王維深化鋅在高爐上部行為的認(rèn)識(shí)

深化對(duì)鋅在高爐上部行為的認(rèn)識(shí)武漢科技科大學(xué)材料與冶金學(xué)院

畢學(xué)工教授2023/2/22016年全國(guó)煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會(huì)暨煉鐵學(xué)術(shù)年會(huì)鋅在高爐上部的行為1鋅對(duì)爐料某些冶金性能的影響234鋅對(duì)高爐初渣形成和下部鋅收入的影響鋅對(duì)生成渣皮厚度的影響5結(jié)論2023/2/2鐵礦石、焦炭（

ZnS、ZnO、ZnFe2O4等）ZnOZnZnO隨煤氣排出爐外隨煤氣排出爐外鋅在高爐上部循環(huán)富集示意簡(jiǎn)圖2023/2/2滴落初渣和熔鐵鋅對(duì)高爐冶煉的不利影響惡化爐料的冶金性能，阻礙鐵礦石的還原和促進(jìn)焦炭的氣化，并增加粉末產(chǎn)生量對(duì)高爐初渣形成產(chǎn)生不利影響，最終表現(xiàn)在軟熔帶位置、軟融層厚度與透氣性的變化上面粘結(jié)渣皮更容易粘結(jié)于冷卻壁上，難以被清除。且上部鋅循環(huán)富集過(guò)于嚴(yán)重時(shí)，下部的鋅量大幅度增加，加重爐底爐缸耐火材料的破壞和引起風(fēng)口上翹2023/2/2鋅在高爐上部的行為1鋅對(duì)爐料某些冶金性能的影響234鋅對(duì)高爐初渣形成和下部鋅收入的影響鋅對(duì)生成渣皮厚度的影響5結(jié)論2023/2/2向鐵礦石和焦炭樣品中加鋅的方法熏蒸和噴灑ZnSO4溶液在醋酸鋅溶液中浸泡（本文采用）熏蒸法成本高，加入量不易控制ZnSO4在650℃時(shí)才分解，故不適合用于研究Zn對(duì)鐵礦石RDI的影響ZnSO4在1100℃時(shí)分解產(chǎn)生

SO3，它對(duì)焦炭氣化也有催化作用方法簡(jiǎn)單，加入量容易控制，不引入其他有害物質(zhì)試驗(yàn)名稱試樣編號(hào)浸泡液濃度/%煮沸時(shí)間/minZnO增量/%燒結(jié)礦低溫還原粉化率測(cè)試RDI-125300.31RDI-233300.48RDI-340300.60燒結(jié)礦還原性測(cè)試RI-1飽和濃度10.25RI-2飽和濃度150.39RI-3飽和濃度300.54焦炭熱性能測(cè)試COKE-1飽和濃度10.68COKE-2飽和濃度151.10COKE-3飽和濃度301.37COKE-4飽和濃度453.45鋅對(duì)爐料冶金性能影響的實(shí)驗(yàn)方案2023/2/2加鋅對(duì)燒結(jié)礦低溫還原粉化性能的影響隨燒結(jié)礦中ZnO含量增加，低溫還原粉化指數(shù)RDI+3.15和還原強(qiáng)度指數(shù)RDI+6.3均減小，而磨損指數(shù)RDI-0.5明顯增大，表明燒結(jié)礦低溫還原粉化性能變差分析：推測(cè)ZnO與Fe2O3反應(yīng)生成鐵酸鋅（等軸晶系），它與赤鐵礦（六方晶系）在晶體結(jié)構(gòu)和密度方面存在差異，所以容易脫落，導(dǎo)致燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能變差，特別是引起磨損指數(shù)RDI-0.5大幅度增加2023/2/2加鋅對(duì)燒結(jié)礦還原性的影響試樣失重量隨時(shí)間的變化加鋅對(duì)燒結(jié)礦還原性度的影響隨著燒結(jié)礦中鋅含量的增加，燒結(jié)礦的還原性變差，且ZnO增量對(duì)RI值的影響基本上是線性的，增幅為-7.13%(RI)/1%(w(ZnO))分析：1）粘附在燒結(jié)礦顆粒表面和開口氣孔壁上的ZnO粉末，妨礙了氧化鐵與CO的接觸；2）ZnO與Fe2O3反生成的鐵酸鋅難以還原分解，故對(duì)鐵礦石的還原有阻礙作用失重速率明顯變慢2023/2/2加鋅對(duì)焦炭熱態(tài)性能的影響實(shí)驗(yàn)編號(hào)反應(yīng)性CRI反應(yīng)后強(qiáng)度CSRCOKE-025.44261.619COKE-126.89458.920COKE-227.15759.295COKE-326.95458.404COKE-428.88657.424表4焦炭試樣的CRI和CSR(單位：%)焦炭試樣的CRI和CSR的測(cè)試結(jié)果(單位：%)隨著ZnO增量的增加，焦炭的CRI值呈增大的趨勢(shì)，而CSR值相應(yīng)地呈降低趨勢(shì)，表明ZnO對(duì)焦炭熱性能有負(fù)面影響分析：影響焦炭反應(yīng)性因素一是焦炭微觀結(jié)構(gòu)（石墨化程度、煉焦煤種類等），二是外在因素（焦炭的氣孔率、氣孔結(jié)構(gòu)和內(nèi)在礦物質(zhì)）。一方面，加鋅焦炭中ZnO在實(shí)驗(yàn)條件下易被還原使焦炭因?yàn)槭级鴼饪茁试黾?，增大CRI；另一方面，與堿土金屬類似，金屬鋅和ZnO之間的轉(zhuǎn)化符合電子遷移理論和氧遷移理論的條件，一定程度上也催化了氣化反應(yīng)。

CSR則由于焦炭氣孔率增大和氣化反應(yīng)增強(qiáng)而減小。2023/2/2鋅在高爐上部的行為1鋅對(duì)爐料某些冶金性能的影響234鋅對(duì)高爐初渣形成和下部鋅收入的影響鋅對(duì)生成渣皮厚度的影響5結(jié)論2023/2/2鋅對(duì)高爐初渣形成和下部鋅收入的影響實(shí)驗(yàn)方案礦石種類分析項(xiàng)目及含量/%SiO2Al2O3CaOMgOTiO2ZnTFeFeOK2ONa2O燒結(jié)6.562.0812.682.070.130.05553.886.940.090.04球團(tuán)6.241.441.471.130.200.03562.211.900.140.13塊礦4.340.420.100.030.0070.00762.411.010.010.01試樣編號(hào)煮沸時(shí)間/min干燥后的增重量/g干燥后的總含鋅量/%0000.044112.000.2342103.200.3483204.140.4374305.400.5575406.100.624鐵礦石的化學(xué)成分礦石試樣浸泡加鋅處理和加鋅量萊鋼120m3三號(hào)高爐的解剖研究發(fā)現(xiàn)，高爐內(nèi)爐料中的鋅含量是自上而下逐漸升高的，最高達(dá)到1%，前蘇聯(lián)馬鋼4號(hào)高爐軟熔帶處于平衡狀態(tài)時(shí)熔體中的含鋅量達(dá)到3.0%~3.6%。因受實(shí)驗(yàn)條件的限制，本實(shí)驗(yàn)沒有在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)爐料中的鋅含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，仍然采用醋酸鋅水溶液浸泡的方法加鋅，獲得的最大鋅含量為0.624%，接近萊鋼解剖高爐的水平。2023/2/2試樣編號(hào)礦石煮沸干燥后增重量/g礦石回到原始位置溫度/℃軟化開始溫度TA

℃軟化結(jié)束溫度TS℃滴落溫度Tm℃軟化溫度區(qū)間ΔTSA

℃軟熔溫度區(qū)間ΔTmS

℃透氣性指數(shù)SkPa·℃001103115412931454139161636.11512.001108116512951503130208730.66523.201117117012931504123211731.93034.141072113512651486130221785.57045.401069114612941491148197758.12056.101115117413111477137166664.735加鋅綜合爐料的初渣實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同含鋅量爐料的初渣形成特征指數(shù)加鋅后明顯升高或增大！2023/2/2加鋅對(duì)滴落溫度影響的原因分析隨加鋅量增加滴落溫度先升高后下降，但整體水平明顯提升，幅度在23~50℃范圍。分析：鐵礦石的三種滴落形式：高堿度燒結(jié)礦—鐵先滴，溫度最高，酸性爐料—渣先滴，溫度最低，綜合爐料—混合滴落。1）堿度減小和(Zn)含量增大是使初渣熔點(diǎn)降低；2）加鋅后滴落鐵的[C]含量明顯減小，顯示鐵滲碳被阻，意味著鐵熔點(diǎn)升高；3）滴落溫度隨加鋅量增加而升高，故推測(cè)加鋅使滴落鐵熔點(diǎn)升高的作用超過(guò)了使滴落渣熔點(diǎn)降低的作用樣品編號(hào)滴落渣分析項(xiàng)目、二元堿度和四元堿度滴落鐵分析項(xiàng)目SiO2Al2O3CaOMgOZnR2R4TFeC032.5910.5142.927.810.0041.316961.1770396.872.97131.799.5643.678.110.0031.373701.2522397.131.78233.879.6442.367.600.0041.250661.1482497.261.98334.6110.2538.457.750.00681.110951.0298796.732.34433.1810.0042.957.900.0081.294451.1776297.522.30534.0210.4238.857.730.0141.141971.0481597.001.82增大減小減小滴落渣鐵的化學(xué)分析和滴落渣的堿度2023/2/2加鋅對(duì)軟熔區(qū)間和透氣阻力的影響

不同鋅含量爐料的變形溫度區(qū)間和透氣阻力指數(shù)不同鋅含量爐料的壓差和壓縮率變化曲線其中透氣阻力指數(shù)加鋅后S值是先變大后變小，且S值與軟熔區(qū)間ΔTmS有良好對(duì)應(yīng)關(guān)系。這意味著加鋅將導(dǎo)致軟熔帶變厚和透氣阻力增大。同時(shí)，壓差處于高位的時(shí)間明顯延長(zhǎng)，而且波動(dòng)趨于頻繁、波動(dòng)幅度加大，這意味著加鋅導(dǎo)致礦石的軟融過(guò)程不穩(wěn)定！2023/2/2加鋅對(duì)進(jìn)入滴下帶鋅量的影響高爐鋅負(fù)荷過(guò)大時(shí)隨滴落渣鐵進(jìn)入高爐下部的鋅量可能大幅度增加，這可能加劇對(duì)鋅爐缸爐底耐火材料和焦炭的破壞作用！編號(hào)滴落鐵中鋅含量滴落渣中鋅含量生產(chǎn)高爐鐵水鋅含量生產(chǎn)高爐鐵水鋅含量00.00430.0040.002%0.0025%10.00470.00320.00440.00430.00390.006840.00400.00850.00490.014數(shù)量級(jí)相同，數(shù)值相差一倍爐料加鋅滴落鐵滴落渣滴落鐵鋅含量有所增加但影響不明顯爐料總含鋅量不超過(guò)0.348%時(shí)，(Zn)含量基本不變爐料總含鋅量超過(guò)0.348%時(shí)，(Zn)含量急劇增大，增加幅度最多達(dá)2.5倍2023/2/2鋅在高爐上部的行為1鋅對(duì)爐料某些冶金性能的影響234鋅對(duì)高爐初渣形成和下部鋅收入的影響鋅對(duì)生成渣皮厚度的影響5結(jié)論2023/2/2以武鋼8號(hào)高爐爐腰部位的銅冷卻壁為研究對(duì)象，采用單層圓筒傳熱模型單層圓筒傳熱模型圓筒截面內(nèi)的溫度分布只與體內(nèi)點(diǎn)的半徑r有關(guān)，即T=T(r)極坐標(biāo)下的傳熱方程為：其解為：T(r)=Alnr+BA、B為由邊界條件確定的系數(shù)。對(duì)于N層環(huán)面，第i層的溫度分布可以表示為：Ti(r)=Ailnr+Bi (i=1,2,…,N)

假定：內(nèi)側(cè)為對(duì)流換熱（煤氣與渣皮之間），外側(cè)為溫度邊界條件（爐殼），界面半徑分別為a1、a2、a3，渣皮和銅冷卻壁的導(dǎo)熱系數(shù)分別為k1和k2。從內(nèi)到外各界面處的溫度值分別為T1、T2、T3，其中已知內(nèi)層環(huán)境溫度Tn、對(duì)流換熱系數(shù)hn和外側(cè)溫度T3。2023/2/2得到計(jì)算式：式中：取hn=232W/(m2·℃)，k1=1.2W/(m·℃)，k2=360W/(m·℃)，a1=（渣皮內(nèi)側(cè)半徑），a2=7500mm，a3=7625mm，T2=45℃，T3=30℃，d=a2-a1（渣皮厚度）固定T2，計(jì)算不同Tn時(shí)的a1值。利用實(shí)際測(cè)定的不同ZnO含量渣皮的開始變形溫度Tn(在1200~1400℃)，計(jì)算了生成的渣皮厚度，結(jié)果如圖所示。由圖可以看出，隨(ZnO)含量增加，渣皮厚度呈明顯的增大趨勢(shì)，當(dāng)(ZnO)含量從40%逐漸增加到80%時(shí)，渣皮厚度增加了3mm。所以鋅負(fù)荷的提高可能引起渣皮(ZnO)含量增加，進(jìn)而使渣皮變厚，而這對(duì)渣皮的穩(wěn)定性可能產(chǎn)生不利影響2023/2/2鋅在高爐上部的行為1鋅對(duì)爐料某些冶金性能的影響234鋅對(duì)高爐初渣形成和下部鋅收入的影響鋅對(duì)生成渣皮厚度的影響5結(jié)論2023/2/2（1）鋅含量增加使燒結(jié)礦的低溫還原粉化性變差。其原因可能是生成的鐵酸鋅與赤鐵礦在晶形和密度方面存在較大差異。（2）鋅含量增加使燒結(jié)礦的還原性變差。其原因一是燒結(jié)礦的開氣孔被ZnO阻塞，二是生成的鐵酸鋅難以被CO還原分解，阻礙了Fe3+的還原。（3）鋅含量增加使焦炭的熱性能變差。其原因一是ZnO與C反應(yīng)增大了焦炭的氣孔率，二是Zn元素本身對(duì)焦炭氣化反應(yīng)有催化作用。（