碱金属的危害
钢中有害元素
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3
0，原子量118.69， 熔点：白锡231.88℃， 灰锡231.99℃，脆锡231.99℃。 沸点：白锡2260℃，灰锡2270℃，脆锡2260℃。
锡可大大降低钢及合金的高温机械性能，对钢的加 工性能也十分有害。在钢中加入少量锡时能提高钢 的耐腐蚀性，其强度也有一定提高，而对塑性却影 响不大。
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有害元素主要来源于循环回收物， 65％锌来源于高炉除尘灰， 80％钠来自焦化废水， 63％钾由循环带入， 90％Cl以上由循环带入。 从排出情况看，98％锌保留于烧结矿，80％钠以上 从烟气排出或黏结于箅条、管道等，52％钾留在烧 结矿、43％进入烧结除尘灰，63％Cl从烟气排出或 黏结于箅条等、27％进入烧结除尘灰。 因此，锌和钾富集最快，必须采取措施切断循环链 (高炉灰和烧结电除尘灰)。
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一类元素的氧化势低于铁：即在炼钢时 的氧化反应将不涉及这些元素。 结果这些残余元素将全部积存在最终的钢 铁产品中。 第二类残余元素的氧化势与铁接近，在炼 钢的吹炼过程中，其中一部分将被氧化除 去在钢水中残存的部分将取决于它们在钢 水和炉渣的成分，两者确定了残余元素在 钢水和炉渣中的分配因数。第三类元素的 氧化势要高于铁,在钢水吹炼过程中，它们 首先被氧化进入渣相中除去,一般不能进入 钢水。因此,钢中的残余元素问题，实际上 只有第一类和第二类所含的l5种金属或非 金属元素,其中8种元素为全保留元素,7种 元素为部分保留元素
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周期系Ⅴ A族元素，原子序数51，原子量121.8， 密度6.684g/cm3, 熔点630.74℃， 沸点1750℃，
碱金属元素知识点总结
碱金属元素知识点总结碱金属元素是指周期表中第一族元素，包括锂（Li）、钠（Na）、钾（K）、铷（Rb）、铯（Cs）和钫（Fr）。
这些元素具有相似的化学性质，如低密度、低熔点、高电导率等特点。
以下是对碱金属元素的一些重要知识点进行总结。
1. 物理性质：碱金属元素在室温下大多为银白色金属，具有低密度和低熔点。
它们是非常活泼的金属，可以用刀片切割，并且能够导电和导热。
2. 原子结构：碱金属元素的原子结构特点是外层电子数为1，在元素周期表中处于第1A族。
这使得碱金属元素容易失去外层电子，形成带正电荷的离子。
3. 化学反应：碱金属元素与非金属元素反应时，倾向于失去一个电子形成带正电荷的离子。
与水反应时，会产生氢气并生成碱性溶液。
例如钠与水反应的化学方程式为2Na + 2H2O → 2NaOH + H2。
4. 反应性：碱金属元素的反应性逐渐增加，从锂到钫依次增强。
这是由于原子半径的增加和电子层的扩展导致外层电子离子化能的降低。
5. 合金：碱金属元素可以与其他金属形成合金。
合金通常具有更好的机械性能和导电性能。
例如，钠钾合金（NaK）被广泛用作热传导介质和储热材料。
6. 应用：碱金属元素在许多领域有广泛的应用。
锂广泛用于电池、合金和药物制剂；钠用于制备肥皂、玻璃和金属处理；钾广泛用于农业肥料和肥皂；铷和铯用于原子钟和激光技术；钫由于其放射性特性，目前尚无实际应用。
7. 危险性：碱金属元素具有一定的危险性。
由于其与水反应放出氢气，可能引发爆炸。
此外，碱金属元素的化合物有毒，对人体和环境有一定危害。
8. 用途举例：锂可用于制造锂离子电池，是电动汽车和便携式电子设备的重要能源；钠在化工工业中用于制备氢氧化钠和制备其他化合物；钾广泛用于农业肥料，促进作物生长；铷和铯在激光技术和通信领域有应用；钫目前主要用于科学研究。
9. 碱金属离子：碱金属元素失去一个外层电子后会形成带正电荷的离子。
这些离子在溶液中具有很高的电导率，被广泛应用于化学分析和电化学研究中。
高炉冶炼中碱金属的危害及防治研究
15Metallurgical smelting冶金冶炼高炉冶炼中碱金属的危害及防治研究柳 园（甘肃酒钢炼铁厂，甘肃 嘉峪关 735100）摘 要：在高炉冶炼中，会将各类冶炼原料加入，而这些材料中往往掺杂了碱金属。
随着原料的增加，相应的也会增加碱金属富集量，进而对高炉冶炼成效构成影响，同时还会危害高炉本身安全运行。
基于此，本文在分析高炉冶炼中碱金属化学反应的基础上，剖析了碱金属的危害，同时简单介绍了碱金属危害高炉冶炼的策略，以供参考。
关键词：高炉冶炼；碱金属；危害；防治中图分类号：TF54 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2021）05-0015-2 收稿日期：2021-03作者简介：柳园，男，生于1987年，汉族，甘肃金塔人，本科，助理工程师，研究方向：高炉冶炼（高炉工长）。
高炉冶炼中，即便原料中含有很少的碱金属，但是因不断循环富集的缘故导致炉内会逐渐富集大量碱金属，会对冶炼及高炉本身构成影响和危害。
绿色可持续发展背景下钢铁行业面临了较大的降成本压力，有个别企业为了提高经济效益、减少成本投入而引入了劣质料、经济料，加上大量回用各类尘泥固废杂料，大幅提高了炉内进入的碱金属含量，从而危害了高炉冶炼及其本身。
为了保障高炉冶炼效果、达成平稳生产的目的，有必要研究碱金属的危害及防治策略。
1 高炉冶炼中碱金属的化学反应高炉冶炼中，碱金属循环富集规律基本上一致于普通矿冶炼，是随着炉内铁矿石等原料的加入而进入的，同时原料中存在的碱金属往往为硅酸盐形式，高炉内高温作用下会导致碱金属产生化学反应。
而高炉内以硅酸盐形式存在的碱金属化学反应通常由两个过程组成，在炉底高温区与碳元素（具备还原性）发生反应后，会有钾、钠等碱金属生成[1]。
高温作用下，碱金属会气化且与鼓入炉内的气体间会有反应产生，同时会有碱金属硅酸盐、氮化物等物质生成。
处于上升过程的此类物质，会被具有吸附性的炭灰吸收一部分并转入高炉残渣内，含有碱金属的一部分气体会在高温蒸汽的作用下向炉外排出，剩余的会被高炉内壁所吸附。
碱金属对高炉的影响
区分和控制钾、钠对高炉冶炼的不利影响碱金属对高炉冶炼的危害已久，国内外很多钢铁企业的高炉都遭受碱金属的危害。
研究表明高炉内循环富集的碱金属会催化焦炭的气化反应、加剧烧结矿还原粉化、引起球团矿异常膨胀、破坏高炉内衬，最终导致料柱透气渗液性下降，煤气流分布失调，给高炉的长寿高效带来不利的影响。
限制入炉碱金属负荷是防治碱金属的重要手段。
但是，由于缺乏对碱金属危害程度量化的判断方法，大多钢铁企业只能依据自身的冶炼实践及经验制定碱金属入炉负荷的上限。
通过调研可知，国内外不同钢铁企业制定的碱负荷上限值从2.5kg/t 到12kg/t ，差别较大，这就使得在目前国内原料条件波动、冶炼操作变化的情况下制定具体高炉的碱金属入炉上限难以借鉴。
很多钢铁企业虽深知碱金属的危害，但由于难以有效判断高炉的碱金属入炉负荷是否超限，往往无法“防患于未然”，在碱金属的富集严重影响炉况后才被动地做出调整。
此为，在制定入炉碱金属上限时，大多未区分钾钠的不同影响，入炉上限都是以钾钠的总量作为标准。
存在上述问题的主要原因可能是：1.尚未明确高炉内碱金属富集最严重的区域在哪里？2.在碱金属最严重的区域碱金属的危害和破坏对象是什么？3.碱金属危害程度和入炉负荷存在着什么关系？4.钾、钠对高炉冶炼是否存在不同的影响？一、国内外高炉碱金属富集情况国内外对碱金属在高炉内的富集情况进行调研的方法主要有三种，一是对实验高炉内不同区域的碱金属富集量进行分析；二是在实际高炉停炉解剖或大修时不同位置进行取样化验；三是通过对运行中高炉进行风口焦取样分析炉缸内碱金属分布。
通过整理分析日本高炉、宝钢、首钢、武钢、包钢等钢铁企业的高炉碱金属富集调研结果，可以发现基本存在着以下规律。
1. 软熔带是碱金属最富集的区域。
碱金属自炉身以下最富集才开始明显增多，软熔带为碱富集最严重区间，软熔带下缘碱富集量达最大。
如首钢高炉调研发现，块状带碱金属含量仅为入炉前的2.1 倍、软熔带为8.5 倍、软熔带下缘为13.1 倍、滴落带为4.8 倍。
碱金属对高炉生产的危害分析及控制
碱金属对原燃料的影响1恶化焦炭冶金性能。
碱金属首先吸附在焦炭的气孔，而后逐渐向焦炭内部的基质扩散，随着焦炭在碱蒸汽内暴露时间的延长，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，导致焦炭强度下降，块度减小，产生较多碎焦和粉末。
不同碱量条件下测定的焦炭反应性及反应后强度结果表明，加入钾、钠浓度增加后，焦炭的反应性增加，而且钾、钠浓度越高，反应性越大。
这说明钾、钠对焦炭的碳溶反应起正催化作用，而且钾的催化作用高于钠。
有关资料测定表明焦炭含K2O量每增加1％，反应性增加8％，焦炭反应后强度降低9.2％。
同时，高炉冶炼统计表明，碱负荷每增加1kg/t,焦比平均上升18.75kg/t。
2碱金属对烧结矿的影响2.1碱金属对还原性的影响烧结矿的还原度均随烧结矿含碱量（K2O）的增高而提高，但随着含碱量的进一步增加，烧结矿的还原度提高幅度较小。
碱金属能促进烧结矿还原的原因：一是碱金属对还原反应的催化作用，二是碱金属能增加烧结矿的气孔率。
.2.2碱金属对还原粉化率的影响碱金属使烧结矿中温还原粉化率倍增的原因是：一是在还原过程中，碱金属会进入氧化铁的晶格。
当还原到FeO时，碱金属大量进入FeO晶格，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，导致粉化率升高；二是在还原过程中会发生含钾矿物中钾元素的迁出与再集中，迁出的钾（或游离的钾）与硅铝等元素结合，生成钾铝硅酸盐，由于析晶困难，往往形成一些超显微的结晶，晶化愈强，结构也会更加疏松。
2.3碱金属对烧结矿软熔性能的影响烧结矿少量碱金属可以提高烧结矿的软熔温度，使软熔带下移，但是碱金属含量过多时，会使软熔带温度区间变宽而不利于高炉冶炼。
3碱金属对球团矿的影响碱金属是球团矿产生异常膨胀的重要原因。
碱金属对高炉生产的危害与控制课件
减少碱金属对高炉的危害
加强煤气净化
通过设置煤气净化设备，如除尘器、脱硫装置等，减少煤气中碱金属的含量，降低其对高 炉的危害。
开发新型耐碱金属腐蚀的高炉材料
研究并应用新型的高炉材料，如耐碱金属腐蚀的不锈钢、陶瓷等材料，以提高高炉的耐腐 蚀性能。
加强生产监控
通过在线监测和化验分析等手段，实时监控高炉内碱金属的含量和分布情况，及时发现并 处理问题，减少其对高炉的危害。
02
碱金属的来源与分布
原料中的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ金属
01
碱金属主要来自矿石、焦炭和熔 剂等原料，其中矿石是主要来源 。
02
不同原料中碱金属的含量和种类 存在差异，对高炉生产的影响程 度也不同。
燃料中的碱金属
燃料中的碱金属主要以钾和钠的形式存在，主要来自煤粉和 重油等燃料。
燃料中的碱金属在燃烧过程中会释放出来，对高炉生产产生 影响。
05
未来研究方向与展望
深入研究碱金属在高炉中的行为
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碱金属在高炉中的迁移规律
研究碱金属在矿石、焦炭、熔渣等物料中的迁移 转化过程，掌握其分布和浓度的变化规律。
碱金属对高炉内反应的影响
探讨碱金属对高炉内还原反应、渣铁生成等过程 的影响机制，揭示其对高炉生产效率的影响。
3
碱金属对高炉耐材的侵蚀作用
碱金属对高炉生产的负面影响
碱金属会导致高炉内炉渣的粘 度增加，影响炉渣的流动性和 稳定性，进而影响高炉的透气 性和透液性。
碱金属与高炉内的硫化物反应 生成的硫化物和硫氧化物会加 剧高炉内衬的腐蚀，缩短高炉 的使用寿命。
碱金属的挥发和富集会对煤气 管道、除尘器等设备造成堵塞 和腐蚀，影响设备的正常运行 和使用寿命。
碱金属燃烧产物
碱金属燃烧产物碱金属是指周期表中的第一组元素，包括锂、钠、钾、铷、铯和钫。
由于碱金属具有非常活泼的性质，因此它们与空气中的氧气反应时会放出明亮的火焰以及产生大量的热量。
这种反应会导致产生大量的氧化物以及其他有毒的化合物，因此碱金属的燃烧产物非常重要。
在碱金属燃烧过程中，对于每种元素而言，其产物都是不同的。
以下是每一种碱金属燃烧产物的详细介绍。
锂锂在空气中燃烧会产生大量的白色氧化锂，它是一种白色的粉末状物质。
在燃烧过程中，锂还会释放出少量的氢气，这种气体在点燃时会燃烧并产生一种特殊的炸响声。
氧化锂是一种具有腐蚀性的物质，可以在水中形成碱性溶液，并会跟酸反应，产生氢气。
钠钠在空气中燃烧会产生白色氧化钠以及少量的一氧化氮和氮氧化物。
氧化钠是一种具有腐蚀性的物质，在碱性的水中可以形成强碱性溶液。
由于其与水反应很剧烈，因此钠在实验室中非常危险，很容易导致火灾或爆炸。
钾铷铯铯在空气中燃烧会产生白色氧化铯以及少量的一氧化氮和氮氧化物，但铯的反应活性也比较低，因此产生的氧化铯较为稳定。
不过，由于铯存储时需要极为小心，因此铯在实验室中依然是一种非常危险的元素。
钫钫在空气中燃烧产生的产物比较复杂，主要包括大量的二氧化钫以及少量的氟化钫、氯化钫等。
由于钫是一种非常罕见的元素，因此研究其燃烧产物的人比较少，这些产物的具体性质和用途也还需要进一步深入探究。
在总体来看，碱金属燃烧产物中最重要的一类就是氧化物。
这些物质具有特殊的化学性质，可以被用于许多不同的领域，例如制造电池、催化剂、玻璃、陶瓷等。
当然，由于这些物质具有腐蚀性或易燃性等特殊性质，使用时需要特别小心，以免对人体和环境造成危害。
碱金属对高炉生产的危害与控制课件
制定针对碱金属泄漏等突发事件的应急预案，确保快速响应和有效处置。
04
实际应用与案例分析
碱金属对高炉生产的危害
高炉粘性堵塞
碱金属可能导致高炉内渣料粘性增大，进而引起出铁口堵塞，影响高炉正常较强，缩短了高炉使用寿命。
影响铁水质量
碱金属含量过高会导致铁水质量下降，影响钢铁产品的性能。
03
碱金属具有强烈的金属光泽，并具有良好的导 电性和导热性。
碱金属在高炉中的行为
碱金属在高温下容易与高炉中的氧气和二氧化碳反应，生成相应的氧化物和碳酸盐 。
碱金属的氧化物和碳酸盐在高炉中会形成沉积物，堵塞高炉的通道和通风口，影响 高炉的正常运行。
碱金属的氧化物和碳酸盐还会与高炉中的其他化合物发生反应，生成低熔点的化合 物，导致高炉结瘤和侵蚀。
碱金属元素在生铁中富集，降低生铁的机械性能和加工性能 ，影响钢铁产品的质量和性能。
破坏高炉操作稳定性
碱金属元素在渣中积累，影响高炉渣的稳定性，导致高炉操 作波动，影响高炉生产效率和产量。
控制碱金属危害的措施
控制原燃料质量
严格控制入炉原燃料中的碱金属含量 ，选用低碱金属含量的原料和燃料。
强化炉渣处理
碱金属的控制措施
控制原料质量
严格控制入炉矿石和焦炭 中的碱金属含量，从源头 上减少碱金属的进入。
优化高炉操作
通过优化高炉操作，如控 制好炉温、渣碱度等参数 ，减少碱金属对高炉生产 的危害。
开发新型耐材
研究开发新型的高温耐材 ，提高其抗碱金属侵蚀的 能力。
未来研究方向与展望
加强基础研究
探索新型控制技术
碱金属对高炉生产的危害
碱金属的氧化物和碳酸盐会导致高炉结瘤和侵蚀，影响高炉的寿命和安全性。 碱金属的沉积物会堵塞高炉的通风口，影响高炉的通风效果和煤气质量。 碱金属的氧化物和碳酸盐还会导致高炉煤气爆炸和火灾的风险增加。
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碱金属对原燃料的影响
1恶化焦炭冶金性能。
碱金属首先吸附在焦炭的气孔，而后逐渐向焦炭内部的基质扩散，随着焦炭在碱蒸汽内暴露时间的延长，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，导致焦炭强度下降，块度减小，产生较多碎焦和粉末。
不同碱量条件下测定的焦炭反应性及反应后强度结果表明，加入钾、钠浓度增加后，焦炭的反应性增加，而且钾、钠浓度越高，反应性越大。
这说明钾、钠对焦炭的碳溶反应起正催化作用，而且钾的催化作用高于钠。
有关资料测定表明焦炭含K2O量每增加1％，反应性增加8％，焦炭反应后强度降低9.2％。
同时，高炉冶炼统计表明，碱负荷每增加1kg/t,焦比平均上升18.75kg/t。
2碱金属对烧结矿的影响
2.1碱金属对还原性的影响
烧结矿的还原度均随烧结矿含碱量（K2O）的增高而提高，但随着含碱量的进一步增加，烧结矿的还原度提高幅度较小。
碱金属能促进烧结矿还原的原因：一是碱金属对还原反应的催化作用，二是碱金属能增加烧结矿的气孔率。
2.2碱金属对还原粉化率的影响
碱金属使烧结矿中温还原粉化率倍增的原因是：一是在还原过程中，碱金属会进入氧化铁的晶格。
当还原到FeO时，碱金属大量进入FeO晶格，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，导致粉化率升高；二是在还原过程中会发生含钾矿物中钾元素的迁出与再集中，迁出的钾（或游离的钾）与硅铝等元素结合，生成钾铝硅酸盐，由于析晶困难，往往形成一些超显微的结晶，晶化愈强，结构也会更加疏松。
2.3碱金属对烧结矿软熔性能的影响
烧结矿少量碱金属可以提高烧结矿的软熔温度，使软熔带下移，但是碱金属含量过多时，会使软熔带温度区间变宽而不利于高炉冶炼。
3碱金属对球团矿的影响
碱金属是球团矿产生异常膨胀的重要原因。
试验发现，在球团矿中加入少量碱金属碳酸盐（0.5K2O或Na2O）、硅酸盐（Na2SiO3）后，都会是球团矿产生灾难性的膨胀。
原因是碱金属和硅酸盐中的K+、Na+侵入Fe2O3晶格，在还原过程中，晶格变形及产生的内应力使球团矿发生灾难性的膨胀。
球团矿还原膨胀率愈高，还原后的强度愈低，还原粉化率也愈高。
预防和减轻高炉碱害的措施
1有效的高炉碱负荷管理工作
碱金属在炉内危害极大，在炉内将引起炉缸堆积、炉料透气性恶化、结瘤及损坏炉墙等，为减少碱金属危害，有计划地做好高炉炉料碱金属状况分析，了解掌握高炉碱金属负荷动态，做好入炉原燃料的稳定工作，配加低碱负荷矿石，稳定或降低入炉碱金属的负荷，减少焦末及矿末的入炉，为高炉操作（排碱）提供有利的条件。
2控制煤气流分布
在高炉冶炼中，煤气是热能和化学能的携带者和传递者，同时也是碱金属的携带者和传递者。
煤气量大，温度高的地方炉料的含碱量也高。
发展中心气流对排碱有利。
八钢高炉炉料结构中球团矿和烧结矿各占50％，由于球团矿含量高，低温还原粉化率高，边缘温度过高，矿石过早软熔，一旦炉温波动，就容易结瘤。
在总结正反两面的基础上，得出高碱金属负荷下高炉煤气仍按保持“两条通路”的规律。
应在适当发展边缘气流的基础上，同时疏通中心操作。
3对炉料进行脱碱
有关资料显示，针对碱金属会对烧结矿和球团矿造成粉化膨胀问题，可以用氯化焙烧的方法进行烧结矿和球团矿的脱碱。
烧结矿和球团矿中的碱金属也可用此法将其分离出来。
以硅酸盐状态的钠为例，当加入氯化剂（CaCl2）时，发生的反应式：Na2O.SiO2+CaCl2＝CaO.SiO2+2NaCl△GTO=415624-293.6T,J/mol(T=298-1700K)。
热力学计算表明，氯化钙加入烧结矿和球团矿中，能够将其中的碱金属变成相应的氯化物（氯化钠和氯化钾）。
生成物的熔点很低（分别是800℃和770℃），沸点也低（1465℃和1437℃），而蒸汽压却很高，这对烧结矿和球团矿的脱碱是有利的。
氯化脱碱存在的问题是，脱碱产物会沉积在废气流经的各种设备上，造成结瘤和腐蚀管道。
废气中的脱碱产物也会污染大气。
4控制炉渣碱度、渣量及炉温
国内外研究表明，高炉排出碱金属的主要渠道是炉渣，炉渣中碱含量可达到入炉碱含量的90％。
炉渣排碱可以关注以下几个方面：（1）在保持一定炉温的情况下，随着炉渣碱度的降低，高炉的排碱能力相应提高。
有资料表明，炉渣碱度降低0.1％则增加渣中（K2O+Na2O）0.21％；（2）碱金属硅酸盐的还原是一个强烈的吸热反应，在合适的脱硫状况下，保持渣碱度不变，适当降低生铁含硅，可以提高高炉排碱能力。
铁水含硅降低0.1％，渣中碱金属氧化物增加0.045％；（3）提高渣中MgO（8％－12％）含量，特别是对于原料中Al2O3含量较高（15％－18％），降低渣中K2O、Na2O的活度，从而提高排碱率，渣中MgO±1％，影响渣中碱金属氧化物±0.21％，所以，渣中适当增加MgO含量，既利于改善渣的流动性又有利于排碱；（4）提高（MnO）／Mn比，可提高渣中碱金属氧化物；(5)增加渣中含氟1％，相应减少渣中碱金属氧化物0.16％，用CaF2洗炉提高渣中碱的活度，加快碱金属氧化物的还原，从而加大碱金属在炉内的循环富集，而高锰矿则没有副作用，相反，还有利于排碱。
增加渣量能增加炉渣的排碱量是无须赘述的事实，但渣量的增加对降焦比不利，因此这一措施只在必要时采用。