碱金属对焦炭质量影响的研究及对策

碱金属对焦炭质量影响的研究及对策

陈艳波¹ 郑朋超¹陈辉² 武建龙²

1首钢京唐钢铁联合有限责任公司

2 首钢技术研究院

摘要：通过深入开展试验研究，对比碱金属对焦炭质量的具体影响，及根据京唐高炉的生产实际，提出降低碱害的对策。

关键词：  碱金属  焦炭  劣化

1、  前言

随着富氧喷煤技术的发展,焦炭的还原剂、发热剂、渗碳的作用已部分被喷吹煤粉所取代, 但是作为料柱骨架, 保持料柱在高炉冶炼过程中具有良好的透气性是不能取代的,焦炭作为料柱骨架作用的效果好坏直接关系到高炉的顺行状态和经济技术指标，而评价焦炭骨架作用的重要指标之一的便是焦炭粒级，京唐高炉的实际入炉焦炭粒级与同类型高炉相比偏小，特别是在碱金属与锌负荷比较高的情况下，使焦炭的劣化更加严重，造成高炉压差高，对高炉的日常操作及指标的进一步提升形成一定的困难。

表1 国内部分4000m3以上高炉主焦炭筛网尺寸比较

通过与国内部分4000m3以上的大高炉相比，京唐高炉的主焦炭筛网尺寸明显偏小。

表2 京唐高炉2016年1-7月主要经济指标情况

京唐高炉通过调煤气，优化基本制度等措施来积极应对碱害的影响，保持了经济指标的稳定提升。

2、  碱金属与锌对焦炭劣化的试验研究

高炉碱金属主要有K、Na。由于Zn在高炉中的行为与K、Na相似，因此实际生产中将Zn也划入碱金属范围，生产中所指入炉碱金属、锌含量一般指吨铁K2O、Na2O、ZnO的含量，用kg/t表示。

2.1、  碱金属对焦炭劣化的影响

碱金属与锌对炉况顺行的影响主要体现在降低矿石软化温度、促使球团粉化和加速焦炭劣化等方面，通过整理分析首钢高炉在碱金属富集方面调研的结果^[1-2]，可以发现基本存在着以下2个规律:一是碱金属富集最严重的区域是软熔带，碱金属自炉身以下富集量才开始明显增多，软熔带为碱富集最严重区间，且软熔带下缘碱富集量达到最大，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。二是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，在软熔带矿石中碱金属含量为1.3%-2.22%，其富集率是入炉前的7-12倍；焦炭中碱金属含量为4.1%-6.64%，其富集率是入炉前的26.3-42.6倍，可见焦炭是碱金属富集的重要载体。此外，京唐高炉通过检修时风口焦取样分析发现，从2011年6月开始，距风口前端0.5m-2.5m范围内焦炭的平均粒径从17mm降至14mm左右，粒度降解百分比从65%增加到75%以上，炉缸中实际焦炭的劣化情况明显大于焦炭气化反应测试结果，且粒度小的焦炭中碱金属含量较高，更加证明了碱金属对焦炭的劣化过程。

目前关于碱金属对焦炭的劣化影响研究一般用浸煮法或蒸汽法将碱金属引入焦炭试样，然后按照JIS测定标准，研究碱金属对焦炭热强度的影响。碱金属在炉缸区域主要以硅酸盐形式存在，在炉腹炉腰及炉身下部主要以单质蒸气形式存在，在炉身中上部主要以碳酸盐形式存在。由此可见，以往将碱金属碳酸盐或氧化物富集在焦炭上进行熔损试验可用以反映碱金属在炉身中部对焦炭劣化影响，但是在大于1000℃的炉身下部及炉腰炉腹区域，碱金属主要以单质蒸气而非碳酸盐或氧化物形式存在，因此设计高温下钾、钠单质蒸气在焦炭上的吸附试验和碱金属蒸气存在时的焦炭熔损反应试验，对研究高炉炉身下部及炉腰炉腹区域碱金属对焦炭的劣化和催化作用才有更实际的意义。

首钢技术研究院研究人员通过高温下钾、钠单质蒸气在京唐公司生产的焦炭上的吸附试验和碱金属蒸气存在时的焦炭熔损反应试验得出随着实验中碱蒸气浓度的提高，K和Na在焦炭上的吸附量也逐渐增大，两者基本呈线性关系。但不管在低浓度还是在高浓度，Na的吸附量始终要高于K。京唐原始焦炭质量非常好，CRI为19.68%，CSR为74.22%，在全国属于领先水平。然而在1.5%K气氛中进行溶损反应时，焦炭的CRI高达37.26%，提高了17个百分点，而CSR也降到了64.87%，下降了9.35个百分点。在1.5%Na气氛中，CRI也达到了36.03%，CSR下降到了67.19%。可见，尽管入炉焦炭的指标非常好，但是当反应处在碱金属气氛中，焦炭质量就变的很差，优秀的指标不复存在，如图3所示。

2.2、  锌对焦炭劣化的影响

目前关注锌在高炉中危害主要是影响高炉长寿和由于粘结导致的炉况失常方面，我们结合首钢技术研究院技术人员通过实验研究了锌对焦炭的劣化影响，由不同锌含量的焦样反应性及反应后强度结果比较可知，见表3，锌吸附量低于0.1%时，对焦炭反应性及反应后强度影响很小，随着锌吸附量的增大，锌对焦炭的溶损反应催化作用更强烈，焦炭反应性不断增强，反应后强度降低。吸附0.67%锌的焦样反应后强度比原焦低了约11个百分点。

表 3 不同锌吸附量的焦炭反应后强度

吸附不同锌量的焦样的反应性都会随着锌量的增加而有不同程度的增加，反应后强度随着锌量的增加而降低。锌对焦炭强度产生影响的原因，是锌促进焦炭的溶损反应，锌并不会因为吸附到焦炭上而直接对其强度产生明显影响。

3、  碱金属来源

2014年1-7月京唐两座高炉入炉碱金属平均3.92kg/t(最高4.558)，入炉锌负荷平均

0.435kg/t（最高0.545），4月京唐两座高炉碱金属平均4.558kg/t，锌负荷0.415kg/t，以2014年4月为例，对碱金属及锌来源进行分析：

3.1、  碱金属来源

由上图可以看出，烧结矿、球团矿带入比例较高，分别为35.65%和45.39%，其它入炉料：焦炭占10.43%，煤粉占5.19%，钛球占1.79%，澳矿占0.71%。

3.2、  锌来源

由上图可以看出，烧结矿带入锌最高，为73.87%，其它入炉料：球团矿19.18%，焦炭1.62%，钛球2.18%，煤粉0.39%，澳矿2.30%。

4、  降低碱害的措施

   通过详细比照，从矿粉开始做整个炼铁的入炉料碱金属及锌负荷的收支平衡情况，采用停配部分固废、适当减配部分碱金属含量高的矿粉，保证入炉有害不再升高，并从炉内方面积极调整应对

4.1、  控制入炉原料，把好原料关，保证入炉有害不再升高

从高炉碱金属的来源分析中，烧结带入比例最高，实际研究中，对混匀矿中各种矿粉带入的比例进行详细分析，在平衡铁水成本与入炉有害的前提下，对带入碱金属较高的矿粉适当降低配比。

4.2、  定期排碱，增大炉渣排出的碱量

①降低炉渣碱度。在一定的炉温下，随炉渣碱度降低，排碱率相应提高。理论研究认为自由碱度±0.1，影响渣中碱金属氧化物0.30%,目前京唐高炉炉渣碱度在排碱时控制不大于1.15，正常时碱度控制在1.2左右。

②提高渣中MgO含量，可以降低K₂O、Na₂O活度，渣中MgO提高，排碱率提高。理论研究认为渣中MgO±1%，影响渣中碱金属氧化物0.21%。而京唐高炉目前通过生产高镁球团，将渣中MgO含量由之前的7%以下控制到现在的8%左右。

4.3、  保持中心煤气开放的同时，适当疏导边缘煤气

    大高炉炉缸直径大，下部需要较高的风速和动能来保持炉缸活跃，同时上部装料根据实际原料情况，采用中心加焦的装料模式来保证中心煤气的开放，做到“上引下吹”。经济配料后，原料条件相对会有所变差，入炉碱金属及锌含量会升高，这时生产中就需要保持一定开度的边缘煤气，如果边缘煤气过重，可能会发生炉墙粘结，不利于炉况的顺行，因此日常基本制度的匹配中，在原料条件变差后，适当保持相对开放的边缘煤气显得更加重要。

   在保证焦炭质量方面，特别是对于大高炉，对焦炭的要求更高。在日常生产中，对主焦煤资源的锁定及优化，避免配加其它杂质，特别是回收物要慎用，这对于稳定焦炭质量具有较好的作用。另外，在评价焦炭质量方面，也可以定期进行风口取焦，研究风口焦粒度、渣铁滞留量、高透气性区长度等参数，来评判焦炭质量的实际变化。

5、  结语

（1）通过实验研究可以证明，碱金属会促使焦炭严重劣化，影响高炉透气性，使高炉压差升高，因此需要格外重视，在平衡铁水成本的前提下，需要控制一定的入炉量。

（2）碱金属可以通过降低炉渣碱度、提高渣中MgO含量的方式来提高炉渣排碱率。

（3）锌主要通过旋风灰和干法灰带走，带走比例约31%左右，而炉渣带走锌的量非常有限，锌在炉内剩余量较大，目前只能通过源头来控制。

（4）面对碱金属较高的问题，从基本制度方面，在保持中心开度的同时，与之前比，要适当提高边缘煤气的开度来获得炉况的稳定顺行。

参考文献：

[1] 程树森，余松，马金芳，万雷，齐宏涛.区分和控制钾、钠对高炉冶炼的不利影响 [J].炼铁,2011, 30(1):40-41.

[2]竺维春,张雷松,马丽．高炉炉缸径向焦炭碱金属变化及其对焦炭性能影响的研究[J]．钢铁，2009，44(6)：20-23．