高爐中氯的危害及行為分析

張偉，王再義，張立國，鄧偉，韓子文，王亮

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

綜 述

高爐中氯的危害及行為分析

張偉，王再義，張立國，鄧偉，韓子文，王亮

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

闡述了高爐中氯的影響和危害，并分析了高爐中氯的來源及反應行為。結果表明，高爐中氯的主要來源是由于燒結礦噴灑氯化物，此外通過熱力學分析明確了氯化物與堿金屬鹽類化合物的反應機制，據此探討了燒結礦噴灑氯化物的利弊關系，并針對高爐中氯的危害控制提出了相關措施。

高爐；氯化物；堿金屬；熱力學

隨著高爐煉鐵技術的不斷發展進步，硫、磷、鉀、鈉、鋅、鉛等有害元素已廣為人們熟知，這些元素或降低鐵水及后續產品質量，或影響爐料性能破壞高爐穩定順行，甚至破壞爐襯危害高爐安全長壽，與之相關的理論和實踐也一直是煉鐵工作者的研究熱點，而另一方面，有關氯在高爐中的影響危害和反應行為卻沒有得到充分關注。

傳統高爐煉鐵工藝中入爐料的氯含量極低，主要來自煤焦中的微量氯化物，以及一些海運礦中撒的海水，進入高爐的氯總量微不足道，基本不會對高爐生產造成影響。但近年來，為了降低生產成本大量回用塵泥雜料，而且為改善燒結礦低溫還原粉化性能，噴灑CaCl2等鹵化物溶液已為鋼鐵企業普遍采用，這些都導致氯的入爐數量大幅增加，其對高爐造成的影響及危害也日漸顯現，鞍鋼高爐就曾出現風口流出氯化物現象，高爐破損調查中也發現了氯元素的存在，此外很多文獻資料還報道了氯對煤氣管網的堵塞、腐蝕等破壞，為此有必要對進入高爐的氯元素加強關注，并研究氯化物進入高爐后的反應行為，這對保證高爐長期平穩生產具有積極的現實意義。

1　高爐中氯的影響及危害

1.1鞍鋼高爐中氯的影響及危害

（1）2007年5月，在鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠7#高爐（2580 m3）年修期間發現從風口流出大量的灰白色粉末，遇水后析出白色晶體，這種現象以前從未出現過，經檢驗確定其成分是約95％的KCl和5％的NaCl，并通過試驗證實氯化物對焦炭熱態性能存在不利影響，這是鞍鋼最早注意到氯化物的影響［1］。

（2）近年來鞍鋼幾次高爐大修調查也發現，在受侵蝕炭磚、粘結物、渣皮、陶瓷耐火材料中普遍有Cl元素存在，一些部位的Cl元素含量還比較高，個別甚至達到10％。可以說，除了普遍受到關注的堿金屬、鋅等的影響，氯的存在可能也是高爐爐襯侵蝕破壞的一個重要因素。

（3）2013年12月，鞍鋼4#高爐（2580 m3）爐缸某部位冷卻壁外聯管嚴重腐蝕，經分析可能為上方更換風口時流出物質與冷卻設備漏水導致，通過對腐蝕部位殘存的灰白色水垢狀凝結物進行XED、SEM分析，發現幾乎為純的KCl。冷卻壁外聯管腐蝕部位凝結物SEM分析見圖1。

圖1　冷卻壁外聯管腐蝕部位凝結物SEM分析

（4）2014年5月，鞍鋼1#高爐（3200 m3）布料溜槽更換期間發現鵝頭與本體結合處變細且表層腐蝕嚴重，對缺陷部位取下的疏松表皮檢測，發現其中含有大量的K、Cl元素（圖2），其中Cl元素含量超過了10％，可能爐內溜槽部位相對溫度較低，使堿金屬及氯化物凝結粘附于此，而氯的存在能對金屬材質造成腐蝕，長期作用下可能加速該部位溜槽的變形、失效甚至造成斷裂。

圖2　布料溜槽缺陷部位疏松層SEM分析

（5）2014年7月，鞍鋼股份有限公司冷軋廠2#、4#線罩式爐、連退爐過濾網連續出現堵塞現象，堵塞物為白色粉末，經檢驗分析認為白色粉末是氯化銨等氯化物，由于高爐煤氣的Cl含量過高甚至影響到了軋鋼工序。

1.2其它關于氯的影響及危害

很多鋼廠都出現過因為氯腐蝕作用導致煤氣管網、干法除塵設備腐蝕的問題。據文獻報道，寶鋼1#高爐曾出現過干法布袋除塵系統運行2個月，煤氣管道出現腐蝕穿孔和開裂泄漏［2］。國內其它鋼鐵企業如菜鋼、濟鋼、唐鋼、遷鋼等［3-6］，也都出現過干法布袋除塵后管道及附屬設備嚴重腐蝕等問題，經過現場管道、冷凝液及管道內沉積物的取樣分析，發現有大量的氯離子存在。

此外，鋼鐵工業生產中對二噁英的污染控制逐漸提上日程，二噁英類包括氯化苯（多氯二苯）并二噁英和氯化二苯（多氯二苯）并呋喃等，是目前已知化合物中毒性最大的物質之一。氯化物在鋼鐵工業的復雜工藝流程中，經過種種物理化學變化，可能使生成二噁英的幾率增加，導致其危害也增大。

2　高爐內氯化物的來源和反應行為分析

2.1高爐內氯化物的來源

通常情況下，進入高爐的煤粉中含有微量的氯化物，焦炭在煉焦過程中能去除大部分氯，含量更少，絕大部分礦石自身氯含量也極少，通過對鞍鋼某高爐收支物料有害元素進行檢測（表1），只有爐塵中的Cl離子含量較高，其它物料中含量都低于檢測下限0.05％，參考其它企業進行的高爐氯平衡可知［7-8］，由燒結礦帶入的氯是最多的，其主要來源一是燒結礦噴灑氯化物；二是含氯高的塵泥雜料也返回燒結，而前者由于源源不斷向高爐系統凈引入氯，顯然是導致各種氯問題的關鍵因素。

爐塵中的氯離子含量間接反應了爐內氯積累情況，圖3為鞍鋼本部5#高爐（2580 m3）與朝陽1#高爐（2600 m3）爐塵中氯離子含量對比，朝陽鋼鐵有限公司燒結礦一直未噴灑氯化物溶液，其爐塵中的氯離子含量水平明顯低很多。

表1　高爐部分取樣的有害元素化驗結果（質量分數）％

圖3　鞍鋼本部5#和朝陽1#兩座高爐爐塵中Cl離子含量水平

2.2高爐中氯化物的反應行為

從鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠高爐現場發現的氯化物可以看到，氯化物多以堿金屬氯化物的形式存在，應該是在高爐中進一步反應的產物。根據前人研究，堿金屬在高爐內的初始反應為復雜硅酸鹽在高溫區被C直接還原，見式（1）～（2）［9］，產生的堿金屬單質蒸氣隨煤氣流上升又與其它物質反應，主要形成硅酸鹽或碳酸鹽等，隨爐料重新下降到高溫區再被還原，如此往復循環。而在氯化物存在下（以CaCl2為例），堿金屬鹽類化合物能與CaCl2發生反應，見式（3）～（7），堿金屬的循環模式可能會發生改變。表2為熱力學計算得到的反應標準吉布斯自由能。

表2　反應的標準生成吉布斯自由能ΔGθ～t部分數據

由表2可知，涉及CaCl2的幾個反應ΔGθ全為負值，而且CaCl2的熔點為775℃，堿金屬的硅酸鹽熔點1 000℃左右，碳酸鹽熔點900℃左右，即不管在熱力學還是動力學上都具備較好的條件，高爐內這些反應很容易進行。所造成的結果是，一方面堿金屬循環增加了氯化物的循環：高溫區生成KCl或NaCl會以蒸氣形式隨煤氣上升，當溫度降低后部分會冷凝并附著在爐料上下降，到達下部高溫區又形成氣體。另一方面，當不存在CaCl2時，堿金屬硅酸鹽被C還原的溫度為1 600℃左右，而且此反應受動力學條件限制，只有硅酸鹽成為熔融的爐渣與焦炭充分接觸時才反應，因此只有少量的堿金屬被還原，絕大多數的堿金屬都以硅酸鹽形式進入爐渣排出。而有CaCl2存在時，堿金屬硅酸鹽與CaCl2的反應會比直接還原反應更早更多的發生，這樣就導致更多的堿金屬硅酸鹽參加爐內反應，而進入爐渣中的堿金屬硅酸鹽相應減少，從而使堿金屬在高爐中的循環富集量增加，因此CaCl2的存在強化了堿金屬循環、降低了爐渣排堿。

由表2還可以看出，不管是生成K單質還是KCl，都要比生成相應的Na單質或NaCl更容易，因此在堿金屬富集區域、風口焦炭取樣中往往都是鉀含量明顯高于鈉，現場發現的堿金屬氯化物也多以KCl為主。此外CaCl2在一定條件下也可能生成HCl，見式（7），HCl也會進一步再與爐內其它物質反應，從生成物的穩定性來說，最終也會生成KCl等堿金屬氯化物。

因爐內煤氣流速極快，相當的氯化物隨煤氣帶出，一部分進入瓦斯灰等爐塵中，一部分留在高爐煤氣中，由于氯離子的存在，當與煤氣中析出的水結合形成酸性液體時就會對管道設備造成嚴重的腐蝕破壞。

2.3燒結礦噴灑氯化物的利弊分析

燒結礦噴灑氯化物是為了改善燒結礦的低溫還原粉化性能，因效果顯著該方法已被很多鋼鐵企業采用，然而如前所述，氯化物的引入也會帶來很多問題，其綜合利弊值得商榷。燒結礦低溫還原粉化性能用低溫還原粉化指數（RDI）來評價，國標GB/T 13242-1991《鐵礦石低溫粉化試驗方法》規定，以RDI+3.15mm作為考核指標，RDI+6.3mm和RDI-0.5mm只作為參考指標，冶金行業標準YB/T 421-2005《鐵燒結礦》中優質燒結礦要求RDI+3.15mm≥72％。近年來隨著不斷的工藝改進和技術進步，燒結礦質量水平不斷提高，低溫還原粉化性能指標已達到較高的水平，以鞍鋼為例不噴灑氯化物燒結礦RDI+3.15mm也普遍能滿足標準，因此應該考慮繼續要求過高的指標是否必要。

另一方面，氯化物的存在能大幅強化高爐內堿金屬的循環，堿金屬的危害眾所周知，尤其對焦炭的破壞嚴重，而研究表明，堿金屬氯化物也能明顯加劇焦炭的溶蝕粉化［10］，由此分析，噴灑氯化物雖然可以改善燒結礦低溫還原粉化性能，但卻以犧牲了高爐內焦炭的熱態性能為代價。雖然兩者性能指標都強調高爐透氣性，但燒結礦低溫還原粉化主要發生在400～600℃的高爐中上部塊狀帶，且溫度區間在200℃左右，因此對于高爐整體的透氣性來說影響較小；而焦炭的溶蝕粉化主要發生在1 000℃以上的軟熔帶等高溫區間，在高爐下部高溫區只有焦炭保持固態支撐料柱，顯而易見對整個高爐透氣性的影響更加重要，從這一點來說，噴灑氯化鈣可能弊大于利。

3　關于高爐內氯的危害控制

3.1取消或減少燒結礦中噴灑氯化物溶液

和其它有害元素一樣，控制氯的危害也應該從入爐加以控制，要制定合理的高爐氯負荷上限。目前高爐中氯的主要來源就是燒結礦噴灑的氯化物，因此在燒結礦質量能滿足一定指標的情況下，可以取消噴灑氯化物，國內一些企業已開始注意到噴灑氯化物造成的種種問題，逐漸不再強調燒結礦噴灑氯化物，鞍鋼本部從2014年下半年也取消了噴灑工藝。至少應盡可能減少噴灑量，最好能研究找到新的無害替代品。

3.2監控其它高氯物料

一些進口礦采用海水選礦工藝或在海運的過程中噴灑海水，海水中大量的氯離子隨之進入到礦中，對此類外購高氯礦需要關注。還有企業在噴吹煤中添加助燃劑，一些助燃劑中也含有較多氯化物，長期使用時也需要注意。另外通過前述分析可知，氯在高爐中也存在循環富集過程，同時也存在爐外循環，即使高爐入爐的氯很少，長期積累后爐內氯化物也會達到一定數量，因此應該監控高爐干法灰等高氯固廢，氯含量過高時最好定期開路處理，打破其循環鏈。

3.3高氯固廢料的妥善處理

對于高氯固廢料例如燒結電場灰、高爐干法灰等要研究妥善處理方法，這些物料同時也含有大量堿金屬、鋅等有害元素，應盡量避免返回燒結、高爐。一些院校企業已開發出燒結灰提取氯化鉀的技術，很值得借鑒，既可有效解決堿金屬和氯化物的問題，又能多出一項副產品，實現變害為寶。

4　結語

（1）通過鞍鋼及有關企業生產中出現的實際問題，闡述了氯對高爐造成的影響及危害，并分析了高爐中氯的來源，其中燒結礦噴灑氯化物是主要因素。

（2）通過熱力學分析，進一步明確了氯化物在高爐內的反應行為，由于CaCl2能夠與堿金屬鹽類化合物反應生成堿金屬氯化物，從而強化了堿金屬循環、降低了爐渣排堿，并導致焦炭破壞加劇，煤氣設備腐蝕等問題。

（3）控制高爐中氯的影響危害可以考慮取消或減少燒結礦中噴灑氯化物，另外需要監控其它高氯物料，尤其一些高氯固廢料，氯含量超標時要及時采取有效措施，同時應進一步研究高氯固廢料的妥善處理方法。

［1］王再義，王相力，劉德軍，等.CaCl2對高爐內堿金屬富集和焦炭熱態性能的影響［J］.煉鐵，2009，28（3）：45-47.

［2］楊鎮.高爐煤氣干法除塵中煤氣管道快速腐蝕問題探討［J］.世界鋼鐵，2010（5）：43-49.

［3］蘇峰，唐效國.干法除塵高爐煤氣酸性腐蝕防控技術在萊鋼的應用及探索［J］.冶金動力.2010（1）：20-24.

［4］劉長云.高爐煤氣中酸性氣體分析及應對措施［J］.上海煤氣，2007（3）：29-31.

［5］王樹忠.高爐煤氣中含氯對煤氣系統運行的影響［J］.冶金動力，2006（6）：22-24.

［6］徐萌，李增樸，馬澤軍，等.遷鋼2號高爐干法除塵系統氯腐蝕控制的研究［J］.煉鐵，2009，28（5）：36-41.

［7］胡賓生，貴永亮，呂凱，等.唐鋼高爐氯元素的平衡［J］.鋼鐵研究學報，2013，25（1）：23-26.

［8］傅元坤，湯雪松.高爐氯平衡及氯在煤氣管網中的分布［J］.安徽工業大學學報，2012，29（3）：198-201.

［9］趙宏博，程樹森.高爐堿金屬富集區域鉀、鈉加劇焦炭劣化新認識及其量化控制模型［J］.北京科技大學學報，2012，34（3）：333-341.

［10］余松，趙宏博，程樹森，等.高爐內堿金屬和堿金屬氯化物對焦炭的影響［J］.鋼鐵研究學報，2011，23（5）：20-23.

（編輯賀英群）

Harm of Chlorine in Blast Furnace and Analysis on Its Reaction Behavior

Zhang Wei，Wang Zaiyi，Zhang Liguo，Deng Wei，Han Ziwen，Wang Liang
（Iron＆amp;Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

The influence and harm of chlorine in blast furnace were discussed.The source of chlorine in blast furnace and its reaction behavior were analyzed.And the analytical results show that the chlorine in blast furnace generated mainly by spraying chloride on a sintered ore.Also the reaction mechanism between the chloride and the alkali salt compound was clear and definite based on the thermomechanical analysis.According to the analytical results the contrast of benefits and disadvantages on spraying chloride on the sintered ore was discussed and thus the corresponding measures for controlling the harm of chlorine in the blast furnace was proposed.

blast furnace；chloride；alkali metal；thermodynamics.

TF537

A

1006-4613（2015）06-0006-05

2015-09-26

張偉，碩士，工程師，2007年畢業于天津大學化學工藝專業。E-mail：zhwe2005hehe@163.com