邯鋼5號(hào)高爐排堿冶煉生產(chǎn)實(shí)踐

張澤潤(rùn)  劉朝青

（河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼公司煉鐵部  河北邯鄲  056015）

摘  要：對(duì)邯鋼5#高爐入爐原燃料堿金屬含量堿負(fù)荷排堿率進(jìn)行了檢測(cè)和測(cè)算，高爐堿金屬負(fù)荷為3.8kg/t，高爐渣排堿率為76.81%。經(jīng)過(guò)對(duì)堿金屬的研究及采取應(yīng)對(duì)措施，從控制原燃料入手，并配合優(yōu)化高爐操作和控制合理的煤氣流分布，最終爐渣排堿率提高到80%以上，能夠消除堿金屬的危害，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)良好。

關(guān)鍵詞：高爐；堿金屬；排堿；措施

1 堿金屬對(duì)高爐生產(chǎn)的影響

由于邯鋼煉鐵規(guī)模的迅速擴(kuò)大，煉鐵技術(shù)也逐漸向精細(xì)化方向發(fā)展。也就意味著高爐冶煉對(duì)原料的要求更加苛刻，除了對(duì)原料的品位雜質(zhì)含量機(jī)械強(qiáng)度，燃料的化學(xué)成分焦炭的冷強(qiáng)度和熱強(qiáng)度等有更高的要求外，原料中堿金屬含量的控制也變得尤為重要^[1-3]。

堿負(fù)荷是指堿金屬負(fù)荷，是生產(chǎn)每噸鐵爐料帶入高爐的堿金屬的量。堿金屬在高爐中循環(huán)，破壞焦炭和鐵礦石強(qiáng)度，易結(jié)瘤，加速侵蝕耐火材料，進(jìn)入高爐的堿金屬主要是鉀、鈉。鉀的熔點(diǎn)為63.25℃沸點(diǎn)為758℃，鈉的熔點(diǎn)為97.83 ℃，沸點(diǎn)為883℃，它們都是較活潑元素空氣中易被氧化，在自然界以復(fù)雜化合物的形式存在，鉀和鈉分別以硅酸鹽的形式隨高爐爐料進(jìn)入高爐并在高爐中發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而對(duì)高爐生產(chǎn)產(chǎn)生一定影響^[4]。

1.1 惡化焦炭冶金性能

從高爐煉鐵發(fā)展來(lái)看，焦炭作為高爐燃料起著舉足輕重的作用。首先入爐原料溫度較低，焦炭用作發(fā)熱劑，還原反應(yīng)發(fā)生時(shí)用作還原劑，同時(shí)起著骨架和滲碳劑的作用。為確保高爐冶煉的順利進(jìn)行，要求焦炭有適宜的反應(yīng)性。研究發(fā)現(xiàn)^[5-6]，隨著堿金屬的增加，焦炭的反應(yīng)性增強(qiáng)，堿金屬濃度越大，焦炭的反應(yīng)性就越大。主要是因?yàn)檫M(jìn)入高爐的堿金屬在高爐下部高溫區(qū)揮發(fā)成堿蒸氣，隨煤氣向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)煤氣通過(guò)焦炭時(shí)，焦炭會(huì)吸附煤氣中的堿金屬使其本身的含堿量增加，由于堿金屬對(duì)反應(yīng)C+CO₂=2CO有催化作用，從而使得焦炭的氣化反應(yīng)加速，焦炭的強(qiáng)度明顯降低，焦炭塊度減小，產(chǎn)生較多的碎焦和焦粉，從而使高爐的透氣性變差，影響高爐生產(chǎn)。

1.2 影響高爐順行

堿金屬隨爐料下降過(guò)程中會(huì)被還原，形成的堿蒸汽隨煤氣上升，與下降的燒結(jié)礦中某些物質(zhì)反應(yīng)形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽，降低燒結(jié)礦的強(qiáng)度和熔點(diǎn)，使得軟溶帶上升，熔融層加厚，煤氣阻力加大，形成結(jié)瘤，影響高爐順行。同時(shí)由于堿金屬促進(jìn)了焦炭氣化反應(yīng)，導(dǎo)致焦炭強(qiáng)度降低，粒度減小，影響了軟溶帶以下高爐的透氣性，造成高爐壓差升高引起的崩懸料次數(shù)增多，使得渣鐵流動(dòng)性變壞，造成爐況異常。

1.3 侵蝕高爐爐襯

高爐長(zhǎng)壽的重點(diǎn)是高爐爐襯，對(duì)于高爐爐襯，不同煉鐵廠從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)都選擇使用耐火磚襯。研究發(fā)現(xiàn)，堿金屬對(duì)高爐不同部位幾乎都有所侵蝕，特別是對(duì)高爐中段(爐身下部、爐腰及爐腹)和高爐下段(爐缸、爐底)的侵蝕較嚴(yán)重。隨原料入爐的堿金屬經(jīng)還原形成堿蒸汽，溫度低于900℃時(shí)，與C與O₂發(fā)生反應(yīng)3/4K（Na）+2/3C+O₂=2/3K₂CO₃（Na₂CO₃）生成堿金屬碳酸鹽，由于固體碳酸鹽是由氣相直接形成的，它們的粒度很細(xì)小，很大一部分隨煤氣流帶走，另外一部分與石墨炭同時(shí)滲入磚縫或磚襯氣孔中而沉積，導(dǎo)致磚襯異常膨脹。此外，使?fàn)t體磚產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，降低爐體磚的強(qiáng)度最終引起磚襯疏松，再加上煤氣流的作用，致使磚襯易于剝落，侵蝕爐襯。

1.4 堿金屬在高爐內(nèi)的循環(huán)富集

   對(duì)于堿金屬的循環(huán)，參與的物質(zhì)主要有堿金屬蒸汽、堿金屬氰化物、堿金屬碳酸鹽、堿金屬硅酸鹽。堿金屬蒸汽、堿金屬氰化物和堿金屬碳酸鹽在隨高爐煤氣上升的過(guò)程中，它們會(huì)沉積在爐料和內(nèi)襯上，來(lái)不及沉積和反應(yīng)的堿化物隨爐塵從爐頂排出。沉積在爐料上的堿化物到達(dá)高溫區(qū)后，將再次被還原揮發(fā)，還原和揮發(fā)的堿金屬又重新進(jìn)入向上運(yùn)動(dòng)的煤氣流，重復(fù)進(jìn)行上述過(guò)程。在高爐內(nèi)，堿金屬的循環(huán)到一定程度后，就會(huì)形成堿金屬的富集，這樣更加劇堿金屬對(duì)高爐冶煉的危害。

2 邯鋼5#高爐入爐堿負(fù)荷分析

通過(guò)測(cè)定邯鋼5#高爐入爐原料的堿金屬含量，測(cè)算入爐堿負(fù)荷，確定合理的堿負(fù)荷臨界值，最終制定合理的控制堿負(fù)荷和排堿措施。

2.1  邯鋼5#高爐原料堿金屬含量

由于受成本壓力的影響，原料中高堿粉比例的增加，是造成高爐入爐堿負(fù)荷增加的主要原因。圖1為邯鋼原料中堿金屬變化曲線圖，由圖1可知，邯鋼高堿粉中K、Na含量多次超限，直接造成入爐原料堿負(fù)荷的增加。

圖1  邯鋼原料中堿金屬變化曲線圖

   表1為邯鋼5#高爐入爐原料堿金屬含量測(cè)定值。由表1可知，無(wú)煙煤的堿金屬含量最高在0.259%～0.27%之間；焦炭的堿金屬含量也相對(duì)較高在0.161%～0.210%之間；球團(tuán)礦的為0.202%，相較于燒結(jié)礦的0.132%～0.175%堿金屬含量較高；澳礦的堿金屬含量為0.033%，明顯低于南非礦的堿金屬含量0.121% 。

表1  高爐原料堿金屬含量/%

2.2 邯鋼5#高爐入爐料堿負(fù)荷

表2為高爐入爐料堿負(fù)荷測(cè)算。由表2可知，高爐堿負(fù)荷主要由燒結(jié)礦和焦炭帶入，其中燒結(jié)礦為39.73%，焦炭為22.37%，兩者合計(jì)62.10%。高爐入爐堿負(fù)荷為3.8kg/t，高于邯鋼的控制限量值。

表2  高爐入爐堿負(fù)荷

2.3 高爐堿金屬支出

表3為高爐堿金屬支出情況測(cè)算。由表3可知，高爐堿金屬支出主要是通過(guò)爐渣和布袋灰，爐渣為76.81%，布袋灰為19.95%，兩者合計(jì)96.76%。整體排堿率為97.63%，排堿能力較弱。燒結(jié)礦和焦炭是高爐堿負(fù)荷的主要來(lái)源，應(yīng)采取措施降低堿負(fù)荷的入爐量并做好排堿措施。

表3  高爐堿金屬支出

3 堿負(fù)荷的控制方法和排堿措施

3.1降低入爐堿金屬的含量

邯鋼5#高爐的堿金屬負(fù)荷大于一般的堿金屬負(fù)荷限量值(3.5kg/t)，會(huì)對(duì)高爐冶煉帶來(lái)不利影響，降低入爐堿金屬負(fù)荷時(shí)控制堿金屬對(duì)高爐危害的有效措施之一。高爐中的堿金屬主要是通過(guò)燒結(jié)礦和焦炭帶入的，減少燒結(jié)礦和焦炭中的堿金屬含量，入爐堿金屬量明顯降低。

（1）控制燒結(jié)礦的堿金屬含量

燒結(jié)礦帶入高爐堿金屬占高爐堿負(fù)荷的39.73%，燒結(jié)原料的堿金屬負(fù)荷較高，降低燒結(jié)原料堿金屬負(fù)荷時(shí)減少燒結(jié)礦中堿金屬含量的有效方法，應(yīng)從燒結(jié)原料著手采取以下措施：

1）采用含堿低的鐵礦石，定期檢測(cè)鐵礦石中堿金屬的含量，通過(guò)配礦盡可能降低入爐堿負(fù)荷。

2）優(yōu)化燒結(jié)配料，減少高氯原料的配用。

3）燒結(jié)工序過(guò)程中對(duì)堿金屬進(jìn)行脫除。對(duì)機(jī)頭除塵灰進(jìn)行脫堿處理后，阻斷堿金屬在燒結(jié)工序的循環(huán)。

4）減少高爐高爐重力灰和布袋灰的使用，降低燒結(jié)礦中的堿負(fù)荷。

（2）控制焦炭帶入的堿金屬

焦炭帶入的堿金屬占邯鋼5#高爐堿金屬負(fù)荷的22.37%，控制焦炭帶入的堿金屬的量也是控制高爐堿金屬負(fù)荷的有效措施。

1）采用堿金屬含量較低的焦炭，焦炭的堿金屬含量低，其冶金性能一般較好。

2）使用用C高、灰分低，揮發(fā)分適當(dāng)，S、P低，反應(yīng)性較低，粒度均勻的焦炭。

3.2 提高爐渣的排堿能力

在現(xiàn)有的技術(shù)和工藝條件下，高爐渣排堿是高爐排堿的主要方法。邯鋼5#高爐爐渣排堿能力為76.81%，低于公認(rèn)的最低排堿率80%。提高爐渣的排堿能力，是減少堿金屬對(duì)高爐生產(chǎn)危害的有效措施。

（1）控制合理的爐渣堿度

研究表明，隨著爐渣堿度升高，爐渣排堿率下降；堿度越高，其排堿率越低，堿度低有利于高爐排堿。二元堿度增加有利于脫硫但不利于排堿，5#高爐爐渣的二元堿度長(zhǎng)期保持在1.22~1.25之間，爐渣的脫硫能力較強(qiáng)，鐵水的硫含量相對(duì)較低，一級(jí)品率達(dá)到99%以上。但當(dāng)高爐排堿的特殊時(shí)期，爐渣堿度降低到1.2左右，爐渣排堿效果增加明顯。

1）縮短高爐出渣周期，增加放渣次數(shù)

減少高爐渣在高爐爐缸停留的時(shí)間，可有效減少堿金屬硅酸鹽在爐渣中的還原和揮發(fā)，提高爐渣排堿能力。邯鋼5#高爐堅(jiān)持每天出12次鐵的生產(chǎn)周期，適當(dāng)改變打泥量和開(kāi)口鉆頭大小來(lái)穩(wěn)定出鐵時(shí)間。

2）提高渣鐵比

考慮到渣量的增大對(duì)煉鐵成本的影響，邯鋼5#高爐渣鐵比維持在340kg/tFe~350 kg/tFe之間，能較好的滿足脫硫要求。在特殊情況下，高爐排堿時(shí)期渣鐵比增加到360kg/tFe以上，對(duì)高爐排堿起到很好的效果。

3）適當(dāng)提高鎂鋁比

在一定范圍內(nèi)，MgO可以提高爐渣的脫硫能力，而Al₂O₃則反之，由于這兩種爐渣主要組分對(duì)爐渣冶金性能性能的影響正好相反，故引入鎂鋁比（w(MgO)/w(Al₂O₃)）這個(gè)概念。在限定條件下，隨著鎂鋁比的提高，渣相由熔點(diǎn)較高的鎂鋁尖晶石（MgO·Al₂O₃）和鋁酸一鈣（CaO·Al₂O₃）逐漸向黃長(zhǎng)石（2CaO·MgO·Si O₂和2CaO·Al₂O₃·Si O₂）區(qū)域移動(dòng)，液相區(qū)域增加，爐渣流動(dòng)性、溶化性均提高，爐渣的排堿脫硫能力隨之提高。

圖2  邯鋼5#高爐爐渣w(MgO)/w(Al₂O₃)變化折線圖

圖2是邯鋼5#高爐爐渣w(MgO)/w(Al₂O₃)變化折線圖。由圖2可知，進(jìn)入2016年6月份，鎂鋁比持續(xù)增加，基本穩(wěn)定在0.5以上，爐渣的冶金性能較好，對(duì)爐渣排堿起到促進(jìn)作用。

3.3優(yōu)化高爐操作并控制合理的煤氣分布

在高爐冶煉過(guò)程中，煤氣是堿金屬傳遞的主要介質(zhì)。在高爐的日常操作中，主要以發(fā)展中心氣流和維持合適的邊緣氣流為目的，當(dāng)入爐堿負(fù)荷增加時(shí)，應(yīng)改變高爐上下部調(diào)劑制度，增加風(fēng)速，以吹透中心，增加堿金屬隨煤氣排出量為技術(shù)思路，對(duì)于堿金屬較高的燒結(jié)礦，應(yīng)減少在邊緣的分布，防止堿金屬富集破壞高爐爐襯并形成壁體結(jié)瘤。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)邯鋼5#高爐進(jìn)行了堿金屬元素平衡計(jì)算，高爐堿金屬主要由燒結(jié)礦和焦炭帶入，高爐排堿主要是爐渣排堿，邯鋼5#高爐爐渣排堿率為76.81%，排堿率較低。高爐在排堿期間，爐渣的排堿率不高是導(dǎo)致堿危害的主要原因，受堿金屬的影響，高爐生產(chǎn)不順，技術(shù)指標(biāo)較差。

（2）通過(guò)實(shí)施控制邯鋼5#高爐堿金屬負(fù)荷，其危害得到了控制，高爐爐況順行，各

項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)良好。

（3）在原料充足的情況下，為解決堿金屬的循環(huán)富集，應(yīng)制定相應(yīng)的入場(chǎng)原料含量標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙秀華,王華. 柳鋼高爐堿金屬危害的防控措施[J]. 煉鐵,2016,35(2):47-49.

[2] 司俊朝,魏航宇. 邯鋼高爐有害元素的分布及控制[J]. 煉鐵,2016,35(1):54-57.

[3] 王挽平. 承鋼2500 m~3高爐堿金屬負(fù)荷的研究及應(yīng)對(duì)措施[J]. 河北冶金,2012,53(10):3-6+12.

[4] 伍世輝,劉三林,李鮮明. 韶鋼6號(hào)高爐堿金屬危害的控制[J]. 煉鐵,2009,28(1):39-41.

[5] 張勇，呂慶，李福民，等.石家莊鋼鐵公司高爐內(nèi)堿金屬循環(huán)[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào),2007, 29(2): 32-38.

[6] 張賀順，馬洪斌.首鋼高爐鋅及堿金屬負(fù)荷的研究f Jl.鋼鐵研究，2010, 38(6): 51-55.