严帅
摘 要：高炉炼铁作为钢铁生产中的关键环节,直接决定着钢铁生产的效率与质量。但由于高炉炼铁的原料来源广泛,成分相对复杂,其中含有许多杂质会对高炉炼铁造成影响。基于此,本文以高炉炼铁中的铅锌杂质为研究对象,首先介绍铅锌杂质的物化性质,其次对高炉炼铁中铅锌杂质的循环过程及造成的危害进行了剖析,最后提出避免铅锌杂质危害的建议和措施,以降低铅锌杂质对高炉炼铁造成的危害,以供参考。
关键词：铅锌杂质；高炉炼铁；物化性质；循环过程
钢铁是我国工业化的基础，对我国经济发展具有重要作用。2022年，我国粗钢产量为10.13亿吨，但铁矿石对外依存度仍高达 80% 左右。由于炼铁原料来源复杂，并受成矿因素的影响，导致炼铁原料中存在铅锌杂质，进而影响高炉炼铁的质量。受技术与经济条件的限制，目前还没有很好的方法能够将铁矿中的铅锌杂质完全去除，加上近几年国内钢铁产能过剩问题突出，钢铁价格不断下降，部分钢铁生产企业为了节约成本，在生产时往往会选择一些价格低廉且品质差的矿石，更加剧了高炉铅锌的危害。
一、铅锌杂质的物化性质
炼铁原料成分较为复杂，主要的成分及物化特性见表1。在含有铅锌杂质的炼铁原料进入高炉后，铅锌杂质会被还原并附着在炉衬、管道内壁，影响高炉生产的质量与安全，严重时还会引发安全事故。自然界中的铅锌物质多以硫化物的形态赋存，而在铁矿原料中，铅锌物质的赋存形态复杂多变，具体可见表 2。铁矿石中的铅锌常与其他矿物共生或赋存于该矿物中，如赋存于石英、碳酸盐矿物中，或赋存于铁矿物晶格中，且多为针状、散粒状，粒度小，分离难度大。
二、高炉炼铁中铅锌杂质循环演变过程及其产生的危害
(一)铅锌杂质的分布情况
高炉中的铅锌杂质多分布在临近铁水的内衬中，这一位置的铅锌含量最高。因铅锌与铁在性质上有所差异，铅主要集中分布在炉底炭砖基质中，锌则主要分布在铁口及风口下方的棕刚玉砖中。
(二)高炉中铅锌的循环演变
铅锌杂质在高炉炼铁中的循环演变见图 1。观察图1可知，含有铅锌杂质的铁矿原料在进入高炉生产后，会被还原为单质。不同的是，锌先被转换为氧化锌，然后在 1000℃高温作用下还原成为气态锌。这主要是因为铅、锌二者的熔沸点不同，使得铅单质主要以液体的形态存在，而锌单质则多以气体的形态存在。此外，因为铅的密度与铁不同，液态铅在进入高炉后，会沉于铁水下，之后经过炉底的排铅工艺排出，有时也会在冷凝的状态下，从炉皮的裂缝或开口处流出，或者在碱性元素的作用下赋存于内衬中，被氧化还原后体积膨胀，此时会对炉体结构造成破坏。在 400～500℃的高温环境下，铅液转化为气态并从铁口处挥发，也可能随着气态锌一同上升并附着于炉料，然后再次进入循环还原的过程，在炉内温度达到1000℃时，铁炉料与焦炭对铅蒸汽的吸附达到峰值，可能会在炉内形成炉瘤，也可能随着炉尘一同进入清洗系统被回收，最后在炉外形成大循环。
(三)高炉中铅锌杂质的危害
1.铅的危害
铅单质以液体形态进入高炉后，会引起氧化膨胀破坏作用。具体表现为：(1)铅液进入炉内并附着于炉内的耐火砖上，会在氧化膨胀作用下，损坏耐火砖，严重的情况下还会导致炉壳破裂，甚至整个炉底漏穿；(2)铅液与铁水密度不同，铅液的密度更大，流动性较差，且难溶于铁水中，如果在炉底中聚集较多的铅液，就会使高炉无法正常工作，若不能及时维护处理，会堵死撇渣器，进而引起跑铁事故；(3)氧化后的铅单质会与炉内其他组分反应，生成熔点较低的化合物或共晶体，并在球团矿、烧结矿上赋存，伴随着铁矿原料软熔温度降低，分布在焦炭上的铅杂质会影响料柱的透气性，而分布在炉墙的铅杂质会形成炉瘤并影响高炉的正常生产；(4)铅液会被气化并从渣铁口排出炉外，不仅会污染环境，还可能引起人员铅中毒。
2.锌的危害
在高炉炼铁中，锌杂质造成的危害主要体现这三个方面：
(1)在含锌化合物的铁矿原料进入高炉后，会被沉积氧化，在氧化膨胀作用下，会对炉衬造成破坏，进而影响高炉的使用寿命；(2)锌单质以蒸汽形态存在时，在冷凝后会黏结在砖衬上形成尘垢，在一定的条件下形成炉瘤，且炉瘤的含量非常高，可达90%，此 时就会导致炉内煤气分布失常，影响高炉的正常运行，炉瘤滑落后还会对风口结构造成破坏；
(3)在含有
锌杂质的矿石与焦炭进入炉内时，会氧化膨胀，此时会增加铁矿石与焦炭的热态强度。在冷凝后，锌杂质还会与炉内粉尘聚合，此时会对炉内气流的稳定性产生影响，并消耗炉内的还原气体，升高燃料比，进而增加高炉的运行成本。
三、高炉炼铁中铅锌杂质的影响机理
(一)铅杂质对高炉炼铁过程的影响机理
高炉炼铁过程中，铅杂质产生的影响主要体现这两个方面：一方面，铅液在进入高炉时，或赋存于砖缝中，或吸附在炭砖孔内，在适宜条件下，铅单质被氧化还原，此时砖体体积膨胀，会对高炉结构产生破坏；另一方面，铅液在进入高炉后，赋存于炭砖孔内，被氧化膨胀后，使得炭砖出现裂纹，进而破坏炭砖结构。如果炉内的温度比铅的熔点低，可有效抑制铅液下沉。但现实情况是，铅的熔点远比炉内温度低，这也使得铅在炉内广泛渗透，并产生了更强的破坏作用。虽然目前钢铁生产企业会通过排铅工艺缓解炉底积铅造成的危害，但多次排铅容易堵塞排铅口，降低排铅量。铅对砖体产生破坏作用，在行业内已经形成了共识。不过，对于铅是如何进入砖体的还存在争议。有研究认为，铅难以通过砖体的微气孔渗透，而是通过炉内的各种风险，尤其是通过炉壳和砖衬间隙渗透；也有研究认为，铅难以单独渗入砖体，通常是在K、Na等元素对炭砖产生侵蚀作用并出现孔隙后，铅赋存于砖体孔隙中，特别是目前制砖技术有了较大提升，使得铅难以单独进入砖体，而是在其他元素侵蚀砖体后才大量进入，或是因为筑炉的原因，导致孔隙较大，也为铅的进入提供了便利。
(二)锌杂质对高炉炼铁过程的影响机理
锌杂质对高炉炼铁过程造成的影响，主要体现这三个方面：一是锌渗入炉内砖体微孔和缝隙后，被氧化还原，使得砖体体积膨胀，进而对炉衬结构产生破坏；二是锌在炉衬表面沉积，形成附着物甚至炉瘤；三是锌赋存于炉料上，使得炉料的透气性降低，甚至因此引起悬料。而对于锌是如何渗入炉内砖体中的，原因与铅的渗透类似，也是在其他元素侵蚀砖体后才大量进入，然后在不断富集、膨胀下对砖体结构造成破坏，使原本致密的砖体变得疏松，直到砖体破裂。
四、降低铅锌杂质对高炉炼铁危害的措施
结合铅锌杂质对高炉炼铁的影响机理分析，要想降低铅锌杂质造成的危害，具体可从以下几个方面着手：
(一)优选入炉原料，重视预处理
为降低铅锌杂质对高炉炼铁的危害，首先应从原料端出发，优选入炉原料。在选择入炉原料时，要加强优质矿与有害金属的比例控制，尤其是要控制矿原料中铅锌杂质的含量，确保其在合理的范围内。一般情况下，进入高炉生产的铁矿原料，其含铅锌量不应超过 0.02%，且要保证进入炉内的铅锌的微粒小于12mm。除了要精选入矿原料外，也要重视炼铁粉尘的预处理，尤其是对于粒度在3～20目的炼铁粉尘进行有效处理，避免其附着在烧结矿上，进而降低铅锌杂质在炉外的循环几率。
(二)改进排铅工艺
为提高高炉的排铅率，还应从工艺端着手，对炉底排铅工艺进行改进。虽然现阶段的排铅工艺应用时间长，且效果明显，但随着排铅次数的增加，容易出现堵塞的情况。对此，应及时调整排铅口的位置，可将其设置在炉底冷却系统的下部位置，从而使铅液快速冷凝，进而有效抑制铅液下渗。
(三)改进筑炉技术
要想降低铅锌杂质对高炉炼铁的危害，还应从筑炉方面着手，通过应用超微孔炭砖实现。建议选择具有较强抵抗侵蚀能力的石墨炭砖，减少使用复合棕刚玉砖，用大块砖代替小块转，有效减小砖体的微孔孔径，采用更先进的材料填充缝隙，进而有效抑制有害元素的渗入。
五、降低铅锌危害的技术展望
首先，结合铅锌杂质对高炉炼铁的影响机理，目前，国内优质铁矿的数量在逐渐减少，加上国外进口铁矿价格不断攀升，要想有效降低铅锌的危害，应重点抓原料端、工艺端、筑炉端和操作端，且各个环节缺一不可，需要彼此之间相辅相成，如此才能有效降低铅锌杂质对高炉炼铁生产带来的不利影响。其次，在高炉生产过程中，K、Na等碱性元素的侵蚀作用，也为铅锌渗入高炉提供了便利。对此，需要有效减少碱性元素进入高炉，并增强高炉的排除量，由此降低铅锌杂质产生的危害。
六、结语
综上所述，铅锌杂质主要通过赋存或与其他矿物进入高炉内部，会对炼铁质量与安全造成影响。为降低铅锌对高炉炼铁的危害，本文具体分析了铅锌杂质在高炉炼铁中的循环过程及危害，并结合其影响机理，从原料、排铅工艺、筑炉技术、操作等方面提出了具体的措施，以期有效降低铅锌杂质对高炉炼铁的危害，进而保证炼铁过程的安全性，提高高炉炼铁质量。
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