湘钢3号和4号高炉碱金属的分布与平衡

摘要：鉴于湘钢3号、4号高炉生产出现炉况不顺、悬料、结瘤等问题，调研了2座高炉中碱金属的分布情况。

通过现场取样，测定试样中碱金属含量，计算分析了2座高炉碱金属的分布与平衡。

结果表明：烧结矿中碱金属含量是影响2座高炉碱负荷的主要因素，排碱主要由高炉渣完成。

结合实际生产情况，提出了防止高炉碱害的途径。

关键词：碱金属；分布；碱负荷；平衡
近年来，由于受到铁矿石资源的限制，加上矿源复杂，使得许多钢铁厂高炉原燃料中碱量较高。

在不断寻求新资源的过程中，忽略了对碱金属等有害元素的控制，使得碱金属对高炉冶炼的危害逐渐暴露出来。

K、Na、Zn等元素在高炉内循环富集，使得高炉内焦炭气化反应提前、强度降低、料柱透气性恶化、初渣过早形成、炉衬侵蚀加速，还会造成高炉悬料、结瘤、炉况不顺、消耗升高，其危害随着生产进行而日益严重。

针对湘钢铁矿石来源复杂的现状及3号、4号高炉炉况不顺、悬料、结瘤、风口上尧等一系列高炉生产中遇到的问题，有必要系统地研究整个炼铁系统中碱金属的来龙去脉，得出高炉碱负荷及碱平衡状态，弄清碱金属的分布及对高炉生产的影响，以达到稳定生产、指导生产的目的。

在本文中“碱负荷”是指每吨铁由炉料带入高炉的碱金属总量；“碱平衡”是指高炉冶炼过程中碱金属的收支明细表，反应了高炉在冶炼过程中碱金属的去留情况。

1 取样方案及实验过程
K、Na对高炉冶炼的危害性日趋突出，而矿石中碱金属含量的高低对高炉生产有着直接的影响。

为了弄清3号、4号高炉中碱金属的来龙去脉，分别对其现场进行不定期取样。

每座高炉取样6次，以便了解其碱负荷及平衡波动状况。

头天取人炉原燃料样，包括烧结矿、球团矿、澳矿(3号)、南非矿(4号)、焦炭和煤粉。

第二天取对应的出炉试样，包括铁水、高炉渣、瓦斯灰、除尘灰。

测定期间生铁产量、炉渣量以及各种原燃料(烧结矿、球团矿、澳矿、南非矿、焦炭、煤粉)、高炉渣用量根据高炉日报表提供的数据进行计算，瓦斯灰和除尘灰取月平均值计算。

2 高炉内碱金属的分布
为说明湘钢3号、4号高炉的碱金属收支情况，取一组具有代表性试样的化验结果如表1、表2所示。

结合实际生产情况，通过对表1、表2及图1、图2分析可知：
(1)烧结矿是3号、4号高炉碱金属的主要收入项，分别占到两炉入炉原燃料的54％、43％。

对于3号高炉来说，由入炉原燃料带入碱金属的数量较多的是烧结矿、焦炭和球团矿，这三项的总和占该组试样碱金属收入项的90％，特别是由烧结矿带人的碱金属含量大于1kg/t以上，其次是焦炭，然后是球团矿。

其余的如煤粉、澳矿和焦丁影响较小。

而对于4号高炉来说，除焦丁外其它入炉原燃料对高炉碱负荷均有较大的影响。

烧结矿、南非矿、焦炭和煤粉这四项的总和占试样碱金属收入项的90％，其中又以烧结矿居多。

对比图1、图2，可以明显看出：4号高炉碱金属收入、支出值均要高于3号高炉。

(2)3号高炉碱金属主要是由烧结矿、焦炭和球团矿带入，且烧结矿、焦炭带人量明显比4号高炉要大。

但4号高炉中加入的南非矿、煤粉较3号高炉加入的澳矿、煤粉影响要大得多。

之所以3号高炉中烧结矿、球团矿、焦炭带入的碱含量要高，究其原因主要是由于3号高炉加入的是2号烧结机和3号烧结机生产的混合烧结矿，而4号高炉的烧结矿全部来源于3号烧结机；3号高炉的球团矿全部是公司内部2号竖炉自产的单一、成分稳定的球团矿，而4号高炉的球团矿一部分是自产球团矿，另有一部分是外购球团矿；3号高炉使用的焦炭中有一部分是来源复杂、成分不稳定的外购焦炭，而4号高炉使用的焦炭全部是自产焦炭且来源稳定。

(3)两炉排碱都主要是依靠高炉渣，所占比例差不多达到100％，而瓦斯灰、铁水、除尘灰等支出项对高炉排碱几乎没多大的作用，完全可以忽略不计。

这说明了湘钢3号、4号高炉渣在排碱效果方面都很好，也说明了铁水、除尘灰、瓦斯灰等支出项对高炉排碱贡献不大。

在支出项中，3号、4号高炉生产的铁水中含有的碱金属的量均为零，这是由于在较高的铁水温度中碱金属发生反应，重新富集进入高炉或通过炉渣、瓦斯灰、除尘灰排出。

3 高炉碱负荷及其平衡
通常，高炉的碱负荷越高，给高炉冶炼带来的危害也就越大。

据报道，美国的Granite厂。

碱负荷高达6～11 kg／t时，造成炉况不顺、结瘤、焦比升高、产量下降。

我国的酒钢，在1999年6月份后入炉碱负荷基本在9～10 kg／t，8月份时最高达到了11 kg／t以h周期性的高碱负荷使高炉每次减产1000t左右，焦比上升20～30 kg/t，严重影响高炉的正常生产。

类似情况的还有新疆八一钢厂，曾报道过其高炉入炉原、燃料的碱负荷高达1 6．88 kg／t，抑制了高炉经济技术指标的改善，原、燃料调整改善后其碱负荷也在7～9 kg／t左右，高炉顺行得到的一定的改善。

因此，为预防碱金属对高炉冶炼的影响，国内外的很多厂家限制了入炉的碱负荷。

一般来说，高炉中的碱金属主要由矿石和焦炭带人，而碱金属的排出主要通过炉渣。

入炉的碱金属不能从高炉有效的排出,就必然会留在高炉内不断循环富集，从而给高炉带来一系列不利影响，直接的影响是碱金属的循环富集对料柱透气性产生不利影响及对内衬的侵蚀，问接的影响在于碱金属的作用使烧结矿、球团矿及焦炭的冶金性能变差而影响高炉冶炼。

通过对样品进行分析，作出3号、4号高炉碱负荷、碱平衡波动图，如图3所示。

结合实验数据，对图3进行分析可知：
(1)3号、4号高炉六组试样的碱负荷都较为接近，基本保持在2．92～3．74 kg／t、3．03～3．67 kg／t之间，两炉的平均碱负荷分别为：3．311 4 kg／t、3．3 1 6 3 kg／t。

相比较而言，4号高炉碱负荷波动更小。

其中，3号高炉试样1、试样3及4号高炉试样2、试样5的碱负荷较其它的要高，主要是考虑到取样过程中舍去了对高炉碱负荷影响不大的如洗涤水、集尘灰和高炉煤气等因素，其实际碱负荷会略小于计算所得数值。

(2)两炉的平均碱平衡分别为：0．075 4、0．286 1kg／t，3号高炉碱甲衡分别为－1．079 9、0．218 8、0．675 0、0．210 1、0．433 0 kg／t和－0．004 4 kg/t，基本上比较稳定。

4号高炉卡门比而言，波动比较大。

在图3中，小号高炉碱富集有时高达2 kgjt(如试样5)，这是由于炉况不稳等原因造成。

另外，碱平衡之所以出现负数是由于有一部分以前富集在高炉内的碱金属从高炉渣中排出。

与国内外高炉碱负荷及其平衡相比，仍有一定的差距。

随矿石和焦炭带人高炉的碱金属其数量及矿物种类随来源小同而有很大差别。

因此，导致湘钢3号、4号高炉碱负荷、碱平衡波动的因索是多方面的，如：原燃料、炉料的冶金性能、炉渣的排碱能力、高炉内循环碱量的变化等。

4 结论与建议
(1)烧结矿中碱金属含量是影响两高炉碱负荷的主要冈素。

但烧结原料中的成分比较复杂，一般包括各种矿粉、精料、机头和机尾除尘厌、转炉灰及焦末等，至于引起碱金属含量过高的主要凶素有哪些，还有待厂方进一步取样分析。

另外，焦炭、球团矿、澳矿和南非矿也对高炉碱金属的循环富集有一定的影响。

(2)3号、4号高炉排碱主要是依靠高炉渣。

除人炉原燃料中碱金属含量以外，影响高炉碱平衡的另一个重要因素就是高炉碱量的排出，如高炉渣、瓦斯灰、洗涤水、高炉煤气和集尘灰等都会影响到湘钢3号、4号高炉碱金属的平衡。

(3)4号高炉的炉况比3号高炉要稳定。

这一点与生产现场情况相符合，主要是由于3号高炉碱负荷比4号高炉波动要大。

但总体上来说，湘钢3号、4号高炉碱负荷较国内其他钢厂要低。

(4)3号高炉碱平衡比较稳定，而4号高炉波动比较大。

针对以上结论，提出防治3号、4号高炉碱害的途径：
①从入炉原燃料着手，限制碱金属的入炉量，尽量避免使用碱金属含量高的烧结原料，做到合理配矿；
②提高矿石的冶金性能，使矿石软熔温度、低温下K、Na还原程度得到提高；
③提高炉渣的排碱能力，如配制合理的炉渣成分以改善高炉渣性能等；
④使用优质、合理的耐火内衬，减少碱金属对高炉内衬的侵蚀。

当然，还可以通过加强高炉操作、增加碱金属从炉顶的排出量等措施，从入炉、生产以及出炉等各个方面减少3号、4号高炉碱负荷，减少碱金属在3号、4号高炉内的循环富集，从而有利于降低焦比、强化冶炼和炉况顺行，降低对高炉生产的危害，促进高炉顺行、保证高炉正常生产。

(1．武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室2．湘潭钢铁公司)。