高爐冶煉中堿金屬的危害及防治研究

柳 園

（甘肅酒鋼煉鐵廠，甘肅 嘉峪關 735100）

高爐冶煉中，即便原料中含有很少的堿金屬，但是因不斷循環富集的緣故導致爐內會逐漸富集大量堿金屬，會對冶煉及高爐本身構成影響和危害。綠色可持續發展背景下鋼鐵行業面臨了較大的降成本壓力，有個別企業為了提高經濟效益、減少成本投入而引入了劣質料、經濟料，加上大量回用各類塵泥固廢雜料，大幅提高了爐內進入的堿金屬含量，從而危害了高爐冶煉及其本身。為了保障高爐冶煉效果、達成平穩生產的目的，有必要研究堿金屬的危害及防治策略。

1 高爐冶煉中堿金屬的化學反應

高爐冶煉中，堿金屬循環富集規律基本上一致于普通礦冶煉，是隨著爐內鐵礦石等原料的加入而進入的，同時原料中存在的堿金屬往往為硅酸鹽形式，高爐內高溫作用下會導致堿金屬產生化學反應。而高爐內以硅酸鹽形式存在的堿金屬化學反應通常由兩個過程組成，在爐底高溫區與碳元素（具備還原性）發生反應后，會有鉀、鈉等堿金屬生成[1]。高溫作用下，堿金屬會氣化且與鼓入爐內的氣體間會有反應產生，同時會有堿金屬硅酸鹽、氮化物等物質生成。處于上升過程的此類物質，會被具有吸附性的炭灰吸收一部分并轉入高爐殘渣內，含有堿金屬的一部分氣體會在高溫蒸汽的作用下向爐外排出，剩余的會被高爐內壁所吸附。然而，如果爐料上因焦炭吸收并粘附了堿金屬及其化合物后，進入高溫區后的爐料會重新揮發，同時逐步傳輸至煤氣流中，如此一來就會有循環往復的情況出現在堿金屬內，最終會富集堿金屬，由此一來高爐冶煉也就會受到影響。

2 高爐冶煉中堿金屬的危害

2.1 堿金屬對原料的危害

堿金屬的存在，會使燒結礦、球團礦出現更高的RDI+3.15（低溫還原粉化指數），具體提升幅度基本上由鐵礦石類別所決定。當燒結礦、球團礦內蘊含了更多的堿金屬量后，其RDI-0.5與RDI+3.15皆有增長的態勢出現，然而RDI+6.3卻會下降。燒結礦與球團礦之所以會有粉化的情況產生，是由于還原過程中FexOy晶格內有堿金屬進入，且進入量相對較大，金屬鐵晶體生長趨勢會大幅加快，此時會有應力形成。而當應力增加至一定量之后，會有裂紋出現在晶界處，此時會導致燒結礦與球團礦出現更高的低溫還原粉化率[2]。同時，堿金屬元素在還原過程中會構成全新的堿金屬硅鋁酸鹽。由于析晶難度相對較大的緣故，因此會形成量很多的微晶集合體（超顯微集晶）。受還原反應的影響，此類集晶能夠始終維持晶化過程，而當溫度上升后相應的也會提高晶化程度，會導致結構疏松度提高，而燒結礦與球團礦也會因此具備更高的低溫還原粉化率。此外，對于燒結礦與球團礦來說，堿金屬的存在會持續增高其軟熔溫度，并使軟熔溫度間隔拉長。

2.2 堿金屬對風口的危害

高爐冶煉中，倘若風口區耐火磚出滲入了堿金屬蒸氣，會有磚襯膨脹的情況產生，風口二套會上翹，影響爐缸活躍程度，甚至還會有爐缸堆積的情況產生，大幅提升高爐風口前端與渣鐵接觸的概率。

2.3 堿金屬對焦炭的危害

高爐冶煉期間，會逐漸聚集大量鉀、鈉和鋅等元素，此類元素會對焦炭強度構成影響。首先，堿金屬會將焦炭氣孔覆蓋，并向焦炭內部基質慢慢擴展。焦炭處于堿蒸氣內的時間如果偏長，會有大量堿金屬被其吸引，而此時石墨晶體內會有原本存在與焦炭基質部分的堿金屬出現，由此損害原有層狀結構，最終會有裂痕出現在焦炭表面，甚至還會有裂開的情況出現。同時，焦炭在堿金屬的影響下，會出現更高的反應性，且其強度也會因此下降。在堿量不同的前提下，通過測量焦炭反應性，并對反應后強度大小進行觀察，能夠發現焦炭反應性會隨著鉀、鈉濃度的增大而提升。此類反應會持續減薄氣孔壁，并迅速降低其強度，此時會有大量能對高爐透氣性造成影響的碎焦、焦粉產生，最終會對高爐冶煉的正常開展構成影響。

2.4 堿金屬對高爐順行的危害

煤氣上升過程中，會有部分堿金屬蒸氣冷凝或被氧化為會被粘附、沉積在爐料孔隙中的細小顆粒，會影響料層透氣性，爐身上部爐襯表面吸附了細小顆粒后，有可能出現結瘤、結厚等情況，影響下料的暢通性，尤其是高爐內出現嚴重的堿金屬富集時，焦炭劣化會進一步破壞料柱透氣性，倘若未能對冶煉強度加以合理控制，稍有不慎就會導致高爐出現崩料、懸料等情況[3]。此外，低溫放熱和高溫吸熱反應是與堿金屬循環過程并存的，此時熱量會從高溫區向低溫區轉移，在維持一定條件的基礎上，高爐渣鐵物理熱會逐步降低，同時會升高熔渣粘度，進而對高爐順利運行構成影響。

2.5 堿金屬對爐墻的危害

根據堿金屬危害爐襯的機理不難發現，爐內堿蒸氣會有2R+CO=R2+C反應產生，而形成的R2會聯合碳將磚襯氣孔覆蓋或是進入磚縫中。同時，K2O與煤氣中CO也會有反應產生，反應產物為熔點910℃的K2CO2（有Na2CO3存在時，熔點為700℃），在反應生成物與沉積作用的影響下，爐體磚襯會有內應力形成，會降低爐體磚襯強度，導致磚襯出現疏松的情況。此外，磚襯因煤氣流作用的存在，也會不斷脫落。

3 高爐冶煉中堿金屬危害的防治策略

3.1 嚴控入爐原料，規避循環富集

根據高爐內堿金屬的各個來源得知，最容易帶入的途徑為燒結。所以有必要合理調整燒結礦配料結構，如果礦粉內夾雜的堿金屬含量較多，應盡量將其使用量減少。同時，要全面、深入的檢測新使用的礦粉，限制或停止使用含有過多堿金屬的礦粉，如此即可對爐內堿金屬含量實現有效控制[4]。此外，建立在燒結礦實際配料的基礎上，對高爐與燒結礦間堿金屬循環情況展開細致對比，停配大部分高爐除塵灰，亦或是全面停配燒結廠除塵灰，如此即可將循環富集的情況規避。

3.2 加大除塵灰量，控制爐頂溫度

一方面，加大高爐除塵灰帶出量。相對于高爐氣流狀態而言，高爐除塵灰量與其間由明顯的對應關系存在，風量大、氣流暢，相應的會增大除塵灰吹出量、優化排堿效果，相反則會弱化排堿效果。同時， 為增大除塵灰吹出量，會將氣流維持在一個特定狀態，但是這樣會影響煤氣的利用成效，且會升高燃料比。要想將排堿效果、煤氣利用率兼顧，可以在裝料制上嘗試輕負荷低煤比，同時對邊沿氣流裝料制度加以控制，在將整個料柱疏松的基礎上對局部氣流進行抑制，這樣便能實現更多的除塵灰帶出量，且原本為19kg/t的灰鐵比（除塵灰量與生鐵產量比）會上升至25kg/t，基本上能夠維持整體燃料消耗不變；另一方面，控制爐頂溫度。高爐爐頂如果出現打水的情況，就會溢出煤氣流，爐料上會重新附著部分爐襯，會對排堿構成影響。綜合各個高爐爐頂設備狀況，爐頂溫度建議設定為190℃的上限（原本為170℃），在降低爐頂打水頻率的同時，確保除塵灰吹出的順暢性，從而為排堿效果提供保障。

3.3 嚴控爐渣堿度，優化排堿效率

高爐內堿金屬的主要排出路徑之一便是熔渣，其內含有約占入爐堿金屬總量90%的堿金屬，而在排出爐渣堿金屬含量時，可以選擇下述多種策略：一是當爐溫一定的條件下，排堿率會隨著爐渣堿度的降低而提高。二元堿度每實現0.1的增加就會減少渣中0.30%的堿金屬氧化物，二元堿度每實現0.1的降低相應的也會增加渣中0.30%的堿金屬氧化物[5]。在將爐渣堿度適當降低的基礎上，也要注意爐渣排堿工作的定期開展，每隔一段時間需要放低爐渣堿度至1.13左右，如此可促進排堿效果的增強。同時，需要對軟水溫差予以關注，過低或過高會導致爐墻結厚或是降低煤氣穩定性，所以需要盡量將其控制在合理范圍內，通過相應措施的實施，對軟水溫差變化展開嚴格控制；二是關注渣中MgO含量的提高，通過將KO、Na、O活度的降低，即可提高渣中MgO和排堿效率。每當渣中MgO實現1%的增減時，相應的也會增減渣中0.21%的堿金屬氧化物；三是維持一定額度的爐溫。爐渣堿度持續下降時，相應的也會不斷提升高爐排堿能力；四是正常脫硫的條件下，將渣堿度維持一定，通過生鐵含硅量的減少，可以有效提升高爐排堿能力；五是將渣中MgO（8%～12%）質量分數提高，特別是Al2O3質量分數（15%～18%），并對K20與Na2O活躍程度進行抑制，如此即可有效提升高爐排堿能力。

3.4 優化透氣性能，監控風口角度

一方面，優化料柱透氣性能。爐內進入的堿金屬量如果偏多，會降低爐料透氣性能，為促進透氣性能的提高，可實施下述幾種策略：其一，嚴格開展上料篩分工作，以便減少爐中礦焦粉末的進入量；其二，布料過程中，盡量將礦石、焦炭批重減少，同時縮減角差及環數，盡量使中心與邊緣維持合理的焦炭比重，如此即可促進煤氣流的優化；其三，依托十字測溫，將中心與邊緣的煤氣流分別維持在600℃以上和200℃～300℃內，同時將冶煉強度增強，即可有效規避堿金屬循環富集問題。

另一方面，監控風口角度。其一，要關注爐前出鐵速度的提升，將出鐵不凈引起的憋壓憋風等情況規避，為順利開展冶煉工作提供保障，同時能將堿還原富集規避，最終可促進高爐排堿能力的提高；其二，爐內不斷富集堿金屬后，相應的會上移風口小套，從而影響進風角度[6]?；诖?，需以風口大中小套為對象，定期進行角度的調整，在休風機會合理利用的基礎上，一旦風口小套有上翹變形的情況，需要即刻替換，做到及時發現與調整。

3.5 開放中心氣流，穩定邊沿氣流

大高爐爐缸直徑相對較大，故而在冶煉期間應確保全風、爐溫水平，盡量控制產能處于合理范圍內，以促進風速與鼓風動能的提高，且能使爐缸料柱置換速度提高，促進爐缸活躍性的提高。中心適當開放，能為高爐冶煉順利進行提供保障，且確保風量水平，同時還能借助更高溫度的中心煤氣將有害元素帶走。此外，控制邊沿溫度在一定水平上，通常情況下不低于100℃，過重的邊沿煤氣，當出現較大的原料變化時會減弱應對能力。

4 結語

綜上所述，為將高爐冶煉中堿金屬的危害及影響減少，就必須立足于源頭處展開管理控制。高爐冶煉工作開展期間，選擇的溶劑和燃料應盡量偏向于K、Na含量低的一類，并在冶煉燒結礦前實施脫堿處理。燃料焦炭中含有高于煤粉含量的堿金屬時，需創新優化高爐燃料結構，通過爐內焦炭含量與煤粉比例的降低和增加，即可有效降低高爐堿負荷，能規避各類不良反應，提高高爐安全性。