在不久前，我们共同探讨了锌对高炉的影响和防治措施。锌的危害还在碱金属之后。这次，我们就来说说高炉碱金属。碱金属都包括哪些元素？对高炉危害最大的碱金属是什么？碱金属如何危害高炉的安全和顺行？如何降低碱金属的危害？如何进行排碱？这里为你解惑，如您有其他问题需要提问，请在公众号中提问留言。
1概述1.1碱金属性能
碱金属元素是指氢、锂、钠、钾、铷、铯、钫，由于这些元素的氢氧化物都是易溶于水的强碱，故称为碱金属。目前，对高炉冶炼有重要影响的碱金属元素是钾和钠和钾、钠的化合物。钾、钠的密度小，属于轻金属，硬度很低。钾的熔点63℃，沸点758℃；钠的熔点97℃，沸点883℃。碱金属及其氧化物在高炉冶炼过程中发生一系列的物理化学反应，导致循环富集，对高炉设备和冶炼进程产生不利影响。
表 钾和钠的物理性质
在自然界中不以单质形式存在，主要以复杂硅酸盐、硅铝酸盐、碳酸盐及氧化物等形式存在于各种矿石中，这些复杂化合物在铁矿石中的含量并不多，但通过一般的选矿过程不容易将它们除掉；在常规的烧结和球团过程中去除的碱金属也很少。因此，高炉中的碱金属主要由铁矿石、焦炭和煤粉带入。
1.2碱金属危害研究
关于碱金属对高炉炉料和高炉生产危害的认识最早始于二十世纪60年代的日本,到70年代有关碱金属对高炉冶炼的影响已取得了一些成果,日本在70年代对广畑1号高炉1407m³和小仓2号高炉1350m³进行了解体研究,并报道了碱金属方面的研究成果。之后,在80年代首钢也进行了相关高炉解剖研究并分析了碱金属在高炉内的反应行为。
近年来随着铁矿资源和煤资源的不断劣化和铁矿石价格的上升,原燃料质量持续下降,同时迫于成本压力,一些富含碱金属的矿粉,如印度矿粉、秘鲁矿粉等,被迫配加在烧结、球团里在高炉上使用。而另一方面,高炉的大型化则要求加强精料,对原燃料质量提出了进一步要求,这就造成了原燃料劣化和高炉大型化的矛盾。在这样的矛盾下,如何正确认识、有效控制碱金属对高炉的危害显得尤为重要。
碱金属在高炉内的循环富集有四种模式：碱金属碳酸盐的循环、碱金属硅铝酸盐或硅酸盐的循环、碱金属氰化物的循环、碱金属单质的循环。当然不同类型的化合物循环的位置有所差别,如碳酸盐的循环主要在高炉上部,而硅酸盐的循环相对来说发生的温度高,循环主要集中在高炉的中部和下部。
碱金属对不同炉料的危害：
（1）对原料的危害：
碱金属会促使烧结矿和球团矿的低温还原粉化指数(RDI-3/15)升高,升高的幅度随铁矿石种类的不同而不同。当烧结矿和球团矿中的碱金属含量增加后,烧结矿和球团矿的RDI-0.5，RDI-3.15升高,而RDI+6.3降低。从微观结构来看，在铁矿石还原的过程中，碱金属会逐渐进人氧化铁的晶格，造成体积膨胀，由于碱金属对还原反应的催化作用,使该区域的金属铁晶体生长比较快,在相界面上产生应力,当应力积累到一定程度,便产生大量的裂纹,导致烧结矿和球团矿低温还原粉化率升高。
（2）对焦炭的危害：
碱金属对焦炭冷态强度的影响不大,但碱金属会使焦炭的反应性(CRI)明显增加,焦炭的反应后强度明显降低。其原因如下:碱金属的吸附首先从焦炭的气孔开始,而后逐渐向焦炭内部的基质扩散,随着焦炭在碱蒸气内曝露时间的延长,碱金属的吸附量逐渐增多。向焦炭基质部分扩散的碱金属会侵蚀到石墨晶体内部,破坏了原有的层状结构,产生层间化合物。当生成层间化合物时,会产生比较大的体积膨胀。例如,生成KC:时,体积膨胀61%,生成KC6。时,体积膨胀12%。体积膨胀的结果是焦炭产生裂纹进而使焦炭崩裂。
（3）对高炉的危害：
降低高炉透气性,使高炉软熔带变宽,碱金属还会对耐火材料产生侵蚀,使高炉水温差异常升高。
1.3碱金属危害的控制
国际部分高炉对于碱金属入炉控制标准有所不同，如下表所示。
表 国内外部分高炉碱金属控制标准
控制碱金属和锌的危害，首先是控制其入炉。近年实施的《高炉炼铁工艺设计规范》中规定了几种有害元素入炉标准，其中要求碱负荷不超过3.0 kg/t，锌负荷不超过0.15 kg/t，高炉入炉有害杂质控制标准见表。国内企业高炉碱、锌负荷很少能达到规范要求，有些是主观上不重视，有些则是受地域、原料条件影响，控制存在客观难度。相对而言，宝钢、太钢等对有害元素控制严格，入炉碱负荷、锌负荷水平最低，其内控标准甚至高于规范，其次是武钢、首钢等大型企业，而规模较小的企业相对较差一些。
表 国内高炉有害元素入炉控制标准，kg/t
表 近年全国部分高炉碱负荷情况
1.4炉渣排碱能力
研究表明，炼铁生产中对钢铁性能有害的物质如硫、磷等以及对钢铁生产有害的物质如钾、钠、铅、锌等均能在炉渣中溶解，并保留在其中直到排除炉外。所以炉渣对高炉排碱、脱硫具有重要影响。把炉渣具有容纳或溶解这些物质的能力称之为炉渣的容量性。钾容量是在一定温度和氧势的条件下用来比较炉渣相对脱碱能力的一种衡量标准，是评价炉渣排碱能力的重要指标。研究结果表明，随着温度和碱度增加，炉渣钾容量减小。
2京唐高炉碱金属的危害及应对措施
碱金属的主要危害是：降低矿石软化温度，使高炉软熔带上移，恶化炉料透气性；引起球团矿异常膨胀而严重粉化，多数烧结矿中温还原粉化；加剧焦炭的气化反应，降低焦炭强度；引起炉墙结厚甚至结瘤破坏砖衬。
2.1碱金属入炉及排出
2016年1-7月，京唐髙炉入炉平均碱负荷3.56kg/t，平均锌负荷0.25kg/t。碱金属带人比例从髙到低依次为：球团矿、烧结矿、焦炭、煤粉、澳矿。
表 京唐高炉2016年1-7月入炉碱金属比例分布
碱金属排出比例从高到低依次为：炉渣、干法灰、旋风灰、炉前灰。
2.2碱金属危害及治理措施：
（1）碱金属能够加重焦炭的劣化程度：
碱金属自炉身以下富集量才开始明显增大，最严重的区域是软熔带，且软熔带下沿碱富集量达到最大。焦炭中的碱富集明显大于矿石，且焦炭遭受的破坏最为严重，焦炭是碱金属富集的重要载体。对风口焦取样分析发现，在碱金属人炉量比较高的时候，距风口前端0.5-2.5m范围内，焦炭的平均粒径从17mm降至14ｍｍ左右，粒度降低率从65%增加到75%以上，粒度小的焦炭中碱金属含量较高，更加证明了碱金属对焦炭的劣化。经试验发现，京唐高炉焦炭在1.5%的Ｋ气氛中进行溶损反应时，焦炭的CRI高达37.26%，提高了17个百分点。而CSR也降到了64.87%，下降了9.35%。在1.5%的Na气氛中，CRI也达到了36.03%，CSR下降到了67.19%。反应处在碱金属较高的气氛中，焦炭就会出现裂纹，质量变差。
碱金属氛围下焦炭产生裂纹
（2）钾对NMA炭砖的影响：
当炭砖中Ｋ为0.25%时，炭砖的抗压强度由初始的24.07MPa下降到18.19MPa，下降了25%；当炭砖中Ｋ为1%时，炭砖的抗压强度仅为16.25MPa，与原始炭砖的抗压强度相比，下降了30%.
应对措施：
（1）停配碱金属和锌含量高的原料和除尘灰。
（2）适当降低炉渣碱度，进行常态化排碱，减少有害元素在炉内的富集。
（3）保持适当开放的中心、气流，同时稳定边沿气流，合理匹配两条煤气通路。
（4）提髙焦炭粒级，稳定焦炭质量，降低碱金属对焦炭劣化的影响。
3马钢大型高炉碱金属在各炉料中分布情况
（1）烧结矿碱金属来源比例，40.67%的碱金属来源于混匀矿。
烧结原料带入碱金属量排列图
（2）球团矿碱金属来源：球团用物料的碱含量均较高，其中尤以粘结剂１、粘结剂２和自产精２、自产精１碱含量高。
球团原料带入碱金属排列图
（3）高炉碱金属分布：高炉碱金属主要来源于球团矿，占总量54.03%。炉渣带走的碱金属比例为99.83%（小编表示有些疑问，除尘灰中碱金属化验了没有？）。
高炉物料碱金属月收入支出量
4柳钢高炉碱金属危害的防控措施
2015年6月，柳钢高炉碱金属负荷逐渐上升，至7月30日，全厂平均碱负荷高达5.01kg/t。7月炉况开始出现波动，到7月下旬出现大面积失常扰动。碱金属对炉况的危害主要表现在：高炉顺行严重受阻；炉温失稳难控；炉前出铁节奏紊乱；指标严重恶化。
碱金属负荷变化
带入碱金属最多的为烧结矿，其次为焦炭，因为这两者单耗均较高。烧结本厂循环回收利用的电除尘灰（K2O和Na2O分别高达3.3%，2.0%），对碱金属的持续升高起了重要的促进作用。
表 碱金属来源
应对措施：
（1）管控碱金属来源：改善烧结矿配料结构，减配碱金属高的几种粉矿而增加碱金属低的粉矿，暂停烧结机头电除尘灰的配用，减少碱金属高的烧结用煤粉。
（2）保证焦炭强度：此次碱害前，曾检测风口焦热强度为40-50%，而遭遇碱害后，检测焦炭热强度剧降为30%。入炉焦炭保证强度指标M40>85%,r热态不能低于60%。
（3）改善柱透气性：强化筛分条件，减少入炉矿粉末；在布料制度上，矿石、焦炭的批重缩小、角差收窄、环数减少，保证中心与边缘的焦炭比例，以放开中心煤气流、发展两道煤气；避免把碱金属高的矿石布在边缘，以减少碱金属对炉墙的不利影响。
（4）加强排碱：适当降低炉渣碱度，二元碱度控制在1.00-1.05，严禁大于1.15，以提高（SiO2）的活度，有利于生成碱金属硅酸盐而排碱；适当提高（MgO）至9-12%，以降低碱金属的活度以减少其还原，保障脱硫，提高炉渣流动性；加锰矿洗炉，注意不宜用萤石，避免提高碱金属活度。
表 各高炉排碱率
说明：因为前期碱金属循环富集，现在强化排碱，排碱率大于100%。
（5）炉温控在上限：此次碱害造成各座高炉普遍炉凉，碱负荷平均每增加1kg/t，焦比平均升高18.75kg/t，为补充碱金属造成的热量损失，必须将炉温控制在上限范围，措施是控制喷煤比并降低焦炭负荷，以有利于改善料柱透气性、保证渣铁物理热和流动性。适当控低理论燃烧温度，减少碱金属在髙温区的还原，有利于排碱。
（6）优先保大型高炉：从经济性和高炉炉况恢复的情况来考虑，优先保证大高炉的碱金属负荷控制在较低的水平。
（7）加强出铁，注意监控风口角度：炉内循环富集后恶化炉内透气性，压量关系趋紧，因此必须加强炉前出铁，避免出铁不净造成的憋压憋风，以有利于达成顺行冶炼、减少碱还原富集、促进排碱的良性循环。期校正风口大中小套的角度，发现风口倾角变化及时调整。
5邯钢高炉碱金属危害及控制
邯钢2座大高炉的碱金属负荷较高，烧结矿、球团矿、焦炭是高炉碱金属的主要来源。南非粉、本地精粉、瓦斯灰是造成烧结矿碱金属升高的主要原因。碱金属排出高炉的途径主要是炉渣，对于碱金属的控制技术措施，应以提高炉渣的排碱率为重点。邯钢435㎡烧结机的碱金属负荷为2.192kg/t,90㎡和400㎡烧结机的碱金属和锌负荷高于435㎡烧结机，实施技术措施后，烧结矿的有害元素负荷明显降低。
表两座高炉有害元素排出率
控制措施：
（1）通过优化烧结和高炉配矿，减少碱金属较高的原料，控制人炉碱金属负荷低于限量值3.5kg/t。
（2）提高炉渣的排碱能力，应保证炉渣的排碱率大于80%。
（3）元碱度控制在1.0-1.17，（MgO）保持在10-11%，（Al2O3）控制在14-15%为宜，渣铁比控制在0.36左右时，能够满足高炉的排碱需要。
（4）及时出净渣铁，缩短炉渣在炉缸的停留时间；
（5）低温洗炉排碱，使用锰矿，尽量少用或不用萤石来洗炉，提高炉渣的排碱率。
（6）优化高炉操作，强化筛分管理，在改善原燃料冶金性能的同时，减少人炉粉末，尽量降低休风率。运用上下部调剂，形成合理的煤气流分布；控制冷却强度，边缘煤气流要适当发展，避免边缘堆积或炉墙结厚。
6国丰1780m³高炉碱金属来源分析
国丰１号高炉的碱金属负荷为5.810kg/t，碱金属大部分由烧结矿带入，其带入量占碱金属总量的60.87%，其次为焦炭，带入量占碱金属总量的15.04%,块矿的带入量为碱金属总量的11.72%，球团矿和喷吹煤粉带入的碱金属量最少，分别为7.56%和4.8%。
碱金属排出：
国丰1号1780m³高炉碱金属总排出量为2.699kg/t，且主要由炉渣排出，随炉渣排出的碱金属量占总排出量的97.26%，布袋灰和重力灰排出的碱金属量分别占碱金属总排出量的1.22%和0.96%。国丰２号高炉的碱金属负荷为5.810kg/t，总排出量为2.699kg/t，碱金属排出率为46.44%，其中炉渣排碱率为45.16%。
7设计层面降低碱金属危害的措施
要封堵风口套附近的煤气、碱金属、锌、铅及漏水进入炭砖内部的通道，设计上可以采取多种措施：
（1）风口组合砖与冷却壁之间的缝隙用抗碱金属性能较好的浇注料施工代替炭捣料，不仅方便施工而且能有效的封堵通道。
（2）风口组合砖下部与炭砖交界处垫一薄层铜片或不锈钢片，防止风口套附近冷凝的碱金属等有害物和水继续往下渗透。
（3）设置对风口套周围的压浆设施，加强对风口组合砖的冷却，同时避免碱金属的人侵。
（4）对冷却壁与炭砖间的捣料层，冷却壁与冷却壁之间填料缝，冷却壁与炉壳间的灌浆缝进行严格施工，确保封堵煤气通道，避免有害蒸汽沉积，破坏炉墙。
以上措施实施简单，增加投资极少，在很多高炉上已有成功的应用，非常值得借鉴。
8总结
随着高炉冶炼技术的发展，高炉入炉碱金属对高炉的影响也在增加。但随着国内目前经济料的使用、球团矿比例升高、渣铁比的降低、高MgO渣冶炼等技术和措施的实施，碱金属在高炉炉内的变化和控制呈现出多样化的特点。因此，针对不同的高炉，可以从原料结构、高炉操作等方面采取有效措施，降低碱金属对于高炉的影响。
参考文献：
（1）高炉冶炼过程中碱金属的反应机理及分配规律研究，李建朝
（2）首钢大型高炉碱平衡调研与分析，张勇
（3）高炉中碱金属和锌的循环及危害控制，张伟
（4）碱金属对高炉影响的研究及应对，陈艳波
（5）首钢京唐高炉碱金属的危害及应对措施，陈艳波
（6）马钢大型高炉有害元素负荷及平衡分析，武轶
（7）柳钢高炉碱金属危害的防控措施，赵秀华
（8）邯钢高炉有害元素的分布及控制，司俊朝
（9）唐山国丰1号1780m3高炉入炉碱金属分析与控制，佟岩
（10）防碱金属侵蚀的炉底炉缸设计探讨，朱进锋
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