基本介紹
- 中文名：爐渣排鹼
- 外文名：removing alkalis with slag
- 學科：冶金工程
- 作用：減少鹼金屬對高爐的危害
- 工作內容：將鹼金屬轉入爐渣
- 方法：低爐渣鹼度
發展研究,鹼金屬在高爐內的行為,
發展研究
高爐中的鹼金屬問題早在100多年前就有人發現並在文獻中作了論述。1845年布恩森（Bunsen）最早進行了高爐內鹼金屬氰化物的生成試驗。1882年貝爾（I．L．Bell）更確切地指出高爐內鹼金屬的存在狀況，並肯定了鹼金屬在高爐記憶體在著循環富集問題。1905年路德維哥（T．Ludwig）論述了鹼金屬對高爐爐襯的侵蝕和影響。這些早期的工作都指出了鹼金屬對高爐操作、爐襯侵蝕及壽命等的不良影響。但那時尚未提出解決鹼金屬問題的有效辦法。20世紀60年代以來，世界上對鹼金屬問題有了不少新的研究，在高爐生產中對爐渣排鹼技術創造和積累了大量行之有效的實踐經驗，從而也深化了對爐渣排鹼的認識。
鹼金屬在高爐內的行為
鹼金屬多以鉀、鈉的複合矽酸鹽形式進入高爐，大部分通過爐渣排出爐外，小部分隨爐頂煤氣以爐塵形式排出爐外，一部分被高爐耐火材料吸收，一部分在爐內參與循環積累。當入爐鹼金屬量不大和冶煉操作適當時，鹼金屬的循環積累量很小，對高爐冶煉的影響不明顯。但當入爐的鹼金屬量過多，高爐操作措施不當，循環積累數量顯著增加時，高爐便會失常。鹼金屬對高爐的危害主要表現是：降低焦炭強度、增加礦石的爆裂和粉化，使爐內料柱透氣性惡化；侵蝕破壞耐火材料，使爐襯壽命縮短；由煤氣分布失常發展成懸料、崩料直至結瘤等。
鹼金屬的化學變化和循環積累 鉀、鈉兩種鹼金屬在高爐內具有相似的化學變化和富集過程，對高爐具有相似的作用。在高爐內隨著爐料的下降和溫度的升高，從爐料中的矽酸鹽分解出來的氧化鉀被碳還原成金屬鉀：
K2O+C=2K+CO
根據熱力學計算，在溫度超過815℃時反應（1）向生成金屬鉀的方向進行。但因金屬鉀的氣化溫度是766℃，所以在高爐中被還原生成的金屬鉀就會立即成為氣態鉀並隨著高爐煤氣上升。在上升過程中由於溫度下降，反應（1）向左進行，氣態鉀又被CO氧化生成K2O和C，即形成鹼金屬氧化物的固態微粒和固體碳微粒。這些小微粒一部分附著在爐牆上，另一部分附著在焦炭和礦石等爐料上。附著在爐料上的K2O固體微粒，又隨爐料再下降到爐子的高溫區，又重新被碳還原生成氣態鉀，此氣態鉀再度隨煤氣上升，再度被氧化為K2O固體微粒，就這樣經歷相同的途徑進行鹼金屬的循環。這種循環的結果，使鹼金屬在爐內的含量不斷地富集和積累。在操作措施不當的情況下這種循環積累增加到一定程度時，將出現鹼金屬引起的一系列危害。
鹼金屬的循環富集給高爐操作帶來困難的反應存在著矽酸鉀循環、碳酸鉀循環和氰化鉀循環等三種，其中的矽酸鉀循環實質上也是氧化鉀的循環。決定高爐內鹼金屬循環的基本環節是生成氣態鉀。氣態鉀又反過來促成K2O或K2SiO3的循環、K2CO3的循環和KCN的循環。至於更科學的解釋尚待進一步深入研究。
在高爐中鈉與鉀具有非常相似的化學反應。但鈉的各種反應溫度都高於鉀的反應溫度，如Na2O在高於1020℃時才能被碳還原，生成的金屬鈉在890℃才開始氣化。雖然在高爐內鉀鈉以同樣的方式進行循環積累，但一般情況下進入高爐的鉀量比鈉量大，而且從生產高爐上取樣分析的結果表明：爐身中溫區鹼金屬總量中4/5是鉀，爐塵中主要是鈉，爐頂煤氣中Na2O的量約為入爐量的55%，而K2O的量只有15%，所以相比之下鈉對高爐的危害不像鉀那樣大。
鹼金屬的作用
鹼金屬對高爐爐襯和爐料的作用 鉀在高溫區氣化後沿爐身向上運動並與CO反應生成K2O和C的固體微粒後可以發生如下幾類作用：（1）一部分微粒附著於高爐上部溫度較低的爐牆上並逐步粘結使爐牆結厚或形成爐瘤。爐瘤中的K2O再與高爐煤氣中的CO2反應形成質地堅硬且難於去除的K2CO3，此K2CO3在900℃以下相當穩定。（2）一部分微粒附著於焦炭上，在焦炭下降過程中K2O與焦炭中的碳及煤氣中的N2生成了KCN，而KCN在622～1625℃的廣闊溫度區間內均呈液態存在，此液相KCN使焦炭的孔隙度降低，影響了料柱的透氣性。（3）一部分微粒凝聚在鐵礦石上，在鐵礦石下降升溫過程中K2O與氧化鐵反應形成（K2O）2Fe2O3、（K2O）4Fe2O3和K2FeO2等化合物，隨著它們被CO還原引起了礦塊的膨脹和爆裂，同時也降低了礦石的熔點。如果氧化球團內的SiO2含量很低，則此球團極易受K2O的侵害，K2O對SiO2含量很低的鐵礦石也起粉化作用。
中國高爐的鹼金屬問題
中國有許多高爐使用含鹼金屬爐料冶煉，涉及的地區廣，主要有烏魯木齊、包頭、酒泉、宣化、蘇州、武漢及鄂城、漣源和昆明等從西北到東南的廣闊地帶。這些地區高爐的鹼負荷（每煉1t鐵由爐料帶入爐內的鹼金屬量，以K2O與Na2O之和表示）從5～6kg/t鐵到17～25kg/t鐵，遠遠超出別國一般為2～3kg/t鐵的控制量。70年代末和80年代初鹼金屬的危害比較普遍和突出，據包頭鋼鐵稀土公司、新疆鋼鐵公司、蘇州鋼鐵廠和首都鋼鐵公司等進行的測定表明，這些廠的高爐內普遍存在著鹼金屬的循環富集現象。例如包頭鋼鐵稀土公司在55m高爐上專門進行的測定，其爐身下部礦石中K2O的平均含量為入爐料K2O含量的7～9.6倍。
在這樣的鹼負荷範圍下進行冶煉對高爐引起的鹼金屬危害可歸納如下3點：
（1）降低了爐料透氣性造成氣流分布失常和難行、懸料。特別是在原燃料質量差、鹼負荷高、爐渣鹼度高的情況下更易出現氣流分布失常，直至形成懸料難行。
（2）高爐易於結瘤。在高爐結瘤的許多複雜原因中，鹼金屬是其中一個重要的原因。由於在爐內循環富集過程中將生成一些熔點很低的鹼金屬化合物如KCN、KF和K2CO3等，其熔點分別為 662℃、850℃和901℃，使爐料過早地局部軟化和熔融，當溫度波動時容易粘結在爐牆上。在邊緣氣流過剩時，鹼金屬被黏土質耐火材料吸收結成爐瘤。中國一些高爐的爐瘤取樣中含K2O一般為8%～19%，有的高達36%，含Na2O1%～13%。
（3）使耐火磚膨脹、爐殼開裂、爐缸爐底燒穿。蘇州鋼鐵廠在高爐爐身、爐腰和爐底耐火磚取樣中，K2O的含量為10%～35%，Na2O含量為0.48%～1.31%。侵入鹼金屬的耐火磚引起的線膨脹平均為9.356%，體積膨脹最大為28.3%～32.45%。昆明鋼鐵廠在1979～1980年3座高爐曾先後發生爐底、爐缸鋼殼開裂和爐缸燒穿事故。該廠4號高爐爐底磚中的K2O含量從邊緣的 0.36%逐漸增加到中心達28.08%，邊緣磚的線膨脹為2%，中心磚的線膨脹普遍在20%以上，最高達37.1%。上述情況說明鹼金屬可以通過一定的渠道侵蝕到高爐爐底。
爐渣排鹼的方法
爐渣排鹼的基本方法可歸納為4種：
（1）適當降低爐渣鹼度。由於K2O在815℃的低溫就被還原且生成氣態鉀，因而很難從高爐爐渣中排出。但熱力學計算表明矽酸鉀（K2SiO3）在1550℃以下是較穩定的。因此在1550℃以下使鹼金屬與SiO2形成矽酸鹽，就有可能進入爐渣從高爐排出，而使渣中具有足夠的自由狀態的SiO2與K2O反應是確保生成矽酸鉀的關鍵。為此要適當降低爐渣鹼度，增加自由SiO2的數量，以確保生成穩定的鉀、鈉矽酸鹽或矽鋁酸鹽並隨爐渣排出爐外。
（2）在降低爐渣鹼度的同時適當提高（MgO）含量。由於MgO具有降低K2O或Na2O在渣中活度的作用，因而在降低鹼度的同時，適當提高渣中MgO含量，可以同時滿足爐渣排鹼和鐵水脫硫的要求。有數據表明在三元鹼度（CaO+MgO）/SiO2不變時，用5%MgO代替5%CaO，爐渣排鹼能力提高20%。
（3）在降低爐渣鹼度的同時適當加大渣量也是有利於爐渣排鹼的措施。對於特殊高爐的爐料有時向高爐內加入河砂、經破碎的河卵石、砂礫或矽石等酸性物可加強爐渣排鹼，特別在洗爐和清除鹼金屬爐瘤時能收到較好效果。但此法一般不宜提倡，因為不如加入酸性礦石更為經濟。
（4）在處理爐瘤的特殊情況下可以在降低爐渣鹼度的同時，發展邊緣氣流靠高溫使鹼金屬較多地從爐頂煤氣排除。
防治鹼金屬危害措施
根據實踐經驗歸納為如下4個方面：
（1）嚴格控制鹼金屬入爐量。對鹼金屬含量高的原料最好與其他不含鹼金屬或含量很少的原料搭配使用，控制鹼負荷小於3kg/t，則對高爐冶煉的危害可大為降低。
（2）高爐冶煉，精心操作。對冶煉含鹼金屬爐料的高爐必須把保持爐況的穩定順行作為首要任務，根據鹼金屬的日常檢驗資料及時調整配料和造渣制度。
（3）選用抗鹼金屬侵蝕能力強的耐火材料作爐襯。爐身下部應以新型碳化矽磚或氮化矽結合的碳化矽磚代替普通黏土磚或高鋁磚，爐缸爐底應採用優質碳磚或碳質爐襯，以防止因鹼金屬的侵蝕造成磚的剝落膨脹。
（4）爐殼的設計需根據耐火磚種類充分考慮鹼金屬對磚襯的膨脹影響，預留適宜的膨脹量。爐體各部的冷卻強度應適應各部的工作特性，防止局部過冷造成結瘤。
