锌与高炉炉喉结瘤

1993年第1期《南方钢铁》《炼铁》 锌与高炉炉喉结瘤 广州钢铁有限公司 王成立 我国华南地区铁矿石中铅锌共生极为普遍，尤其是广东省境内绝大多数矿都含有锌，对高炉冶炼构成极大影响。表1是广东省主要铁矿中锌含量的情况。多年以来，入炉料中锌高的问题一直困绕着广钢高炉生产。炉皮开裂，炉喉及上升管结瘤，“锌害”已对广钢高炉正常生产构成了极大威胁。表2是广钢近几年烧结矿中锌含量的年平均值。在生产中，月均值最高时达0.35%以上。 表 1 广东主要铁矿石含锌量 矿点 连平 平远 怀集 阳山 河源 英德 梅县 利山 连县 Zn/% .172 .089 .088 .052 .119 .243 .069 .300 .084 表 2 广钢烧结矿锌含量 时间 1988 1989 1990 1991 Zn/% .128 .164 .173 .245 Zn负荷，kg/t-p 2.2 2.9 3 4.29 1 锌在高炉内的还原与循环富集 锌属低熔点金属，其硫化物具有热不稳定性，在铁矿石中的锌多以闪锌矿(ZnS)和红锌矿(ZnO)等赋存。在烧结过程中约有10%左右的Zn被脱除，其余则以ZnO的形式随烧结矿进入高炉。在高炉冶炼条件下，ZnO在950℃以上的高温区，被C或H2直接还原，也有部分被CO间接还原。而ZnS则在400℃~500℃时就开始热分解并借助于铁的作用还原出来。 原料中所有Zn的还原过程，直到炉腹的高温区才能完成。锌被还原后很容易挥发而进入煤气中随煤气逸出。但在随煤气上升中，由于温度下降，锌又凝结于炉料表面，从而被高价氧化物所氧化再次进入炉料，造成炉内锌的循环富集。正常情况下，高炉内炉腰以上锌的循环富集与锌的还原气化随煤气逸出基本处于动态平衡。这促使了煤气中锌分压的增高，进而达到或趋于饱和。锌在炉内的循环富集现象是锌的理化特性及炉内还原气氛、炉内温度分布所造成的。煤气上升中温度由高到低，炉料下行中温度由低到高及锌的低熔点、易气化的特性和炉内强烈的还原气氛都是炉内锌循环富集的有利条件。 图1是广钢3号高炉炉衬中锌含量的变化情况。显然，在炉身中下部达到峰值。由于温度关系，再往下，锌大量还原进入煤气使炉料中的锌不断下降。同时煤气中的锌分压也不断降低。在炉腹下部衬体中锌含量又一次出现峰值，其原因可能与该部位衬体中铁、碳含量高有关。在炉喉衬体中出现峰值则与该处温度条件适宜、煤气中锌大量逸出沉积浸蚀有关。 图 1 Zn在炉内衬体中的分布 2 炉喉锌质瘤的形成 一般认为，高炉结瘤，多在有熔融物出现的部位。但在高锌矿冶炼中，高炉结瘤却并非完全如此。如广钢、三明及柳钢等冶炼含锌矿时，结瘤多出现在炉身上部块状带，炉喉及煤气上升管等不可能出现液相的区域。这是因为锌在高炉炉身循环富集，使上升煤气中的锌蒸气压在炉内条件下达到了饱和，当温度下降时，锌饱和蒸气压下降，使锌大量从煤气中析出。析出的锌，一部分沉积在炉料表面形成循环富集。另一部分则吸附于温度较低的炉壁、炉喉钢砖及煤气上升(或下降)管内壁上。这种吸附的积累便形成炉瘤。图2-图4分别是广钢高炉冶炼高锌矿时结瘤的情况，表3是炉瘤的化学成份。 图 2 3#高炉结瘤示意 图 3 4#高炉结瘤示意 图 4 上升管结瘤堵塞示意 表 3 炉瘤成份结果 编号 Zn Bi Pb Fe C S K2O Na2O 1# 71.40 3.61 1.26 .38 .53 .03 .60 .14 2# 60.99 3.78 2.39 .62 1.15 .15 .93 .13 3# 58.30 9.64 2.76 .27 .30 .44 .25 .09 从表3炉瘤成份显而易见，炉瘤属锌质金属瘤。含锌高达60%以上。其次分别为Bi、Pb等。在上升管部位的炉瘤，质基较松散，易除去。而在炉喉部位的瘤则质基坚硬，比重为5.4g/cm3，敲击呈金属声响，极难除去。值得一提的是，结瘤部位并未完全与炉衬纵向锌分布相对应。因为锌质炉瘤的形成其重要原因是温度变化。而锌在炉衬内的分布则与锌在炉内循环富集的位置有关。 当炉顶温度较高时，煤气中的锌便极易在温度较低的上升管中析出，吸附、沉积，进而形成煤气上升管瘤。如图4所示。上升管结瘤发展很快，一旦形成，便迅速长大，最终导致管道堵塞。这是因为当上升管某位置(一般多在上升管离开炉体1.0m左右处)温度适宜而结瘤形成时，造成管道有效通道沉积减少，流经该处的煤气流速变大。但过了此通道，煤气流速又因通道变大而减速。大颗粒粉尘便在通道结瘤处沉积使瘤长大，进而堵塞管道。该处结瘤的特点是炉瘤质基较为松散。所以管道被堵塞后，找出堵塞部位并在此开孔，较易处理。90年与91年广钢多次上升管结瘤堵塞，处理基本采用打穿排灰的办法。先在上升管温度明显降低部位开孔探瘤，确定结瘤位置后扩大探瘤孔将内壁结瘤物敲击徐去，同时排灰。最多时流入炉内的沉积粉尘多达十多吨。这些堵塞物中锌含量高达5%以上。 3 锌瘤成因分析 任何事物的发展变化，都是其“内因”和“外因”共同作用的结果。高炉结瘤亦不例外。 形成炉瘤的客观外界条件是煤气中锌的饱和蒸气压、煤气流的分布及炉内结瘤区域的温度变化。通过改变这些条件，可以起到抑制炉瘤形成或控制炉瘤长大速度的作用。在入炉锌负荷一定的条件下，随煤气逸出锌基本在一相对较稳定的水平。当边缘气流发展时，单位时间流经高炉衬体表面的锌量较大，吸附结瘤的量就多。尽管边缘气流对形成的炉瘤有一定冲刷作用，但因锌的大量析出吸附，使冲刷作用相对锌瘤增厚来说就显得很小了。 为了进一步讨论锌瘤的形成过程，借炸瘤的机会，对炉瘤进行了取样分析。从照片清晰的层状结构看，认为炉瘤的长厚并非连续均匀进行。显然高炉在运行中间歇地提供了炉瘤迅速长大的机会，而这个机会就是炉顶温度、压力等的大幅度、长时间波动。根据对炉瘤试样进一步定量分析发现，炉瘤并非呈均匀层状结厚，而是以10mm~100mm(多数为10mm~50mm)为一个层状单元。每个层状单元又由许多薄层组成，每个薄层厚度约为0.03mm~0.20mm。若将每结厚50mm~100mm称为一个结瘤层周期，那么此周期大致与高炉休风检修周期相对应。在周期内，当炉料中锌循环富集到一定程度及炉喉温度适宜结瘤时，大小钟的每次开启都会造成锌瘤的一次结厚。而每次崩料和长达1小时以上的低料线作业，则又是结厚层表示的锌及夹杂物的一次富集。 4 关于炉喉瘤处理 由前述显而易见，高锌矿冶炼是炉喉结瘤最根本的原因。为了减少结瘤对高炉顺行造成的危害。首先必须严格控制入炉原料中锌的含量。同时，通过操作手段亦可做到抑制炉喉结瘤。在这里，最主要是控制边缘气流及炉顶温度、炉喉温度，严禁低料线作业及炉顶温度大幅度波动。 就结瘤位置而言，在上升管结瘤要较炉喉结瘤易处理。当炉喉温度较低时，易在炉喉或炉身上部结瘤，反之易在上升管结瘤。当炉喉瘤形成并对生产构成影响时，可采用爆破处理。90年与91年广钢先后三次在炉喉钢砖下200mm~400mm处开孔，使用2号岩石炸药炸炉瘤。当开孔位置及投用药量合适时，炸瘤效果较好。炉瘤孔开成穿孔(即穿透炉瘤)要较开封闭孔效果为好。 5 结语 (1) 冶炼高锌矿的高炉在炉身中下部存在锌循环富集现象。 (2) 形成炉喉瘤的外部条件是炉喉温度、炉顶温度及炉顶压力的大幅度波动和边缘气流的过份发展。严格控制炉顶温度和边缘气流对抑制炉瘤形成和长大极为重要。 (3) 炉瘤形成后可采用爆破处理。