1. 引言
内陆的钢铁企业,尤其是地处大西北的钢铁企业,如果没有自有矿山资源,又受限于物流成本制约而无法有效利用优质的进口矿资源。为了生存和发展,唯一的选择就是尽可能充分、高效地利用好周边资源。其中铁料资源供需矛盾尤为突出。
周边铁料资源的基本特点有:
1) 分布广而散。榆钢公司周边可利用资源有青海格尔木等地区(矿山与矿山之间动辄距离300、400公里),甘肃陇南、陇西、白银等地区,内蒙古地区等。
2) 储量小,品位低,开采难度大。部分矿山供电供水条件差,初期投资极高;多属贫矿(部分铁砂原矿品位不足10%);很大一部分属“鸡窝矿”,机械化程度不高。
3) 有害元素高。部分原矿硫含量4%以上;因部分铁料资源与其他贵金属伴生,故其中钾、钠、铅、锌等有害元素普遍较高。
但对于企业的生产经营而言,降本增效是永恒的主题,为求得地区内的生存与发展,必须直面恶劣的资源保障和其禀赋,面对“百家饭”、“杂粮饭”甚至“毒米饭”,只能也必须以更加积极、乐观的心态和意志迎接挑战。本文仅就400立级高炉中锌负荷控制的实践情况进行阐述。
2. 锌金属在高炉内的循环富集机理
2.1. 锌在高炉内的循环富集机理 [1]
高炉冶炼时在1000℃以上的高温区域,铁料中的锌化合物被CO还原为气态锌,气态锌随煤气上升,部分排出炉外(高炉瓦斯灰、布袋灰),部分冷凝附着在炉墙或炉料上被氧化为ZnO,随炉料下降并在炉内循环富集。此外,由于除尘灰等杂料的回配,形成了锌在铁前整个系统的大循环。
2.2. 锌金属在高炉内的循环路径图 [2] (具体见图1)
由烧结矿等原料带入ZnS和ZnO,进入炉内后,ZnS被氧化转化为ZnO。炉内原有的和生成的ZnO当温度达1975℃ (或910℃~1200℃)时,C (或CO)将ZnO中Zn进行还原,分解产生锌蒸气。
此中一部分锌蒸汽随着出铁排出或遇冷变为固(液)体存留于炉内砖衬,一部分随着炉内煤气流上升,有的直接随煤气排出;有的侵入炉衬,侵害炉体;有的冷凝后再次氧化进行富集循环。
2.3. 锌金属对高炉危害
1) 锌是有色重金属元素,在烧结矿中主要为铁酸锌[ZnO∙Fe2O3,或(ZnFe)∙Fe2O3]。入炉后很快分解成ZnO,随炉料下降,在
1000 ℃
以上的高温区还原成Zn。其沸点仅为
907 ℃
,因而还原的Zn很易挥发,蒸发进入煤气,升至高炉中上部又重新氧化成ZnO,它大部分被煤气带走,剩余部分随炉料下降,在炉内产生循环。凝附在内壁的ZnO,长期存在将与矿粉、焦粉等灰尘相结合附着于炉墙生成炉瘤,给高炉冶炼带来不利影响。
2) 锌在炉衬内部沉积,造成炉衬膨胀、破坏耐火炉衬本身有一定的气孔度.炉内气体在压力作用下容易渗入砖衬,尤其是锌蒸汽,在高温下有较大的动量和穿透力.更容易进入耐火炉衬的内部。渗入
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Figure 1. Cycle path of zinc metal in blast furnace
图1. 锌金属在高炉内的循环路径图
炉衬的锌蒸汽,在炉衬中冷凝下来,并氧化成ZnO,体积膨胀,破坏炉墙,严重影响高炉寿命。
3) 锌在炉内循环,造成一定的热量转移,锌在高温区被还原吸热,在低温区被氧化又放热 [3] :
锌在高温区被还原吸热:ZnO + C = Zn + CO − 237730 J/mol
在低温区被氧化放热:Zn + CO2 = ZnO + C0 + 65190 J/mol
这种反应将破坏高炉炉内热平衡,造成炉内热量从高温区转移到低温区,炉内易出现亏热,会导致炉缸热量不足,在一定条件下,引起熔渣粘度升高。如有带锌的渣皮脱落,将加剧热量吸收,直接影响高炉顺行,影响调剂预期的有效实现,造成炉况调剂难度加大。
4) 锌的循环富集高炉难以形成稳定的渣皮,渣皮频繁脱落容易造成风口破损及高炉冷却壁的损坏。如有损坏风口或冷却壁且漏水时,在局部过冷区域存在液态锌金属,造成风口连续大量烧损。炉缸砖衬侵入锌后膨胀,造成风口二套上翘,炉缸活跃程度下降,严重时出现炉缸堆积,炉况失常 [4] 。
3. 高炉入炉锌含量的主要来源
3.1. 高炉入炉锌含量来源分析
高炉入炉锌主要来源于烧结矿、球团矿、块矿、焦炭和煤粉(具体见表1)。
3.2. 烧结矿锌含量占比分析
通过统计分析,高炉的锌主要来源于烧结矿,烧结矿的锌占高炉锌负荷的96.32%。
主要是在应对生存压力的过程中,在可挑选资源不足的情况下,为持续降低加工成本,在烧结矿配料中尽可能多的使用消化廉价粉矿、各种除尘灰等成为必然选择。但最直接的后遗症就是烧结矿中有害元素大幅度上升。
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Table 1. Statistical table of harmful element sources in 400m3 blast furnace
表1. 400立级高炉入炉有害元素来源统计表
3.3. 烧结矿锌含量来源分析
而针对烧结矿中锌含量进行再分解(具体见表2),我们可以发现,烧结矿中锌带入的主要物料是D矿,所占比例为50.71%,其次是作为主要资源的C矿,而另一主要资源的A矿也有“贡献”。因这四种外部资源带来大量锌元素,致使作为内部循环物料的瓦斯灰等均加重锌负荷。
4. 高锌负荷的炉内表现
4.1. 试验数据
在生产经营过程中,随着降本压力的不断增加,低成本资源成为生产试验的主要对象。将原来锌负荷不大于2.5 kg/t的控制标准进行突破试验,即增加高锌的低价原料(具体锌负荷变化数据见图2、表3)。
4.2. 炉内表现
1) 压量关系不稳定,料柱透气性恶化,风量萎缩,高炉接受风压能力变差。
2) 出铁过程中炉温下降较快,渣铁物理热明显不足,生铁含硫升高,高炉不接受低炉温。
3) 为保证铁水质量和炉况顺行,被迫提高炉温控制水平,炉温月平均达到0.84%,造成燃料比大幅度上升。
4) 滑尺崩料现象明显增多,甚至出现难行、悬料。
5) 高炉出铁过程中随着炉温下滑,炉渣黏度增加,炉前出铁冒白烟,出完铁后铁沟旁粘接大量白色物质,流动性恶化,炉前清渣工作量增大。
4.3. 采取的措施
1) 生产秩序严重破坏,经济指标恶化明显。为此,将原来锌负荷控制标准由3.5 kg/t (实际平均达到3.22 kg/t)降至3.0 kg/t。较原标准提高了0.5 kg/t。同时,碱负荷控制标准为6.5 kg/t,其中钾负荷控制标准2.5 kg/t。
2) 烧结矿配料调整,减少高锌原料和瓦斯灰、除尘灰等比例,严格控制锌负荷在标准范围之内。
3) 采用合理的热制度及造渣制度,确保炉内充沛的物理热,提高高炉排碱及排锌率 [5] ,减少有害元素富集,保持炉况的顺行,炉温控制标准大于0.60%,铁水温度大于1480℃。
4) 上部装料制度调整以“打开中心,抑制边缘”,稳定上部气流为主导思想,下部送风制度调整以确保足够的鼓风动能,实现全开风口作业,活跃炉缸工作为目的。
5) 及时更换破损风口和处理上翘风口,减少漏水和送风影响。
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Figure 2. Trend chart of high zinc test for the 400 m3 blast furnace
图2. 400立级高炉高锌负荷试验趋势图
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Table 2. Statistical table of zinc source for the sinter
表2. 烧结矿锌元素来源统计表
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Table 3. Statistical table of zinc test for the 400 m3 blast furnace
表3. 400立级高炉锌负荷试验数据统计表
6) 加强出铁组织。细化炉前操作标准,规范铁口深度控制、打泥时间、出铁间隔时间、炮泥质量等管理,保证及时排净渣铁。
7) 为严格控制入炉原燃料有害元素含量,完善物料采购标准,严把物料入厂关,打击不合格物料入厂。
通过以上措施,炉况基本稳定,而在新控制标准下,生铁成本降低41.73元/吨,取得了一定效果(具体指标见表4)。
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Table 4. Statistical table of relevant indicators for the 400 m3 blast furnace
表4. 400立级高炉相关指标统计表
5. 结语
在自身综合因素的限制下,以生产为试验对象,对高炉在自有原燃料等条件下锌负荷控制极限进行了探索,取得了一定效果。
在已有条件下,対锌、碱负荷进行了重新界定,锌负荷控制标准可达到3.0 kg/t,为扩大低成本资源利用范围提供了试验依据。
锌负荷对高炉正常生产带来直接而严重的影响,在增加入炉锌量的同时,排锌、治锌成为长期关注的重点工作,通过系统计划、监控、调整、评价等措施,降低其危害。
积极摸索高锌负荷条件下的炉况调剂参数对策,使涉及高炉生产的人、物、法等提高认知能力和掌控能力,确保炉况稳定顺行。
寻找锌元素的来源,从根源上降低锌的入炉总量,为高炉调控创造物质基础。一方面,建立健全锌元素等有害元素数据监测、收集、分析、评价机制,严控标准;另一方面,完善原燃料采购控制标准,严控原燃料不合格品入厂。
开发高锌、高碱物料的综合利用,打开内部循环链条,降低对生产危害,挖掘有害元素的内在价值,提高经济效益,减少环境污染。