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(chǎn)起到了至關(guān)重要的影響，我國的粗鋼產(chǎn)量一直在不斷的增長，但是鐵礦石的依存度較強(qiáng)。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(dāng)中會存在一定量的鉛鋅雜質(zhì)，給高爐煉鐵過程帶來不利的影響。目前，通過一些技術(shù)手段不能有效的去除鐵礦當(dāng)中的鉛鋅雜質(zhì)，尤其是近些年來，由于鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展過盛，使得一些企業(yè)為了節(jié)約成本使用質(zhì)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(jìn)行研究具有重要的意義。

1 高爐煉鐵中鉛鋅雜質(zhì)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(jìn)行循環(huán)、沉淀，并且黏附在爐壁內(nèi)，不僅給生產(chǎn)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(dāng)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(tuán)礦、煉鐵爐塵、爐瘤等幾方面。由于鐵礦石中的鉛鋅雜質(zhì)大多以顆粒狀存在于礦物質(zhì)或者其晶格當(dāng)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(nèi)襯中。由于和鐵性質(zhì)之間存在不同，鉛一般處于爐底碳磚內(nèi)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(dāng)中，并且在爐身和煤氣上升管的黏結(jié)物當(dāng)中也存在很多氧化鋅。

2.2 鉛鋅的收支分析

鉛鋅雜質(zhì)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(zhì)的來源以及支出這一方面存在著差異性。第一，與進(jìn)口礦相比較，我國鐵礦中鉛鋅含量較高；第二，燒結(jié)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(zhì)都是通過煤氣清洗系統(tǒng)排到爐外，有少量殘留到爐內(nèi)，當(dāng)積累過多后會對高爐產(chǎn)生不利影響。通常，鋅的支出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其殘余量，但是由于高爐內(nèi)的生產(chǎn)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(jié)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(dāng)中占據(jù)較高的比重。對于鉛收入項而言，紅鋼、濟(jì)鋼的燒結(jié)礦為鉛雜質(zhì)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(jié)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(jié)礦為入爐原料里面鉛鋅雜質(zhì)的重要收入項，而煉鐵粉塵為鉛鋅雜質(zhì)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(jié)生產(chǎn)里。例如，酒鋼把瓦斯泥與重力除塵會加入到燒結(jié)礦中，能夠產(chǎn)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(jié)進(jìn)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(nèi)循環(huán)。因此，可以將煉鐵粉塵進(jìn)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(dāng)物料進(jìn)入到高爐當(dāng)中后，在一定條件下還原為單質(zhì)，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(zhì)的沸點(diǎn)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(nèi)當(dāng)中，沉入到鐵水下面，一般能夠利用爐底排鉛技術(shù)進(jìn)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(zhì)的作用下會滲透到磚襯內(nèi)部，經(jīng)過氧化之后體積變大而給爐體結(jié)構(gòu)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(nèi)，進(jìn)行循環(huán)性的還原過程。當(dāng)溫度達(dá)到1000 攝氏度時，含鐵爐料及炭對鉛蒸汽的吸附達(dá)到最大值。鉛鋅雜質(zhì)不僅可以存留在爐襯中產(chǎn)生爐瘤，而且能夠存留在爐塵內(nèi)，隨后進(jìn)入到煤氣清洗系統(tǒng)中，進(jìn)行回收利用，從而在爐外形成一個循環(huán)。

當(dāng)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(jìn)入到高爐當(dāng)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(yīng)，從而形成金屬鉛以及金屬鋅。其中，高爐當(dāng)中一些鉛類化學(xué)反應(yīng)如下式（1）～（4）。

高爐當(dāng)中一些鋅類化學(xué)反應(yīng)如下式（5）～（9）。

此外，一些鉛鋅化合物在高爐當(dāng)中的反應(yīng)也會受到氧化鈣的影響形成鉛鋅單質(zhì)或者鈣類化合物。其中，ZnO·Fe2O3在CaO 以及C 作用下的還原反應(yīng)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(jìn)入到爐體當(dāng)中，經(jīng)過氧化膨脹后對爐體結(jié)構(gòu)帶來破壞。第一，鉛液進(jìn)入到爐體耐火材料，經(jīng)過氧化反應(yīng)之后產(chǎn)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(dāng)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(nèi)部的鉛液堆積較多，導(dǎo)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(hù)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(nèi)的其他物質(zhì)會產(chǎn)生熔點(diǎn)較低的化合物或者共晶體，滲透到燒結(jié)礦以及球團(tuán)礦當(dāng)中，降低其溫度。此外，鉛物質(zhì)還會粘結(jié)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(chǎn)生爐瘤，影響到高爐的順利生產(chǎn)。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(chǎn)生侵蝕：當(dāng)鋅滲透到爐襯的縫隙當(dāng)中會出現(xiàn)氧化效應(yīng)，使得體積變大，從而損壞爐內(nèi)的磚襯；第二，產(chǎn)生高爐結(jié)瘤：鋅蒸汽經(jīng)過冷凝上升會粘附在磚襯當(dāng)中，從而產(chǎn)生高鋅塵垢，在一定的條件下會轉(zhuǎn)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(nèi)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(dāng)鋅滲透到礦石或者焦炭當(dāng)中時，會發(fā)生氧化，使得體積變大，從而提高了其熱應(yīng)力，給鐵礦石以及焦炭的強(qiáng)度帶來危害。當(dāng)鋅冷凝之后會對爐內(nèi)的粉塵產(chǎn)生聚合效應(yīng)，此時，高爐內(nèi)的氣流穩(wěn)定性會變差，此外，鋅還會與一氧化碳?xì)怏w相結(jié)合進(jìn)行反應(yīng)，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(dāng)鉛液滲透到爐體當(dāng)中，經(jīng)過氧化膨脹后對爐體結(jié)構(gòu)帶來破壞。另一方面，鉛還會對炭磚造成侵蝕，當(dāng)鉛滲透到炭磚，經(jīng)過氧化膨脹后會使得炭磚出現(xiàn)裂紋，從而破壞磚體的結(jié)構(gòu)。一旦爐體溫度小于熔點(diǎn)，不會發(fā)生滲透，然而鉛的熔點(diǎn)較小，所以其滲透范圍較大，破壞程度強(qiáng)。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(yán)重的影響。鉛和煤氣反應(yīng)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(jìn)入磚體當(dāng)中的方式卻存在分歧。以前的研究表明鉛在磚體的氣孔當(dāng)中能夠隨意的穿梭，但是現(xiàn)在一些學(xué)者專家則認(rèn)為鉛難以在磚襯的細(xì)微氣孔當(dāng)中滲透，或者不能單獨(dú)的滲透到磚體當(dāng)中，一般要通過爐內(nèi)的一些縫隙或者通過元素侵蝕轉(zhuǎn)體，形成縫隙才能有效的滲透進(jìn)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(dāng)鋅滲透到耐火磚體的縫隙當(dāng)中時，經(jīng)過氧化反應(yīng)會使得體積變大，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而損壞爐襯的結(jié)構(gòu)。根據(jù)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋅經(jīng)過氧化反應(yīng)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(yīng)表達(dá)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(nèi)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(dú)的滲透到轉(zhuǎn)體當(dāng)中，而是需要在K、Na 等元素的侵蝕下，使得磚體結(jié)構(gòu)變得松軟，最終逐漸的產(chǎn)生腫瘤形狀的侵蝕通道，導(dǎo)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(yīng)，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(jié)構(gòu)，還具有其他的危害。比如，當(dāng)相應(yīng)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(dāng)高爐中的溫度較低時，鋅的沉淀就會導(dǎo)致碳的沉淀，此時，碳就會滲透到磚體的裂縫當(dāng)中，使得磚體出現(xiàn)損壞等問題。此外，堿金屬在高爐當(dāng)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(jìn)行精挑細(xì)選，并且保證配礦的合理性。在一定條件下，可以把質(zhì)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(guān)的規(guī)定，一般情況下，當(dāng)鉛鋅含量小于0.02%時就能夠投入生產(chǎn)。要避免微細(xì)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(jìn)行預(yù)處理，盡量避免摻雜燒結(jié)礦配料，從而保證鉛鋅在高爐內(nèi)循環(huán)過程的有序進(jìn)行。

第二，在工藝端方面?？梢愿倪M(jìn)排鉛孔的設(shè)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(jìn)行炸瘤操作，減少結(jié)瘤的影響。最后，要減少爐渣的堿度，進(jìn)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(jìn)入。其次，選取抵御侵蝕效果較好的碳磚，盡量避免使用復(fù)合棕剛玉磚。最后，要強(qiáng)化筑爐技術(shù)，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(jìn)的方式進(jìn)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(nèi)的環(huán)境進(jìn)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(xì)化作業(yè)、穩(wěn)定爐溫、保持爐內(nèi)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(nèi)的有害元素進(jìn)行定期的檢查與清理，保證管理的有效性。

5 總結(jié)

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(zhì)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(jìn)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(jìn)行防護(hù)，從而降低鉛鋅對高爐的危害。