鉛鋅在高爐煉鐵中的循環(huán)過程與影響探析

崔利國，張紹立

（通化鋼鐵公司，吉林 通化 134003）

鋼鐵工業(yè)對我國的工業(yè)生產起到了至關重要的影響，我國的粗鋼產量一直在不斷的增長，但是鐵礦石的依存度較強。由于受到成礦原因以及煉鐵原料等因素的影響，煉鐵原料當中會存在一定量的鉛鋅雜質，給高爐煉鐵過程帶來不利的影響。目前，通過一些技術手段不能有效的去除鐵礦當中的鉛鋅雜質，尤其是近些年來，由于鋼鐵產業(yè)發(fā)展過盛，使得一些企業(yè)為了節(jié)約成本使用質量差、價格低的礦石，這在一定程度上加深了高爐煉鐵中鉛鋅的危害影響。由此可見，對鉛鋅在高爐煉鐵中的循環(huán)過程與影響進行研究具有重要的意義。

1 高爐煉鐵中鉛鋅雜質及礦物特性

在高爐煉鐵的過程中，鉛鋅會在爐中被還原出來，進行循環(huán)、沉淀，并且黏附在爐壁內，不僅給生產過程帶來了安全問題，同時也給大型高爐帶來不利影響。在自然界當中，鉛鋅大部分以硫化物的狀態(tài)存在，高爐煉鐵中鉛鋅物料的礦物特性分為鐵精礦、球團礦、煉鐵爐塵、爐瘤等幾方面。由于鐵礦石中的鉛鋅雜質大多以顆粒狀存在于礦物質或者其晶格當中，所以一般是在后續(xù)的冶煉過程中降低鉛鋅的影響[1]。

2 鉛鋅在高爐煉鐵中的循環(huán)過程與影響

2.1 鉛鋅在高爐中的分布情況

在高爐里面，鉛鋅主要存在于和鐵水鄰近的內襯中。由于和鐵性質之間存在不同，鉛一般處于爐底碳磚內部，而鋅處于塊狀帶，對爐襯具有影響?，F(xiàn)階段，發(fā)現(xiàn)鋅大量存在于鐵口以及棕剛玉磚當中，并且在爐身和煤氣上升管的黏結物當中也存在很多氧化鋅。

2.2 鉛鋅的收支分析

鉛鋅雜質對高爐煉鐵過程具有很大的危害，一般而言，不同鋼廠的不同階段在鉛鋅雜質的來源以及支出這一方面存在著差異性。第一，與進口礦相比較，我國鐵礦中鉛鋅含量較高；第二，燒結礦含量為高爐鉛鋅全部收入的一半以上；第三，大多數(shù)的鉛鋅雜質都是通過煤氣清洗系統(tǒng)排到爐外，有少量殘留到爐內，當積累過多后會對高爐產生不利影響。通常，鋅的支出量遠遠大于其殘余量，但是由于高爐內的生產條件存在差異，鉛的支出量和殘余量間存在較大的差異。

對于鋅收入項，攀鋼、寶鋼、紅鋼的燒結礦比例為70%左右，煉鐵粉塵占比例為90%以上，鋅支出在生鐵以及爐渣當中占據(jù)較高的比重。對于鉛收入項而言，紅鋼、濟鋼的燒結礦為鉛雜質的重要來源，對于其支出項，煉鐵粉塵仍然是鉛重要的排出方式。燒結礦占高爐鉛鋅收入的75.19%及66.75%，而煉鐵粉塵占據(jù)高爐鉛鋅支出的75.72%及98.50%。由此可見，燒結礦為入爐原料里面鉛鋅雜質的重要收入項，而煉鐵粉塵為鉛鋅雜質的重要支出項。

除此之外，為了保證資源的有效利用，可以將一定量的煉鐵粉塵加入到燒結生產里。例如，酒鋼把瓦斯泥與重力除塵會加入到燒結礦中，能夠產生一定量的鉛和鋅，從而使得煉鐵粉塵變?yōu)楦郀t鉛鋅的主要來源。而通過將其燒結進行回收利用，又極大的增加了高爐鉛鋅的不利影響，使得鉛鋅的爐外循環(huán)加重了其爐內循環(huán)。因此，可以將煉鐵粉塵進行脫鉛、脫鋅處理，從而有效的降低鉛鋅帶來的危害。

2.3 鉛鋅在高爐煉鐵中的循環(huán)演變

當物料進入到高爐當中后，在一定條件下還原為單質，其中，鋅的硫化物為先變?yōu)檠趸?，再在高溫的條件下還原為氣態(tài)鋅。由于鉛鋅雜質的沸點存在差異性，鉛一般是液態(tài)的，而鋅為氣態(tài)，且二者的密度不一樣，鉛會落入到爐內當中，沉入到鐵水下面，一般能夠利用爐底排鉛技術進行排出。此外，液態(tài)鉛還會在爐皮開口處、縫隙等地方排出，而且在堿性物質的作用下會滲透到磚襯內部，經過氧化之后體積變大而給爐體結構造成破壞。在高溫條件下，鉛會被氣化，此時會形成很多鉛蒸汽，因此存在一定量的鉛會在鐵口處揮發(fā)，另一部分遇冷沉積，附著在爐料內，進行循環(huán)性的還原過程。當溫度達到1000 攝氏度時，含鐵爐料及炭對鉛蒸汽的吸附達到最大值。鉛鋅雜質不僅可以存留在爐襯中產生爐瘤，而且能夠存留在爐塵內，隨后進入到煤氣清洗系統(tǒng)中，進行回收利用，從而在爐外形成一個循環(huán)。

當含有硫化鉛、氧化鉛、硫酸鉛等鉛化合物以及氧化鋅、硫化鋅等鋅化合物的鐵礦進入到高爐當中，在一氧化碳、碳、鐵以及一定溫度的作用下會發(fā)生氧化還原反應，從而形成金屬鉛以及金屬鋅。其中，高爐當中一些鉛類化學反應如下式（1）～（4）。

高爐當中一些鋅類化學反應如下式（5）～（9）。

此外，一些鉛鋅化合物在高爐當中的反應也會受到氧化鈣的影響形成鉛鋅單質或者鈣類化合物。其中，ZnO·Fe2O3在CaO 以及C 作用下的還原反應如式（10）。

2.4 鉛鋅對高爐的危害

首先，鉛危害。鉛對高爐帶來的影響主要是通過鉛液進入到爐體當中，經過氧化膨脹后對爐體結構帶來破壞。第一，鉛液進入到爐體耐火材料，經過氧化反應之后產生作用力，使得耐火材料損壞或者出現(xiàn)爐體裂縫等現(xiàn)象，當鉛液滲透到炭磚位置時，還會造成耐火磚的上浮，從而擊穿爐底；第二，由于鉛液的密度較大，且流動性不好，不能和鐵水相溶，使得爐底內部的鉛液堆積較多，導致高爐不能正常的工作。比如會出現(xiàn)鐵口以及主溝的維護困難，使得撇渣器不能工作，帶來跑鐵等安全問題；第三，氧化鉛及爐內的其他物質會產生熔點較低的化合物或者共晶體，滲透到燒結礦以及球團礦當中，降低其溫度。此外，鉛物質還會粘結在焦炭中，對高爐料柱的透氣性帶來影響，或者粘附在墻爐上產生爐瘤，影響到高爐的順利生產。第四，部分鉛蒸汽會排出到爐外，不僅給環(huán)境帶來極大的危害，而且也給工作人員的身心健康造成了不利的影響，容易發(fā)生鉛中毒等事故。

其次，鋅危害。鋅對高爐帶來的影響主要表現(xiàn)在高爐的使用期限、順行程度以及熱制度等幾個方面。第一，對爐襯產生侵蝕：當鋅滲透到爐襯的縫隙當中會出現(xiàn)氧化效應，使得體積變大，從而損壞爐內的磚襯；第二，產生高爐結瘤：鋅蒸汽經過冷凝上升會粘附在磚襯當中，從而產生高鋅塵垢，在一定的條件下會轉化成爐瘤，一般情況下，爐瘤的含量為60%到90%之間，損害爐料的下降以及煤氣流的上升過程，從而使得高爐內不能正常的工作；第三，給鐵礦石以及焦炭的冶金性能帶來不利的影響：當鋅滲透到礦石或者焦炭當中時，會發(fā)生氧化，使得體積變大，從而提高了其熱應力，給鐵礦石以及焦炭的強度帶來危害。當鋅冷凝之后會對爐內的粉塵產生聚合效應，此時，高爐內的氣流穩(wěn)定性會變差，此外，鋅還會與一氧化碳氣體相結合進行反應，提高高爐燃料比，從而提升成本的使用。

3 鉛鋅在高爐煉鐵中的影響

3.1 鉛對煉鐵的影響

鉛對煉鐵的影響主要包括兩個方面。一方面，當鉛液滲透到爐體當中，經過氧化膨脹后對爐體結構帶來破壞。另一方面，鉛還會對炭磚造成侵蝕，當鉛滲透到炭磚，經過氧化膨脹后會使得炭磚出現(xiàn)裂紋，從而破壞磚體的結構。一旦爐體溫度小于熔點，不會發(fā)生滲透，然而鉛的熔點較小，所以其滲透范圍較大，破壞程度強。盡管爐底的排鉛工藝手段能夠在某種程度上降低鉛對煉鐵的影響，然而由于鉛排放的次數(shù)較多，使得排出口堵塞，此時就會帶來嚴重的影響。鉛和煤氣反應的方程式如（11）和（12）。

一般情況下，鉛在磚體中的破壞作用能夠確定，但是鉛進入磚體當中的方式卻存在分歧。以前的研究表明鉛在磚體的氣孔當中能夠隨意的穿梭，但是現(xiàn)在一些學者專家則認為鉛難以在磚襯的細微氣孔當中滲透，或者不能單獨的滲透到磚體當中，一般要通過爐內的一些縫隙或者通過元素侵蝕轉體，形成縫隙才能有效的滲透進入。

3.2 鋅對煉鐵的影響

鋅對煉鐵的影響主要分為三個方面，第一，當鋅滲透到耐火磚體的縫隙當中時，經過氧化反應會使得體積變大，產生內應力，從而損壞爐襯的結構。根據(jù)研究結果發(fā)現(xiàn)，鋅經過氧化反應后變?yōu)檠趸\，至少能夠發(fā)生一半及以上的體積膨脹；第二，鋅會附著于爐襯表面，從而會變?yōu)楦街锘蛘呤菭t瘤，其反應表達式為（13）～（15）；第三，鋅會沉積在爐料下，降低爐料的透氣性能，從而使得爐內下降困難或者出現(xiàn)懸料等問題。

和鉛的滲透問題大致相同，研究表面，鋅也不能單獨的滲透到轉體當中，而是需要在K、Na 等元素的侵蝕下，使得磚體結構變得松軟，最終逐漸的產生腫瘤形狀的侵蝕通道，導致磚體破裂。此外，一些有害元素對磚體的侵害作業(yè)具有疊加效應，其共同作用均大于任意元素的侵害。

3.3 堿性元素在煉鐵中對鉛鋅的影響

在高爐煉鐵過程中，鉛鋅的有害影響還會受到堿金屬的滲透作用。堿金屬、鉛鋅等元素不僅會影響爐體的結構，還具有其他的危害。比如，當相應化合物增加時，氣體以及煤氣的利用率就會降低，從而影響到鐵的還原以及鉛鋅的有效排出。

當高爐中的溫度較低時，鋅的沉淀就會導致碳的沉淀，此時，碳就會滲透到磚體的裂縫當中，使得磚體出現(xiàn)損壞等問題。此外，堿金屬在高爐當中的循環(huán)作用，會對焦炭的粒徑及密度帶來一定的影響，最終會給鉛鋅的還原過程帶來不利影響。

4 防范措施

第一，在原材料方面。必須要對入爐的材料進行精挑細選，并且保證配礦的合理性。在一定條件下，可以把質量好的礦石和存在有害金屬的礦石配合使用，保證入爐原料的鉛鋅含量符合相關的規(guī)定，一般情況下，當鉛鋅含量小于0.02%時就能夠投入生產。要避免微細粒原料入爐，尤其是小于12mm 的入爐料配比，能夠保證排鉛效率。最后，煉鐵粉塵要進行預處理，盡量避免摻雜燒結礦配料，從而保證鉛鋅在高爐內循環(huán)過程的有序進行。

第二，在工藝端方面?？梢愿倪M排鉛孔的設計，對于爐底冷卻系統(tǒng)下方而言，能夠保證鉛液的凝固，避免其向下滲透。此外，要定期的進行炸瘤操作，減少結瘤的影響。最后，要減少爐渣的堿度，進行常態(tài)化排堿，從而避免有害元素的聚集。

第三，在筑爐端方面。首先，可以利用超微孔炭磚，減小磚體的孔徑縫隙，防止有害元素的進入。其次，選取抵御侵蝕效果較好的碳磚，盡量避免使用復合棕剛玉磚。最后，要強化筑爐技術，選取大塊磚代替小塊磚，同時減小磚和磚以及磚和爐體之間的縫隙，對于縫隙較大的磚體，要使用先進的方式進行填充，從而減少鉛鋅的危害。

第四，在操作端方面。首先，要對爐內的環(huán)境進行實時監(jiān)控，不斷的提升數(shù)字化水平以及工作人員的專業(yè)素養(yǎng)，堅持細化作業(yè)、穩(wěn)定爐溫、保持爐內的平衡性。其次，一旦爐膛中出現(xiàn)中心氣流以及爐渣時，可以有效的降低堿金屬的含量，從而降低鉛鋅影響。最后，要對爐內的有害元素進行定期的檢查與清理，保證管理的有效性。

5 總結

本文通過對鉛鋅在高爐煉鐵中的循環(huán)過程與影響探析，使我們了解到了，鉛鋅雜質對高爐煉鐵過程帶來了很多不利影響，因此，要對其循環(huán)過程進行充分的分析，并且在原材料、工藝端、筑爐端及操作端等方面進行防護，從而降低鉛鋅對高爐的危害。