降低邯钢高炉碱金属危害的研究

王 纲，冯 帅，尹志华

(河钢集团邯钢公司，邯宝炼铁厂，河北 邯郸 056000)

邯钢高炉入炉原料的碱金属含量较高，高炉中K、Na会加剧CO2对焦炭的气化反应，一方面造成焦炭破损，缩小间接还原区，扩大直接还原区，导致焦比升高[1]；另一方面造成软熔温度降低，料柱透气性，特别是软熔带焦窗的透气性变差。K、Na会加剧球团矿灾难性的膨胀和多数烧结矿中温还原粉化，使气流分布失常，引起硅铝质耐火材料异常膨胀和严重侵蚀，降低高炉寿命[2-3]。因此，研究邯钢高炉碱金属的走向及分布规律，对高炉正常冶炼有着重要意义。

1 邯钢烧结机的碱金属平衡

烧结机使用的原料为混匀料、焦粉、白云石、生石灰。产品是烧结矿和除尘灰。各种物质的碱金属含量见表1所示。

由表1可知，收入项中，混匀料消耗1193.25 kg/t，占烧结配料比例88.6%。K2O和Na2O带入量分别为0.84 kg/t和1.31 kg/t，碱金属(K2O+ Na2O)合计2.15 kg/t，占总收入量的80.4%，烧结矿中的碱金属绝大多数来源于混匀料。焦粉带入碱金属量占收入项比例5.3%。溶剂中白云石和生石灰带入碱金属量比例分别为7.7%、6.6%。熔剂和燃料虽然配比较低，但其碱金属含量较高，使得烧结矿中碱金属含量升高。

烧结工序产物中，大烧结矿粒度在20～22 mm之间，碱金属量比例为47.1%。小烧结矿粒度在8～10 mm之间，碱金属量比例为13.6%。机头除尘灰和机尾除尘灰碱金属比例分为37.3%、2.0%。烧结过程对碱金属有一定的脱除作用，约40%的碱金属进入除尘灰。烧结过程中，机头的温度高，还原性气氛较强，这是机头除尘灰的碱金属含量是机尾除尘灰的数十倍的原因。由于除尘灰的产生量较小，造成除尘灰的碱金属含量急剧升高，如果这部分除尘灰返回配料，则这部分碱金属又重新回到烧结工序中，形成碱金属在烧结工序的循环，所以对机头除尘灰进行脱除碱金属处理，再返回使用，有利于降低碱金属负荷。

表1 邯钢烧结机的碱金属平衡Table 1 Alkali metal balance of sintering machine

2 邯钢高炉碱金属负荷

2.1 原料的碱金属含量

邯钢高炉入炉的含铁原料有大烧结矿、小烧结矿、球团矿、澳矿，燃料为焦炭和煤粉。技术中心铁前化验室采用原子吸收光谱法化验入炉原料(含铁原料、燃料)的碱金属含量，结果如表2所示。

表2 高炉入炉原料的碱金属含量Table 2 Alkali metal content of blast furnace materials

从表2中可以看出，邯钢高炉所用含铁原料中，大烧结矿K2O含量为0.042%，Na2O的含量为0.099%，碱金属(K2O+Na2O)含量为0.141%；小烧K2O含量为0.053%，Na2O的含量为0.076%，碱金属(K2O+Na2O)含量为0.129%。烧结矿(包括大烧和小烧)占高炉入炉原料50%～70%，可见，烧结矿也是高炉碱金属的主要来源之一。含铁原料中球团矿的碱金属含量也比较高，K2O含量为0.144%，Na2O的含量为0.148%，碱金属含量(K2O+Na2O)为0.2929%，高于烧结矿、澳矿。

邯钢高炉所用燃料的碱金属含量较高，入炉原料中焦炭的K2O含量为0.209%，Na2O的含量为0.380%，相对其它入炉原料，含量均为最高。焦炭中碱金属(K2O+Na2O)含量达到了0.589%，可见焦炭是高炉碱金属的主要来源。煤粉的K2O含量为0.041%，Na2O的含量为0.083%，合计为0.124%，碱金属含量较低，因此提高煤比，降低焦比，有利于降低碱负荷，从而降低碱金属危害。

2.2 产品的碱金属含量

经过高炉冶炼，高炉产物为生铁、炉渣、瓦斯灰、瓦斯泥、炉前灰。邯钢技术中心铁前化验室采用原子吸收光谱法化验高炉产物的碱金属含量，结果如表3所示。碱金属在铁水中的溶解度较低，生铁的碱金属含量极低，可忽略不计。

表3 高炉产物的碱金属含量Table 3 Alkali metal content of blast furnace product

从表3可以看出，高炉产物中碱金属的含量从大到小排列依次为:高炉渣、炉前灰、瓦斯灰、瓦斯泥。高炉产物中炉渣的碱金属含量最高，达到了0.647%，其中K2O含量为0.337%，Na2O的含量为0.310%，碱金属的排出方式主要通过炉渣。炉前灰的碱金属含量为0.584%，仅次于炉渣，其中K2O的含量在所有产物中最高，达到0.422%。

瓦斯灰和瓦斯泥的碱金属含量均为0.194%，含量比较低。瓦斯灰K2O含量为0.105%，瓦斯泥K2O含量为0.121%，瓦斯灰K2O含量略低。瓦斯灰Na2O含量为0.089%，瓦斯泥Na2O含量为0.073%，瓦斯泥Na2O含量略低。

2.3 高炉碱金属平衡

根据数据分析，计算高炉入炉原料和产物的碱负荷(K2O、Na2O)及所占比例，结果见表4。

表4 邯钢高炉碱金属平衡表Table 4 Alkali metal balance’s for blast furnace of Han Steel

由表4可知，邯钢高炉的碱金属负荷为4.69 kg/t，其中K2O负荷为1.638 kg/t，Na2O负荷在3.055 kg/t，高炉的碱负荷较高。炉渣的排碱率仅为42.64%，高炉排碱率为44.78%，高炉正处于碱金属积蓄期，已经危害到了高炉正常冶炼。邯钢入炉原料以烧结矿为主，比例为56.62%，大烧和小烧按3:1的比例配比分级入炉，可以提高煤气利用率。大烧和小烧的碱金属含量相差不大，大烧碱负荷为1.3 kg/t，小烧为0.37 kg/t，烧结矿合计的入炉碱负荷为1.67 kg/t，占比35.61%，烧结矿是入炉原料中碱金属量的第二大来源。邯钢入炉原料以球团矿和澳矿为辅，占比例分别为6.56%、13.92%。球团矿的Na2O和K2O含量高于烧结矿和澳矿，在高炉顺行的前提下，可适当降低其比例。澳矿碱金属含量最低，入炉碱负荷仅为0.2 kg/t，且价格低廉，条件允许可增加使用。

邯钢高炉焦比为386.7 kg/t，占入炉料结构的18.15%，焦炭的Na2O和K2O含量均为最高，导致焦炭的入炉碱金属负荷高达2.28 kg/t，占比48.61%，可见焦炭是入炉原料中碱金属量的第一大来源。因此，必须控制焦炭碱金属含量，尽量选择优质焦炭降低入炉碱金属含量。邯钢高炉煤比为101.3 kg/t，煤粉的入炉碱金属负荷为0.13 kg/t，仅占总碱负荷2.77%，煤粉带入高炉的碱金属负荷远远小于焦炭。因此，在炉况稳定顺行的前提下，适当改变燃料(焦炭和煤粉)结构，稳定燃料比，提高煤比至150 kg/t，降低焦比至340 kg/t，入炉燃料的碱金属负荷会由原来的2.41 kg/t下降到2.19 kg/t，从而有利于降低高炉碱负荷。

高炉渣比为309.3 kg/t，占支出项的92.11%，炉渣的Na2O、K2O含量均较高，排碱2.00 kg/t，占比95.24%，因此高炉主要通过炉渣排碱。瓦斯灰和瓦斯泥排碱均为0.02 kg/t，通过炉顶排出的碱金属为1.9%。炉前灰的排碱为0.06 kg/t，占比2.86%。邯钢高炉炉渣中SiO2含量在32%～34%之间，CaO含量在40%～42%之间，二元碱度为1.2左右。针对邯钢高炉碱金属负荷较大的情况，在高炉冶炼时，当煤气流异常，分布严重不均，左、右料尺差异较大，甚至频繁“出气流”、崩料，渣沟和铁沟有白点等现象时，应采取洗炉排碱措施，将炉渣SiO2含量提高到40%左右，二元碱度降低到0.9左右，控制MgO含量在8%～10%，Al2O3含量在15%左右，使炉渣具有最大的排碱能力。避免炉墙粘结，保持合理的操作炉型。

3 结论

(1)烧结矿中的碱金属绝大多数来源于混匀料，熔剂和燃料虽然配比较低，但其碱金属含量较高，使得烧结矿中碱金属含量升高。机头除尘灰进行脱除碱金属处理，再返回使用，有利于降低碱金属负荷。

(2)邯钢高炉的碱金属负荷为4.69 kg/t，炉渣的排碱率仅为42.64%，高炉排碱率为44.78%，必须控制焦炭碱金属含量，尽量选择优质焦炭降低入炉碱金属含量。适当改变燃料结构，提高煤比，降低焦比有利于降低高炉碱负荷。

(3)保证铁水S含量合格的条件下，适当降低炉渣碱度，提高SiO2含量，控制MgO含量在8%～10%，Al2O3含量在15%左右，使炉渣具有最大的排碱能力。