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马成伟安钢王凯曹宇纪鹏飞

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司）

摘要结合京唐m3高炉生产实践，讨论研究有害元素对高炉的危害和作用机理。重点分析了大球比条件下有害元素的分布和平衡，认为入炉碱金属主要来源是球团矿，其次是烧结矿和燃料；入炉锌主要来源是球团矿和烧结矿。通过采取有害元素源头管控，优化操作制度，科学合理的排碱制度，转底炉脱锌线处理高锌固废，优化配煤、配矿等系列措施，入炉有害得到有效控制，高炉顺行稳定，获得良好技术经济指标。

关键词超大型高炉有害元素碱金属锌负荷

首钢京唐公司现有3座m3高炉。年8月1日，随着二期3号高炉的投产，形成年产万吨铁水的产能。炼铁生产中的有害元素，通常指硫（Ｓ）、磷（Ｐ）、钾（Ｋ）、钠（Ｎａ）、铅（Ｐｂ）、Ｚｎ（锌）、Ａｓ（砷）等。有害元素钾、钠等碱金属和锌在高炉内的循环，会导致原燃料破裂，引起煤气流阻塞，炉墙结瘤，引起炉况失常；有害元素硫是钢铁产品中的有害杂质，碱金属、锌和硫等有害元素共同破坏高炉炉衬，影响高炉长寿，有害元素控制不当给企业带来巨大的经济损失和安全隐患，国内许多高炉深受有害元素影响［1-4］。京唐高炉长期以来受有害元素影响严重，一期高炉初期，由于资源结构和对有害元素危害认识不足，重视不够，经历了很长一段时间炉况不顺。随着对有害元素危害的认识的逐步加深，京唐高炉采取更加严格的精料制度，重新修订巨大型高炉入炉原燃料管理办法，把有害元素控制作为重要控制环节去抓落实。对高炉原燃料有害元素来源分布，进行平衡分析，通过优化配煤、配矿控制入炉原燃料碱、锌、硫含量，固废处理产线，及合理的排碱制度，并配合合理的高炉操作制度，有效的降低了有害元素对高炉的影响，保证了高炉长期稳定顺行，并取得了较好的效果。

1高炉入炉有害元素的危害探讨

1.1破坏原燃料质量

有害元素加剧焦炭和含铁原料的粉化、沉积在炉料中、炉墙上，导致透气性变差，引起高炉压差升高，出现塌料、悬料、管道等。众所周知，焦炭的在高炉中的骨架作用是任何物料无法替代的。业界关于碱金属对焦炭冶金性能的影响做了很多研究［5］：单质钾和CO一起渗入焦炭后将和焦炭灰分中的Al2O3和SiO2反应生成钾霞石导致体积膨胀而出现裂纹，进一步加剧钾蒸气更多地扩散进焦炭和焦炭中的灰分形成更多化合物。造成焦炭的严重粉化。京唐几次分口取焦情况，见表1，由表1可以看出，高炉内焦炭的降解粉化率与入炉碱金属有正相关的联系，随着入炉碱金属量升高，风口焦炭降解率升高，粉化严重。首钢技术研究院运用煤岩学方法对焦炭的劣化现象进行了研究，图1为吸附钾蒸气5%后的大块样品，可以看出焦炭表面有明显裂纹产生，焦炭结构遭到破坏；图2为焦炭吸附钾蒸气后产生的粉状及薄片状劣化物，可以看出焦炭破碎物基本呈现片状。研究表明，在有碱金属和无碱金属存在时，焦炭显微结构的反应性不同。当无碱金属存在时，焦炭显微结构的反应性，从高到低的序列为：各向同性、类丝炭和破片、镶嵌结构，其他随其光学结构单元增大，反应速度有明显的下降；当有碱金属时，反应性相反。对京唐入炉焦、风口焦进行了光学组织研究，见下表2。从表2可以看出，风口焦样中ΣISO含量一般都比入炉焦中ΣISO含量要高，这说明入炉焦炭中的细粒镶嵌、粗粒镶嵌、流动状、片状结构和基础各向异性物质在有碱金属时反应性增加幅度大，碱金属加强了对焦炭的劣化作用。北科大研究有害元素对京唐焦炭和原料影响是：京唐焦炭随着有害元素吸附量增多，焦炭反应性CRI增加、反应后强度CSR降低，加速焦炭劣化使焦炭粒度减小很多；此外有害元素，使炉料的软化开始温度降低，软熔带整体上移；使球团矿的平均抗压强度降低；及有害元素在炉料间和炉墙沉积，这是导致炉内压差升高的主要原因。压差过高后，易使高炉发生管道、塌料现象；高炉吃热能力受到限制。有研究表明［6］在烧结矿、球团矿的还原过程中，吸附的碱金属会逐渐进入FexO晶格并催化还原反应，使该区域的金属铁晶体生长较快，在相界面上产生应力，当应力积累到一定程度时,便产生大量的裂纹，使得RDI-3.15升高。

1.2影响高炉生产顺行

京唐高炉入炉碱金属高，焦炭、烧结矿、球团劣化严重，高炉炉况时有不顺，引起高炉出现管道、塌料，甚至悬料等事故。分析年1号高炉炉况失常期间，年平均入炉有害元素碱金属为4.3kg/t铁，最高达到4.46kg/t铁。年1号高炉也发生连续悬料事故，统计数据表明，当时有害元素同样处于较高水平，碱金属4.12kg/t铁，锌负荷0.34kg/t铁。根据统计入炉有害元素含量与炉况失常之间的对应性，可以认为高炉压差高，发生管道、悬料的主要原因是高有害元素所致。有害元素高加速了焦炭劣化，以及进入球团矿、烧结矿缝隙导致炉料粉化加重，料柱透气性变差，导致炉缸不活，炉底中心温度降低（锰矿洗炉效果不大），压差升高，吃热能力下降，发生管道、悬料事故。

1.3影响高炉长寿

有害元素碱金属和锌在高炉内循环富集，造成炉墙黏结、结厚或结瘤，造成悬料，破坏顺行；在风口处沉积，渗入砖缝侵蚀耐材，造成初始煤气分布失常，风口破损、炉缸不活跃。碱金属和锌对耐火材料的破坏作用已经有很多研究证明。硫（S）元素不但是影响钢铁产品质量，同样对高炉长寿有重要影响。统计2号高炉一代炉役期间，铁水成分[C]4.4%，[Si]0.3%,[S]0.%,铁水中碳不饱和度11.63%。随着铁水中的硫[S]含量的增加，铁水中碳[C]的不饱和度增加，在铁水与炉缸耐火材料的接触过程中完成进一步渗碳，从而破坏耐火材料强度，造成破损，影响高炉寿命。生产中从铁水质量和高炉长寿角度考虑，均需要降低铁水硫含量、提高铁水温度增加铁水中碳含量，降低铁水碳不饱和度，以提高炉缸长寿。

2有害元素分布与平衡分析

二期3号高炉投产后，京唐炉料结构由烧结矿为主改为使用大比例球团矿（50%以上）的结构。大比例球团炉料结构冶炼在节能减排，改进指标，降低成本等方面具有巨大优势，已成为发展趋势。欧美高炉的球团矿比例较高，高炉冶炼指标良好。但是也带来系列技术问题：渣铁比下降，炉渣排碱率、脱硫能力下降，渣中(Al)%升高，影响炉渣流动性等。对京唐高炉现在炉料结构条件下：烧结矿43%+球团矿54%条件下+3%生矿，有害元素碱金属和锌的分布进行分析，见图4、5所示。由图4、5可以看出，入炉有害元素Zn主要来源于球团矿占比49.9%，烧结矿占比42.1%，合计达到92%；碱金属主要来源于球团矿占比45.8%，其次是烧结矿占比26.7%，燃料带入的占比合计为26.9%。根据分析结果能更有针对性的去进行有害元素的管控。

3有害元素的控制措施

3.1碱金属控制

从源头严格控制烧结矿、焦炭和喷吹煤粉的碱金属含量是降低碱金属危害的根本措施。京唐用料自身特点及有害元素实际情况：进口矿为主、有害偏高。京唐面对临港优势，入炉原料基本全为进口矿，特别是球团所依赖的主要是秘鲁资源，其有害相对偏高，大比例球团矿炉料结构情况下显得尤为突出。根据京唐高炉投产以来碱金属及锌负荷实际水平、球团以秘鲁矿粉为主的客观情况、结合其同行控制标准情况，本着维护高炉顺行长寿与成本兼顾、合理可控的原则，修订入炉有害控制标准K2O+Na2O:≤3.0kg/tHM；Zn负荷：≤g/tHM。针对碱金属控制标准采取措施：（1）加严秘鲁球团粉的采购技术标准，首钢集团推进淡水洗矿技术改造，降低秘鲁球团粉碱金属。（2）降低膨润土碱金属含量及吨球耗量。京唐使用的膨润土碱金属含量高，碱金属平均达到3.4%，且在球团中的配比高，导致酸性球碱金属中膨润土带入的占比高达35%-40%，正在积极推进试验攻关。（3）取消烧结电厂灰、球团电厂灰、高炉干法灰等在烧结的配加。（4）减少固废、焦化废水的配加量。烧结矿中碱金属来源分布中，固废、焦化废水均占比20%以上，焦化进行技术攻关减少焦化废水产生量；固废采用外销加技术处理的方式，减少回吃比例。（5）制定合理排碱制度。京唐高炉排碱周期为每45天进行一次，每次时间15天，制定合理的热制度和造渣制度。排碱期间控制在铁水中[Si]0.35%，铁水温度℃-℃；炉渣二元碱度降低0.05，同时保持渣中镁铝比MgO/Al2O3在0.55-0.6的水平，加强炉渣流动性，增加排碱效率。（6）改善煤气利用率，保持高炉顺稳，降低燃料比，也可降低碱金属危害。

3.2锌控制

有害元素锌分布主要是球团矿、烧结矿中。针对锌控制标准采取措施：（1）降低烧结固废配加比例。年转底炉脱锌线投入生产运行，高炉炉前除尘灰，炼钢除尘灰、旋风除尘灰等高锌除尘灰均经过脱锌处理，不再烧结中配加。分析烧结矿锌来源分布情况，50%以上来自固废，脱锌线的投产能有效降低烧结新含量。同时保留旋风灰的外销出口。（2）降低秘鲁球团粉锌含量。分析球团矿锌来源分布情况，90%以上来自秘鲁球团粉。秘鲁铁矿采用新区、老区球团粉混装的模式，并充分混匀，保证锌达到控制标准。京唐配矿小组，根据船期、库存情况合理配矿，保证球团矿中锌稳定在控制标准。（3）优化装料制度、送风制度，采用“适当打开中心、适当打开边缘”的两股煤气流，保持高炉顺行，杜绝非计划停风等事故，防止炉墙结厚，结瘤。

3.3硫控制

高炉冶炼既要最大程度地排碱，又要保证生铁质量合格，京唐采用大球比炉料结构，这个矛盾更加的突出。随着渣铁比的降低（-kg/t铁），脱硫和排碱能力都有降低。针对高炉硫控制标准采取措施：（1）优化配煤，降低燃料硫含量。高炉入炉硫负荷80%以上来自燃料，通过提高低硫资源配比，降低或停配高硫资源，同时兼顾成本因素，制定配煤结构，再进行资源采购。（2）优化送风制度，适当提高风速，活跃炉缸；狠抓工长操作，保证炉温稳定，炉渣碱度1.15+0.03上限控制，提高脱硫系数。（3）控制渣中（Al2O3）小于16%，适当提高MgO含量，镁铝比保持0.55-0.6，提高炉渣流动性。

4实施效果

通过以上措施，年开始京唐高炉的有害元素达到控制标准，高炉保持长期顺行稳定，各项经济技术指标优良。统计1号高炉开炉以来有害元素情况，见图6，高炉部分技术经济指标见表3。

5结语

（1）生产实践和实验室研究表明，之前京唐高炉炉况失常与超高的有害元素有直接关系。有害元素加剧焦炭和含铁原料的粉化，钾元素对焦炭的劣化作用尤为严重，影响高炉顺行和高炉长寿。（2）京唐高炉大比例球团矿炉料结构条件下，入炉碱金属主要来源是球团矿，其次是烧结矿和燃料；入炉锌负荷主要来源是球团矿和烧结矿。（3）从源头管控入炉有害元素是根本措施，京唐高炉通过优化操作制度，科学合理的排碱制度，转底炉脱锌线处理高锌固废，优化配煤、配矿等系列措施，入炉有害得到有效控制，高炉顺行稳定，获得良好技术经济指标。（4）现京唐入炉有害元素控制水平仍然高于行业先进水平，碱负荷≤2.5Kg/t，锌负荷≤g/t作为下一步阶段攻关目标。

6参考文献

［1］秦彩霞，陈奉周．酒泉钢铁厂1号高炉第三代炉体破损原因调查—炉体内部矿物组成特征［N］．矿物学报，，22（3）:-．

［2］伍世辉．韶钢6号高炉碱金属危害的控制［J］．炼铁，，28(1):4-6．

［3］王竹民，吕庆，张淑会，等．邯钢高炉渣脱硫能力的实验研究［J］．钢铁研究，，36(3):1-3．

［4］柳祎、陈奎.邯宝高炉有害元素分析及对策［J］．炼铁，（33）：41-44.

［5］赵宏博，程树森，等.区分和控制钾钠对高炉冶炼的不利影响.炼铁，，（30）：40-43.

［6］王冲，谢冬，等.碱金属对高炉原料冶金性能的影响.钢铁研究，（45）：6-9.

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