碱金属对高炉的影响

区分和控制钾、钠对高炉冶炼的不利影响

碱金属对高炉冶炼的危害已久，国内外很多钢铁企业的高炉都遭受碱金属的危害。研究表明高炉内循环富集的碱金属会催化焦炭的气化反应、加剧烧结矿还原粉化、引起球团矿异常膨胀、破坏高炉内衬，最终导致料柱透气渗液性下降，煤气流分布失调，给高炉的长寿高效带来不利的影响。

限制入炉碱金属负荷是防治碱金属的重要手段。但是，由于缺乏对碱金属危害程度量化的判断方法，大多钢铁企业只能依据自身的冶炼实践及经验制定碱金属入炉负荷的上限。通过调研可知，国内外不同钢铁企业制定的碱负荷上限值从2.5kg/t到12kg/t，差别较大，这就使得在目前国内原料条件波动、冶炼操作变化的情况下制定具体高炉的碱金属入炉上限难以借鉴。很多钢铁企业虽深知碱金属的危害，但由于难以有效判断高炉的碱金属入炉负荷是否超限，往往无法“防患

于未然”，在碱金属的富集严重影响炉况后才被动地做出调整。此为，在制定入炉碱金属上限时，大多未区分钾钠的不同影响，入炉上限都是以钾钠的总量作为标准。

存在上述问题的主要原因可能是：1.尚未明确高炉内碱金属富集最严重的区域在哪里？2.在碱金属最严重的区域碱金属的危害和破坏对象是什么？3.碱金属危害程度和入炉负荷存在着什么关系？4.钾、钠对高炉冶炼是否存在不同的影响？

一、国内外高炉碱金属富集情况

国内外对碱金属在高炉内的富集情况进行调研的方法主要有三种，一是对实验高炉内不同区域的碱金属富集量进行分析；二是在实际高炉停炉解剖或大修时不同位置进行取样化验；三是通过对运行中高炉进行风口焦取样分析炉缸内碱金属分布。通过整理分析日本高炉、宝钢、首钢、武钢、包钢等钢铁企业的高炉碱金属富集调研结果，可以发现基本存在着以下规律。

1.软熔带是碱金属最富集的区域。碱金属自炉

身以下最富集才开始明显增多，软熔带为碱富集最严重区间，软熔带下缘碱富集量达最大。如首钢高炉调研发现，块状带碱金属含量仅为入炉前的2.1倍、软熔带为8.5倍、软熔带下缘为13.1倍、滴落带为4.8倍。梅钢高炉调研也发现在炉内下部高温区固相炉料中碱金属的富集量多于上部低温区。

2.焦炭中的碱富集明显大于矿石，且焦炭遭受

的破坏最为严重。矿石和焦炭中的碱金属含量在碱富集严重区域开始存在明显的差别。

如首钢高炉调研发现，在软熔带烧结中碱含量为1.3%-2.22%，其富集率是入炉前的7-12倍；焦炭中碱含量为 4.1%-6.64%其富集率是入炉前的26.3-42.6倍。可见焦炭是碱金属富集的重要载体。此外，通过风口焦炭取样发现，炉缸中焦炭的恶化明显大于焦炭气化反应测试的结果，且粒度小的焦炭中碱金属含

量往往偏高。如宝钢1号高炉风口焦取样发

现，风口前2.5m处小于10mm的焦粉率高达

48.98%，且碱金属含量高的焦炭破碎严重，尤

其是小于10mm的份焦中碱金属的含量比块

焦高出10倍以上。

3.碱富集区域焦炭中的钾含量明显大于钠。在

碱富集严重区域钾的富集量均远远高于钠，

即使入炉的钾负荷低于钠负荷，如日本实验

高炉块状带中焦炭的钾、钠含量相近，但是

大于1000度开始钾的富集量开始远远的大于

钠。首钢、迁钢等风口焦炭的化学分析也表

明，全部风口焦样中的钾含量均大于钠含量

且小于10mm的焦粉比例和钾负荷基本呈正

关系。

4.碱金属和煤气流分布存在相关性。通过多座

高炉的调研发现，往往煤气流越发展的地方

碱金属的富集量越大，考虑在碱富集最严重

的软熔带区域煎焦窗是气体流过的主要通道。

因此研究碱金属对此区域焦炭的破坏具有重要的意义。

综合上述可知，软熔带是高炉内碱富集最严重的区域，在碱富集严重区域焦炭是最主要的碱金属载体和破坏对象，前人大多研究了模拟炉身条件下人为的添加碱金属碳酸盐或氧化物后对焦炭性能的影响，依据实际高炉调研结果，炉身部位碱富集较少，而少量的碱金属碳酸盐《1%对焦炭的溶损反应的催化效果并不强烈。因此，评价碱金属对高炉冶炼的危害还应重点研究软熔带条件下钾、钠对焦炭的恶化影响。此外，通过实际高炉调研可知，碱富集区域钾在焦炭上的富集明显大于钠，但是，造成此现象的原因尚未明确。相应的钾、钠对焦炭的破坏性是否存在差别、是否需要区分制定钾、钠入炉上限仍有待研究，据此进一步设计完成了模拟高炉碱富集区域的钾、钠对焦炭恶化影响的实验。

二、模拟高炉碱富集区域钾、钠对焦炭恶化影

响的实验研究

通过热力学计算可知，在碱富集最严重的软熔带区域，碱金属主要以单质蒸汽形式而非碳酸盐或氧化物的形式存在，且在此区域co2的含量也少于炉身部位，实际高炉中碱蒸汽在上升至软熔带时穿过焦窗并被焦炭吸附。因此，试验前碱金属应和焦炭分离而不是提前混合在一起，以检验焦炭对于钾、钠蒸汽的不同吸附效果。高炉中每块焦炭上碱金属的吸附量是不同的也是不确定的，人为地在焦炭中添加已知比例的碱金属和高炉实际仍存在差别，而入炉的吨铁碱金属负荷和焦比是确定的，因此试验时可依据入炉碱负荷和焦比确定试验时气固体系中（碱金属蒸汽/焦炭）的质量比例。同时为了模拟测试富集后的碱金属蒸汽在焦炭上的吸附和对焦炭的破坏，依据国内外高炉调研结果，焦炭中的碱金属含量可高达5%以上，据此设定碱金属蒸汽量为5%。以迁钢和

包钢高炉用的实际焦炭为试验焦样，分别进行了多组1300度无co2条件和1100度有co2条件下等量钾钠蒸汽对焦炭恶化影响的热态试验。1.试验研究1300度无co2条件（模拟软熔带下

部）钾钠蒸汽在焦炭上吸附和破坏。采用等量的原始粒度为22-25mm的焦炭200g等质量的钾钠单质10g（对应不同的活性炭粉和碳酸盐量）在密封的反应管中始终通入高纯度的保护氮气以消除co2和o2，升温至1300度并恒温2h，以模拟测试软熔带下部高温和无co2条件下钾、钠蒸汽在焦炭上的吸附和破坏。

对迁钢和包钢的焦炭进行上述多组试验后，通过原子吸光度可知，焦炭中吸附的平均钾元素含量是钠元素含量的30倍以上，即高温下钾蒸汽更容易在焦炭上吸附。同时，在不存在co2的1300度高温条件下，发现钾、钠蒸汽对焦炭恶化的影响差别也很大，吸附钠蒸汽后的焦炭虽然表面颜色发生变化但并没