王维深化锌在高炉上部行为的认识

深化对锌在高炉上部行为的认识武汉科技科大学材料与冶金学院

毕学工教授2023/2/22016年全国炼铁生产技术会暨炼铁学术年会锌在高炉上部的行为1锌对炉料某些冶金性能的影响234锌对高炉初渣形成和下部锌收入的影响锌对生成渣皮厚度的影响5结论2023/2/2铁矿石、焦炭（

ZnS、ZnO、ZnFe2O4等）ZnOZnZnO随煤气排出炉外随煤气排出炉外锌在高炉上部循环富集示意简图2023/2/2滴落初渣和熔铁锌对高炉冶炼的不利影响恶化炉料的冶金性能，阻碍铁矿石的还原和促进焦炭的气化，并增加粉末产生量对高炉初渣形成产生不利影响，最终表现在软熔带位置、软融层厚度与透气性的变化上面粘结渣皮更容易粘结于冷却壁上，难以被清除。且上部锌循环富集过于严重时，下部的锌量大幅度增加，加重炉底炉缸耐火材料的破坏和引起风口上翘2023/2/2锌在高炉上部的行为1锌对炉料某些冶金性能的影响234锌对高炉初渣形成和下部锌收入的影响锌对生成渣皮厚度的影响5结论2023/2/2向铁矿石和焦炭样品中加锌的方法熏蒸和喷洒ZnSO4溶液在醋酸锌溶液中浸泡（本文采用）熏蒸法成本高，加入量不易控制ZnSO4在650℃时才分解，故不适合用于研究Zn对铁矿石RDI的影响ZnSO4在1100℃时分解产生

SO3，它对焦炭气化也有催化作用方法简单，加入量容易控制，不引入其他有害物质试验名称试样编号浸泡液浓度/%煮沸时间/minZnO增量/%烧结矿低温还原粉化率测试RDI-125300.31RDI-233300.48RDI-340300.60烧结矿还原性测试RI-1饱和浓度10.25RI-2饱和浓度150.39RI-3饱和浓度300.54焦炭热性能测试COKE-1饱和浓度10.68COKE-2饱和浓度151.10COKE-3饱和浓度301.37COKE-4饱和浓度453.45锌对炉料冶金性能影响的实验方案2023/2/2加锌对烧结矿低温还原粉化性能的影响随烧结矿中ZnO含量增加，低温还原粉化指数RDI+3.15和还原强度指数RDI+6.3均减小，而磨损指数RDI-0.5明显增大，表明烧结矿低温还原粉化性能变差分析：推测ZnO与Fe2O3反应生成铁酸锌（等轴晶系），它与赤铁矿（六方晶系）在晶体结构和密度方面存在差异，所以容易脱落，导致烧结矿的低温还原粉化性能变差，特别是引起磨损指数RDI-0.5大幅度增加2023/2/2加锌对烧结矿还原性的影响试样失重量随时间的变化加锌对烧结矿还原性度的影响随着烧结矿中锌含量的增加，烧结矿的还原性变差，且ZnO增量对RI值的影响基本上是线性的，增幅为-7.13%(RI)/1%(w(ZnO))分析：1）粘附在烧结矿颗粒表面和开口气孔壁上的ZnO粉末，妨碍了氧化铁与CO的接触；2）ZnO与Fe2O3反生成的铁酸锌难以还原分解，故对铁矿石的还原有阻碍作用失重速率明显变慢2023/2/2加锌对焦炭热态性能的影响实验编号反应性CRI反应后强度CSRCOKE-025.44261.619COKE-126.89458.920COKE-227.15759.295COKE-326.95458.404COKE-428.88657.424表4焦炭试样的CRI和CSR(单位：%)焦炭试样的CRI和CSR的测试结果(单位：%)随着ZnO增量的增加，焦炭的CRI值呈增大的趋势，而CSR值相应地呈降低趋势，表明ZnO对焦炭热性能有负面影响分析：影响焦炭反应性因素一是焦炭微观结构（石墨化程度、炼焦煤种类等），二是外在因素（焦炭的气孔率、气孔结构和内在矿物质）。一方面，加锌焦炭中ZnO在实验条件下易被还原使焦炭因为失碳而气孔率增加，增大CRI；另一方面，与碱土金属类似，金属锌和ZnO之间的转化符合电子迁移理论和氧迁移理论的条件，一定程度上也催化了气化反应。

CSR则由于焦炭气孔率增大和气化反应增强而减小。2023/2/2锌在高炉上部的行为1锌对炉料某些冶金性能的影响234锌对高炉初渣形成和下部锌收入的影响锌对生成渣皮厚度的影响5结论2023/2/2锌对高炉初渣形成和下部锌收入的影响实验方案矿石种类分析项目及含量/%SiO2Al2O3CaOMgOTiO2ZnTFeFeOK2ONa2O烧结6.562.0812.682.070.130.05553.886.940.090.04球团6.241.441.471.130.200.03562.211.900.140.13块矿4.340.420.100.030.0070.00762.411.010.010.01试样编号煮沸时间/min干燥后的增重量/g干燥后的总含锌量/%0000.044112.000.2342103.200.3483204.140.4374305.400.5575406.100.624铁矿石的化学成分矿石试样浸泡加锌处理和加锌量莱钢120m3三号高炉的解剖研究发现，高炉内炉料中的锌含量是自上而下逐渐升高的，最高达到1%，前苏联马钢4号高炉软熔带处于平衡状态时熔体中的含锌量达到3.0%~3.6%。因受实验条件的限制，本实验没有在实验过程中对炉料中的锌含量进行调节，仍然采用醋酸锌水溶液浸泡的方法加锌，获得的最大锌含量为0.624%，接近莱钢解剖高炉的水平。2023/2/2试样编号矿石煮沸干燥后增重量/g矿石回到原始位置温度/℃软化开始温度TA

℃软化结束温度TS℃滴落温度Tm℃软化温度区间ΔTSA

℃软熔温度区间ΔTmS

℃透气性指数SkPa·℃001103115412931454139161636.11512.001108116512951503130208730.66523.201117117012931504123211731.93034.141072113512651486130221785.57045.401069114612941491148197758.12056.101115117413111477137166664.735加锌综合炉料的初渣实验结果不同含锌量炉料的初渣形成特征指数加锌后明显升高或增大！2023/2/2加锌对滴落温度影响的原因分析随加锌量增加滴落温度先升高后下降，但整体水平明显提升，幅度在23~50℃范围。分析：铁矿石的三种滴落形式：高碱度烧结矿—铁先滴，温度最高，酸性炉料—渣先滴，温度最低，综合炉料—混合滴落。1）碱度减小和(Zn)含量增大是使初渣熔点降低；2）加锌后滴落铁的[C]含量明显减小，显示铁渗碳被阻，意味着铁熔点升高；3）滴落温度随加锌量增加而升高，故推测加锌使滴落铁熔点升高的作用超过了使滴落渣熔点降低的作用样品编号滴落渣分析项目、二元碱度和四元碱度滴落铁分析项目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增大减小减小滴落渣铁的化学分析和滴落渣的碱度2023/2/2加锌对软熔区间和透气阻力的影响

不同锌含量炉料的变形温度区间和透气阻力指数不同锌含量炉料的压差和压缩率变化曲线其中透气阻力指数加锌后S值是先变大后变小，且S值与软熔区间ΔTmS有良好对应关系。这意味着加锌将导致软熔带变厚和透气阻力增大。同时，压差处于高位的时间明显延长，而且波动趋于频繁、波动幅度加大，这意味着加锌导致矿石的软融过程不稳定！2023/2/2加锌对进入滴下带锌量的影响高炉锌负荷过大时随滴落渣铁进入高炉下部的锌量可能大幅度增加，这可能加剧对锌炉缸炉底耐火材料和焦炭的破坏作用！编号滴落铁中锌含量滴落渣中锌含量生产高炉铁水锌含量生产高炉铁水锌含量00.00430.0040.002%0.0025%10.00470.00320.00440.00430.00390.006840.00400.00850.00490.014数量级相同，数值相差一倍炉料加锌滴落铁滴落渣滴落铁锌含量有所增加但影响不明显炉料总含锌量不超过0.348%时，(Zn)含量基本不变炉料总含锌量超过0.348%时，(Zn)含量急剧增大，增加幅度最多达2.5倍2023/2/2锌在高炉上部的行为1锌对炉料某些冶金性能的影响234锌对高炉初渣形成和下部锌收入的影响锌对生成渣皮厚度的影响5结论2023/2/2以武钢8号高炉炉腰部位的铜冷却壁为研究对象，采用单层圆筒传热模型单层圆筒传热模型圆筒截面内的温度分布只与体内点的半径r有关，即T=T(r)极坐标下的传热方程为：其解为：T(r)=Alnr+BA、B为由边界条件确定的系数。对于N层环面，第i层的温度分布可以表示为：Ti(r)=Ailnr+Bi (i=1,2,…,N)

假定：内侧为对流换热（煤气与渣皮之间），外侧为温度边界条件（炉壳），界面半径分别为a1、a2、a3，渣皮和铜冷却壁的导热系数分别为k1和k2。从内到外各界面处的温度值分别为T1、T2、T3，其中已知内层环境温度Tn、对流换热系数hn和外侧温度T3。2023/2/2得到计算式：式中：取hn=232W/(m2·℃)，k1=1.2W/(m·℃)，k2=360W/(m·℃)，a1=（渣皮内侧半径），a2=7500mm，a3=7625mm，T2=45℃，T3=30℃，d=a2-a1（渣皮厚度）固定T2，计算不同Tn时的a1值。利用实际测定的不同ZnO含量渣皮的开始变形温度Tn(在1200~1400℃)，计算了生成的渣皮厚度，结果如图所示。由图可以看出，随(ZnO)含量增加，渣皮厚度呈明显的增大趋势，当(ZnO)含量从40%逐渐增加到80%时，渣皮厚度增加了3mm。所以锌负荷的提高可能引起渣皮(ZnO)含量增加，进而使渣皮变厚，而这对渣皮的稳定性可能产生不利影响2023/2/2锌在高炉上部的行为1锌对炉料某些冶金性能的影响234锌对高炉初渣形成和下部锌收入的影响锌对生成渣皮厚度的影响5结论2023/2/2（1）锌含量增加使烧结矿的低温还原粉化性变差。其原因可能是生成的铁酸锌与赤铁矿在晶形和密度方面存在较大差异。（2）锌含量增加使烧结矿的还原性变差。其原因一是烧结矿的开气孔被ZnO阻塞，二是生成的铁酸锌难以被CO还原分解，阻碍了Fe3+的还原。（3）锌含量增加使焦炭的热性能变差。其原因一是ZnO与C反应增大了焦炭的气孔率，二是Zn元素本身对焦炭气化反应有催化作用。（