冶金高爐內的金屬填充材料比例分配研究

劉長寶

（萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司煉鐵廠生產技術室，山東 濟南 271104）

堿金屬對冶金高爐的危害性已成為冶金行業不可回避的一個現實問題，堿金屬能夠催化爐內焦炭的氣化反應，破壞高爐內襯，使料柱的透氣滲液性下降，縮減高爐的使用壽命，而給冶金企業造成巨大的經濟損失。據研究結果表明，在爐內高溫區，堿金屬硅酸鹽通過分解可以形成大量的堿金屬蒸氣，在爐內中溫區，爐料吸附的堿金屬含量約為2.8%，在低溫區約為0.3%，隨著爐料粒度的不斷增大，爐料吸附堿金屬的含量也隨之減小。因此，研究堿金屬填充材料的分配比例，應當緊緊圍繞堿金屬在高爐內發生的化學反應展開。

1 冶金高爐內堿金屬的化學反應與分配比例

為了深入探究堿金屬在冶金高爐內的化學反應特征，下面采用模擬實驗的方法進行驗證，以二硅化鉬爐為實驗高爐，爐內溫度為1600℃，反應溫度介于200℃～1300℃之間，爐缸煤氣以CO、CO2、H2、N2混合氣體代替，堿金屬蒸氣由碳酸鉀分解而得，此次模擬實驗的時間為2h，爐料吸附的堿金屬含量則由原子光譜吸收法予以測定。

1.1 高溫區堿金屬反應與分配比例

冶金高爐爐內的高溫區溫度界定區間在1200℃～1600℃之間，高溫區的區域位于爐體下部，實驗開始后，高溫區爐料所吸附的堿金屬含量從1100℃時的2.85%降到1300℃的2.1%，這一實驗數據表明，高溫區的爐料對堿金屬不產生吸附作用，使堿金屬在爐內呈現出往復循環狀態。當高溫區的溫度值超過1300℃后，爐堿金屬氧化物與焦炭發生還原反應，化學反應式如下：

2K2SiO3+6C=4K（g）+2Si+6CO（g）,在 壓 強 值 為1Mpa純固態狀態下，當爐內溫度達到1550℃時，K2SiO3被焦炭還原得到一氧化碳與鉀元素，而如果在液態條件下，堿金屬硅酸鹽將與爐渣中的氧化鈣成分以及焦炭發生下列化學反應：K2SiO3+CaO+C==2K（g）+CO（g）+CaO·SiO2。

此外，高爐內的堿金屬硅酸鹽與氮氣和焦炭也會發生下面的化學反應：3C+N2+K2SiO3=2KCN（g）+SiO2+CO，如果以每噸鐵堿負荷平均為5.7kg計算，高爐內煤氣所帶走的堿金屬約為0.31kg，排堿率約為5.4%，由爐渣帶走的堿金屬量值為4.56kg，排堿率達到80%，而通過實驗表明，在爐內高溫區，每噸鐵還原的堿金屬量值為1.14kg，占堿負荷的20%左右[1]。

1.2 中溫區堿金屬反應與分配比例

冶金高爐的中溫區溫度界定區間在900℃～1100℃之間，位置在爐體的中下部，由于該區間的空間容積較大，因此，爐料的在此區間的停留時間相對較長，進而形成了堿金屬的積蓄區與循環區。當爐內溫度達到900℃時，爐料所吸附的堿金屬含量約為1.96%，當溫度上升至1000℃時，堿金屬含量快速上升至2.73%，達到中溫區的溫度極值后，堿金屬含量也達到2.85%的峰值。由此可見，中溫區對堿金屬具有較強的吸附能力。

在中溫區，堿金屬硅酸鹽K2SiO3與焦炭發生還原反應，反應式如下K2SiO3+C=2K（g）+SiO2+CO（g），K2SiO3+xFe=2K（g）+SiO2+FexO，在標準狀態下，鉀的平衡蒸氣壓在1000℃時為1×10-5Mpa，而鈉的平衡蒸氣壓在1000℃時為1.8×10-5Mpa，由此可見，雖然堿金屬硅酸鹽在中溫區能夠發生還原反應，但還原反應強度相對較弱。

根據實驗可以得出以下結論，堿金屬在中溫區的積蓄形式通常表現為氰化物與碳酸鹽的形式，在靠下的位置產生氰化物氣體，當溫度降低后，轉化為液體，但是液體的轉化量相對較少，大部分呈氣體狀態的氰化物在爐內煤氣的帶動下始終向上運動。爐內煤氣在上升過程中常常與二氧化碳氣體相結合而生成堿金屬碳酸鹽，化學反應式為2K（g）+2CO2=K2CO3+CO，堿金屬氰化物同樣與二氧化碳發生化學反應而生成堿金屬碳酸鹽。通過計算可知，冶金高爐內堿金屬碳酸鹽的穩定性相比于氰化物相對較高，當反應達到平衡狀態時，堿金屬氰化物則完全被氧化。

1.3 低溫區堿金屬反應與分配比例

冶金高爐低溫區的界定區間在200℃～900℃之間，位置處于爐體上部。由于該區域位置靠上，因此，溫度波動幅度較大。實驗表明，當溫度在400℃～900℃時，高爐內爐料的堿金屬含量從1.96%快速下降到0.31%，當溫度下降到400℃以下時，堿金屬含量的變化曲線幾乎沒有任何變化，當降到200℃的低溫區溫度極值后，堿金屬蒸氣不會發生二次揮發，堿金屬含量也呈現出下降態勢，從0.31%降到0.26%，含量的變化范圍并不大。

在低溫區，堿金屬氧化物不會與爐料內的焦炭等物質發生還原反應，但是能夠與CO2發生如下反應：2K（g）+2CO2=K2CO3+CO。通過計算可得，當低溫區溫度在900℃時，K2CO3含量的變動幅度較小，大部分隨爐內煤氣流被帶到爐外，剩余少量K2CO3殘留在爐料中，當爐料下降到高溫區時，則分解成為堿金屬蒸氣，參與爐內循環[2]。

2 低溫區的礦石冶金性能分析

為了驗證堿金屬填充材料的危險性，下面通過低溫還原粉化實驗，對礦石的冶金性能予以剖析，以確定堿金屬填充材料的分配比例。該實驗的爐內溫度值為550℃，通過實驗可以看出，K2O含量不斷升高，爐內燒結礦與球團礦的低溫還原粉化率RDI-3.15與RDI-0.5也隨之升高，而RDI+6.3卻迅速下降，如果燒結礦的RDI+6.3由80%下降到50.21%，球團礦的RDI+6.3也由原來的100%下降到79.32%。

產生燒結礦與球團礦含量下降的原因主要是由于當發生還原反應后，爐料中吸附的堿金屬將進入到FexO晶格中，這時，堿金屬還原反應中扮演著催化劑的角色，導致金屬鐵晶體快速生成，而在相界面上產生應力，當應力累加到一定數值時，晶體將產生大量裂紋，使得粉化率上升。而發生還原反應后，鉀元素在運動遷移過程中形成二次集中現象，鉀元素與爐料中的硅、鋁等元素再次結合而生成鉀鋁硅酸鹽礦物質，這種物質析晶困難，而隨著還原反應的加劇，硅酸鹽將被進一步晶化，爐內溫度越高，晶化作用越明顯，最終導致燒結礦的內部結構松散，進而出現粉化現象。

3 中溫區焦炭的反應特征分析

通過對爐內焦炭樣品進行分析可得，當焦炭與爐料的溫度介于900℃～1100℃時，焦炭的粉化現象比較明顯，因此，下面通過實驗的方法驗證爐內堿金屬對焦炭粉化率帶來的影響，實驗表明，ωk2o=0.2%時，焦炭的CRI快速提升至40.75%，ωk2o=1.6%時，CRI繼續升高至49.25%，此時，K2O的含量增加8倍，CRI僅僅提高了9.5%。這就進一步驗證，焦炭完成氣化反應只需要少量的堿金屬。而ωk2o=0.2%時，焦炭的強度值下降到70.53%，ωk2o=1.5%時，強度值下降到40.89%，這一實驗結果足以說明，焦炭反應后的強度值與堿金屬的含量成反比。

此外，焦炭中的堿金屬與石墨機體能夠形成一系列的層間化合物，比如KC8、KC6等，這些層間化合物能夠促使焦炭體積變大，當形成KC8層間化合物時，焦炭體積膨脹61%，當形成KC6的層間化合物時，焦炭體積膨脹12%，當焦炭體積膨脹后，石墨機體產生的裂紋就會破壞焦炭內部結構，導致焦炭崩裂，進而使焦炭的強度迅速下降。

4 中溫區吸附堿金屬與爐料粒度的關系分析

中溫區是堿金屬吸附率最高的區域，對高爐造成的危害程度也最高，因此，為了消除爐料中吸附堿金屬的危險，下面針對不同粒度的爐料吸附堿金屬的不同量值進行實驗。實驗溫度為900℃，實驗時間為3h，煤氣中堿金屬蒸氣的含量為3%，煤氣的流動速度為0.02%。實驗表明，隨著爐料粒度的增加，燒結礦、球團礦與焦炭吸附的堿金屬含量均減小，其中，燒結的吸附值最大，焦炭與球團礦則相對較小。在900℃的實驗溫度下，燒結礦內部結構呈現出多孔狀，大量的堿金屬蒸氣隨著氣孔附著在燒結礦表面，而與之發生還原反應，此時的部分堿金屬將進入到FexO晶格當中，導致堿金屬的吸附量加大，焦炭在900℃的溫度條件下，則很與堿金屬發生還原反應，而球團礦的內部結構較為密實，在此溫度下，還原反應并不明顯，因此，堿金屬的吸附量也相對較少。

5 結語

綜上所述，冶金高爐的高溫區對堿金屬不產生吸附作用，同時，能夠揮發中溫區吸附的部分堿金屬，中溫區的溫度變化區間較小，爐料的停留時間過長，導致中溫區成為吸附堿金屬的重災區，因此，該區域也是導致爐料粉化最為嚴重的區域。而低溫區溫度下降速度較快，吸附堿金屬的量值幅度也較大，但是，當爐內溫度下降到溫度極值時，對堿金屬的吸附量也大幅下降。由引可見，科學合理分配堿金屬的填充材料比例，能夠減少對冶金高爐的危害，確保冶金產品的質量，進而為冶金企業創造更多的經濟效益。