浅析碱金属对高炉的影响
高炉碱金属的危害及防治大全汇总
高炉碱金属的危害及防治大全汇总在不久前，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。
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。
碱金属及锌对高炉操作的影响分析及防治措施
267管理及其他M anagement and other碱金属及锌对高炉操作的影响分析及防治措施张永亮（河钢集团宣钢公司 炼铁厂，河北 宣化 075100）摘 要：近几年来高炉实现了强化冶炼，使高炉寿命成为一个重要技术指标，高炉寿命对降低生产成本，提高技术经济指标，安全生产具有重要意义。
针对K、Na、Zn 三种元素对高炉炉体维护带来的影响，对有害元素对炉体提升、风口上扬、炉缸底部腐蚀分别进行了系统的分析，并根据有害元素腐蚀的原理及以往的生产经验，提出了防治措施。
关键词：碱金属；锌；高炉操作；影响分析；防治措施中图分类号：TF54 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2021）02-0267-2 收稿日期：2021-01作者简介：张永亮，男，生于1985年，汉族，学士，工程师，研究方向：炼铁、烧结技术。
钢是世界上最重要的多功能、适应性最强的材料，是人类发展的关键因素。
有理由声称钢铁是发达经济体的支柱。
在过去十年中，世界钢铁产量显著增长，2004年超过10亿t。
尽管比能耗和二氧化碳排放量自1970年以来已经减少了一半，一吨（初级）钢的生产仍然需要近20千焦耳的能源，并造成至少1.7t 的二氧化碳排放。
因此，据估计，今天炼钢产生的人为二氧化碳排放量占全世界的6%～7%。
这证明，在开发更环保的炼钢路线方面，有必要加强旨在提高能源效率和减少排放的研究工作。
1 碱金属及锌在高炉的富集1.1 碱金属在高炉内的循环富集K、Na 的沸点为799℃和882℃。
碱金属的氧化物在炉身中温区还原出碱金属蒸气，随煤气流上升，与炉料中的矿物结合生成碱的氰化物、碳酸盐和硅酸盐等。
再随炉料返回到高炉下部高温区，又被还原成碱金属蒸气上升，除部分随煤气和溶解于渣铁中排出炉外，其余相当一部分在炉内上部和下部之间循环富集。
1.2 锌在高炉内的循环富集锌为低熔点有色重金属，其熔点420，沸点907，液态锌流动性好，易挥发，离子半径较小，能浸入和充满微细空间，有较大的表面张力系数，降温时易凝聚在一起，在局部空间内呈现较高浓度，其硫化物具有热不稳定性。
碱金属、铅、锌等有害金属元素对高炉影响的生产认知和调研
碱金属、铅、锌等有害金属元素对高炉影响的生产认知和调研高炉炼铁技术人员越来越重视生铁成本控制，低成本冶炼、经济炉料结构冶炼不断得到认可，但有害金属元素入炉负荷不断升高，不仅未能达到低成本冶炼的目标，还一度造成生产被动……高炉生产对铁矿石原料的要求是：含铁量高、脉石少、有害杂质少、化学成分稳定、粒度均匀、良好的还原性以及一定的机械强度等等。
我国国内铁矿石资源呈现两大特点：一是贫矿多，富矿少。
贫矿资源占矿石总量的80%左右。
二是单一矿种少，复合矿石多。
随着钢铁工业的迅猛发展，资源消耗殆尽，铁矿石富矿不断减少，或者为降低生铁原料成本的需要，大量富含其它元素的复合铁矿石逐渐大量使用。
入炉有害杂质元素的负荷加大，对高炉生产和高炉寿命造成的影响日益突出。
我们说高炉入炉有害元素主要由钾、钠、铅、锌、砷、硫等，当其入炉负荷显著提高到一定数值后，逐渐影响高炉正常生产，破坏炉况顺行，非计划休风率升高、铁水质量降低和技术经济指标下降明显，增加生铁成本，同时，大大威胁高炉安全生产。
高炉炼铁前辈对碱金属、铅、锌等的认识早期，高炉炼铁技术人员对于碱金属的认知是在实践生产中，摸索着进行的，然后再加大分析、评估其利弊。
碱金属：1）20世纪中期，美国基尼瓦厂高炉每次停炉检修和更换炉衬时发现高炉内有炉瘤，初步分析认为是由于原料中的碱金属负荷过高引起的。
2）1970年6月，加拿大钢铁公司高炉炉况恶化，导致三个月炉况失常，通过化验分析，所使用球团中的碱金属含量是其他球团的3-4倍。
当去掉这种高碱金属球团时，炉况顺行好转，焦炭负荷提高，焦比降低。
铅：20世纪中期，高炉炉底砖衬不同程度的出现了膨胀、增重现象，且发现炉底、炉基耐火衬体中均有大量的铅存在，进一步的分析研究后，逐步形成了铅在高炉内渗透机理。
锌：20世纪40年代，苏联炼铁技术人员已经认识到锌对高炉的主要危害是形成锌瘤，影响高炉生产、炉顶设备和炉衬。
60年代，在苏联科茨捏茨和乌拉尔钢铁厂高炉的炉喉和上升管道中均发现了锌瘤，这些锌瘤呈灰色或灰绿色，表面可以看到细的红锌矿结晶颗粒。
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
1 2
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。
高炉锌及碱金属危害的研究
高炉锌及碱金属危害的研究锌负荷和碱金属负荷偏高会导致煤气管道粘结物增加、调压阀组结垢卡阀等问题，制约高炉正常生产，需要研究分析其危害，并加以控制。
1、锌在高炉中的危害锌常以铁酸盐、硅酸盐或闪锌矿的形式存在，高炉冶炼时，其硫化物先转化为复杂的氧化物，然后在不小于1000℃的高温区还原为Zn,由于其沸点很低（907℃），还原出来的Zn气化混入煤气，上升过程中有一部分随煤气逸出炉外，但易在管道中凝集；大部分又被氧化成ZnO并被炉料吸收再度下降还原，形成循环。
Zn蒸汽在炉内循环，沉积在高炉炉墙上，可与炉衬和炉料反应，形成低熔点化合物而在炉身下部甚至中上部形成炉瘤。
当锌富集严重时，炉料空隙度变小，透气性变坏和炉墙严重结厚，炉内煤气通道变小，炉料下降不畅，高炉难以接受风量，崩、滑料频繁，对高炉顺行和技术指标产生很大影响。
有时甚至在上升管中结瘤，阻塞煤气通道，对高炉长寿严重也有严重的影响。
高炉生产中，锌的循环除高炉内部的小循环外，还存在于烧结-高炉生产环节间的大循环中，由含锌泥尘带入烧结矿的锌是造成高炉锌循环富集和产生危害的根源。
2、碱金属在高炉中的危害碱金属以硅铝酸盐和硅酸盐形式存在，这些碱金属熔点很低，在800-1000℃之间就都能熔化，进入高温区时，一部分进入炉渣，一部分则被C还原成K、Na元素，由于K、Na元素沸点只有799℃和822℃，因此还原出来后气化混入煤气，大部分被CO2氧化为碳酸盐。
在高炉上部的中低温区，K、Na以金属盒碳酸盐形式进行循环和富集，部分以氰化物形式循环和富集。
碱金属在高炉中能降低矿石的软化温度，使矿石尚未充分还原就已经熔化滴落，增加了高炉下部的直接还原热量消耗；能引起球团矿的异常膨胀而严重粉化；能强化焦炭的气化反应能力，使反应后强度急剧降低而粉化，造成料柱透气性严重恶化，危及生产冶炼过程进行；液态或固态碱金属粘附于炉衬上，既能使炉墙严重结瘤，又能直接破坏砖衬，碱金属氧化物与耐火砖衬发生反应，形成低熔点化合物，并与砖中Al2O3形成钾霞石、白榴石体积膨胀，使砖衬剥落，研究表明，炉腹、炉腰和炉身中下部的砖衬破损，碱金属和锌的破坏作用约占40%。
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已知后可检测参数来制定高炉碱负荷的上限值得量化方法，
对细化和定量控制碱金属入炉量有重要意义。 2、适当提高入炉焦炭质量，合理控制筛分效果，降低 小粒级焦炭入炉，提高焦炭M40、相应降低焦炭M10，减 少焦炭遭受的破坏程度。
3、鉴于碱金属和煤气流分布存在相关性，关注炉内气 流分布情况，合理调整两股煤气流，避免碱金属局部严重 富集，破坏焦炭料柱现象。
5、确保入炉原料的粒度和冶金性能，降低碱金属在炉 内的循环富集。 6、生产上为防止因碱金属富集引起的炉墙结厚或炉况
失常，不定期疏松边缘气流。
7、适当降低煤比、减少原燃料入炉粉末，提高煤粉的 燃烧性和料柱透气性。 8、高炉结合生产实践，制定合理的定期排碱计划。
六、结语
由于碱金属对高炉长寿的影响较大，各钢铁企业需结 合自身原燃料情况，制定合理的碱负荷，生产中严格按照 标准控制，延长高炉寿命。
4、碱金属和煤气流分布存在相关性，往往煤气流越发
展的地方碱金属的富集量越大，软熔带区域焦窗是气体流 过的主要通道，此区域碱金属富集情况尤为严重。
四、问题处理建议
1、基于高炉软熔带碱富集最严重、透气性最差，焦炭 是碱金属破坏的主要对象，建议生产实践中通过入炉碱金 属负荷、焦比、炉渣排碱率、炉尘排碱率、焦炭抗碱性等
二、生产中存在的问题
生产中存在的问题主要是： 1、不能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？
三、问题探究
整理分析国内外几大钢铁企业的高炉碱金属富集调研 结果，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。 2、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。矿石和焦炭中的碱金属含量在碱富集严重区域 开始存在明显的差别。
3、通过风口焦炭取样发现，炉缸中焦炭的恶化明显大 于焦炭气化反应测试的结果，且粒度小的焦炭中碱金属含 量往往偏高。
浅析碱金属对高炉 的影响
顾炎炜 2016.10.09
一、前言
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，对于高炉生产实践来说，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。
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。
五、定期排碱措施
1、提高炉况顺行程度：控制炉内气流分布，适当发展 中心气流，利于碱金属的排出。 2、适当提高铁水含Si：在确保物理热充足、炉况顺行
程度较好时，适当提高生铁含S，提高铁水流动性，易于渣
铁分离和碱金属的排出。 3、在炉况允许情况下，适当降低炉渣二元碱度，生产 中控制合理的炉渣成份，在满足生产需要前提下，适当降 低炉渣二元碱度、提高生铁含S，利于碱金属的排出。
讲课人：顾炎炜