Zn富集引起的爐況事故及處理實(shí)踐

供稿|鄒佳均，鄭忠玉，蔣金照

福建三寶鋼鐵有限公司(簡(jiǎn)稱“三寶”)新1#高爐(1700 m3)于2020年11月6日正式點(diǎn)火投產(chǎn)，設(shè)有26個(gè)風(fēng)口，東、西對(duì)稱的2個(gè)出鐵口，高爐本體采用銅冷卻壁薄襯，從爐底至爐喉鋼磚下緣共設(shè)置15段冷卻壁，采用軟水密閉循環(huán)；熱風(fēng)系統(tǒng)采用3座卡盧金式熱風(fēng)爐，爐頂采用串罐無(wú)料鐘爐頂裝料設(shè)備，爐頂設(shè)置

凈煤氣一次均壓系統(tǒng)兩套，放散系統(tǒng)設(shè)置三套、氮?dú)舛尉鶋合到y(tǒng)一套，均壓放散采用旋風(fēng)除塵技術(shù)，煤氣凈化系統(tǒng)采用重力除塵器+布袋除塵器及配套輔助工序。高爐從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工均參照國(guó)際先進(jìn)的節(jié)能降耗、綠色環(huán)保、超低排放指標(biāo)，是三寶鋼鐵以“綠色、科技、發(fā)展”為核心理念投產(chǎn)的高爐。

爐況事故情況

2021年8月18日早班后期至夜班前期，高爐連續(xù)性出現(xiàn)低硅(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，0.14%、0.22%和0.28%)、物理熱下跌(1455 ℃)等偏離操作方針的情況，臨時(shí)采取將干焦負(fù)荷逐步由4.463 t/t退至4.372 t/t，風(fēng)量在正?；A(chǔ)上減少100 m3/min、氧量減少3500 m3/h來(lái)維持生產(chǎn)。至當(dāng)日夜班后期物理熱勉強(qiáng)維持在1485 ℃，19日休風(fēng)145 min補(bǔ)焊煤氣泄露的冷卻壁管道，復(fù)風(fēng)后第一爐鐵水中Si的含量為0.44%、物理熱1428 ℃，視情況逐步將燃料比由533 kg/t上調(diào)至557 kg/t，風(fēng)量維持在3500 m3/min、氧量維持在13000 m3/h進(jìn)行冶煉；第二爐開始出現(xiàn)了低Si(0.07%)和低物理熱現(xiàn)象(圖1)，且在放鐵過(guò)程中伴隨大量不明氣體的逸出。通過(guò)調(diào)控風(fēng)量、氧量、加煤、加凈焦等常規(guī)調(diào)劑手段，物理熱仍不見起色。結(jié)合爐內(nèi)操作參數(shù)的分析，可以判斷出已經(jīng)爐涼。

圖1 第二爐復(fù)風(fēng)后鐵水情況：(a)Si含量；(b)物理熱

爐況事故原因分析

原因排查

鑒于此次爐況事故，組織技術(shù)人員對(duì)突然性爐涼的原因進(jìn)行了調(diào)查。

(1)排查焦炭品種、數(shù)量、裝料制度、操作制度等，確認(rèn)無(wú)誤后，排除人為因素。

(2)結(jié)合冷卻壁溫度的變化，初步認(rèn)定是渣皮脫落引起了爐涼。平時(shí)生產(chǎn)中高爐垮渣皮現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，一般可以通過(guò)補(bǔ)充熱量后在下一個(gè)冶煉周期恢復(fù)正常，但這次垮渣皮事件造成的爐缸溫度嚴(yán)重不足，且通過(guò)調(diào)劑各項(xiàng)參數(shù)仍無(wú)法改進(jìn)。

(3)初步認(rèn)定垮渣皮造成的爐涼后，對(duì)渣樣進(jìn)行分析，后續(xù)渣樣中Al2O3高達(dá)17.85%，高出平均值1.20%，表明高爐中有渣皮混合物掉入爐缸且是大量吸熱的物質(zhì)。

(4)對(duì)高爐布袋灰、重力灰、出鐵場(chǎng)除塵灰中Zn含量進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)出鐵場(chǎng)除塵灰Zn含量高于正常水平53倍，重力灰高于正常水平5.5倍，布袋灰高于正常水平6倍，見表1。表明高爐中Zn含量嚴(yán)重超標(biāo)、富集嚴(yán)重的結(jié)論。

表1 取樣物Zn含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

治理爐涼過(guò)程中，鐵口存在大量煙氣且高爐產(chǎn)生的布袋灰、重力灰、出鐵場(chǎng)除塵灰Zn含量嚴(yán)重超標(biāo)，可以判斷含Zn渣皮(ZnSiO4、SiO2·Al2O3)脫落是引起此次爐況事故的主要原因。

Zn富集原理

Zn主要以鐵酸鹽(ZnO·Fe2O3)、硅酸鹽(2ZnO·SiO2)及硫化物(ZnS)的形式隨爐料進(jìn)入高爐。其中鋅硫化合物在爐內(nèi)循環(huán)的過(guò)程先變?yōu)閺?fù)雜氧化物，然后進(jìn)行一系列變化[1-5]。

從反應(yīng)原理結(jié)合爐內(nèi)溫度分布可知，礦石中鋅的氧化物隨鐵礦石進(jìn)入高爐后，在大于1000 ℃的高溫區(qū)內(nèi)被CO還原為氣態(tài)的金屬鋅，沸點(diǎn)為907 ℃的鋅蒸汽，隨煤氣上升，到達(dá)溫度較低的區(qū)域時(shí)冷凝(580 ℃)而再氧化。附著于下降爐料上的ZnO再次進(jìn)入高溫區(qū)后鋅的還原又發(fā)生。CO從高溫的間接還原區(qū)搬到爐身上部且部分CO被直接排除爐外，造成煤氣利用率下降。其次ZnO的存在會(huì)與爐襯中的SiO2、Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成難溶性物質(zhì)硅鋅礦(ZnSiO4)、尖晶石(ZnO·Al2O3)[2]，在爐襯表面形成附著物，爐溫波動(dòng)大容易掉落、長(zhǎng)時(shí)間吸附又容易結(jié)瘤，是個(gè)惡性的開端。

Zn富集情況分析

對(duì)高爐近期入爐原燃料Zn含量進(jìn)行分析(表2)，結(jié)合爐料結(jié)構(gòu)可知(燒結(jié)78%+球團(tuán)13%+塊礦9%)，燒結(jié)礦Zn量高是含造成入爐Zn負(fù)荷高的主要原因。爐料入爐Zn負(fù)荷高達(dá)1.142 kg/t，遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)(Zn＜0.15 kg/t)和內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)(Zn＜0.8 kg/t)。對(duì)燒結(jié)礦配料Zn含量進(jìn)行分析(表3)，礦粉Zn含量都屬于穩(wěn)定可控范圍，但混合料的Zn含量波動(dòng)大，造成燒結(jié)礦Zn含量波動(dòng)較大?；旌狭现饕筛郀t重力灰、出鐵場(chǎng)除塵灰、礦槽除塵灰、煉鋼除塵灰、燒結(jié)內(nèi)循環(huán)除塵灰、石灰窯除塵灰、氧化鐵皮(煉鋼、軋鋼、棒線)、鋼渣精粉等組成，品種繁多且成分難以控制。特別是高爐Zn含量較高的除塵灰一類也會(huì)以燒結(jié)礦的形式重新進(jìn)入爐內(nèi)，并沒有從根本上解決Zn循環(huán)的問(wèn)題。

表2 入爐原燃料Zn含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 燒結(jié)原料Zn含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

爐況事故的處理措施

結(jié)合爐況事故原因分析以及公司技術(shù)人員和管理人員多年操作經(jīng)驗(yàn)，爐涼事故處理措施為：

(1)確定爐涼后，風(fēng)量由4200 m3/min逐步減至2150 m3/h；

(2)干焦負(fù)荷由4.40 t/t逐步退至3.141 t/t；

(3)分批次加凈焦合計(jì)189 t(分批次時(shí)1～5 t/批，集中加焦時(shí)20 t/次)；

(4)視爐況調(diào)劑煤量和氧量，維持低氧量或停氧，維持低煤量或停煤，持續(xù)性保障好風(fēng)溫的使用；

(5)礦批重逐步退至35.0 t，入爐結(jié)構(gòu)調(diào)整為68%燒結(jié)+27%球團(tuán)+5%塊礦；

(6)礦焦角度根據(jù)爐頂熱成像顯示的煤氣流分布情況，酌情進(jìn)退1°～1.5°。

操作工藝以低強(qiáng)度冶煉為方針，重新分布煤氣流和活躍爐缸。逐步調(diào)整操作制度，鐵口配備一臺(tái)專用挖機(jī)，堵鐵口后立馬清理渣鐵溝保證好出鐵時(shí)間間隔。以鐵口大量噴濺渣鐵為信號(hào)組織堵鐵口，盡可能將低溫渣鐵排除干凈。本次處理爐涼至恢復(fù)期間的風(fēng)量、頂壓、鐵水Si、鐵水物理熱變化情況如圖2所示。至2021年8月21日，各項(xiàng)指標(biāo)恢復(fù)至正常水平，鐵水Si含量0.53%、物理熱大于1500 ℃。

圖2 高爐爐涼至恢復(fù)期間參數(shù)變化：(a)風(fēng)量；(b)頂壓；(c)Si；(d)物理熱

結(jié)束語(yǔ)

(1)加強(qiáng)入爐原燃料管理，控制入爐Zn源頭，嚴(yán)格控制混合料的Zn含量，對(duì)Zn含量較高的冶金塵泥制定明確的標(biāo)準(zhǔn)(如布袋灰Zn≤1.0%)。

(2)燒結(jié)優(yōu)化配料結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定燒結(jié)礦Zn含量≤0.035%。

(3)大高爐熱慣性大，日常操作中應(yīng)當(dāng)保證鐵水物理熱大于1480 ℃，必要時(shí)候可以犧牲燃料比、產(chǎn)量等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)保證熱量。

(4)以Zn為主的堿金屬富集造成的爐涼事故，可以將其他堿金屬(K、Na、Pb)也納入管控，防范于未然。加強(qiáng)基礎(chǔ)管控，實(shí)行堿金屬等有害元素多級(jí)管控，從燒結(jié)原料、高爐原料及產(chǎn)生的附屬冶金塵泥進(jìn)行管控，形成一套嚴(yán)密的檢測(cè)系統(tǒng)，為生產(chǎn)提供指導(dǎo)依據(jù)。