转炉使用冶金尘泥球中锌的影响机理分析

2015-12-04曹东

鞍钢技术 2015年4期

曹东

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山 114009）

在传统的钢铁生产流程中，会有一些如粉尘、泥浆、铁鳞等含铁附属物伴生［1］。这些含铁附属物的理化性质差异很大［2-3］，或因粒度极其细小而带有静电性，或因悬浮堆积而致使水分难于从中脱除，或因富含 S、Pb、Zn、K2O、Na2O 等杂质元素导致很难再利用。其中仅有富含铁且低含锌部分，如氧化铁皮等可以加工处理后直接用于烧结［4-5］。但富锌污泥，如瓦斯泥、转炉泥等会降低烧结技术指标，尤其因锌的循环富集也会对高炉顺行造成潜在危害。因此，这些富锌含铁附属物大多被迫堆弃回填，不但占用耕地，而且污染环境，使本是宝贵的资源变成了真正的废弃物。

在此背景下，一种炼钢短流程处理富锌含铁废弃物的技术得到开发和应用［6-7］，即在富锌含铁废弃物中按一定比例配加含碳废弃物，以炼钢富余能量为热源，游离碳为还原剂将氧化铁还原为金属铁，实现铁资源直接回收。有关锌在高炉密闭还原条件下的富集及应对措施在相关文献中已有详细论述［8-9］，但锌在转炉开放氧化条件下的行为却鲜有涉及，尤其在转炉使用含锌尘泥球后，锌在钢液、炉渣、炉气及烟道中的状态及分布便成为一个新的研究课题，本文将通过热力学分析及实验检测数据，重点分析锌在转炉冶炼条件下的行为，以期为转炉使用富含锌的冶金尘泥球提供理论支撑。

1 冶金尘泥球使用条件

冶金尘泥球中自带游离（C），混有瓦斯灰、瓦斯泥等，其中的碳作为还原剂，将含铁废弃物中的氧化铁还原为金属铁，实现直接回收，不仅降本增效，而且减轻环境压力。为安全使用将各种冶金尘泥按一定配比压制成球，又因这些含铁尘泥中自带游离碳，故也简称为铁碳球。

从炼铁到炼钢整个冶炼工序综合来看，同时具备满足铁碳球还原热力学和动力学条件最合适的是转炉。转炉不但是整个冶炼系统温度最高点（一般1 250～1 680℃），也是搅拌最充分的理想反应器（如顶底复吹）。

从高位料仓直接投入转炉进行吹炼，尘泥球中（FeO）一部分会和铁水中的［C］发生还原反应，同时大部分尘泥中（FeO）主要被自身配比的（C）还原，铁水更多的作用是提供足够的反应热量，见式（1）、（2）。

标态下 ΔGθ<0 时，反应（1）即可发生，该反应温度仅需748.3℃，转炉兑铁温度多在1 200℃以上，因此，该反应可在整个转炉吹炼过程发生。虽然铁氧化物还原形式比较复杂，但总体趋势是从高价态向低价态转变，见式（3）、（4）。

理论上要求尘泥球中TFe含量高，杂质元素低，一般控制TFe≥50%，其成分如表1所示。

表1 尘泥球化学成分（质量分数）%

工业应用时需建立因加入冶金尘泥而带来新的转炉质量平衡和热平衡体系，相关文献［6-7］已指出，转炉加冶金尘泥对终渣TFe含量没有显著影响，金属铁收得率随铁碳球加入量的增大而平均下降50%。此外，还应控制铁碳球中ω（S）＜0.2%。

2 锌的自然属性

锌是一种蓝白色金属，密度为7.14 g/cm3，熔点为419.5℃。在室温下，性较脆；100～150℃时变软；超过200℃后，又变脆。锌的化学性质活泼，在常温空气中，表面生成一层薄而致密的碱式碳酸锌膜，可阻止进一步氧化。当温度达到225℃后，锌剧烈氧化。锌蒸气压随温度升高而增大。锌在液态下蒸气压与温度的关系服从指数规律，当达到约750℃时，蒸气压急剧增大。工业生产中温度超过1 000℃时，锌以气相存在。锌的参数见表2。

表2 锌元素的物理化学性质

3 热力学分析

锌具有很强的挥发性，其蒸汽压与温度的关系如图1所示。由图1可以看出，900℃、1 000℃和1 200℃温度下的平衡蒸汽分压分别为96 018.5 Pa（0.9 个大气压）、249 258.8 Pa（2.5 个大气压）和1 045 671.1 Pa（10.3个大气）。可见，在炼钢条件下（一般温度>1 200℃），锌只能以气态形式存在。查得不同文献［10-11］提供的数值，在铁浴和非铁浴条件下，由于溶解介质不同，锌的挥发率有一定的差别，但总体相差不大，图2为不同条件下Zn的挥发率与温度的关系。由图2可以看出，当还原温度提高到1 250℃以上时，铁浴中锌的挥发率达到99.42%。

转炉中，无论锌以金属单质形式存在，还是以氧化物形式存在，含锌废钢及含锌尘泥球加入转炉后，均有机会发生如公式（5）～（12）的反应。

整理汇于图3。由图3看出，温度<2 063℃时会发生Zn-O2反应，而ZnO被CO或Fe还原需要在1 295℃以上，被［C］还原仅需944℃以上即可，而转炉冶炼温度一般达1 200～1 700℃。所以，Zn和ZnO均无法在转炉中存在，废钢中的ZnO很快被熔池中［C］和［Fe］还原，漂浮在熔池表面的尘泥球中的ZnO也会在温度和CO的作用下还原成Zn蒸气，分散于转炉煤气中并随之上升，极少部分渗入炉衬的气孔中，大部分进入煤气除尘系统。无论其去向如何，随着温度的降低，锌又可从气态凝聚为液态或结晶为固态，或重新被氧化成ZnO。这些随煤气进入除尘系统的Zn蒸气和二次氧化的ZnO冷析成微细颗粒，沉积在管道或炉尘中。

因CO只有在1 295℃以上才能将ZnO还原成金属Zn，而转炉烟道中的炉气温度随距炉口距离的增加而逐步降低，重力除尘前垂直段的炉气温度约1 100～1 200℃，说明在从重力除尘开始向后的烟道中，Zn只能以ZnO形式存在。由于重力除尘前至炉口段的温度为1 200～1 400℃（估测），所以，可逆反应（5）和（7）会反复发生。因此，冷态时在烟道内壁所取的垢泥样中的Zn均以ZnO形式存在，ZnO熔点为2 000℃，是较稳定的化合物。

4 使用含锌尘泥对转炉烟道的影响

鞍钢股份有限公司炼钢总厂一、二、三分厂转炉尘泥球用量均在10 kg/t以下，四分厂最高时使用量为20 kg/t左右。对四个分厂烟道的不同部位取垢泥进行化学检验，结果见图4。

由图4可以看出，随着尘泥球用量的增加，烟道内壁垢泥及尘泥中全锌含量也增加，四分厂烟道二文前平均T.Zn为0.6%，二文后T.Zn为0.4%，远高于其它三个分厂，同一取样位置比较，锌含量约差7～8倍。

虽然增加尘泥球用量会使烟道内壁垢泥及尘泥中全锌含量增加，但烟道内壁垢泥厚度及清理难度却并未增加。一分厂每周用气体清扫除尘一次，四分厂每月用高压水冲洗一次。在使用尘泥球前后的烟道清扫过程中，均未发现异常情况。分析认为，一是转炉烟道垢泥主要成分为CaO和FeO，占80%～90%，CaO主要来自风机抽得的冶金石灰粉末，FeO为铁水氧化粉尘，垢泥中T.Zn含量仅从0.1%增加到0.6%，不会对总体粉尘量造成明显的影响；二是转炉为间歇式生产反应器，定期进行除尘清理，垢泥中T.Zn含量增加幅度尚未对垢泥质地造成明显影响，便被定期清除掉。