堿金屬對高爐原料冶金性能的影響

王 剛

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司， 河北 唐山 063200）

堿金屬在高爐中的循環(huán)累積給冶金工作開展帶來了一定的影響，會降低強度、煤比，焦比較高，也會導致高爐中出現(xiàn)結(jié)瘤，爐襯也更容易被腐蝕，對其進行系統(tǒng)分析，合理處置可以提升經(jīng)濟效益，降低各種不良隱患問題。

1 堿金屬在高爐中還原以及循環(huán)機理分析

堿金屬會通復合硅酸鹽的方式進入到高爐中，在通過硅酸鹽的方式隨著爐渣排出。而在高爐中，隨著堿金屬的累積，就會形成氰化物、碳酸鹽以及焦炭中的賽入式化合物等等。這些物質(zhì)在高爐的下部分分解，就會釋放出堿金屬蒸氣以及氰化物蒸氣，在高爐的上部位置出現(xiàn)，而這些化合物無法有效地祛除。堿金屬在高爐中循環(huán)的具體流程如圖1。

圖1 堿金屬在高爐中循環(huán)流程圖

堿金屬通過復雜的硅酸鹽方式進入到高爐中，在高爐的塊狀帶中呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)，在其進入到溫度高于1 550℃的高溫區(qū)域的時候，就會呈現(xiàn)大量的還原狀態(tài)。在反應中生產(chǎn)的堿金屬蒸汽會在煤氣流的作用之下呈現(xiàn)上升運動，而在高爐中的任何高度之下均具有一定的氮勢，會產(chǎn)生反應作用。

而隨著煤氣的上升溫度逐漸下降，堿金屬氰化物的蒸汽就會逐漸變?yōu)橐恍┬〉囊旱巍＿@些液滴也會隨著煤氣逐漸上升，在煤氣進入到爐身的中部位置、上部位置的時候，二氧化碳就會逐漸增加。

2 堿金屬對高爐原料冶金性能的影響

2.1 堿金屬對焦炭治金性能產(chǎn)生的影響

以某煉鐵廠高爐中應用的資產(chǎn)焦炭為試樣，在通過KOH溶液處理之后，將處理之后的焦炭放置在干燥箱之中，在170～180℃溫度之下將其烘干，維持2h，在冷卻之后稱?。?00±0.5）g待用。根據(jù)GB/T 4000—1996進行試驗，保障各項指標符合要求。其具體的影響參數(shù)如圖2。

圖1 堿金屬對焦炭ICR以及SCR影響

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，在高爐中少量的堿金屬可以提升焦炭的反應性指標IGR并且降低焦炭的反應后強度SCR，這樣在爐身的位置中的焦炭就會出現(xiàn)破碎，其粉末量也會顯著增加，整體透氣性不佳，隨著頂壓的升高，其煤氣流也不會暢通，這樣就會直接影響高爐冶煉工作。

2.2 通過掃描電子顯微鏡進行焦炭分析

通過電子顯微鏡直接的對焦炭的空隙結(jié)構以及焦炭中的大分子立體結(jié)構進行分析，對其反應前、反應后進行電子顯微鏡的分析測試，了解焦炭表面的微觀形貌，確定堿金屬對焦炭產(chǎn)生影響的規(guī)律與激勵，加強對高爐危害的控制，保障高爐安全、穩(wěn)定的應用。

在試樣制備過程中，要現(xiàn)將焦炭磨碎，去除表面的雜質(zhì)之后在，在乙醇溶液中攪拌，通過滴管將其防治在導電膠之上，在室溫之下晾干，在通過離子濺射的鍍膜儀噴鍍一層10 nm的金導電層，在對其進行觀察。通過觀察發(fā)現(xiàn)焦炭在反應前的表面較為平整，而在焦炭反應之后其表面較為粗糙，氣孔也不斷的變大，氣孔壁逐漸減薄，裂紋也逐漸增多。而隨著堿金屬的增加，其氣孔壁變得更薄，也產(chǎn)生了較多的裂紋。堿金屬可以有效的催化焦炭的汽化反應，其主要的機理就是堿金屬中的一些元素侵入到石墨晶體的內(nèi)部并且與C元素結(jié)合，其焦炭體積也會不斷的膨脹，這樣焦炭中的SCR就會逐漸降低，而且ICR也就會逐漸的升高。

出現(xiàn)此種問題就是因為在碳的溶損反應中堿金屬在催化作用的影響導致的。堿金屬的催化機理就是在焦炭的表面上形成催化CO2-C反應的中間體，在此中間體中各種礦物質(zhì)會通過氧化物分子形態(tài)出現(xiàn)，并且在焦炭基質(zhì)的表面中形成了高分散度，這些礦物質(zhì)氧化物與碳原子充分的接觸就會出現(xiàn)氧遷移，而C則脫附生成了CO。焦炭的反應性先顯著提升，導致焦炭的在反應之后呈現(xiàn)表面較為粗糙，氣孔也變大，而氣孔壁則逐漸的減薄，裂紋顯著增多。在高爐冶煉中，堿金屬導致了焦炭塊度逐漸變小，產(chǎn)生了較多的碎焦以及焦粉，這樣就導致了高爐料層透氣性逐漸惡化，而堿金屬K以及Na也通過爐墻影響冷卻壁，進而破壞了爐殼，不利已高爐的穩(wěn)定運行以及安全生產(chǎn)。

2.3 堿金屬對饒結(jié)礦、球團礦低溫還原粉化性能的影響

2.3.1 堿負荷對饒結(jié)礦低溫還原粉性能的影響

提取高爐中應用的燒結(jié)礦作為樣品，通過噴灑KOH溶液之后，放置在干燥箱之中，根據(jù)規(guī)定要求確定燒結(jié)礦低溫還原粉化性能，進行試驗分析。

在燒結(jié)礦的還原過程中，其吸附的堿金屬在進入到FexO晶格之后催化還原反應，此區(qū)域中的金屬鐵晶體生產(chǎn)速度較快，在相界面上也會產(chǎn)生一些應力，在積累到一定程度的時候就會出現(xiàn)大量的裂紋，導致RDI，-3.15逐漸升高。通過研究分析，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)礦在還原過程中會出現(xiàn)K，Na元素的遷移以及在集中處理，并且形成鉀鋁硅酸鹽，其析晶較為困難，會形成超顯微的微晶集合體，此種集合體會在還原反應作用下不斷晶化。隨著溫度的升高，晶體就越來越強，而燒結(jié)礦的整體結(jié)構就會疏松，粉化；高爐冶煉過程中壓差會不斷的升高，爐況不佳就會直接影響高爐的正常冶煉工作的開展。

2.3.2 堿負荷對球團礦低溫還原粉化性能的影響

選擇高爐中應用的球團礦作為主要的試樣，通過噴灑KOH溶液之后，在干燥箱中烘干。而球團礦低溫還原粉化性能實驗要符合規(guī)定要求，球團礦堿負荷為0～5.25 kg/t。通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，隨著堿負荷數(shù)量的增加，球團礦的低溫還原粉化率RDI，-3.15以及RDI，-0.5就會升高，而 RDI，+6.3則就會快速下降。

在球團礦的還原中，其鉀離子以及鈉離子就會快速的進入到氧化鐵中，導致晶格出現(xiàn)變形，在內(nèi)應力的作用之下會導致球團礦出現(xiàn)大規(guī)模的膨脹，在相界面上就會產(chǎn)生一定的應力，在不斷累積作用下就會出現(xiàn)裂紋等問題。球團礦還原膨脹率不斷升高，其還原之后的強度則就越來越低，還原分化率也就會不斷的增加。

3 降低金屬對焦炭冶金性能的應用技術

3.1 高爐堿負荷管理工作

為了降低堿金屬的危害問題，加強對高爐爐料堿金屬狀況分析了解，了解堿金屬的負荷狀態(tài)，提升入爐原燃料的穩(wěn)定性，適當?shù)呐浼拥蛪A負荷礦石，要穩(wěn)定以及降低入爐堿金屬的整體負荷，進而有效地減少焦末以及礦末的入爐，這樣可以有效地保障高爐安全運行。

3.2 加強煤氣流分布控制

在高爐冶煉中，煤氣具有攜帶熱能以及化學能、堿金屬的作用。煤氣量大且溫度高的區(qū)域中爐料含堿量也相對較高。在實踐中，可以基于發(fā)展邊緣氣流的基礎上，疏通中心操作。

3.3 控制爐渣堿度、渣量及爐溫

根據(jù)試驗以及國內(nèi)外研究分析，發(fā)現(xiàn)高爐排出堿金屬的主要就是通爐渣形式存在，爐渣中堿含量高達入爐堿含量的90%。在實踐中可以加強對以下幾點的重視。

1）在保持爐溫的狀況下，在爐渣堿度降低的狀態(tài)下高爐的排堿能力就會顯著提升。

2）堿金屬硅酸鹽還原屬于強烈的吸熱反應，在適宜的脫硫狀況下，在渣堿度穩(wěn)定的狀態(tài)之下，可以適當?shù)慕档蜕F含硅，繼而增強高爐的排堿能力。

3）提高渣中 w（MgO）（8%～12%）的整體含量，降低渣中K2O、Na2O的整體活度，進而提高整體的排堿率。適當?shù)脑黾覯gO含量，可以改善流動性，也提升了排堿效果。

4）提升 m（MnO）/m（Mn）比，也可以增加渣中堿金屬的氧化物。

5）增加渣中含氟1%，減少渣中堿金屬氧化物0.16%，通過CaF2洗爐增強渣中堿的活度指標，提升堿金屬氧化物還原效果，提升堿金屬的循環(huán)富集度，可以有效地排堿。

4 結(jié)語

要想降低堿金屬對高爐產(chǎn)生的影響，就要在源頭上對其進行控制處理，加強對燒結(jié)礦、球圖礦、焦炭、噴吹煤粉中堿金屬的含量。而在燒結(jié)工序中，要應用鉀元素、鈉元素含量較低的溶劑以及燃料，燒結(jié)混勻料中要進行脫堿處理，在返回利用。而因為高爐燃料中的焦炭帶入的堿金屬含量高于煤粉，要適當?shù)膬?yōu)化高爐的燃料結(jié)構，降低焦比例，提升煤比例，可以有效地減輕高爐的堿負荷，也可以有效地減少各種不良影響，進而提升了高爐安全性。