深化對鋅在高爐上部行為的認識武漢科技科大學材料與冶金學院

畢學工教授2023/2/22016年全國煉鐵生產技術會暨煉鐵學術年會鋅在高爐上部的行為1鋅對爐料某些冶金性能的影響234鋅對高爐初渣形成和下部鋅收入的影響鋅對生成渣皮厚度的影響5結論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富集示意簡圖2023/2/2滴落初渣和熔鐵鋅對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焦炭的氣化，并增加粉末產生量對高爐初渣形成產生不利影響，最終表現在軟熔帶位置、軟融層厚度與透氣性的變化上面粘結渣皮更容易粘結于冷卻壁上，難以被清除。且上部鋅循環富集過于嚴重時，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口上翹2023/2/2鋅在高爐上部的行為1鋅對爐料某些冶金性能的影響234鋅對高爐初渣形成和下部鋅收入的影響鋅對生成渣皮厚度的影響5結論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℃時才分解，故不適合用于研究Zn對鐵礦石RDI的影響ZnSO4在1100℃時分解產生

SO3，它對焦炭氣化也有催化作用方法簡單，加入量容易控制，不引入其他有害物質試驗名稱試樣編號浸泡液濃度/%煮沸時間/minZnO增量/%燒結礦低溫還原粉化率測試RDI-125300.31RDI-233300.48RDI-340300.60燒結礦還原性測試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鋅對爐料冶金性能影響的實驗方案2023/2/2加鋅對燒結礦低溫還原粉化性能的影響隨燒結礦中ZnO含量增加，低溫還原粉化指數RDI+3.15和還原強度指數RDI+6.3均減小，而磨損指數RDI-0.5明顯增大，表明燒結礦低溫還原粉化性能變差分析：推測ZnO與Fe2O3反應生成鐵酸鋅（等軸晶系），它與赤鐵礦（六方晶系）在晶體結構和密度方面存在差異，所以容易脫落，導致燒結礦的低溫還原粉化性能變差，特別是引起磨損指數RDI-0.5大幅度增加2023/2/2加鋅對燒結礦還原性的影響試樣失重量隨時間的變化加鋅對燒結礦還原性度的影響隨著燒結礦中鋅含量的增加，燒結礦的還原性變差，且ZnO增量對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加鋅對焦炭熱態性能的影響實驗編號反應性CRI反應后強度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的測試結果(單位：%)隨著ZnO增量的增加，焦炭的CRI值呈增大的趨勢，而CSR值相應地呈降低趨勢，表明ZnO對焦炭熱性能有負面影響分析：影響焦炭反應性因素一是焦炭微觀結構（石墨化程度、煉焦煤種類等），二是外在因素（焦炭的氣孔率、氣孔結構和內在礦物質）。一方面，加鋅焦炭中ZnO在實驗條件下易被還原使焦炭因為失碳而氣孔率增加，增大CRI；另一方面，與堿土金屬類似，金屬鋅和ZnO之間的轉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。

CSR則由于焦炭氣孔率增大和氣化反應增強而減小。2023/2/2鋅在高爐上部的行為1鋅對爐料某些冶金性能的影響234鋅對高爐初渣形成和下部鋅收入的影響鋅對生成渣皮厚度的影響5結論2023/2/2鋅對高爐初渣形成和下部鋅收入的影響實驗方案礦石種類分析項目及含量/%SiO2Al2O3CaOMgOTiO2ZnTFeFeOK2ONa2O燒結6.562.0812.682.070.130.05553.886.940.090.04球團6.241.441.471.130.200.03562.211.900.140.13塊礦4.340.420.100.030.0070.00762.411.010.010.01試樣編號煮沸時間/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鐵礦石的化學成分礦石試樣浸泡加鋅處理和加鋅量萊鋼120m3三號高爐的解剖研究發現，高爐內爐料中的鋅含量是自上而下逐漸升高的，最高達到1%，前蘇聯馬鋼4號高爐軟熔帶處于平衡狀態時熔體中的含鋅量達到3.0%~3.6%。因受實驗條件的限制，本實驗沒有在實驗過程中對爐料中的鋅含量進行調節，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

℃軟化結束溫度TS℃滴落溫度Tm℃軟化溫度區間ΔTSA

℃軟熔溫度區間ΔTmS

℃透氣性指數SkPa·℃001103115412931454139161636.11512.001108116512951503130208730.66523.201117117012931504123211731.93034.141072113512651486130221785.57045.401069114612941491148197758.12056.101115117413111477137166664.735加鋅綜合爐料的初渣實驗結果不同含鋅量爐料的初渣形成特征指數加鋅后明顯升高或增大！2023/2/2加鋅對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，意味著鐵熔點升高；3）滴落溫度隨加鋅量增加而升高，故推測加鋅使滴落鐵熔點升高的作用超過了使滴落渣熔點降低的作用樣品編號滴落渣分析項目、二元堿度和四元堿度滴落鐵分析項目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分析和滴落渣的堿度2023/2/2加鋅對軟熔區間和透氣阻力的影響

不同鋅含量爐料的變形溫度區間和透氣阻力指數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加鋅后S值是先變大后變小，且S值與軟熔區間ΔTmS有良好對應關系。這意味著加鋅將導致軟熔帶變厚和透氣阻力增大。同時，壓差處于高位的時間明顯延長，而且波動趨于頻繁、波動幅度加大，這意味著加鋅導致礦石的軟融過程不穩定！2023/2/2加鋅對進入滴下帶鋅量的影響高爐鋅負荷過大時隨滴落渣鐵進入高爐下部的鋅量可能大幅度增加，這可能加劇對鋅爐缸爐底耐火材料和焦炭的破壞作用！編號滴落鐵中鋅含量滴落渣中鋅含量生產高爐鐵水鋅含量生產高爐鐵水鋅含量00.00430.0040.002%0.0025%10.00470.00320.00440.00430.00390.006840.00400.00850.00490.014數量級相同，數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0.348%時，(Zn)含量基本不變爐料總含鋅量超過0.348%時，(Zn)含量急劇增大，增加幅度最多達2.5倍2023/2/2鋅在高爐上部的行為1鋅對爐料某些冶金性能的影響234鋅對高爐初渣形成和下部鋅收入的影響鋅對生成渣皮厚度的影響5結論2023/2/2以武鋼8號高爐爐腰部位的銅冷卻壁為研究對象，采用單層圓筒傳熱模型單層圓筒傳熱模型圓筒截面內的溫度分布只與體內點的半徑r有關，即T=T(r)極坐標下的傳熱方程為：其解為：T(r)=Alnr+BA、B為由邊界條件確定的系數。對于N層環面，第i層的溫度分布可以表示為：Ti(r)=Ailnr+Bi (i=1,2,…,N)

假定：內側為對流換熱（煤氣與渣皮之間），外側為溫度邊界條件（爐殼），界面半徑分別為a1、a2、a3，渣皮和銅冷卻壁的導熱系數分別為k1和k2。從內到外各界面處的溫度值分別為T1、T2、T3，其中已知內層環境溫度Tn、對流換熱系數hn和外側溫度T3。2023/2/2得到計算式：式中：取hn=232W/(m2·℃)，k1=1.2W/(m·℃)，k2=360W/(m·℃)，a1=（渣皮內側半徑），a2=7500mm，a3=7625mm，T2=45℃，T3=30℃，d=a2-a1（渣皮厚度）固定T2，計算不同Tn時的a1值。利用實際測定的不同ZnO含量渣皮的開始變形溫度Tn(在1200~1400℃)，計算了生成的渣皮厚度，結果如圖所示。由圖可以看出，隨(ZnO)含量增加，渣皮厚度呈明顯的增大趨勢，當(ZnO)含量從40%逐漸增加到80%時，渣皮厚度增加了3mm。所以鋅負荷的提高可能引起渣皮(ZnO)含量增加，進而使渣皮變厚，而這對渣皮的穩定性可能產生不利影響2023/2/2鋅在高爐上部的行為1鋅對爐料某些冶金性能的影響234鋅對高爐初渣形成和下部鋅收入的影響鋅對生成渣皮厚度的影響5結論2023/2/2（1）鋅含量增加使燒結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）鋅含量增加使燒結礦的還原性變差。其原因一是燒結礦的開氣孔被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反應增大了焦炭的氣孔率，二是Zn元素本身對焦炭氣化反應有催化作用。（