碱金属对高炉生产的危害与控制

碱金属对高炉生产的危害与控制2023年8月4日主要内容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。1问题的提出

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。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〕炼铁原料供给紧张，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复原；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，炉渣排碱、脱硫的矛盾更加锋利。以上情况加剧了碱金属在炉内的循环，导致碱金属危害。高炉生产出现碱金属危害的病症：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。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，入炉碱金属的限量那么应更低。厂名入炉碱金属（K2O+Na2O）限制数量（kg/t）日本新日铁<2.5日本川崎制铁<3.1加拿大多米尼翁钢与铸造公司<3.0美国琼斯劳林公司<4.5美国美钢公司吉尼瓦厂<4.0德国蒂森施韦尔根厂<4.0英国英钢联公司<3.5宝钢<2.5鞍钢<6.0首钢<4.0武钢<5.0包钢<7.0梅山<2.5酒钢<9.0表1国内外局部高炉入炉碱金属临界值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机尾除尘灰碱金属含量的数十倍。此局部除尘灰返回烧结将造成碱金属在烧结矿中的富集。表2邯宝1#烧结机的碱金属平衡计算项目样品名称K2O/%Na2O/%用量（kg/t）K2O(kg/t)Na2O(kg/t)K2O+Na2O(kg/t)比例(%)收入项混合料0.0740.111193.250.881.3132.19680.6焦粉0.110.1848.830.050.0880.1425.2白云石0.280.09255.800.160.0510.2087.6生石灰0.280.08448.830.140.0410.1786.5小计1346.711.2301.4932.723100.0支出项烧结矿1-0760.0820.0781000.000.820.7801.60077.6机头除尘灰11.642.223.000.350.0670.41620.2机尾除尘灰0.200.08816.000.030.0140.0462.2小计1019.0001.2010.8612.062100.01〕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，如果此局部除尘灰未经处理返回烧结，那么有10%左右的碱金属在炼铁系统循环。项目物料单耗K2O%Na2O%K2Okg/t.FeNa2Okg/t.Fe碱负荷kg/t.Fe%kg/t.Fe%收入项1号烧结矿984.9149.710.0820.0780.8080.7681.57641.792号烧结矿81.404.110.100.0600.0810.0490.1303.45南非矿102.645.180.140.0630.1440.0650.2085.53锰矿54.462.750.100.0410.0540.0220.0772.04萤石14.070.710.670.0600.0940.0080.1032.72球团矿206.9110.440.0830.0840.1720.1740.3469.16焦炭444.322.430.0580.100.2580.4440.70218.62煤粉92.54.670.400.280.3700.2590.62916.68小计1981.19100——1.9811.7903.770100支出项铁100069.300.0240.0440.2400.4400.68017.94炉渣41328.620.300.361.2391.4872.72671.92瓦斯灰17.971.250.420.300.0750.0540.1293.41瓦斯泥12.050.831.500.620.1810.0750.2556.74小计1443.02100——1.742.063.79100炉渣排碱率2.726/3.79=71.92%高炉排碱率3.79/3.770=100.05%表3邯宝1号高炉碱金属平衡表

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响到达平衡的状态。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。3.1低温区(<700℃)碱金属状态热力学分析

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。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。

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。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，试验装置如下图。3.4碱金属在高炉内的分配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。

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。3.5碱金属对炉料冶金性能的影响碱金属对焦炭气化反响的催化作用明显。w(K2O)由0.06%升高到0.2%时，焦炭的反响性(CRI)由26.2%急剧提高到40.75%；反响后强度(CSR)也迅速降低，随着w(K2O)的增加，烧结矿、球团矿的低温复原粉化率RDI-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。

(a)烧结矿(b)球团矿3.6碱金属对高炉产生危害原因分类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。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〞原那么，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。类似于钾容量、硫容量定义，由炉渣的排碱、脱硫的离子反响式，定义炉渣的“硫化钾容量〞来评价炉渣的综合排碱脱硫能力：采用气—渣平衡法联合测定炉渣的三个容量，测试装置布置如下图。4.1二元碱度对钾容量、硫容量、硫化钾容量的影响二元碱度增加，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。

4.2MgO含量对钾容量、硫容量、硫化钾容量的影响

MgO含量为10.58%时，炉渣的综合排碱脱硫能力最大。4.3三元碱度不变MgO含量对钾容量、硫容量、硫化钾容量的影响

三元碱度不变，MgO含量增加，炉渣的综合排碱脱硫能力减小。4.4Al2O3含量对钾容量、硫容量、硫化钾容量的影响

Al2O3含量在11%~19%增加，硫化钾容量先增大后减小，Al2O3含量为15.1%时，炉渣的综合排碱脱硫能力最大。4.5温度与钾容量、硫容量、硫化钾容量的关系

随着温度升高，体系硫分压增加幅度较大，钾分压降低。提高温度会降低炉渣的综合排碱脱硫能力，然而，提高温度能改善炉渣流动性。4.6硫分压与炉渣钾容量、硫容量、硫化钾容量的关系

硫分压升高，炉渣的硫化钾容量降低，硫负荷增加，对炉渣的综合排碱脱硫不利。

4.7钾分压与炉渣钾容量、硫容量、硫化钾容量的关系

钾分压升高，硫化钾容量减小，碱负荷高对炉渣的综合排碱脱硫不利。

5降低碱金属对高炉危害的技术措施

1〕控制入炉碱、硫负荷是降低碱金属危害的前提。碱、硫负荷高均会导致高炉排碱、脱硫困难，每个高炉应根据自身条件，确定合理的入炉碱、硫负荷的限量值，采取有效技术手段将两者控制在合理范围内〔弃用或限制使用碱金属含量和硫含量较高物料〕；2〕日常生产应将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作为工作重点，保证炉渣的排碱率应大于80%。一般来说，炉渣碱度控制在0.9~1.0，MgO含量为8%~10%，Al2O3含量为11%~1