堿金屬對高爐爐料的影響

王自學(xué)，馮 帥，王永林

(河鋼集團(tuán)邯鋼公司，邯寶煉鐵廠，河北 邯鄲 056000)

目前，邯鋼高爐的入爐含鐵原料為燒結(jié)礦、球團(tuán)礦，入爐燃料為焦炭、煤粉，爐料的堿金屬含量較高。高爐冶煉時，在高溫區(qū)堿金屬碳酸鹽被還原，形成堿金屬蒸汽，并隨著高爐煤氣由下而上運(yùn)動，少部分堿金屬隨煤氣和爐塵從爐頂排出，大部分堿金屬會沉積在內(nèi)襯和爐料上。K、Na會加劇CO2對焦炭的氣化反應(yīng)，一方面造成焦炭破損，縮小間接還原區(qū)，擴(kuò)大直接還原區(qū)，導(dǎo)致焦比升高[1-3]；一方面K、Na會加劇球團(tuán)礦災(zāi)難性的膨脹和多數(shù)燒結(jié)礦中溫還原粉化，使氣流分布失常，料柱透氣性變差。堿金屬反復(fù)循環(huán)，危害高爐正常冶煉。因此，研究堿金屬對高爐爐料的影響對高爐正常冶煉有著重要意義。

1 高爐爐料吸附堿金屬的研究

1.1 爐料吸附堿金屬試驗方案

以邯鋼高爐爐料為試樣，模擬高爐料柱對堿金屬的吸附，試驗裝置如圖1所示。采用二硅化鉬棒加熱剛玉管，內(nèi)部放置石墨管作為反應(yīng)管。二硅化鉬爐最高加熱溫度為1600 ℃，試驗反應(yīng)溫度范圍為200～1300 ℃，能夠滿足要求。采用CO-CO2-N2混合氣體模擬高爐爐缸煤氣，以K為例，K蒸汽由K2CO3分解制得。爐料吸附K2O的含量通過原子光譜吸收法測定。

圖1 吸附試驗反應(yīng)裝置示意圖

1.2 溫度對爐料吸附堿金屬的研究

采用邯鋼高爐爐料進(jìn)行試驗，爐料結(jié)構(gòu)中燒結(jié)礦60%、球團(tuán)礦20%，焦炭20%。在200～1300 ℃的試驗條件下，檢測了高爐料柱對堿金屬的吸附情況。使用熱電偶對高溫爐溫度進(jìn)行設(shè)定，見表1。稱取60 g K2CO3試劑放入坩堝1內(nèi)，稱取100 g爐料放入坩堝2內(nèi)，兩坩堝間由透氣耐火磚分隔，試驗時間為3 h。試驗結(jié)果見圖2。

表1 不同溫度下爐料的K2O含量

由圖2可知，不同溫度下爐料吸附堿金屬的含量不同。起初隨著溫度的升高，爐料吸附堿金屬含量逐漸上升，200 ℃時，爐料吸附K2O含量為0.15%，400 ℃時，爐料吸附K2O含量為0.31%，到1100 ℃達(dá)到最大，吸附量2.85%。

圖2 不同溫度下爐料吸附堿金屬的含量

溫度在1100～1300 ℃時，隨著溫度的上升，爐料吸附堿金屬含量逐漸下降，1200 ℃時，爐料吸附K2O含量為2.13%，1300 ℃時，下降到2.10%，爐料不但不吸附堿金屬，而且還揮發(fā)在中溫區(qū)吸附在固體爐料中的堿金屬，形成堿金屬在高爐內(nèi)的循環(huán)，提高焦炭的反應(yīng)性，破壞焦炭的熱強(qiáng)度，惡化高爐的透氣性，嚴(yán)重時造成爐況難行。

1.3 粒度對爐料中溫區(qū)吸附堿金屬的影響

分別選取不同粒度的燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和焦炭進(jìn)行試驗。試驗溫度為900 ℃，時間3 h，煤氣中的堿金屬蒸汽含量為3%，煤氣流動速度為0.02 m/s。試驗結(jié)果如表2和圖3所示，爐料的粒度對其吸附堿金屬的能力影響明顯。

表2 不同粒度的爐料中K2O的含量

圖3 爐料粒度與吸附堿金屬的關(guān)系

由圖3可知，隨著粒度的增加，燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和焦炭吸附的堿金屬含量均減小，但存在一定差異。燒結(jié)礦粒度為4.5 mm時，吸附的K2O含量為1.69%；粒度為11 mm時，吸附的K2O含量為1.48%；粒度增加到17.5 mm時，吸附量僅為0.36%，逐漸下降。球團(tuán)礦粒度為11.5 mm時，吸附的K2O含量為1.09%；粒度上升到17.5 mm時，吸附量下降為0.23%。焦炭粒度為4.5 mm時，吸附量最高，為1.7%；焦炭粒度分別為11.5 mm、17.5 mm，吸附量逐漸下降，分別為1.27%、0.39%。

燒結(jié)礦粒度為11 mm，球團(tuán)礦、焦炭粒度均為11.5 mm時，燒結(jié)礦吸附K2O量為1.48%，吸附量最高，焦炭吸附量為1.27%，球團(tuán)吸附量最少，為1.09%。燒結(jié)礦、焦炭、球團(tuán)礦粒度均為14 mm時，吸附K2O量依次為1.32%、0.84%、0.47%。在同粒度的3種爐料中，燒結(jié)礦吸附的堿金屬含量最大，焦炭次之，球團(tuán)礦最少。

爐料溫度在900 ℃時，燒結(jié)礦具有疏松的多孔結(jié)構(gòu)，造成大量堿金屬蒸汽通過氣孔進(jìn)入燒結(jié)礦機(jī)體并附著在其上。同時，在還原過程中，附著的堿金屬不再僅以簡單的物理吸附形式存在，而部分進(jìn)入FexO晶格，增加了吸附的堿金屬含量；焦炭也是多孔結(jié)構(gòu)，這對吸附堿金屬較為有利，但焦炭在此溫度下不容易與堿金屬發(fā)生反應(yīng)；球團(tuán)礦的結(jié)構(gòu)相對致密，在900 ℃下還原反應(yīng)并不激烈，因此吸附的堿金屬含量較少。

2 堿金屬對焦炭熱性能的影響

試樣為邯鋼高爐使用的焦炭，表面均勻噴灑一定濃度的KOH溶液，在170～180 ℃溫度下烘干2 h。取200 g±0.5 g試樣放入反應(yīng)器底部。開始的升溫速率控制在10 ℃/min左右，當(dāng)料層中心溫度達(dá)到400 ℃時，通入N2，保護(hù)焦炭，防止燒損。溫度達(dá)到1100 ℃時，切斷N2，改通CO2，流量為5 L/min，反應(yīng)2 h。將反應(yīng)后的焦炭放入Ⅰ型轉(zhuǎn)鼓內(nèi)轉(zhuǎn)600 r，取出、篩分、稱量，測得焦炭的CRI和CSR，試驗的結(jié)果如表3和圖4所示。

表3 K2O含量對焦炭的CRI和CSR的影響

圖4 K2O含量對焦炭的CRI和CSR的影響

由圖4可知，焦炭中K2O含量由0.06%升高到0.19%時，焦炭的反應(yīng)性(CRI)由24.83%急劇提高到40.75%，提高了15.92%；反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR)由70.74%下降為54.72%，下降了16.02%。焦炭中K2O含量提高到0.64%，CRI為43.00%，CSR為52.57%。再增加焦炭中K2O含量至1.5%，CRI為46.32%，CSR為49.25%。K2O含量由0.19%增加至0.15%，K2O含量增加了8倍，而CRI僅提高5.57%，CRI僅下降5.47%，說明少量的堿金屬就足以完成焦炭氣化反應(yīng)(C+CO2=2CO)的催化作用。

焦炭反應(yīng)后的強(qiáng)度隨吸附堿金屬含量的增加而下降，這主要是因為焦炭的反應(yīng)性提高，氣化反應(yīng)劇烈，使焦炭氣孔壁迅速變薄，導(dǎo)致焦炭反應(yīng)后的強(qiáng)度降低。同時，焦炭中的堿金屬還與焦炭的石墨機(jī)體形成一系列層間化合物，如KC8、KC6等，這些層間化合物將導(dǎo)致焦炭的體積膨脹，形成KC8時，體積膨脹61%；形成KC6時，體積膨脹12%。體積膨脹會引起石墨機(jī)體產(chǎn)生裂紋促使焦炭崩裂，導(dǎo)致CSR下降。

3 堿金屬對礦石的低溫還原粉化性能的影響

試樣為邯鋼高爐使用的燒結(jié)礦和球團(tuán)礦，表面均勻噴灑一定濃度的KOH溶液，在105±5 ℃的溫度下烘干2 h。稱取500 g±0.5 g試樣放入反應(yīng)器底部。溫度到達(dá)250 ℃時，通入N2作為保護(hù)。溫度到達(dá)500 ℃并恒定時，通入還原氣體代替N2，反應(yīng)時間1 h。取出試樣放入轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動300 r，取出、篩分、稱量，測得燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的RDI+6.3、RDI-3.15、RDI-0.5，試驗的結(jié)果如表4、表5和圖5、圖6所示。

圖5 K2O含量對燒結(jié)礦RDI的影響

圖6 K2O含量對球團(tuán)礦的RDI的影響

由表4可知，隨著w(K2O)的增加，燒結(jié)礦、球團(tuán)礦的低溫還原粉化率RDI-3.15和RDI-0.5升高，而RDI+6.3卻迅速下降。當(dāng)燒結(jié)礦中K2O的含量為0.06%時，低溫還原粉化率RDI+6.3為80.86%，RDI-3.15為9.32%，RDI-0.5為2.3%；當(dāng)燒結(jié)礦中K2O的含量為0.78%時，低溫還原粉化率RDI+6.3為67.78%，下降了13.08%，而RDI-3.15和RDI-0.5分別上升了3.09%、4.89%。當(dāng)燒結(jié)礦中K2O的含量為2.56%時，RDI+6.3下降至50.21%，下降了30%左右?？梢妷A金屬對燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能影響較大，在還原過程中，吸附的堿金屬會逐漸進(jìn)入燒結(jié)礦、球團(tuán)礦的FexO晶格內(nèi)，由于堿金屬K、Na對鐵礦石的還原反應(yīng)具有催化作用，使燒結(jié)礦的金屬鐵晶體生長較快，在相界面上產(chǎn)生應(yīng)力，隨著應(yīng)力的加大使得燒結(jié)礦產(chǎn)生大量的裂紋，導(dǎo)致RDI+6.3下降。

表4 K2O含量對燒結(jié)礦RDI的影響

由表5可知，當(dāng)球團(tuán)礦中K2O的含量為0.06%時，低溫還原粉化率RDI+6.3為99.73%，RDI-3.15和RDI-0.5均為0.27%；當(dāng)球團(tuán)礦中K2O的含量為0.47%時，低溫還原粉化率RDI+6.3為90.72%，下降了9.01%。K2O的含量為1.49%時，RDI+6.3為79.32%，下降了20.41%。K2O對球團(tuán)礦的低溫還原粉化性能具有較大影響，K進(jìn)入球團(tuán)礦晶格內(nèi)，使其體積膨脹，破壞了球團(tuán)礦的抗壓能力，導(dǎo)致RDI-3.15上升。在高爐冶煉中，隨著堿金屬的循環(huán)累積，高爐煤氣利用率會降低，煤氣流出現(xiàn)異常，甚至分布嚴(yán)重不均，左、右料尺差異較大，導(dǎo)致頻繁“出氣流”、崩料，因此，嚴(yán)格限制燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、焦炭的入爐堿金屬含量是重中之重。適當(dāng)降低爐渣二元堿度，控制MgO含量在8%～10%，Al2O3含量在15%左右，使?fàn)t渣具有最大的排堿能力。避免爐墻粘結(jié)，保持合理的操作爐型。

表5 K2O含量對球團(tuán)礦RDI的影響

4 結(jié)論

(1)200～1100 ℃，隨著溫度的升高，爐料吸附堿金屬含量逐漸上升。到1100 ℃達(dá)到最大，吸附量2.85%。溫度在1100～1300 ℃時，隨著溫度的上升，爐料吸附堿金屬含量逐漸下降。

(2)隨著粒度的增加，燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和焦炭吸附的堿金屬含量均減??；同粒度比較，燒結(jié)礦吸附的堿金屬含量最大，焦炭次之，球團(tuán)礦最少。

(3)焦炭反應(yīng)后的強(qiáng)度隨吸附堿金屬含量的增加而下降，反應(yīng)性隨之提高，而且少量的堿金屬就足以完成焦炭氣化反應(yīng)(C+CO2=2CO)的催化作用。

(4)隨著w(K2O)的增加，燒結(jié)礦、球團(tuán)礦的低溫還原粉化率RDI-3.15和RDI-0.5升高，而RDI+6.3卻迅速下降。