冶金高爐內(nèi)的金屬填充材料比例分配研究

劉長寶

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)銀山型鋼有限公司煉鐵廠生產(chǎn)技術(shù)室，山東 濟(jì)南 271104）

堿金屬對(duì)冶金高爐的危害性已成為冶金行業(yè)不可回避的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題，堿金屬能夠催化爐內(nèi)焦炭的氣化反應(yīng)，破壞高爐內(nèi)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(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)研究結(jié)果表明，在爐內(nèi)高溫區(qū)，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(nèi)中溫區(qū)，爐料吸附的堿金屬含量約為2.8%，在低溫區(qū)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(yīng)當(dāng)緊緊圍繞堿金屬在高爐內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)展開。

1 冶金高爐內(nèi)堿金屬的化學(xué)反應(yīng)與分配比例

為了深入探究堿金屬在冶金高爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)特征，下面采用模擬實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證，以二硅化鉬爐為實(shí)驗(yàn)高爐，爐內(nèi)溫度為1600℃，反應(yīng)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(shí)驗(yàn)的時(shí)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(qū)堿金屬反應(yīng)與分配比例

冶金高爐爐內(nèi)的高溫區(qū)溫度界定區(qū)間在1200℃～1600℃之間，高溫區(qū)的區(qū)域位于爐體下部，實(shí)驗(yàn)開始后，高溫區(qū)爐料所吸附的堿金屬含量從1100℃時(shí)的2.85%降到1300℃的2.1%，這一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，高溫區(qū)的爐料對(duì)堿金屬不產(chǎn)生吸附作用，使堿金屬在爐內(nèi)呈現(xiàn)出往復(fù)循環(huán)狀態(tài)。當(dāng)高溫區(qū)的溫度值超過1300℃后，爐堿金屬氧化物與焦炭發(fā)生還原反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)式如下：

2K2SiO3+6C=4K（g）+2Si+6CO（g）,在 壓 強(qiáng) 值 為1Mpa純固態(tài)狀態(tài)下，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到1550℃時(shí)，K2SiO3被焦炭還原得到一氧化碳與鉀元素，而如果在液態(tài)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(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)：K2SiO3+CaO+C==2K（g）+CO（g）+CaO·SiO2。

此外，高爐內(nèi)的堿金屬硅酸鹽與氮?dú)夂徒固恳矔?huì)發(fā)生下面的化學(xué)反應(yīng)：3C+N2+K2SiO3=2KCN（g）+SiO2+CO，如果以每噸鐵堿負(fù)荷平均為5.7kg計(jì)算，高爐內(nèi)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(dá)到80%，而通過實(shí)驗(yàn)表明，在爐內(nèi)高溫區(qū)，每噸鐵還原的堿金屬量值為1.14kg，占?jí)A負(fù)荷的20%左右[1]。

1.2 中溫區(qū)堿金屬反應(yīng)與分配比例

冶金高爐的中溫區(qū)溫度界定區(qū)間在900℃～1100℃之間，位置在爐體的中下部，由于該區(qū)間的空間容積較大，因此，爐料的在此區(qū)間的停留時(shí)間相對(duì)較長，進(jìn)而形成了堿金屬的積蓄區(qū)與循環(huán)區(qū)。當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到900℃時(shí)，爐料所吸附的堿金屬含量約為1.96%，當(dāng)溫度上升至1000℃時(shí)，堿金屬含量快速上升至2.73%，達(dá)到中溫區(qū)的溫度極值后，堿金屬含量也達(dá)到2.85%的峰值。由此可見，中溫區(qū)對(duì)堿金屬具有較強(qiáng)的吸附能力。

在中溫區(qū)，堿金屬硅酸鹽K2SiO3與焦炭發(fā)生還原反應(yīng)，反應(yīng)式如下K2SiO3+C=2K（g）+SiO2+CO（g），K2SiO3+xFe=2K（g）+SiO2+FexO，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，鉀的平衡蒸氣壓在1000℃時(shí)為1×10-5Mpa，而鈉的平衡蒸氣壓在1000℃時(shí)為1.8×10-5Mpa，由此可見，雖然堿金屬硅酸鹽在中溫區(qū)能夠發(fā)生還原反應(yīng)，但還原反應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)較弱。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論，堿金屬在中溫區(qū)的積蓄形式通常表現(xiàn)為氰化物與碳酸鹽的形式，在靠下的位置產(chǎn)生氰化物氣體，當(dāng)溫度降低后，轉(zhuǎn)化為液體，但是液體的轉(zhuǎn)化量相對(duì)較少，大部分呈氣體狀態(tài)的氰化物在爐內(nèi)煤氣的帶動(dòng)下始終向上運(yùn)動(dòng)。爐內(nèi)煤氣在上升過程中常常與二氧化碳?xì)怏w相結(jié)合而生成堿金屬碳酸鹽，化學(xué)反應(yīng)式為2K（g）+2CO2=K2CO3+CO，堿金屬氰化物同樣與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成堿金屬碳酸鹽。通過計(jì)算可知，冶金高爐內(nèi)堿金屬碳酸鹽的穩(wěn)定性相比于氰化物相對(duì)較高，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，堿金屬氰化物則完全被氧化。

1.3 低溫區(qū)堿金屬反應(yīng)與分配比例

冶金高爐低溫區(qū)的界定區(qū)間在200℃～900℃之間，位置處于爐體上部。由于該區(qū)域位置靠上，因此，溫度波動(dòng)幅度較大。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)溫度在400℃～900℃時(shí)，高爐內(nèi)爐料的堿金屬含量從1.96%快速下降到0.31%，當(dāng)溫度下降到400℃以下時(shí)，堿金屬含量的變化曲線幾乎沒有任何變化，當(dāng)降到200℃的低溫區(qū)溫度極值后，堿金屬蒸氣不會(huì)發(fā)生二次揮發(fā)，堿金屬含量也呈現(xiàn)出下降態(tài)勢，從0.31%降到0.26%，含量的變化范圍并不大。

在低溫區(qū)，堿金屬氧化物不會(huì)與爐料內(nèi)的焦炭等物質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng)，但是能夠與CO2發(fā)生如下反應(yīng)：2K（g）+2CO2=K2CO3+CO。通過計(jì)算可得，當(dāng)?shù)蜏貐^(qū)溫度在900℃時(shí)，K2CO3含量的變動(dòng)幅度較小，大部分隨爐內(nèi)煤氣流被帶到爐外，剩余少量K2CO3殘留在爐料中，當(dāng)爐料下降到高溫區(qū)時(shí)，則分解成為堿金屬蒸氣，參與爐內(nèi)循環(huán)[2]。

2 低溫區(qū)的礦石冶金性能分析

為了驗(yàn)證堿金屬填充材料的危險(xiǎn)性，下面通過低溫還原粉化實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(shí)驗(yàn)的爐內(nèi)溫度值為550℃，通過實(shí)驗(yàn)可以看出，K2O含量不斷升高，爐內(nèi)燒結(jié)礦與球團(tuán)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(jié)礦的RDI+6.3由80%下降到50.21%，球團(tuán)礦的RDI+6.3也由原來的100%下降到79.32%。

產(chǎn)生燒結(jié)礦與球團(tuán)礦含量下降的原因主要是由于當(dāng)發(fā)生還原反應(yīng)后，爐料中吸附的堿金屬將進(jìn)入到FexO晶格中，這時(shí)，堿金屬還原反應(yīng)中扮演著催化劑的角色，導(dǎo)致金屬鐵晶體快速生成，而在相界面上產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力累加到一定數(shù)值時(shí)，晶體將產(chǎn)生大量裂紋，使得粉化率上升。而發(fā)生還原反應(yīng)后，鉀元素在運(yùn)動(dòng)遷移過程中形成二次集中現(xiàn)象，鉀元素與爐料中的硅、鋁等元素再次結(jié)合而生成鉀鋁硅酸鹽礦物質(zhì)，這種物質(zhì)析晶困難，而隨著還原反應(yīng)的加劇，硅酸鹽將被進(jìn)一步晶化，爐內(nèi)溫度越高，晶化作用越明顯，最終導(dǎo)致燒結(jié)礦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，進(jìn)而出現(xiàn)粉化現(xiàn)象。

3 中溫區(qū)焦炭的反應(yīng)特征分析

通過對(duì)爐內(nèi)焦炭樣品進(jìn)行分析可得，當(dāng)焦炭與爐料的溫度介于900℃～1100℃時(shí)，焦炭的粉化現(xiàn)象比較明顯，因此，下面通過實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證爐內(nèi)堿金屬對(duì)焦炭粉化率帶來的影響，實(shí)驗(yàn)表明，ωk2o=0.2%時(shí)，焦炭的CRI快速提升至40.75%，ωk2o=1.6%時(shí)，CRI繼續(xù)升高至49.25%，此時(shí)，K2O的含量增加8倍，CRI僅僅提高了9.5%。這就進(jìn)一步驗(yàn)證，焦炭完成氣化反應(yīng)只需要少量的堿金屬。而ωk2o=0.2%時(shí)，焦炭的強(qiáng)度值下降到70.53%，ωk2o=1.5%時(shí)，強(qiáng)度值下降到40.89%，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果足以說明，焦炭反應(yīng)后的強(qiáng)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(jī)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(dāng)形成KC8層間化合物時(shí)，焦炭體積膨脹61%，當(dāng)形成KC6的層間化合物時(shí)，焦炭體積膨脹12%，當(dāng)焦炭體積膨脹后，石墨機(jī)體產(chǎn)生的裂紋就會(huì)破壞焦炭內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致焦炭崩裂，進(jìn)而使焦炭的強(qiáng)度迅速下降。

4 中溫區(qū)吸附堿金屬與爐料粒度的關(guān)系分析

中溫區(qū)是堿金屬吸附率最高的區(qū)域，對(duì)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(xiǎn)，下面針對(duì)不同粒度的爐料吸附堿金屬的不同量值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)溫度為900℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為3h，煤氣中堿金屬蒸氣的含量為3%，煤氣的流動(dòng)速度為0.02%。實(shí)驗(yàn)表明，隨著爐料粒度的增加，燒結(jié)礦、球團(tuán)礦與焦炭吸附的堿金屬含量均減小，其中，燒結(jié)的吸附值最大，焦炭與球團(tuán)礦則相對(duì)較小。在900℃的實(shí)驗(yàn)溫度下，燒結(jié)礦內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多孔狀，大量的堿金屬蒸氣隨著氣孔附著在燒結(jié)礦表面，而與之發(fā)生還原反應(yīng)，此時(shí)的部分堿金屬將進(jìn)入到FexO晶格當(dāng)中，導(dǎo)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(fā)生還原反應(yīng)，而球團(tuán)礦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，在此溫度下，還原反應(yīng)并不明顯，因此，堿金屬的吸附量也相對(duì)較少。

5 結(jié)語

綜上所述，冶金高爐的高溫區(qū)對(duì)堿金屬不產(chǎn)生吸附作用，同時(shí)，能夠揮發(fā)中溫區(qū)吸附的部分堿金屬，中溫區(qū)的溫度變化區(qū)間較小，爐料的停留時(shí)間過長，導(dǎo)致中溫區(qū)成為吸附堿金屬的重災(zāi)區(qū)，因此，該區(qū)域也是導(dǎo)致爐料粉化最為嚴(yán)重的區(qū)域。而低溫區(qū)溫度下降速度較快，吸附堿金屬的量值幅度也較大，但是，當(dāng)爐內(nèi)溫度下降到溫度極值時(shí)，對(duì)堿金屬的吸附量也大幅下降。由引可見，科學(xué)合理分配堿金屬的填充材料比例，能夠減少對(duì)冶金高爐的危害，確保冶金產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)而為冶金企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。