高爐內氯對高爐冶煉的影響分析

孫 剛

（北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京 100029）

1 高爐內氯的來源

高爐內的氯元素來自于高爐冶煉的爐料，目前鋼鐵企業的爐料結構為：含鐵原料和燃料。其中，含鐵原料主要包括燒結礦、球團礦和天然塊礦；而燃料則主要由焦炭和煤粉組成。煤粉和焦炭除本身含有氯元素以外，噴吹煤粉時加入的助燃劑和焦炭為了降低其反應性而使用的鈍化劑也均含有一定量的氯元素，在冶煉過程中這些氯元素會隨之進入高爐。其次，高爐冶煉使用的燒結礦，為了降低燒結礦的低溫還原粉化率，采用了在燒結礦表面噴灑CaCl2溶液的技術，CaCl2溶液就會將一部分氯元素帶入高爐。另外，高爐冶煉使用的天然塊礦，一部分由于受到海水的浸泡，表面會附著少量的氯化物，這些氯化物在冶煉過程中也會隨鐵礦石進入高爐。氯元素的來源有以下幾種。

1.1 高爐噴吹煤粉中的氯元素

現代高爐大都采用煤粉噴吹技術，以此來節省焦炭用量，降低生產成本，提高在市場中的競爭力。目前，國內大部分高爐的煤比都處在150kg／t左右，部分高爐的煤比已經超過了200kg／t。雖然全國煤炭中氯的平均含量只有0.022%左右，絕大部分煤炭中氯的含量處在0.05%以下，但是，隨著高爐噴煤比的提高，煤炭中微量元素氯進入高爐的數量也將隨之增加，所以由煤粉帶入高爐的氯成為高爐內氯元素的一個主要來源。

1.2 焦炭中的氯元素

焦炭在高爐內不僅僅是發熱劑、還原劑、滲碳劑，它還起著非常重要的骨架作用。一些煉焦工藝采用廢舊塑料與煤共焦化的處理方法，使得焦炭中的氯元素含量大大升高，再加上高爐煉鐵需要消耗大量的焦炭，所以由焦炭帶入高爐內的氯元素也成為高爐內氯的一個主要來源。

1.3 鐵礦石中的氯元素

隨著鐵礦石資源開發的逐漸擴展，海濱含鐵砂礦越來越受到人們的重視。海濱含鐵砂礦石依海開采，鐵礦石不可避免地會被海水浸泡，加之在對部分鐵礦石進行選礦處理時也會使鐵礦石與海水進行接觸，所以這些鐵礦石都會有一定程度的海水附著現象，海水中的一些無機氯化物會隨之附著在鐵礦石的表面。

1.4 燒結礦表面噴灑CaCl2中的氯元素

降低燒結礦的低溫還原粉化率一直是冶金工作者們努力的重點。目前采用噴灑CaCl2溶液的方法能夠有效降低燒結礦的低溫還原粉化率，但是高爐長期使用噴灑過CaCl2溶液的燒結礦，就會使這些CaCl2隨燒結礦進入高爐，在高爐內揮發為氣體氯化物，進入高爐煤氣。

1.5 添加劑中的氯元素

添加劑有利于提高生產效率，降低高爐生產的經濟指標。但是部分添加劑中的氯元素含量高達10%以上，當這些氯元素隨著焦炭和煤粉進入高爐后，就會影響高爐的冶煉過程。

2 氯元素對高爐冶煉的影響分析

2.1 氯對高爐風口的影響

高爐風口結渣會使風口通道面積減小，風壓升高，影響噴煤作業和高爐爐況的順行。煤粉中的氯元素在200～500℃之間析出的為有機氯或水溶態的氯；而在1000～1100℃之間析出的是無機氯，高爐風口區的溫度通常超過l600℃，盡管煤粉在在回旋區的停留時間只有十幾毫秒，但是煤粉中的氯元素40%左右還是會以氣態Hl的形式釋放出來。HCl氣體的化學性質非常活潑，很可能與煤粉中的Na、K、Fe、Mg、Al等元素發生化學反應生成低熔點的氯化物（氯化鈉熔點為801℃，氯化鉀熔點為770℃，氯化鐵熔點為282℃，氯化鎂熔點為118℃），由于高爐風口內外溫差比較大，所以造成這些低熔點的氯化物很容易在風口處凝固，并逐漸聚集在風口部位，形成結渣物，甚至堵塞風口，影響高爐順行，對高爐的冶煉過程造成嚴重影響。

2.2 氯對煤氣管道的影響

氯化物堵塞煤氣管道，影響高爐煤氣的正常運行。為了降低水的消耗，近些年來，高爐煤氣除塵系統中的干法除塵工藝開始被普遍應用。干法除塵工藝（即布袋除塵）具有除塵效率高、凈化煤氣含塵量低并可充分利用煤氣余熱、TRT發電量高、基本不消耗水等諸多優點。然而，現代高爐噴吹煤粉，在冶煉過程中會有氯化氨（NH4Cl）生成。氯化氨在100℃時會大量揮發，在337.8℃時分解成HCl分子和NH3分子，以氣體的形式存在于高爐煤氣中。布袋除塵只能夠過濾5μm以上的灰塵顆粒，不能將這些高爐煤氣中的HCl分子和NH3分子過濾下來。隨著高爐煤氣溫度地不斷下降，HCl和NH3再次結合成NH4Cl固體，與部分小于5μm的灰塵顆粒形成固體混合物，這些固體混合物一部分粘結在布袋除塵箱的內壁，影響布袋的除塵效率，另外一部分則堵塞煤氣管道影響煤氣的輸送和使用。

2.3 氯對TRT的影響

氯化物粘結在TRT葉片上，影響機組正常運行。近幾年來，在一些使用干式TRT的企業多次出現機組流道快速結垢的現象，結垢的主要成分為氯化氨（NH4Cl）與灰塵的結晶，稱之為積鹽。這些積鹽主要寄存在二級葉片的進氣側背部和出氣側的葉盆處，當垢層達到一定厚度時，就會引起機組振動而造成停機，造成高爐煤氣壓力能和熱能的巨大損失，給鋼鐵公司帶來經濟損耗。TRT機組產生積鹽的機理是：現代高爐煤氣一般采用的都是干法除塵，大大降低了工業水的消耗，除塵效率也得到了有效提高，但是干法除塵不能除去煤氣中小于5μm的粉塵，這些粉塵和一些機組油污，另外加上高爐冶煉過程中產生的HC1、NH3氣體等，在二級葉片的進氣側背部和出氣側的葉盆處形成氣—汽—固組成的多相流。當高爐煤氣的熱能轉變成機械能后，溫度會降低，當溫度降低到露點以下時，煤氣中的水分會大量凝結，而重新結合成的氯化氨又極易溶于水中，再加上一些粉塵形成結垢，粘附在透平的動、靜葉片和機殼內壁上，垢層逐漸積厚，最后導致機組無法正常運行。

2.4 氯對高爐爐料冶金性能的影響

氯元素進入到高爐內，最終以HC1的形式釋放出來，進入到煤氣當中，并隨著高爐煤氣向高爐頂部運行，在上升的過程中不可避免地與高爐爐料和高爐爐墻耐火材料相接觸，給高爐的冶煉過程帶來了影響。根據相關文獻的研究表明：HC1會對高爐爐料焦炭的反應性（CRI）和反應后強度（CSR）以及鐵礦石的冶金性能均有一定程度的影響。HC1對焦炭反應性和反應后強度的影響：HC1會使焦炭的反應性降低而反應后強度明顯升高，這種影響使焦炭的冶金性能得到了改善，有利于高爐的順行。HC1能夠改善焦炭冶金性能的原因可能是：由于HC1具有比較強的吸附能力，當HC1與焦炭接觸時就會粘附在固體焦炭的表面，從而抑制了焦炭和其他氣體（主要是CO2）之間的反應，降低了焦炭的反應性，提高了焦炭的反應后強度。HC1對燒結礦低溫還原粉化率的影響：HC1降低了燒結礦的低溫還原粉化率，明顯改善了高爐塊狀帶的透氣性。這種現象產生的原因可能是：一方面是由于HC1的吸附能力比較強，容易粘附在燒結礦的表面，阻止燒結礦內鐵氧化物與還原性氣體之間的反應，另一方面因為HC1要比高爐還原性氣體中的CO更容易與燒結礦內的鐵氧化物反應，抑制了燒結礦還原粉化的發生。HC1對球團礦還原膨脹系數的影響：HC1提高了球團礦的還原膨脹系數，降低了球團礦的冶金性能。這種現象產生的原因可能是：HC1氣體與球團礦中的石英或硅酸鹽發生反應生成一部分SiCl4，因為SiCl4的沸點只有57.6℃，所以在高爐內會以氣體的形式進入到煤氣中，使球團礦在還原過程中形成的低熔點硅酸鹽數量減少，促進了球團礦在還原過程中產生的孔隙和裂隙，給鐵晶須的生長創造了有利條件，從而提高了球團礦的還原膨脹系數。HC1對鐵礦石還原性的影響：HC1降低了鐵礦石的還原性，使鐵礦石的冶金性能得到惡化。這種現象產生的原因可能是：一方面是因為HC1具有比較強的吸附能力會粘附在鐵礦石的表面，阻止鐵礦石和還原性氣體之間的反應，另一方面是HC1與燒結礦中的CaO和鐵氧化物（Fe2O3、Fe3O4、FeO）反應生成CaCl2、FeCl2和FeCl3，在900℃時，CaCl2和FeCl2是液體狀態，而FeCl3則為氣體狀態，呈液體狀態的CaCl2和FeCl2會粘附在鐵礦石的表面，從而抑制鐵礦石的還原反應，降低鐵礦石的還原性。

3 結束語

綜上所述，氯元素對高爐冶煉過程的影響在日漸顯現出來，已經對高爐的冶煉過程造成了嚴重影響，基于此原因，人們對氯在高爐冶煉過程中的行為和氯對高爐冶煉過程的影響進行了大量研究工作，獲得了大量的研究成果，但氯對高爐耐火材料侵蝕的研究還應加大力度進行研究分析。

［1］姜英.我國煤中氯的分布及其分組標準［J］.煤質技術，19 98（5）：7.

［2］郭華樓，胡賓生等.煤粉中的氯在高爐冶煉過程中的行為［J］.中國冶金，2010（11）.