冶金高炉内的金属填充材料比例分配研究

刘长宝

（莱芜钢铁集团银山型钢有限公司炼铁厂生产技术室，山东 济南 271104）

碱金属对冶金高炉的危害性已成为冶金行业不可回避的一个现实问题，碱金属能够催化炉内焦炭的气化反应，破坏高炉内衬，使料柱的透气渗液性下降，缩减高炉的使用寿命，而给冶金企业造成巨大的经济损失。据研究结果表明，在炉内高温区，碱金属硅酸盐通过分解可以形成大量的碱金属蒸气，在炉内中温区，炉料吸附的碱金属含量约为2.8%，在低温区约为0.3%，随着炉料粒度的不断增大，炉料吸附碱金属的含量也随之减小。因此，研究碱金属填充材料的分配比例，应当紧紧围绕碱金属在高炉内发生的化学反应展开。

1 冶金高炉内碱金属的化学反应与分配比例

为了深入探究碱金属在冶金高炉内的化学反应特征，下面采用模拟实验的方法进行验证，以二硅化钼炉为实验高炉，炉内温度为1600℃，反应温度介于200℃～1300℃之间，炉缸煤气以CO、CO2、H2、N2混合气体代替，碱金属蒸气由碳酸钾分解而得，此次模拟实验的时间为2h，炉料吸附的碱金属含量则由原子光谱吸收法予以测定。

1.1 高温区碱金属反应与分配比例

冶金高炉炉内的高温区温度界定区间在1200℃～1600℃之间，高温区的区域位于炉体下部，实验开始后，高温区炉料所吸附的碱金属含量从1100℃时的2.85%降到1300℃的2.1%，这一实验数据表明，高温区的炉料对碱金属不产生吸附作用，使碱金属在炉内呈现出往复循环状态。当高温区的温度值超过1300℃后，炉碱金属氧化物与焦炭发生还原反应，化学反应式如下：

2K2SiO3+6C=4K（g）+2Si+6CO（g）,在 压 强 值 为1Mpa纯固态状态下，当炉内温度达到1550℃时，K2SiO3被焦炭还原得到一氧化碳与钾元素，而如果在液态条件下，碱金属硅酸盐将与炉渣中的氧化钙成分以及焦炭发生下列化学反应：K2SiO3+CaO+C==2K（g）+CO（g）+CaO·SiO2。

此外，高炉内的碱金属硅酸盐与氮气和焦炭也会发生下面的化学反应：3C+N2+K2SiO3=2KCN（g）+SiO2+CO，如果以每吨铁碱负荷平均为5.7kg计算，高炉内煤气所带走的碱金属约为0.31kg，排碱率约为5.4%，由炉渣带走的碱金属量值为4.56kg，排碱率达到80%，而通过实验表明，在炉内高温区，每吨铁还原的碱金属量值为1.14kg，占碱负荷的20%左右[1]。

1.2 中温区碱金属反应与分配比例

冶金高炉的中温区温度界定区间在900℃～1100℃之间，位置在炉体的中下部，由于该区间的空间容积较大，因此，炉料的在此区间的停留时间相对较长，进而形成了碱金属的积蓄区与循环区。当炉内温度达到900℃时，炉料所吸附的碱金属含量约为1.96%，当温度上升至1000℃时，碱金属含量快速上升至2.73%，达到中温区的温度极值后，碱金属含量也达到2.85%的峰值。由此可见，中温区对碱金属具有较强的吸附能力。

在中温区，碱金属硅酸盐K2SiO3与焦炭发生还原反应，反应式如下K2SiO3+C=2K（g）+SiO2+CO（g），K2SiO3+xFe=2K（g）+SiO2+FexO，在标准状态下，钾的平衡蒸气压在1000℃时为1×10-5Mpa，而钠的平衡蒸气压在1000℃时为1.8×10-5Mpa，由此可见，虽然碱金属硅酸盐在中温区能够发生还原反应，但还原反应强度相对较弱。

根据实验可以得出以下结论，碱金属在中温区的积蓄形式通常表现为氰化物与碳酸盐的形式，在靠下的位置产生氰化物气体，当温度降低后，转化为液体，但是液体的转化量相对较少，大部分呈气体状态的氰化物在炉内煤气的带动下始终向上运动。炉内煤气在上升过程中常常与二氧化碳气体相结合而生成碱金属碳酸盐，化学反应式为2K（g）+2CO2=K2CO3+CO，碱金属氰化物同样与二氧化碳发生化学反应而生成碱金属碳酸盐。通过计算可知，冶金高炉内碱金属碳酸盐的稳定性相比于氰化物相对较高，当反应达到平衡状态时，碱金属氰化物则完全被氧化。

1.3 低温区碱金属反应与分配比例

冶金高炉低温区的界定区间在200℃～900℃之间，位置处于炉体上部。由于该区域位置靠上，因此，温度波动幅度较大。实验表明，当温度在400℃～900℃时，高炉内炉料的碱金属含量从1.96%快速下降到0.31%，当温度下降到400℃以下时，碱金属含量的变化曲线几乎没有任何变化，当降到200℃的低温区温度极值后，碱金属蒸气不会发生二次挥发，碱金属含量也呈现出下降态势，从0.31%降到0.26%，含量的变化范围并不大。

在低温区，碱金属氧化物不会与炉料内的焦炭等物质发生还原反应，但是能够与CO2发生如下反应：2K（g）+2CO2=K2CO3+CO。通过计算可得，当低温区温度在900℃时，K2CO3含量的变动幅度较小，大部分随炉内煤气流被带到炉外，剩余少量K2CO3残留在炉料中，当炉料下降到高温区时，则分解成为碱金属蒸气，参与炉内循环[2]。

2 低温区的矿石冶金性能分析

为了验证碱金属填充材料的危险性，下面通过低温还原粉化实验，对矿石的冶金性能予以剖析，以确定碱金属填充材料的分配比例。该实验的炉内温度值为550℃，通过实验可以看出，K2O含量不断升高，炉内烧结矿与球团矿的低温还原粉化率RDI-3.15与RDI-0.5也随之升高，而RDI+6.3却迅速下降，如果烧结矿的RDI+6.3由80%下降到50.21%，球团矿的RDI+6.3也由原来的100%下降到79.32%。

产生烧结矿与球团矿含量下降的原因主要是由于当发生还原反应后，炉料中吸附的碱金属将进入到FexO晶格中，这时，碱金属还原反应中扮演着催化剂的角色，导致金属铁晶体快速生成，而在相界面上产生应力，当应力累加到一定数值时，晶体将产生大量裂纹，使得粉化率上升。而发生还原反应后，钾元素在运动迁移过程中形成二次集中现象，钾元素与炉料中的硅、铝等元素再次结合而生成钾铝硅酸盐矿物质，这种物质析晶困难，而随着还原反应的加剧，硅酸盐将被进一步晶化，炉内温度越高，晶化作用越明显，最终导致烧结矿的内部结构松散，进而出现粉化现象。

3 中温区焦炭的反应特征分析

通过对炉内焦炭样品进行分析可得，当焦炭与炉料的温度介于900℃～1100℃时，焦炭的粉化现象比较明显，因此，下面通过实验的方法验证炉内碱金属对焦炭粉化率带来的影响，实验表明，ωk2o=0.2%时，焦炭的CRI快速提升至40.75%，ωk2o=1.6%时，CRI继续升高至49.25%，此时，K2O的含量增加8倍，CRI仅仅提高了9.5%。这就进一步验证，焦炭完成气化反应只需要少量的碱金属。而ωk2o=0.2%时，焦炭的强度值下降到70.53%，ωk2o=1.5%时，强度值下降到40.89%，这一实验结果足以说明，焦炭反应后的强度值与碱金属的含量成反比。

此外，焦炭中的碱金属与石墨机体能够形成一系列的层间化合物，比如KC8、KC6等，这些层间化合物能够促使焦炭体积变大，当形成KC8层间化合物时，焦炭体积膨胀61%，当形成KC6的层间化合物时，焦炭体积膨胀12%，当焦炭体积膨胀后，石墨机体产生的裂纹就会破坏焦炭内部结构，导致焦炭崩裂，进而使焦炭的强度迅速下降。

4 中温区吸附碱金属与炉料粒度的关系分析

中温区是碱金属吸附率最高的区域，对高炉造成的危害程度也最高，因此，为了消除炉料中吸附碱金属的危险，下面针对不同粒度的炉料吸附碱金属的不同量值进行实验。实验温度为900℃，实验时间为3h，煤气中碱金属蒸气的含量为3%，煤气的流动速度为0.02%。实验表明，随着炉料粒度的增加，烧结矿、球团矿与焦炭吸附的碱金属含量均减小，其中，烧结的吸附值最大，焦炭与球团矿则相对较小。在900℃的实验温度下，烧结矿内部结构呈现出多孔状，大量的碱金属蒸气随着气孔附着在烧结矿表面，而与之发生还原反应，此时的部分碱金属将进入到FexO晶格当中，导致碱金属的吸附量加大，焦炭在900℃的温度条件下，则很与碱金属发生还原反应，而球团矿的内部结构较为密实，在此温度下，还原反应并不明显，因此，碱金属的吸附量也相对较少。

5 结语

综上所述，冶金高炉的高温区对碱金属不产生吸附作用，同时，能够挥发中温区吸附的部分碱金属，中温区的温度变化区间较小，炉料的停留时间过长，导致中温区成为吸附碱金属的重灾区，因此，该区域也是导致炉料粉化最为严重的区域。而低温区温度下降速度较快，吸附碱金属的量值幅度也较大，但是，当炉内温度下降到温度极值时，对碱金属的吸附量也大幅下降。由引可见，科学合理分配碱金属的填充材料比例，能够减少对冶金高炉的危害，确保冶金产品的质量，进而为冶金企业创造更多的经济效益。