质。如湖南建鑫冶金科技有限公司建议高炉主沟高温熔融还原处理含锌瓦斯灰、污泥等固废新技术。

（3）充分发挥现有技术手段的积极作用，尽可能降低高炉冶炼过程中的锌元素循环富集程度，以此提升高炉冶炼生产效率和综合效益水平。