摘要 对凌钢5号高炉入炉原燃料、炉渣、各种除尘灰等进行了取样分析，测定各种物料碱金属、锌含量，结合高炉实际生产数据对5号高炉进行了碱金属负荷、锌负荷的研究。结果表明，凌钢5号高炉碱金属负荷为5.8082kg/t，锌负荷为2290.12g/t，已严重影响高炉生产。根据碱金属、锌的分布，提出了降低碱金属负荷、锌负荷的措施。

关键词 高炉 碱金属负荷 锌负荷  

2012年10月12日凌钢5号2300m³高炉投产，高炉采用了多项成熟可靠、社会经济效益明显的新技术、新工艺和新设备，配备了与2300m³高炉配套的铁水转运、原料运输、渣铁处理、干法煤气除尘、卡鲁金热风炉、喷煤、TRT发电和出铁场除尘等系统，特别是在高炉炉型及内衬选择、高风温、水渣处理、干法除尘以及检测手段设置等方面更加完善合理，以期实现一代炉役寿命（无中修）15年的技改目标。

    2014年上半年，高炉相继出现风口中套上翘、煤气管道粘结严重等问题，计划检修时风口前发现白色液态金属流出，经化验Zn含量超过80%，这表明5号高炉锌富集已经非常严重。通过对高炉布袋灰、重力除尘灰等进行检验发现碱金属、锌含量非常高。为此，对5号高炉入炉原燃料及其产物进行了取样和化验，系统分析了碱金属负荷（本文指K2O+Na2O）、锌负荷情况。

1  碱金属和锌在高炉冶炼中的危害

1 碱金属

碱金属主要以硅铝酸盐和硅酸盐形态存在，这些碱金属矿物熔点很低，一般为800～1000℃。在高炉内大于1000℃的高温区里，一部分进入炉渣，一部分则被碳还原成钾和钠元素。由于钾和钠的沸点分别只有799、822℃，所以被还原出来后立即气化而随煤气上升，在不同的温度区域又与其他物质反应生成氰化物、氟化物和硅酸盐等，但大部分与CO反应生成碳酸盐。钾和钠及其碳酸盐在高炉上部的中低温区域进行循环和富集，钾和钠的氰化物则在600～1600℃进行循环和富集[1]。

碱金属对高炉的不利影响主要有：

（1) 降低矿石软熔温度，软熔区间拉大，使矿石尚未充分还原就已经熔化滴落，增加了高炉下部直接还原热量消耗。

（2) 引起球团矿异常膨胀而严重粉化。

（3) 强化焦炭的气化反应能力，使焦炭反应后强度急剧降低而粉化，严重恶化高炉料柱透气性，危及高炉顺行。

（4) 液态或固态碱金属粘附于炉衬上，容易形成炉墙结瘤，又能直接破坏砖衬。碱金属氧化物与耐火砖衬发生反应形成低熔点化合物，并与砖中AI2O3形成钾霞石和白榴石，使砖的体积膨胀30～50%，从而导致砖衬剥落。研究表明，炉腹、炉腰和炉身中下部砖衬破损原因中，碱金属和锌的破坏作用约占40%[2]。

（5）碱金属和锌对炉缸、炉底侵蚀危害更大。在高炉风口附近，含有碱金属和锌蒸汽的煤气流在风口周围砌体的缝隙渗入，在炉衬中800～1030℃的温度区间侵蚀高铝砖，形成初始环缝。随着碱金属、锌侵蚀反应的连续进行，环缝逐渐在高铝砖砌体中扩展并向下延伸，逐步侵蚀炉缸、炉底砌体，影响高炉长寿。

2 锌

锌主要以铁酸盐（ZnO•Fe2O3)、硅酸盐（ZnO•SiO2)及硫化物(ZnS)的形式存在。在高炉进行冶炼时，锌的硫化物先转化为复杂的氧化物，然后在不小于1000℃的高温区被CO还原为气态锌（ZnO+CO=Zn（g）+CO2-180.5KJ)，沸点(907℃)很低的锌蒸汽，随煤气流上升，到达温度较低的区域时冷凝（580℃）而再氧化，再氧化形成的氧化锌细粒一部分附着于上升过程中的流煤气中的粉尘中被带出炉外，而另一部分附着于下降的炉料中被再次带入高温区，周而复始，就形成了锌在高炉内的循环富集现象。除此之外，高炉布袋灰、瓦斯灰中含有大量锌，这些布袋灰、瓦斯灰又进行了烧结配料，因此，锌又存在于烧结-高炉-烧结这个大循环中。

锌对高炉的不利影响主要有：

（1）影响高炉长寿：部分锌蒸气进入砖衬的气孔和砖缝后冷凝并被氧化成氧化锌，氧化锌结晶和生成体积增大，造成炉衬异常膨胀，加快炉衬的侵蚀速度。

（2）影响高炉顺行：当锌的循环富集加剧，高炉内粘结也严重。炉墙严重结厚，使炉内煤气通道变小，炉料下降不畅。富集严重时，高炉难以接受风量，崩、滑料频繁，影响高炉顺行和技术指标。

2  高炉中碱金属和锌的控制水平

2.1 碱金属的控制标准

国内外部分企业大型高炉的碱金属负荷控制水平为：日本新日铁小于2.5kg/t，日本川崎制铁小于3.1kg/t，德国ATHSchwelgen工厂小于4.0kg／t，瑞典GrangesSteel工厂小于7.0kg／t，加拿大Dofasco工厂小于2.8kg/t，加拿大Steelco工厂小于3.0kg/t，中国宝钢小于2.0kg/t。由此可见，国内外部分企业高炉碱金属负荷控制水平为2.0-7.0kg/t，大型高炉碱金属负荷可接受的控制标准为2.2kg/t。

2.2 锌的控制标准

1998-2000年国内外部分企业高炉的锌负荷为40-192g/t，国际上公认的锌负荷可接受的水平为150g/t，我国宝钢为200g/t。按此计算，高炉炉料(包括原燃料)的锌含量平均控制水平为0.007％(国际)和0.009％(宝钢)。1998～2000年国内外部分企业高炉锌负荷为：奥地利奥钢联75g/t，芬兰Raahe64g/t，中国宝钢2、3号高炉分别为130g/t、40g/t。

3  高炉碱金属收支平衡分析

3.1 碱金属收入项分析

采样期间凌钢5号高炉日产铁量5400t，焦比450kg/t，煤比155kg/t，炉料结构为：烧结矿63%+球团矿37%。分析高炉碱金属收入项（如表1所示）得出凌钢5号高炉碱金属负荷为5.8082kg/t。其中烧结矿带入碱金属量最多，占比达36.87%，其次为球团矿和焦炭，比例分别为29.61%和26.12%。煤粉带入碱金属量较少，总计7.85%。由表1中数据可以看出，烧结矿因配比高，带入碱金属量最多，而球团矿和外购焦炭因自身含碱金属量较高，使得碱金属含量分别达到29.61%、26.12%。

与国内外高炉相比，凌钢5号高炉碱金属负荷处于较高水平，远远超过大型高炉碱金属负荷可接受的控制标准2.2kg/t，需要引起重视并加以控制。

3.2 碱金属支出项分析

对各种高炉产出物化验计算（见表2）得出凌钢5号高炉吨铁支出碱金属量为3.202kg/t。其中炉渣带出的碱金属量最多，达到80.51%，其次为布袋除尘灰16.21%，出铁场除尘灰、重力除尘灰带出碱金属量较少。

由此可见，凌钢5号高炉处于碱金属循环富集状态，循环富集量高达2.6062kg/t，循环富集率44.87%，排碱控制不理想。

4  高炉锌收支平衡分析

锌主要来源于高炉入炉的烧结矿、球团矿、焦炭及混合煤粉。锌的排出主要是从高炉煤气烟尘及炉渣排出。

4.1 锌的收支情况

对高炉入炉料烧结矿、球团矿、焦炭及混合煤粉及高炉产品、副产品（包括炉渣、重力除尘灰、布袋灰及出铁场除尘灰）进行半年时间的取样化验。各项检测结果见表3、表4。

从表3可以看出，高炉入炉料中，球团矿中锌含量最高，球团矿在高炉炉料结构中的配比为37%；烧结矿中锌含量低于球团矿，但由于烧结矿配比为63%，所以入炉烧结矿与球团矿带入的锌量基本持平，二者相加所占比例高达86.74%。

由表4可以看出，支出项中布袋除尘灰中锌含量最高，占总支出的74.94%。高炉炉渣锌含量比较低，为0.0992%，但由于渣量比较大，由炉渣带走的锌占锌支出项的22.43%。

4.2 锌的平衡分析

由表3、表4可知，凌钢5号高炉锌负荷为2290.12g/t，远远高于国际上公认的锌负荷可接受的水平150g/t，所以必须加以严格控制，否则会严重影响生产。

凌钢5号高炉锌平衡的相对误差为28.56%，这个误差在工业生产中是允许的。国外高炉在进行锌平衡计算时其相对误差通常在20%～30%以上[3]。而引起高炉内锌的收支不平衡的主要原因是高炉内的锌在不同生产阶段有一个积累和集中排出的过程，高炉内的锌量是循环变化的。

    由表3可知，烧结矿与球团矿中带入的锌量最多，即绝大部分锌是由烧结矿与球团矿带入高炉的。因此，要控制高炉入炉锌量，首要控制的就是入炉矿石中的锌含量。其次是禁止高锌的布袋除尘灰在烧结工序中使用，有效地降低凌钢高炉锌负荷。

5  碱金属及锌负荷控制对策措施

针对过高的碱金属及锌负荷，应从以下几方面进行控制：

（1)制订凌钢高炉碱金属及锌负荷控制标准。参照国内先进钢企相关标准，结合凌钢自身原料及生产条件，适当兼顾固废返生产工作要求，制定合理碱金属及锌含量控制标准。

（2)修订完善铁前大宗原燃料进厂、生产样及产副品，包括铁后、化工各工序等所有固废的检化验制度，明确各物料品种的取样点、频次及检测项目，进一步加强公司全流程所有相关物料碱金属和锌含量的检测、预警和管控工作。

（3)烧结矿生产应停止各类除尘灰使用量。

（4)建立重点工序碱金属和锌负荷统计台账和分析制度；编制高炉和烧结工序的碱金属和锌元素超标应对预案。

（5）制定高炉定期排碱措施。严格执行高炉定期排碱制度。碱金属主要从炉渣排出，这就要求炉渣具有较好的排碱性能，要求炉渣具有较好的流动性，碱度不宜过高，控制1.1～1.15排碱效果最好。

(6)采用转底炉脱锌工艺，该工艺的优点是：①生产效率高。因不添加任何固体燃料，所以还原时间仅为10～20min；②附加值高。脱锌率大于90％，且锌粉得到回收，主要产品为金属化率大于70％、品位约为68％的金属化球团。转底炉脱锌是一种环保、高效的脱锌工艺，能够解决锌在烧结和高炉生产过程中的循环富集，降低高炉锌负荷。

6  结语

（1）凌钢5号高炉碱金属主要来源是烧结矿、球团矿，炉渣是碱金属的主要排出载体。锌元素的主要来源也是烧结矿和球团矿，布袋除尘灰是锌元素的主要排出载体。而烧结矿、球团矿中的碱金属、锌含量主要来源于地方精矿粉，因此，针对地方精矿粉如何控制至关重要。

（2）目前，凌钢5号高炉碱金属负荷为5.8082kg/t，锌负荷为2290.12g/t，已经严重影响到高炉的安全、稳定生产，必须在原燃料采购环节对碱金属、锌负荷进行严格控制。

（3）凌钢5号高炉的碱金属排出率偏低，必须严密监控高炉的碱金属平衡，必要时采取排碱措施。

（4）建议相关钢铁企业采用转底炉等新工艺，降低高炉碱金属和锌负荷。

7  参考文献

[1] 周传典.高炉炼铁生产技术手册[M].北京: 冶金工业出版社，2002.

[2] 项钟庸，王筱留. 炼铁工艺设计理论与实践[M]. 北京: 冶金工业出版，2007.

［3] 刘裕信.锌在高炉中的行为[J].国外钢铁,1994(2):22.