碱金属对高炉生产的危害与控制
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高炉中的碱金属主要指钾、钠及其化合物，其易在高炉中循环富集 ，对高炉设备和冶炼过程产生不利影响。 20世纪70年代，国内外许多高炉先后出现了碱金属危害，主要原 因是高炉使用含铁原料的碱金属含量高。经过不断研究与探索，冶 金工作者积累了大量的可贵经验，一段时期内碱金属对高炉的危害 得以解决。
明 德 勤 博 奋 学 求 实
明 德 勤 博 奋 学 求 实
3.3 高温区(1200～1600℃)碱金属状态热力学分析
钠的主要以NaCN(s)形式存在；温度升高，K2O•Fe2O3 逐步消失，K2TiO3的质量增加。
明 德 勤 博 奋 学 求 实
3.4 碱金属在高炉内的分配
以邯宝公司的高炉炉料为试样，模拟了高炉料柱对 碱金属蒸汽的吸附，试验装置如图所示。
• 1）入炉的碱负荷高。 • 2）入炉的碱负荷不高，炉渣的排碱率低，导致碱金属循环富集。 • 3）入炉的碱负荷不高，渣量少，单位炉渣的排碱负荷高，导致碱金
属循环富集。
明 德 勤 博 奋 学 求 实
4 高炉渣综合排碱脱硫能力试验研究
炉渣是高炉中碱金属和硫排出的主要介质，由于炉渣 脱硫和排碱的热力学条件相互矛盾，现有造渣制度遵 循长期“脱硫”和短期“酸渣洗炉排碱”原则，高炉 硫负荷增加，导致炉渣的排碱率降低，碱金属危害又 开始显现。 研究适宜的排碱、脱硫热力学条件，控制合理的炉渣 成分，使高炉在满足生产合格铁水的前提下最大限度 的排碱才能解决当前的碱金属危害。
返回烧结，则有10%左右的碱金属在炼铁系统循环。
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表3 邯宝1号高炉碱金属平衡表
项目 物料
1号烧结矿 2号烧结矿 南非矿 锰矿 收入项 萤石 球团矿 焦炭 煤粉 小计 铁 炉渣 支出项 瓦斯灰 瓦斯泥 小计 炉渣排碱率 高炉排碱率 单耗 kg/t.Fe % 984.91 49.71 81.40 102.64 54.46 14.07 206.91 444.3 92.5 1981.19 1000 413 17.97 12.05 1443.02 4.11 5.18 2.75 0.71 10.44 22.43 4.67 100 69.30 28.62 1.25 0.83 100 K2O % 0.082 0.10 0.14 0.10 0.67 0.083 0.058 0.40 — 0.024 0.30 0.42 1.50 — Na2O % 0.078 0.060 K2O kg/t.Fe 0.808 0.081 Na2O kg/t.Fe 0.768 0.049 0.065 0.022 0.008 0.174 0.444 0.259 1.790 0.440 1.487 0.054 0.075 2.06 碱负荷 kg/t.Fe % 1.576 41.79 0.130 0.208 0.077 0.103 0.346 0.702 0.629 3.770 0.680 2.726 0.129 0.255 3.79 3.45 5.53 2.04 2.72 9.16 18.62 16.68 100 17.94 71.92 3.41 6.74 100
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3 高炉内碱金属状态热力学分析
• 采用HSC-chemistry5.0软件模拟碱金属在高炉各温度区间反应达到平
衡的状态。根据计算得出的高炉煤气分布和铁化合物与温度间的关系 ，其规律与实际相符。
明 德 勤 博 奋 学 求 实
3.1 低温区(<700℃)碱金属状态热力学分析
0.4 0.8 1.2 1.6
0.0
K2O / wt%
K2O / wt%
(a) 烧结矿
(b) 球团矿
随着w(K2O)的增加，烧结矿、球团矿的低温还原粉化率RDwk.baidu.com-3.15和 RDI-0.5升高，RDI+6.3迅速下降，碱金属对球团矿冶金性能的影响略 低于烧结矿。
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3.6 碱金属对高炉产生危害原因分类
2 生产高炉的碱金属平衡调查
• 高炉中碱金属主要通过炉渣排出。受多方面的限制，炉渣排碱率波动
很大。炉渣排碱率低，剩余的碱金属将在高炉内循环富集，给高炉冶 炼带来危害。通过碱金属平衡计算掌握碱金属的收支情况，控制好自 身的碱平衡，有效排出高炉内的碱金属，对每座高炉的炉况顺行是至 关重要的。
• 目前，炼铁界公认的碱金属危害界限为4.5kg/tHM，当渣量较少时，
低温区碱金属主要分布于固相中，钾主要以铁酸盐形式 存在，钠主要以Na2CO3存在。温度升高，Na2CO3的质 量开始减少，NaCN的质量增加。
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3.2 中温区(700～1200℃)碱金属状态热力学分析
碱金属主要分布于固相中，钾主要以K2O•Fe2O3形式存在。 钠主要以NaCN(s)存在。
w(CaO)/w(SiO2)
w(CaO)/w(SiO2)
-6.74 -6.76 -6.78
-6.80 -6.82 -6.84 -6.86 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
二元碱度增加，炉渣的排碱 能力下降，脱硫能力增加， 碱度为1.05左右时，硫化钾 容量具有最大值，炉渣的综 合排碱脱硫能力最大。
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3.5 碱金属对炉料冶金性能的影响
碱金属对焦炭气化反应 的催化作用明显。 w(K2O)由0.06%升高到 0.2%时，焦炭的反应性 (CRI)由26.2%急剧提高 到40.75%；反应后强度 (CSR) 也迅速降低，
80 70 60
CSR
CRI, CSR / %
50 40 30 20 10 0 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6
CRI
K2O / wt%
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80 70 60
100
RDI+6.3
RDI+6.3
80
RDI / %
50 40 30 20 10 0 0.0 0.5 1.0 1.5
RDI / %
RDI-3.15 RDI-0.5
2.0 2.5 3.0
60 40 20 0
RDI-3.15 RDI-0.5
碱金属对高炉生产的危害与控制
2012年8月4日
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主要内容
• 1 问题的提出； • 2 生产高炉的碱金属平衡调查； • 3 高炉内碱金属状态热力学分析；
• 4 高炉渣综合排碱脱硫能力的试验研究；
• 5 降低碱金属对高炉生产危害的技术措施。
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1 问题的提出
明 德 勤 博 奋 学 求 实
对邯宝生产异常高炉进行了碱金属平衡调查，结论如下：
• 1）烧结工艺的碱金属负荷较高，烧结矿碱金属含量高。 • 2）南非矿、邯邢精粉、杂料、熔剂和燃料的碱金属含量较高是造成
烧结矿碱金属含量高的主要原因；
• 3）烧结对碱金属有一定的脱除作用，约25%的碱金属进入除尘灰，
造成除尘灰的碱金属含量远高于烧结矿，机头除尘灰的碱金属含量是
近年来，碱金属危害又成为影响高炉生产的主要问题之一：
• 1）炼铁原料供应紧张，高炉大量使用碱金属含量较高的原料，入炉碱
金属负荷大幅增加；
• 2）富氧率增加、焦比降低，使理论燃烧温度升高、煤气量减少， 有利
于高炉内碱金属硅酸盐的还原；
• 3）高炉的硫负荷增加，炉渣碱度升高，排碱率降低； • 4）高炉渣量下降到300kg/t左右，单位炉渣排碱、脱硫负担加重，炉渣
w(CaO)/w(SiO2)
lgCK2S
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4.2 MgO含量对钾容量、硫容量、硫化钾容量的影响
-1.05
-4.0
-1.10 -1.15 -1.20
-4.2 -4.4
lgCK
-1.30
-1.35 -1.40 -1.45 6 8 10 12 14 16
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高温区炉料不但不吸 附碱金属，而且还挥 发在中温区吸附在炉 料中的碱金属，形成 碱金属在高炉内的循 环。
3.0 2.5
K 2 O / w t%
2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 200 400 600 800 1000 1200 1400
温度 / ℃
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-1.00 -1.05 -1.10 -1.15 -1.20 -4.0 -4.1 -4.2 -4.3 -4.4
lgCK
-1.25 -1.30 -1.35 -1.40 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
lgCS
-4.5 -4.6 -4.7 -4.8 -4.9 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
排碱、脱硫的矛盾更加尖锐。 以上情况加剧了碱金属在炉内的循环，导致碱金属危害。
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高炉生产出现碱金属危害的症状：
• • • • •
冶炼强度降低、焦比升高； 高炉透气性变差、煤气流分布失常、频繁悬料、崩料，操作困难； 频繁出现结瘤； 炉底、炉衬侵蚀 周期性出现炉况不顺。
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•
类似于钾容量、硫容量定义，由炉渣的排碱、脱硫的 离子反应式，定义炉渣的“硫化钾容量”来评价炉渣 的综合排碱脱硫能力：
明 德 勤 博 奋 学 求 实
采用气—渣平衡法联合测定炉渣的三个容量，测 试装置布置如图所示。
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4.1 二元碱度对钾容量、硫容量、硫化钾容量的影响
收 入 项
焦粉 白云石 生石灰
明 德 勤 博 奋 学 求 实
• 1）邯宝高炉的碱负荷较高，明显高于宝钢的碱金属限量，可能是碱
金属危害引起的高炉生产的不正常。
• 2）铁矿石、燃料的碱金属含量较高，是高炉碱负荷高的主要原因。 • 3）炉渣排碱率较低，低于公认最低排碱率要求(80%)。 • 4）除尘灰和污泥中的碱金属存在富集，如果此部分除尘灰未经处理
0.063 0.144 0.041 0.054 0.060 0.094 0.084 0.172 0.10 0.258 0.28 0.370 — 1.981 0.044 0.240 0.36 1.239 0.30 0.075 0.62 0.181 — 1.74 2.726/3.79=71.92% 3.79/3.770=100.05%
机尾除尘灰碱金属含量的数十倍。此部分除尘灰返回烧结将造成碱金
属在烧结矿中的富集。
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表2 邯宝1#烧结机的碱金属平衡计算
项目 样品名称 混合料 K2O /% 0.074 0.11 0.28 0.28 小计 烧结矿1076 支 出 项 机头除尘灰 机尾除尘灰 0.082 11.64 0.20 小计 0.078 2.22 0.088 Na2O /% 0.11 0.18 0.092 0.084 用量 （kg/t） 1193.25 48.83 55.80 48.83 1346.71 1000.00 3.00 16.00 1019.000 K2O (kg/t) 0.88 0.05 0.16 0.14 1.230 0.82 0.35 0.03 1.201 Na2O (kg/t) 1.313 0.088 0.051 0.041 1.493 0.780 0.067 0.014 0.861 K2O+ Na2O (kg/t) 2.196 0.142 0.208 0.178 2.723 1.600 0.416 0.046 2.062 比例 ( %) 80.6 5.2 7.6 6.5 100.0 77.6 20.2 2.2 100.0
K2O / wt %
随着粒度的增加，烧结矿 、球团矿和焦炭吸附的碱 金属含量均减小。 同粒度的3种炉料，烧结 矿吸附的碱金属含量最大 ，焦炭次之，球团矿最少 。
1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 4 6 8 10 12 14 16 18
粒度 / mm 球团矿 焦炭 烧结矿
入炉碱金属的限量则应更低。
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表1 国内外部分高炉入炉碱金属临界值
厂名 日本新日铁 日本川崎制铁 加拿大多米尼翁钢与铸造公司 美国琼斯劳林公司 美国美钢公司吉尼瓦厂 德国蒂森施韦尔根厂 英国英钢联公司 宝钢 鞍钢 首钢 武钢 包钢 梅山 酒钢 入炉碱金属（K2O+Na2O）限制数量（kg/t） < 2.5 < 3.1 < 3.0 < 4.5 < 4.0 < 4.0 < 3.5 < 2.5 < 6.0 < 4.0 < 5.0 < 7.0 <2.5 <9.0
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3.3 高温区(1200～1600℃)碱金属状态热力学分析
钠的主要以NaCN(s)形式存在；温度升高，K2O•Fe2O3 逐步消失，K2TiO3的质量增加。
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3.4 碱金属在高炉内的分配
以邯宝公司的高炉炉料为试样，模拟了高炉料柱对 碱金属蒸汽的吸附，试验装置如图所示。
• 1）入炉的碱负荷高。 • 2）入炉的碱负荷不高，炉渣的排碱率低，导致碱金属循环富集。 • 3）入炉的碱负荷不高，渣量少，单位炉渣的排碱负荷高，导致碱金
属循环富集。
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4 高炉渣综合排碱脱硫能力试验研究
炉渣是高炉中碱金属和硫排出的主要介质，由于炉渣 脱硫和排碱的热力学条件相互矛盾，现有造渣制度遵 循长期“脱硫”和短期“酸渣洗炉排碱”原则，高炉 硫负荷增加，导致炉渣的排碱率降低，碱金属危害又 开始显现。 研究适宜的排碱、脱硫热力学条件，控制合理的炉渣 成分，使高炉在满足生产合格铁水的前提下最大限度 的排碱才能解决当前的碱金属危害。
返回烧结，则有10%左右的碱金属在炼铁系统循环。
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表3 邯宝1号高炉碱金属平衡表
项目 物料
1号烧结矿 2号烧结矿 南非矿 锰矿 收入项 萤石 球团矿 焦炭 煤粉 小计 铁 炉渣 支出项 瓦斯灰 瓦斯泥 小计 炉渣排碱率 高炉排碱率 单耗 kg/t.Fe % 984.91 49.71 81.40 102.64 54.46 14.07 206.91 444.3 92.5 1981.19 1000 413 17.97 12.05 1443.02 4.11 5.18 2.75 0.71 10.44 22.43 4.67 100 69.30 28.62 1.25 0.83 100 K2O % 0.082 0.10 0.14 0.10 0.67 0.083 0.058 0.40 — 0.024 0.30 0.42 1.50 — Na2O % 0.078 0.060 K2O kg/t.Fe 0.808 0.081 Na2O kg/t.Fe 0.768 0.049 0.065 0.022 0.008 0.174 0.444 0.259 1.790 0.440 1.487 0.054 0.075 2.06 碱负荷 kg/t.Fe % 1.576 41.79 0.130 0.208 0.077 0.103 0.346 0.702 0.629 3.770 0.680 2.726 0.129 0.255 3.79 3.45 5.53 2.04 2.72 9.16 18.62 16.68 100 17.94 71.92 3.41 6.74 100
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3 高炉内碱金属状态热力学分析
• 采用HSC-chemistry5.0软件模拟碱金属在高炉各温度区间反应达到平
衡的状态。根据计算得出的高炉煤气分布和铁化合物与温度间的关系 ，其规律与实际相符。
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3.1 低温区(<700℃)碱金属状态热力学分析
0.4 0.8 1.2 1.6
0.0
K2O / wt%
K2O / wt%
(a) 烧结矿
(b) 球团矿
随着w(K2O)的增加，烧结矿、球团矿的低温还原粉化率RDwk.baidu.com-3.15和 RDI-0.5升高，RDI+6.3迅速下降，碱金属对球团矿冶金性能的影响略 低于烧结矿。
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3.6 碱金属对高炉产生危害原因分类
2 生产高炉的碱金属平衡调查
• 高炉中碱金属主要通过炉渣排出。受多方面的限制，炉渣排碱率波动
很大。炉渣排碱率低，剩余的碱金属将在高炉内循环富集，给高炉冶 炼带来危害。通过碱金属平衡计算掌握碱金属的收支情况，控制好自 身的碱平衡，有效排出高炉内的碱金属，对每座高炉的炉况顺行是至 关重要的。
• 目前，炼铁界公认的碱金属危害界限为4.5kg/tHM，当渣量较少时，
低温区碱金属主要分布于固相中，钾主要以铁酸盐形式 存在，钠主要以Na2CO3存在。温度升高，Na2CO3的质 量开始减少，NaCN的质量增加。
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3.2 中温区(700～1200℃)碱金属状态热力学分析
碱金属主要分布于固相中，钾主要以K2O•Fe2O3形式存在。 钠主要以NaCN(s)存在。
w(CaO)/w(SiO2)
w(CaO)/w(SiO2)
-6.74 -6.76 -6.78
-6.80 -6.82 -6.84 -6.86 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
二元碱度增加，炉渣的排碱 能力下降，脱硫能力增加， 碱度为1.05左右时，硫化钾 容量具有最大值，炉渣的综 合排碱脱硫能力最大。
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3.5 碱金属对炉料冶金性能的影响
碱金属对焦炭气化反应 的催化作用明显。 w(K2O)由0.06%升高到 0.2%时，焦炭的反应性 (CRI)由26.2%急剧提高 到40.75%；反应后强度 (CSR) 也迅速降低，
80 70 60
CSR
CRI, CSR / %
50 40 30 20 10 0 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6
CRI
K2O / wt%
明 德 勤 博 奋 学 求 实
80 70 60
100
RDI+6.3
RDI+6.3
80
RDI / %
50 40 30 20 10 0 0.0 0.5 1.0 1.5
RDI / %
RDI-3.15 RDI-0.5
2.0 2.5 3.0
60 40 20 0
RDI-3.15 RDI-0.5
碱金属对高炉生产的危害与控制
2012年8月4日
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主要内容
• 1 问题的提出； • 2 生产高炉的碱金属平衡调查； • 3 高炉内碱金属状态热力学分析；
• 4 高炉渣综合排碱脱硫能力的试验研究；
• 5 降低碱金属对高炉生产危害的技术措施。
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1 问题的提出
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对邯宝生产异常高炉进行了碱金属平衡调查，结论如下：
• 1）烧结工艺的碱金属负荷较高，烧结矿碱金属含量高。 • 2）南非矿、邯邢精粉、杂料、熔剂和燃料的碱金属含量较高是造成
烧结矿碱金属含量高的主要原因；
• 3）烧结对碱金属有一定的脱除作用，约25%的碱金属进入除尘灰，
造成除尘灰的碱金属含量远高于烧结矿，机头除尘灰的碱金属含量是
近年来，碱金属危害又成为影响高炉生产的主要问题之一：
• 1）炼铁原料供应紧张，高炉大量使用碱金属含量较高的原料，入炉碱
金属负荷大幅增加；
• 2）富氧率增加、焦比降低，使理论燃烧温度升高、煤气量减少， 有利
于高炉内碱金属硅酸盐的还原；
• 3）高炉的硫负荷增加，炉渣碱度升高，排碱率降低； • 4）高炉渣量下降到300kg/t左右，单位炉渣排碱、脱硫负担加重，炉渣
w(CaO)/w(SiO2)
lgCK2S
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4.2 MgO含量对钾容量、硫容量、硫化钾容量的影响
-1.05
-4.0
-1.10 -1.15 -1.20
-4.2 -4.4
lgCK
-1.30
-1.35 -1.40 -1.45 6 8 10 12 14 16
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高温区炉料不但不吸 附碱金属，而且还挥 发在中温区吸附在炉 料中的碱金属，形成 碱金属在高炉内的循 环。
3.0 2.5
K 2 O / w t%
2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 200 400 600 800 1000 1200 1400
温度 / ℃
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-1.00 -1.05 -1.10 -1.15 -1.20 -4.0 -4.1 -4.2 -4.3 -4.4
lgCK
-1.25 -1.30 -1.35 -1.40 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
lgCS
-4.5 -4.6 -4.7 -4.8 -4.9 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
排碱、脱硫的矛盾更加尖锐。 以上情况加剧了碱金属在炉内的循环，导致碱金属危害。
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高炉生产出现碱金属危害的症状：
• • • • •
冶炼强度降低、焦比升高； 高炉透气性变差、煤气流分布失常、频繁悬料、崩料，操作困难； 频繁出现结瘤； 炉底、炉衬侵蚀 周期性出现炉况不顺。
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•
类似于钾容量、硫容量定义，由炉渣的排碱、脱硫的 离子反应式，定义炉渣的“硫化钾容量”来评价炉渣 的综合排碱脱硫能力：
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采用气—渣平衡法联合测定炉渣的三个容量，测 试装置布置如图所示。
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4.1 二元碱度对钾容量、硫容量、硫化钾容量的影响
收 入 项
焦粉 白云石 生石灰
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• 1）邯宝高炉的碱负荷较高，明显高于宝钢的碱金属限量，可能是碱
金属危害引起的高炉生产的不正常。
• 2）铁矿石、燃料的碱金属含量较高，是高炉碱负荷高的主要原因。 • 3）炉渣排碱率较低，低于公认最低排碱率要求(80%)。 • 4）除尘灰和污泥中的碱金属存在富集，如果此部分除尘灰未经处理
0.063 0.144 0.041 0.054 0.060 0.094 0.084 0.172 0.10 0.258 0.28 0.370 — 1.981 0.044 0.240 0.36 1.239 0.30 0.075 0.62 0.181 — 1.74 2.726/3.79=71.92% 3.79/3.770=100.05%
机尾除尘灰碱金属含量的数十倍。此部分除尘灰返回烧结将造成碱金
属在烧结矿中的富集。
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表2 邯宝1#烧结机的碱金属平衡计算
项目 样品名称 混合料 K2O /% 0.074 0.11 0.28 0.28 小计 烧结矿1076 支 出 项 机头除尘灰 机尾除尘灰 0.082 11.64 0.20 小计 0.078 2.22 0.088 Na2O /% 0.11 0.18 0.092 0.084 用量 （kg/t） 1193.25 48.83 55.80 48.83 1346.71 1000.00 3.00 16.00 1019.000 K2O (kg/t) 0.88 0.05 0.16 0.14 1.230 0.82 0.35 0.03 1.201 Na2O (kg/t) 1.313 0.088 0.051 0.041 1.493 0.780 0.067 0.014 0.861 K2O+ Na2O (kg/t) 2.196 0.142 0.208 0.178 2.723 1.600 0.416 0.046 2.062 比例 ( %) 80.6 5.2 7.6 6.5 100.0 77.6 20.2 2.2 100.0
K2O / wt %
随着粒度的增加，烧结矿 、球团矿和焦炭吸附的碱 金属含量均减小。 同粒度的3种炉料，烧结 矿吸附的碱金属含量最大 ，焦炭次之，球团矿最少 。
1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 4 6 8 10 12 14 16 18
粒度 / mm 球团矿 焦炭 烧结矿
入炉碱金属的限量则应更低。
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表1 国内外部分高炉入炉碱金属临界值
厂名 日本新日铁 日本川崎制铁 加拿大多米尼翁钢与铸造公司 美国琼斯劳林公司 美国美钢公司吉尼瓦厂 德国蒂森施韦尔根厂 英国英钢联公司 宝钢 鞍钢 首钢 武钢 包钢 梅山 酒钢 入炉碱金属（K2O+Na2O）限制数量（kg/t） < 2.5 < 3.1 < 3.0 < 4.5 < 4.0 < 4.0 < 3.5 < 2.5 < 6.0 < 4.0 < 5.0 < 7.0 <2.5 <9.0