烧结矿中有害元素对高炉的危害和抑制

1烧结矿中有害元素对高炉的危害和抑制黄克存、班友合、孟德礼（国丰钢铁有限公司技术部）摘要随着我公司的高炉逐步进入炉役后期，延长高炉寿命不仅可以直接减少昂贵的大中修费用，还可以避免由于停产造成的经济损失。造成高炉损坏的原因和机理错综复杂，但烧结矿带入的碱金属和锌的破坏作用应引起我们的高度重视。关键词高炉碱负荷锌负荷危害为适应当前严峻的钢铁形势，进一步降低铁水成本，各钢铁企业都采用低价的外矿粉进行烧结，并充分利用烧结、炼铁、炼钢工序所产生的各种除尘灰，利用其低价和含有大量的Ｃ、Fe、CaO、MgO等有利成分的优势，来降低烧结料消耗，从而达到降低成本的目的。但由于各种外矿粉及除尘灰都含一定量的K、Na、Zn等有害元素，大量配加会造成高炉碱负荷、锌负荷超标，高炉炉墙结厚结瘤，加剧炉缸侵蚀，影响炉况稳定顺行。1.烧结矿中有害元素的来源烧结所有外矿粉有害元素含量如下表所示：表1烧结外矿粉有害元素含量（%）试样名称ZnNaNa2OKK2O信昂澳粉0.0150.0470.0640.0220.027雄鹰澳粉0.0250.1190.140.0760.0922巴姆澳粉0.00550.1560.210.0350.042繁荣巴粗0.00910.0310.0420.2160.26博斯巴粗0.140.0130.0180.070.085在高炉生产中，钾、钠、锌存在两个循环，第一个循环是高炉内部的小循环，第二个循环是烧结—高炉的大循环。通过上表可看出，原料中的钾、钠、锌的量是相对稳定但不可控，要控制其富集减少对高炉的危害就是要打破第二个循环，减少高炉布袋灰、烧结机头灰等高碱、高锌灰的循环使用。以下是我公司布袋灰、烧结机头灰的有害元素成分分析：表2北区试样灰中有害元素含量（%）试样名称ZnNaNa2OKK2O红泥除尘灰0.2900.08160.1100.17430.21036m2机头灰2.0005.13426.92048.791558.80036m2机尾灰0.1200.09650.1300.29870.360北区450m2高炉重力灰1.1200.18550.2500.21570.260北区450m2高炉布袋灰0.2400.37100.5001.20321.4503表3南区450m3高炉系统试样灰中有害元素含量（%）试样名称ZnNaNa2OKK2O南区450m3布袋除尘灰5.0000.48230.6501.37741.660南区三号450m3重力灰0.3000.08900.1200.14940.180南区三号450m3布袋灰3.6200.29680.4000.87131.0501#72m2机头灰0.0560.31900.4302.04132.4602#72m2机头灰0.0570.34130.4602.09112.52072m2机尾灰0.0240.06830.0920.23230.2802#132m2机头灰0.1701.06841.4407.46819.000132m2机尾灰0.3400.04600.0620.14940.180表4南区1780m3高炉系统试样灰中有害元素含量（%）试样名称ZnNaNa2OKK2O230m2烧结机尾灰0.0840.06830.0920.29870.360120t转炉除尘灰0.0900.20770.2800.96261.1601780m3高炉重力灰0.5600.13350.1800.57260.6901780m3高炉布袋灰3.6200.22260.3001.12851.36042.高炉所用原燃料中有害元素含量及负荷计算1780m3高炉入炉原燃料有害元素含量及负荷计算如下表所示：表51780m3高炉碱负荷及锌负荷计算表名称消耗量(kg/t铁)K2O(%)K2O(kg)Na2O(%)Na2O(kg)K2O+Na2O(kg)Zn(%)Zn（kg）烧结矿1386.40.385.2680.131.8027.0710.070.970球团矿34.660.160.0550.160.0550.1110.0290.010块矿311.940.250.7800.040.1250.9050.00040.001焦炭3600.1150.4140.06350.22860.64260.02470.089煤粉1600.10.160.0850.13600.29600.160.256总计6.6772.34669.02361.326表6其它高炉碱负荷及锌负荷计算结果K2O+Na2O(kg)Zn（kg）北区4#450m3高炉4.0781.648南区4#450m3高炉7.3590.898南区5#450m3高炉5.7302.7322从以上计算的结果看，3月份高炉碱负荷最高达到9.0公斤/吨，5锌负荷达到2.73公斤/吨，都处于严重超标状态，直接影响到高炉的顺行和长寿，进而影响公司的经济效益。以1780m3高炉为例，入炉原燃料带入的碱金属及锌含量分别占碱负荷、锌负荷的比例如下图所示：图表1入炉原燃料带入的碱金属及锌含量分别占碱负荷、锌负荷的比例(%)78.473.221.626.80102030405060708090K2O+Na2OZn烧结矿其它从炉料结构看，78.4%的碱金属来自烧结矿，来自其它的仅占21.6%，73.2%的锌来自于烧结矿，其它占26.8%。从上图表可以看出，烧结矿是碱金属和锌的主要来源。根据我公司物料状况，结合两个铁厂意见，拟定了碱负荷及锌负荷标准：高炉碱负荷≤5㎏/t,锌负荷≤1㎏/t。3.有害元素对高炉的危害3.1危害1)钾、钠等碱金属能降低矿石的软化温度，引起球团矿异常膨胀而严重粉化，使烧结矿的还原粉化加剧。2)钾、钠等碱金属是焦炭溶损反应的催化剂，增加焦炭的反应6性。3)钾、钠等碱金属会造成炉缸堆积，高炉结瘤，透气性恶化，炉墙损坏及炉况失常。4)锌常以闪锌矿的形式存在，在炉内，先转化为氧化物，然后在1000℃的高温区被CO还原为气态锌，沉积在炉墙上，形成炉瘤，使透气性变坏和炉墙结厚，高炉难行、悬料次数急剧增加。3.2K、Na的富集规律K、Na主要是以硅酸盐（K2SiO3、Na2SiO3）的形态存在于炉料中，当炉料下到高温区或炉缸时，硅酸钾将进行以下反应：2K2SiO3＋2C＝4K＋2SiO2+2CO（1）2K↑＋2（SiO2）＋2（FeO）=2(K2SiO3)+2Fe（2）由式（1）可知，产生的K蒸汽随煤气上升，到中温区，与渣中FeO和SiO2反应又生成K2SiO3，反应式（2）的产物是K2SiO3和铁（Fe）被下降的炉料所吸收，因而使下降炉料中K2O含量增高，并且又随同炉料下降到高温区，钾含量高的炉料中的K2SiO3，下到高温区后，又被还原成钾蒸气，又再次随煤气流上升到中温区，又与下降过程含有大量FeO与SiO2的炉料相遇，钾蒸气与SiO2将生成更多的硅酸钾的硅酸钾又再次随炉料下降到高温区，这样不断下降上升与气化吸收，不断循环之后，炉料中K2O含量在炉内不断增加，这就是所谓的碱金属“循环富集”过程，最终导致炉料与煤气中K2O含量增加，恶化料柱透气性，容易导致高炉崩塌料，或悬料，严重时导致高炉结厚和结瘤，对炉况产生严重影响。73.3Zn的循环富集规律Zn常以闪锌矿（Zns）的形式存在，高炉冶炼时，先转化为氧化物，在高于1000℃高温区被还原为气态锌，大量锌蒸汽随着煤气上升到温度较低的块状带时冷凝，然后再被CO2氧化为ZnO。这些ZnO仅少量随着炉尘逸出炉外，大量积存在块状带，块状带的高锌炉料在下降过程中，部分ZnO被氧化还原部分进入软熔带。软熔带内ZnO绝大部分气化随煤气上升，从而造成锌在1200℃以下区域内的循环，因锌不被渣铁吸收，锌蒸汽在炉内循环，沉积在炉墙上，可与炉衬和炉料反应，形成低熔点化合物粘附在炉墙上，形成炉瘤，阻塞煤气通道，影响高炉顺行。4.降低碱负荷、锌负荷的措施4.1降低碱负荷的措施1)对所使用的外粉进行批量检测，合理配加，以控制烧结矿碱金属含量。2)对焦炭和煤粉灰分中的钾、钠含量，分品种每旬进行检验分析。3)对烧结自循环的机头灰，因钾、钠含量极高，建议送综合料场处理后使用或停用。4)在保证生铁含硫不出格的原则下，适当降低炉渣碱度。自由碱度±0.1%，影响渣中碱金属氧化物0.3%。5)炉渣碱度不变，生铁含硅±0.1%,影响渣中碱金属氧化物0.045%。86)烧结机头电厂除尘灰由吸排车吸走外销，减轻碱金属循环富集，可使烧结矿碱金属含量降低20%。4.2排碱制度1)大高炉每月排碱一次，炉渣二元碱度控制在1.0～1.05，炉温控制0.5～0.6，时间3～4个班。2)提高炉渣中的MgO含量，提高炉渣的流动性。我厂在日常冶炼时，高炉炉渣二元碱度控制在1.1～1.16，MgO：450m3高炉11～12，1780m3高炉10～11。3)减少入炉粉末，每周做3次筛分检测，5mm不大于3%。同时控制顶温到140℃以上，增加一部分炉尘的吹出。5.措施的实施为检验降低碱、锌负荷措施的效果，11月份对一铁1780m3高炉碱负荷、锌负荷又进行了计算，结果如下表所示：表711月份碱负荷及锌负荷计算表名称消耗量(kg/t铁)K2O%K2O(kg)Na2O%Na2O(kg)K2O+Na2O(kg)Zn%Zn（kg）烧结矿1263.60.0861.090.101.262.350.141.77球团64.80.090.00.130.080.150.010.019矿464南非块矿291.60.100.290.0580.170.460.00280.01焦炭3600.0650.230.1670.600.840.2410.87煤粉1400.420.590.460.641.230.0120.02合计2.262.765.022.67与3月份数据比较：表811月份与3月份的碱负荷及锌负荷对比名称K2O(kg)Na2O(kg)K2O+Na2O(kg)Zn(kg)11月份合计2.262.765.022.673月份合计6.682.359.021.33合计比较-4.42+0.42-4.00+1.34通过上表可看出，230烧结通过停用布袋灰，减少了其在烧结、高炉间的循环，11月份高炉碱负荷为5.02kg/t，比3月份的9.02kg/t降低了4kg/t，基本达到制定的5kg/t标准。11月份锌负荷为2.67kg/t，比3月份的1.33kg/t上升了1.34kg/t，较1kg/t的标准超1.67kg/t。从炉料结构分析，11月份1780m3高炉入炉原燃料带入的碱金属及锌含量分别占碱负荷、锌负荷的比例如下图所示：10图表2入炉原燃料带入的碱金属含量占碱负荷的比例46.782.899.1716.6324.5205101520253035404550烧结矿球团矿南非矿焦炭煤粉图表3入炉原燃料带入的锌含量占锌负荷的比例66.210.340.3132.510.63010203040506070烧结矿球团矿南非矿焦炭煤粉从上述图表看，46.78%的碱金属来自烧结矿，24.52%来自煤粉，16.63%来自焦炭，12.06%来自球团和块矿。66.21%的锌是来自烧结矿，32.51%来自焦炭，而其它仅占1.28%。烧结矿仍然是碱金属和锌的主要来源。6.结论11自碱金属控制措施和排碱制度实施以来，碱负荷有了大幅下降，而11月份锌负荷较3月份高1.34kg/t，除焦炭锌含量升高外，烧结矿带入的锌含量亦高出0.8kg/t，其主要原因是11月份烧结配加了锌含量较高的转炉除尘灰和重力灰。