高炉冶炼中碱金属的危害及防治研究

柳 园

（甘肃酒钢炼铁厂，甘肃 嘉峪关 735100）

高炉冶炼中，即便原料中含有很少的碱金属，但是因不断循环富集的缘故导致炉内会逐渐富集大量碱金属，会对冶炼及高炉本身构成影响和危害。绿色可持续发展背景下钢铁行业面临了较大的降成本压力，有个别企业为了提高经济效益、减少成本投入而引入了劣质料、经济料，加上大量回用各类尘泥固废杂料，大幅提高了炉内进入的碱金属含量，从而危害了高炉冶炼及其本身。为了保障高炉冶炼效果、达成平稳生产的目的，有必要研究碱金属的危害及防治策略。

1 高炉冶炼中碱金属的化学反应

高炉冶炼中，碱金属循环富集规律基本上一致于普通矿冶炼，是随着炉内铁矿石等原料的加入而进入的，同时原料中存在的碱金属往往为硅酸盐形式，高炉内高温作用下会导致碱金属产生化学反应。而高炉内以硅酸盐形式存在的碱金属化学反应通常由两个过程组成，在炉底高温区与碳元素（具备还原性）发生反应后，会有钾、钠等碱金属生成[1]。高温作用下，碱金属会气化且与鼓入炉内的气体间会有反应产生，同时会有碱金属硅酸盐、氮化物等物质生成。处于上升过程的此类物质，会被具有吸附性的炭灰吸收一部分并转入高炉残渣内，含有碱金属的一部分气体会在高温蒸汽的作用下向炉外排出，剩余的会被高炉内壁所吸附。然而，如果炉料上因焦炭吸收并粘附了碱金属及其化合物后，进入高温区后的炉料会重新挥发，同时逐步传输至煤气流中，如此一来就会有循环往复的情况出现在碱金属内，最终会富集碱金属，由此一来高炉冶炼也就会受到影响。

2 高炉冶炼中碱金属的危害

2.1 碱金属对原料的危害

碱金属的存在，会使烧结矿、球团矿出现更高的RDI+3.15（低温还原粉化指数），具体提升幅度基本上由铁矿石类别所决定。当烧结矿、球团矿内蕴含了更多的碱金属量后，其RDI-0.5与RDI+3.15皆有增长的态势出现，然而RDI+6.3却会下降。烧结矿与球团矿之所以会有粉化的情况产生，是由于还原过程中FexOy晶格内有碱金属进入，且进入量相对较大，金属铁晶体生长趋势会大幅加快，此时会有应力形成。而当应力增加至一定量之后，会有裂纹出现在晶界处，此时会导致烧结矿与球团矿出现更高的低温还原粉化率[2]。同时，碱金属元素在还原过程中会构成全新的碱金属硅铝酸盐。由于析晶难度相对较大的缘故，因此会形成量很多的微晶集合体（超显微集晶）。受还原反应的影响，此类集晶能够始终维持晶化过程，而当温度上升后相应的也会提高晶化程度，会导致结构疏松度提高，而烧结矿与球团矿也会因此具备更高的低温还原粉化率。此外，对于烧结矿与球团矿来说，碱金属的存在会持续增高其软熔温度，并使软熔温度间隔拉长。

2.2 碱金属对风口的危害

高炉冶炼中，倘若风口区耐火砖出渗入了碱金属蒸气，会有砖衬膨胀的情况产生，风口二套会上翘，影响炉缸活跃程度，甚至还会有炉缸堆积的情况产生，大幅提升高炉风口前端与渣铁接触的概率。

2.3 碱金属对焦炭的危害

高炉冶炼期间，会逐渐聚集大量钾、钠和锌等元素，此类元素会对焦炭强度构成影响。首先，碱金属会将焦炭气孔覆盖，并向焦炭内部基质慢慢扩展。焦炭处于碱蒸气内的时间如果偏长，会有大量碱金属被其吸引，而此时石墨晶体内会有原本存在与焦炭基质部分的碱金属出现，由此损害原有层状结构，最终会有裂痕出现在焦炭表面，甚至还会有裂开的情况出现。同时，焦炭在碱金属的影响下，会出现更高的反应性，且其强度也会因此下降。在碱量不同的前提下，通过测量焦炭反应性，并对反应后强度大小进行观察，能够发现焦炭反应性会随着钾、钠浓度的增大而提升。此类反应会持续减薄气孔壁，并迅速降低其强度，此时会有大量能对高炉透气性造成影响的碎焦、焦粉产生，最终会对高炉冶炼的正常开展构成影响。

2.4 碱金属对高炉顺行的危害

煤气上升过程中，会有部分碱金属蒸气冷凝或被氧化为会被粘附、沉积在炉料孔隙中的细小颗粒，会影响料层透气性，炉身上部炉衬表面吸附了细小颗粒后，有可能出现结瘤、结厚等情况，影响下料的畅通性，尤其是高炉内出现严重的碱金属富集时，焦炭劣化会进一步破坏料柱透气性，倘若未能对冶炼强度加以合理控制，稍有不慎就会导致高炉出现崩料、悬料等情况[3]。此外，低温放热和高温吸热反应是与碱金属循环过程并存的，此时热量会从高温区向低温区转移，在维持一定条件的基础上，高炉渣铁物理热会逐步降低，同时会升高熔渣粘度，进而对高炉顺利运行构成影响。

2.5 碱金属对炉墙的危害

根据碱金属危害炉衬的机理不难发现，炉内碱蒸气会有2R+CO=R2+C反应产生，而形成的R2会联合碳将砖衬气孔覆盖或是进入砖缝中。同时，K2O与煤气中CO也会有反应产生，反应产物为熔点910℃的K2CO2（有Na2CO3存在时，熔点为700℃），在反应生成物与沉积作用的影响下，炉体砖衬会有内应力形成，会降低炉体砖衬强度，导致砖衬出现疏松的情况。此外，砖衬因煤气流作用的存在，也会不断脱落。

3 高炉冶炼中碱金属危害的防治策略

3.1 严控入炉原料，规避循环富集

根据高炉内碱金属的各个来源得知，最容易带入的途径为烧结。所以有必要合理调整烧结矿配料结构，如果矿粉内夹杂的碱金属含量较多，应尽量将其使用量减少。同时，要全面、深入的检测新使用的矿粉，限制或停止使用含有过多碱金属的矿粉，如此即可对炉内碱金属含量实现有效控制[4]。此外，建立在烧结矿实际配料的基础上，对高炉与烧结矿间碱金属循环情况展开细致对比，停配大部分高炉除尘灰，亦或是全面停配烧结厂除尘灰，如此即可将循环富集的情况规避。

3.2 加大除尘灰量，控制炉顶温度

一方面，加大高炉除尘灰带出量。相对于高炉气流状态而言，高炉除尘灰量与其间由明显的对应关系存在，风量大、气流畅，相应的会增大除尘灰吹出量、优化排碱效果，相反则会弱化排碱效果。同时， 为增大除尘灰吹出量，会将气流维持在一个特定状态，但是这样会影响煤气的利用成效，且会升高燃料比。要想将排碱效果、煤气利用率兼顾，可以在装料制上尝试轻负荷低煤比，同时对边沿气流装料制度加以控制，在将整个料柱疏松的基础上对局部气流进行抑制，这样便能实现更多的除尘灰带出量，且原本为19kg/t的灰铁比（除尘灰量与生铁产量比）会上升至25kg/t，基本上能够维持整体燃料消耗不变；另一方面，控制炉顶温度。高炉炉顶如果出现打水的情况，就会溢出煤气流，炉料上会重新附着部分炉衬，会对排碱构成影响。综合各个高炉炉顶设备状况，炉顶温度建议设定为190℃的上限（原本为170℃），在降低炉顶打水频率的同时，确保除尘灰吹出的顺畅性，从而为排碱效果提供保障。

3.3 严控炉渣碱度，优化排碱效率

高炉内碱金属的主要排出路径之一便是熔渣，其内含有约占入炉碱金属总量90%的碱金属，而在排出炉渣碱金属含量时，可以选择下述多种策略：一是当炉温一定的条件下，排碱率会随着炉渣碱度的降低而提高。二元碱度每实现0.1的增加就会减少渣中0.30%的碱金属氧化物，二元碱度每实现0.1的降低相应的也会增加渣中0.30%的碱金属氧化物[5]。在将炉渣碱度适当降低的基础上，也要注意炉渣排碱工作的定期开展，每隔一段时间需要放低炉渣碱度至1.13左右，如此可促进排碱效果的增强。同时，需要对软水温差予以关注，过低或过高会导致炉墙结厚或是降低煤气稳定性，所以需要尽量将其控制在合理范围内，通过相应措施的实施，对软水温差变化展开严格控制；二是关注渣中MgO含量的提高，通过将KO、Na、O活度的降低，即可提高渣中MgO和排碱效率。每当渣中MgO实现1%的增减时，相应的也会增减渣中0.21%的碱金属氧化物；三是维持一定额度的炉温。炉渣碱度持续下降时，相应的也会不断提升高炉排碱能力；四是正常脱硫的条件下，将渣碱度维持一定，通过生铁含硅量的减少，可以有效提升高炉排碱能力；五是将渣中MgO（8%～12%）质量分数提高，特别是Al2O3质量分数（15%～18%），并对K20与Na2O活跃程度进行抑制，如此即可有效提升高炉排碱能力。

3.4 优化透气性能，监控风口角度

一方面，优化料柱透气性能。炉内进入的碱金属量如果偏多，会降低炉料透气性能，为促进透气性能的提高，可实施下述几种策略：其一，严格开展上料筛分工作，以便减少炉中矿焦粉末的进入量；其二，布料过程中，尽量将矿石、焦炭批重减少，同时缩减角差及环数，尽量使中心与边缘维持合理的焦炭比重，如此即可促进煤气流的优化；其三，依托十字测温，将中心与边缘的煤气流分别维持在600℃以上和200℃～300℃内，同时将冶炼强度增强，即可有效规避碱金属循环富集问题。

另一方面，监控风口角度。其一，要关注炉前出铁速度的提升，将出铁不净引起的憋压憋风等情况规避，为顺利开展冶炼工作提供保障，同时能将碱还原富集规避，最终可促进高炉排碱能力的提高；其二，炉内不断富集碱金属后，相应的会上移风口小套，从而影响进风角度[6]。基于此，需以风口大中小套为对象，定期进行角度的调整，在休风机会合理利用的基础上，一旦风口小套有上翘变形的情况，需要即刻替换，做到及时发现与调整。

3.5 开放中心气流，稳定边沿气流

大高炉炉缸直径相对较大，故而在冶炼期间应确保全风、炉温水平，尽量控制产能处于合理范围内，以促进风速与鼓风动能的提高，且能使炉缸料柱置换速度提高，促进炉缸活跃性的提高。中心适当开放，能为高炉冶炼顺利进行提供保障，且确保风量水平，同时还能借助更高温度的中心煤气将有害元素带走。此外，控制边沿温度在一定水平上，通常情况下不低于100℃，过重的边沿煤气，当出现较大的原料变化时会减弱应对能力。

4 结语

综上所述，为将高炉冶炼中碱金属的危害及影响减少，就必须立足于源头处展开管理控制。高炉冶炼工作开展期间，选择的溶剂和燃料应尽量偏向于K、Na含量低的一类，并在冶炼烧结矿前实施脱碱处理。燃料焦炭中含有高于煤粉含量的碱金属时，需创新优化高炉燃料结构，通过炉内焦炭含量与煤粉比例的降低和增加，即可有效降低高炉碱负荷，能规避各类不良反应，提高高炉安全性。