有害元素对宣钢高炉的影响

发表时间：[2007-11-01]　　作者：　　编辑录入：admin　　点击数：3518

摘　要:随着矿石资源的紧张，宣钢吃“百家饭”，精粉和燃料来源产地多，品种杂多，K、Na、Zn等有害元素含量高低起伏不定，一是造成难以混匀搭配使用；二是造成高炉操作中不定期地排碱操作难以掌握。对高炉生产造成一定的影响。

关键字:有害元素原燃料除尘灰炉渣碱度高炉炉况

⒈前言
　　宣钢现有300m³高炉四座，450m³高炉一座，1350m³一座。多年前，宣钢一直使用庞家堡铁矿，K、Na、Zn等有害元素含量较高，高炉操作采取适当底的碱度进行，以利于及时排碱，K、Na、Zn等元素在高炉中循环富集对高炉生产危害极大，可以造成高炉悬料、结瘤、炉况不顺、消耗升高。多年来，高炉工作者通过不断优化原燃料，采取相应的高炉上下部调剂手段，高炉中的碱金属和锌的危害已经得到基本控制，但是，近几年以来，由于庞家堡铁矿趋于贫矿，随着矿石资源的紧张，宣钢吃“百家饭”，精粉和燃料来源产地多，品种杂多，K、Na、Zn等有害元素含量高低起伏不定，一是造成难以混匀搭配使用；二是造成高炉操作中不定期地排碱操作难以掌握。对高炉生产造成一定的影响。
⒉对高炉的影响
⒉⒈破坏原燃料的强度
　　⑴破坏焦炭强度。碱金属的吸附首先从焦炭的气孔开始，而后逐渐向焦炭内部的基质扩散，随着焦炭在碱蒸汽内暴露时间的延长，碱金属的吸附量逐渐增多。向焦炭基质部分碱金属会侵蚀到石墨晶体内部，破坏了原有层壮结构，产生层间化合物。当生成层间化合物时，会产生比较大的体积膨胀。体积膨胀的结果是焦炭产生裂纹进而使焦炭崩裂。碱金属对焦炭的冷强度影响不大，但碱金属会使焦炭的反应性（CRI）明显增加，焦炭的反应后强度将明显降低。焦炭质量的恶化会引起炉温的失常。
　　⑵破坏烧结矿及球团矿的热态强度。高炉原料中所含的碱金属主要以硅铝酸盐或硅酸盐形式存在，炉料中的碱金属化合物落至高炉下部高温区时，一部分进入渣中；一部分还原成K、Na或生成KCN、NaCN气体，随煤气上升至CO2浓度较高而温度较低的区域，除被炉料吸收及随煤气逸出者外，其余则被CO2重新氧化变为氧化物或碳酸盐，当有SiO2存在时可生成硅酸盐。反应生成的K2CO3、Na2CO3、K2SiO3、Na2SiO3、KCM、NaCN等都为液体或固体粉末状，粘在炉料上或被气体带走。被炉料粘附和吸收的碱金属化合物又随炉料下降，再次被氧化，如此循环而积累。如果排碱能力不足，高炉中、上部炉料的碱金属含量将远超过入炉前的水平。球团矿含碱金属会引起“异常膨胀”而严重粉化。
　　另外，铁矿石含有较多碱金属时，易生成低熔点化合物而降低软化温度，使软容带上移。高炉中、上部生成的液态或固态粉末状碱金属化合物（如K2O、Na2O、ZnO等）能粘附在炉墙上，促使炉墙结厚或结瘤，或破坏砖衬。

⒉⒉造成炉缸、炉底侵蚀速度加快
　　碱金属锌（Zn）常以ZnS形式存在于矿石中，有时也呈碳酸盐或硅酸盐形式。入炉后分解成为氧化物ZnO，随炉料下降，在CO/CO2=1~5的条件下，于1000℃以上的高温区还原成Zn。Zn的沸点为907℃，蒸发进入煤气，升至高炉中、部又被氧化成ZnO，一部分随煤气逸出，另一部分粘附在炉料上，又下降而被还原、汽化，形成循环。K、Na侵蚀机理为生成的液态或固态粉状碱金属化合物能粘附在炉衬上破坏砖衬，Zn侵蚀机理为Zn蒸汽渗入砖衬缝隙中，冷凝并氧化成ZnO，体积膨胀损坏内衬。
　　8#高炉（1350m³）于2003年11月20日由1260m³扩容至1350m³开炉进入第三代炉役的。在大修扒炉料过程当中，在从13#风口下方陶瓷杯与最上层炭砖之间（标高11m）发现有渣铁凝结物，随着扒料下移，陆续在14#、15#、16#、17#、18#风口下方环炭砖与陶瓷杯之间发现凝铁，一直向下延伸到炉底部，已侵蚀到密封板上捣打料的上表面，13#～18#风口下方渣铁凝结物附近发现有大量的黄白色的凝结物，取样化验分析主要成份为ZnO。所以，分析是Zn蒸汽可渗入砖衬缝隙中，冷凝并氧化成ZnO，体积膨胀损坏内衬，从而导致砖衬渗铁的。铁水从渣口组合砖与炭砖及陶瓷杯的接缝处渗入并向下及两边延伸，铁凝结物致使紧贴冷板的模压小炭块向外扩展，造成炉皮的频繁地开焊和开裂。
从炉缸和炉底耐火材料中的相关部位进行了取样，取出的样品金属和炉渣，含有害金属比较高的部位及成份如下:
表1:金属样品的能谱分析

有害元素	编号	含量	部位
Zn	J-1	1.38	3^#风口下方2m处第一层炭砖与第二层炭砖之间的铁皮
Zn	J-2	1.28	16^#风口下方炭化硅砖前的铁皮
K	J-2	6.05	16^#风口下方炭化硅砖前的铁皮
	J-10	3.89	17^#、18^#风口前自焙炭砖之间的铁皮
	J-12	2.26	炉底最上层中心陶瓷杯与自焙炭砖之间的铁皮
	J-9	1.96	15^#风口下方1m处的铁皮
Na	J-2	5.75	16^#风口下方炭化硅砖前的铁皮
	J-5	3.95	15^#、16^#风口前自焙炭砖之间的铁皮
	J-1	3.25	3^#风口下方2m处第一层炭砖与第二层炭砖之间的铁皮
	J-14	2.49	炉底中心第二层自焙炭砖底面铁皮
	J-4	3.02	渣口位置2段冷板上沿往下1.3m处炭化硅砖中的铁皮

　　由以上统计可以看出:金属样品中的有害金属Zn、大部分富集在15#~18#风口之间，渣口附近区域，其次为炉底中心部位，说明侵蚀部位越严重越富集，有可能有害金属的富集加剧了炉衬的侵蚀。
表2:炉渣样品的能谱分析

有害元素	编号	含量	部位
Zn	Z-1	27.12	13^#风口下方自焙炭砖与炉渣混合物
	Z-2	27.13	渣口、14^#风口前自焙炭砖内金黄色混合物
	Z-6	27.99	15^#风口下方1m处铁块下的金黄色矿物
	Z-8	21.54	15^#风口二套取下后的渣皮
	Z-9	28.20	7^#风口二套取下后的渣皮
	Z-10	26.03	1^#风口二套取下后的渣皮
	Z-11	18.69	渣口处残铁周围的炉渣
	Z-12	30.54	渣口北侧炭砖上的渣皮
	Z-13	22.75	16^#风口下方铁与炭化硅砖之间的黄色矿物
	Z-14	27.63	13^#风口下沿1m离冷却壁500mm处的乳黄色混合物
	Z-17	29.50	14^#风口前方复合棕刚玉砖中的混合物
	Z-18	31.46	15^#风口下方铁块中的熔融物
	Z-19	33.20	渣口南侧炉壳与自焙炭砖之间填料中的混合物
K	Z-4	4.72	渣口里面的渣铁混合物
	Z-5	2.84	14^#风口前方陶瓷杯上的渣皮
	Z-7	9.49	9^#风口二套取下后的渣皮
	Z-8	7.87	15^#风口二套取下后的渣皮
	Z-9	8.87	7^#风口二套取下后的渣皮
	Z-10	9.65	1^#风口二套取下后的渣皮
	Z-15	12.47	12^#风口前300mm处陶瓷杯上的淡黄色混合物
	Z-21	2.87	炉底最上层中心陶瓷杯与自焙炭砖之间的矿物
	Z-22	3.86	西大门扩大后左侧渣皮混合物
	Z-23	2.88	西大门放炮后紧贴自焙炭砖里面的白色粘结物
	Z-24	2.19	东大门左侧自焙炭砖前的混合物
Na	Z-1	26.56	13^#风口下方自焙炭砖与炉渣混合物
	Z-2	46.78	渣口、14^#风口前自焙炭砖内金黄色混合物
	Z-6	39.89	15^#风口下方1m处铁块下的金黄色矿物
	Z-9	36.55	7^#风口二套取下后的渣皮
	Z-10	12.47	1^#风口二套取下后的渣皮
	Z-12	36.77	渣口北侧炭砖上的渣皮
	Z-13	29.21	16^#风口下方铁与炭化硅砖之间的黄色矿物
	Z-14	46.34	13^#风口下沿1m离冷却壁500mm处的乳黄色混合物
	Z-16	9.84	3^#风口1段冷板下200mm处陶瓷杯中的金红色混合物
	Z-17	44.05	14^#风口前方复合棕刚玉砖中的混合物
	Z-19	40.47	渣口南侧炉壳与自焙炭砖之间填料中的混合物

　　由以上统计可以看出:炉渣中的有害金属Zn、K、Na也大部分富集在东侧13#~16#风口之间，渣口附近区域，其次为西大门附近区域、炉底中心、铁口区部位，与金属中的有害金属分布大致相同，也说明侵蚀部位越严重越富集，有可能有害金属的富集加剧了炉衬的侵蚀。
⒉⒊造成风口二套变形
　　休风更换风口二套时候发现，风口二套的前端上方有变形，在变形处的上方的渣铁混合物中有黄白色的凝结物，取样分析Zn含量在99%左右。而且，表现出顶压越高，Zn在风口区域富集的越多，这是因为较高的顶压抑制了ZnO随煤气的逸出所致。
⒉⒋煤气除尘管路易堵塞
　　随煤气逸出的ZnO，能在上升管和下降管凝集，产生堵塞。 Zn凝集的温度随煤气中Zn的浓度、环境气氛及压力不同而异，在500℃左右，CO2浓度高时很容易凝集。
⒉⒌除尘灰粘，布袋易结露，卸灰困难
　　除尘灰发粘，布袋“结露”，卸灰困难，原因仍与锌含量高有关。
⒉⒍煤气切断阀易卡死
　　8#高炉的重力除尘器大闸关不严，煤气调压阀组处的高插1#阀也关不严，导致高炉休风时候，煤气倒回到炉顶形成正压，煤气从点火人孔往外喷火，使得炉顶点火困难，分析结果仍然是煤气中含锌量过高，阀杆粘结所致。
⒉⒎炉顶点火人孔粘结物中锌含量高
　　高炉的炉顶点火人孔处，在休风点火后发现有许多不规则的固态物质，含锌量在90%左右。
⒊有害元素的来源
　　为了解8#高炉及中型炉K、Na、Pb、Zn在高炉内的富集情况，2004年2月对8#高炉及中型炉的入炉料（烧结矿、球团、焦碳、煤粉）及产出物（渣、铁、瓦斯灰）进行了取样，并送北京矿冶研究总院分析各物料的K、Na、Pb、Zn含量。根据分析结果及2月物料消耗及产出情况，计算结果如下：

表3 8#高炉K、Na、Pb、Zn在高炉内的富集情况

物料	重量（t）	K%	Na%	Zn%	Pb%
焦碳	30598	0.058	0.046	0	0
无烟煤	4969	0.24	0.064	0.006	0
煤粉(烟）	7321	0.24	0.064	0.006	0
小焦	2283	0.058	0.046	0	0
二烧	83994	0.084	0.036	0.036	0
落地一烧		0.07	0.032	0.062	0.006
一烧	8663	0.08	0.032	0.022	0.005
落地二烧	0
球团	25889	0.044	0.042	0.01	0
小矿	881	0.084	0.036	0.036	0
生铁	80183.5	0.003	0.004	0	0.006
炉渣	32907	0.41	0.17	0	0.005
瓦斯灰	1200	0.15	0.054	0.22	0.022
收入		138.183(t)	67.19(t)	35.78(t)	0.433(t)
支出		139.124(t)	59.797(t)	2.64(t)	6.720(t)
平衡		-0.9406(t)	7.394(t)	33.147(t)	-6.287(t)

表4 中型炉K、Na、Pb、Zn在高炉内的富集情况表

物料	重量(t)	K%	Na%	Zn%	Pb%
焦碳	27683	0.05	0.037	0	0
无烟煤	5448	0.24	0.064	0.006	0
煤粉(烟）	2258	0.24	0.064	0.006	0
小焦	0
一烧	44286	0.08	0.032	0.022	0.005
二烧	20933	0.084	0.036	0.036	0
落地一烧		0.07	0.032	0.062	0.006
球团	21059	0.044	0.042	0.01	0
小矿
生铁	57078.1	0.003	0.006	0	0.005
炉渣	22522	0.46	0.2	0.005	0.007
瓦斯灰	1350	1.09	0.27	4.52	0.24
收入		94.61438(t)	45.72673(t)	19.8470(t)	2.2143(t)
支出		120.02854(t)	52.113686(t)	62.1461(t)	7.6704(t)
平衡		-25.41416(t)	-6.38695(t)	-42.299(t)	-5.456(t)

　　注：上述表中K、Na、Pb、Zn含量为零处原分析为〈0.005%，因北京矿冶研究总院说〈0.005说明该元素含量很低，做不出结果，因此在计算中取零。
　　通过上述数据及计算结果可以看出：2004年2月份8#高炉Na、Zn元素在炉内是一个富集的过程，而K、Pb元素则是排出的过程；中型炉K、Na、Pb、Zn在2月份是一个排出的过程。所以，8#高炉在日常操作中应该注意适当降低炉渣二元碱度排碱，而为了保证降低生铁含硫（[S]），则可适当提高三元碱度即提高（MgO）含量在10~12%间（只要保证四元碱度=1.0倍左右即可保证良好的渣铁流动性）。

⒋对策措施
　　⑴改善操作，提高渣中（MgO）含量，降低炉渣二元碱度，增大渣量排碱能力。渣中（MgO）含量由原来的9~10%提高到10~12%，炉渣的流动性及热量在同等条件下改善，排碱能力增强。
　　⑵不定期地根据炉体温度、冷板水温差变化以及炉况表现，适当地疏松边缘，防止炉墙结厚。
　　⑶对有害元素的高低不同的精粉，尽力搭配使用，降低危害。

⒌结语
　　⑴有害金属元素K、Na、Pb、 Zn等富集在高炉内会造成高炉内衬侵蚀速度加快，严重影响高炉长寿。
　　⑵在有害金属含量越高的区域，侵蚀越严重，侵蚀部位越严重越富集，高炉必须不定期做K、Na、Pb、Zn平衡，以指导高炉操作不定期地排碱。
　　⑶建议公司在精粉采购采购时候，要事前充分考虑不同资源产地的K、Na、Pb、 Zn等有害金属元素的影响，尽力采购低有害元素的精粉，确实采购了高有害元素的精粉后，炼铁厂尽力与低有害元素的精粉搭配使用，降低危害。
　　⑷由于矿石资源的紧张，吃“百家饭”，精粉和燃料来源产地多，品种杂多，K、Na、Zn等有害元素含量高低起伏不定，在目前较难从根本上消除的条件下，可以将除尘灰等有害元素较高的物料外卖，避免其在系统中循环富集。