第3期 赵宏博等：高炉碱金属富集区域钾、钠加剧焦炭劣化新认识及其量化控制模型 ·341· 7.484kg,超过了国内传统规定的碱负荷上限，但该 参考文献 高炉炉况较为顺行，治炼指标也达到了国内先进水 [1]Zhou Y.Discuss on quality index of BF coke.Ironmaking, 平.应用碱负荷上限公式计算得到该高炉的Mk= 2002,21(6):22 (周师庸.高炉焦炭质量指标探析.炼铁，2002,21(6)：22) 3.78kg,Mx+=7.56kg,可见该高炉虽然入炉钠负 2] Kambara K.Study on BF Disintegration.Beijing:Metallurgical 荷较高，但是入炉钾负荷和碱负荷都低于计算出的 Industry Press,1980 上限值，即入炉的碱金属对该高炉冶炼的总体影响 (神原健二郎.高炉解体研究.北京：治金工业出版社，1980) 较小，这也在一定程度上验证了文中公式的正确性 B]Zhang Q R.Accumulation and circulation of alkalis in the BF. 对于不同原燃料条件和生产操作制度的高炉，可能 lron Steel,1982,17(10):25 存在不同的钾、钠入炉负荷上限，在制定入炉上限时 (张庆瑞.碱金属富集与循环.钢铁，1982,17(10)：25) [4 Xu GZ,Chen D H,Zhou S Y,et al.Study of simulating carbon's 应对自身高炉的碱金属收支进行化验分析，对焦炭 solution loss reaction in cohesive zone of blast furnace.J Anshan 进行抗碱蒸气实验，再利用上式计算得到合理的钾、 Unig Sci Technol,2003,26(1):48 钠及总量控制值. (徐国忠，陈德浩，周师庸，等.模拟焦炭在高炉软融带碳溶反 应的研究.鞍山科技大学学报，2003,26(1)：48) 4结论 [5] Liu Y X,Zhang BB,Wang F X,et al.Effect of alkaline metal (1)通过热力学计算分析明确了碱金属在高炉 on thermal properties of coke.Coal Conrers,2008,31 (3):43 (刘永新，张波波，王福先，等.碱金属对焦炭热性能的影响 不同区域的主要存在形式，即在炉缸以硅酸盐为主， 煤炭转化，2008,31(3)：43) 炉腹炉腰及炉身下部以单质蒸气为主，炉身中上部 6 Wang C L,Lii Q,Gu L N,et al.Reaction and distribution of al- 以碳酸盐为主 kali metals in blast furnace.J fron Steel Res,2006,18(6):6 (2)传统的将碱金属碳酸盐人为地富集在焦炭 (王成立，吕庆，顾林娜，等.碱金属在高炉内的反应及分配 上再进行气化反应测试可用以模拟炉身中部碱金属 钢铁研究学报，2006,18(6)：6) [] Hilding T,Gupta S,Sahajwalla V.Degradation behavior of a high 对焦炭劣化的影响，但是在大于1000℃的高温区 CSR coke in an experimental blast furnace:effect of carbon struc- 域，也是碱金属富集明显增多的区域，碱金属主要以 ture and alkali reactions.IS/J Int,2005,45(7):1041 单质蒸气形式存在，因此模拟碱金属富集区域碱蒸 8] Chen BQ,Shen H B.Characteristics of tuyere coke and BF oper- 气对焦炭劣化的影响更具有指导意义. ation.Iron Steel,1996,31 (4):16 (3)1300℃不存在C0,时吸附钾蒸气的焦炭严 (陈炳庆，沈红标.风口焦性状与高炉操作.钢铁，1996,31 (4):16) 重粉化而吸附钠的基本不粉化，通过扫描电镜一能谱 9] Zhu W C,Zhang X S,Ma L.Study on change of alkali metal of 结合X射线衍射分析得知这是由于钾和焦炭中灰分 coke at BF hearth radial direction and the affection of coke per- 结合形成钾霞石造成体积膨胀使焦炭裂纹发展、吸附 formance.Iron Steel,2009,44(6)20 量增加并最终导致焦炭粉化，而钠只少量吸附在焦炭 (竺维春，张雪松，马丽.高炉炉缸径向焦炭碱金属变化及其 表面.钾在焦炭中灰分的大量富集解释了高炉碱金 对焦炭性能影响的研究.钢铁，2009,44(6)：20) 属富集区域焦炭中钾含量总大于钠的现象. [Io] Cui G H.Alkali metals and blast fumace abnormality./ron Seel,1981,16(7):66 (4)1100℃时钾、钠蒸气都可以催化焦炭的气 (崔光辉.碱金属与高炉反常.钢铁，1981,16(7)：66) 化反应，但是钾蒸气在焦炭中的吸附量、破坏性和催 [D1] Yang YY,Gao Z K.Study on the mechanism of scaffolding 化气化反应的能力明显大于钠，焦炭的CRI由原始 caused by alkali cycling and accumulation and promoted by the 的20.6%升高至72.67%、CSR由原始的71.6%降 presence of fluorine in the blast fumaces of Baotou iron and steel 低至22.5%，而等量的钠蒸气存在时焦炭CI仅升 Co.and measures to prevent scab formation.fron Steel,1983, 18(12):32 高至30.25%，CSR降低至62%. (杨永宜，高征铠.碱金属及氟引起高炉结瘤的机理及防治 (5)当钾蒸气和焦炭组成的气固体系中钾蒸气 结瘤的措施.钢铁，1983,18(12)：32) 质量超过焦炭质量的3%后，焦炭的气化反应明显 [12]Yang Y D,Melean A,Sommerville I D,et al.The correlation of 加剧，到5%后焦炭劣化程度基本不变. alkali capacity with optical basicity of blast fumnace slags.fron (6)基于高炉软熔带碱金属富集最多，钾、钠在 Steelmaker,2000,27(10):103 焦炭上的不同吸附能力及体系中碱蒸气量对焦炭气 [13]Hamilton R T,Sams D A,Shadman F.Variation of rate during potassium-atalyzed CO2 gasification of coal char.Fuel,1984, 化反应的催化规律，结合前人提出的高炉内碱最大 63:1008 富集计算方法，建立了能够有效制定钾、钠各自入炉 04]Harris DJ.Young D J.Potassium effect in solution loss reaction of 上限和总量上限的量化模型. metallurgical coke.Ironmaking Steelmaking,1989,16(6):399第 3 期 赵宏博等: 高炉碱金属富集区域钾、钠加剧焦炭劣化新认识及其量化控制模型 7. 484 kg，超过了国内传统规定的碱负荷上限，但该 高炉炉况较为顺行，冶炼指标也达到了国内先进水 平． 应用碱负荷上限公式计算得到该高炉的 MK = 3. 78 kg，MK + Na = 7. 56 kg，可见该高炉虽然入炉钠负 荷较高，但是入炉钾负荷和碱负荷都低于计算出的 上限值，即入炉的碱金属对该高炉冶炼的总体影响 较小，这也在一定程度上验证了文中公式的正确性． 对于不同原燃料条件和生产操作制度的高炉，可能 存在不同的钾、钠入炉负荷上限，在制定入炉上限时 应对自身高炉的碱金属收支进行化验分析，对焦炭 进行抗碱蒸气实验，再利用上式计算得到合理的钾、 钠及总量控制值． 4 结论 ( 1) 通过热力学计算分析明确了碱金属在高炉 不同区域的主要存在形式，即在炉缸以硅酸盐为主， 炉腹炉腰及炉身下部以单质蒸气为主，炉身中上部 以碳酸盐为主． ( 2) 传统的将碱金属碳酸盐人为地富集在焦炭 上再进行气化反应测试可用以模拟炉身中部碱金属 对焦炭劣化的影响，但是在大于 1 000 ℃ 的高温区 域，也是碱金属富集明显增多的区域，碱金属主要以 单质蒸气形式存在，因此模拟碱金属富集区域碱蒸 气对焦炭劣化的影响更具有指导意义． ( 3) 1 300 ℃不存在 CO2 时吸附钾蒸气的焦炭严 重粉化而吸附钠的基本不粉化，通过扫描电镜--能谱 结合 X 射线衍射分析得知这是由于钾和焦炭中灰分 结合形成钾霞石造成体积膨胀使焦炭裂纹发展、吸附 量增加并最终导致焦炭粉化，而钠只少量吸附在焦炭 表面． 钾在焦炭中灰分的大量富集解释了高炉碱金 属富集区域焦炭中钾含量总大于钠的现象． ( 4) 1 100 ℃时钾、钠蒸气都可以催化焦炭的气 化反应，但是钾蒸气在焦炭中的吸附量、破坏性和催 化气化反应的能力明显大于钠，焦炭的 CRI 由原始 的 20. 6% 升高至 72. 67% 、CSR 由原始的 71. 6% 降 低至 22. 5% ，而等量的钠蒸气存在时焦炭 CRI 仅升 高至 30. 25% ，CSR 降低至 62% ． ( 5) 当钾蒸气和焦炭组成的气固体系中钾蒸气 质量超过焦炭质量的 3% 后，焦炭的气化反应明显 加剧，到 5% 后焦炭劣化程度基本不变． ( 6) 基于高炉软熔带碱金属富集最多，钾、钠在 焦炭上的不同吸附能力及体系中碱蒸气量对焦炭气 化反应的催化规律，结合前人提出的高炉内碱最大 富集计算方法，建立了能够有效制定钾、钠各自入炉 上限和总量上限的量化模型． 参 考 文 献 ［1］ Zhou S Y． Discuss on quality index of BF coke． Ironmaking， 2002，21( 6) : 22 ( 周师庸． 高炉焦炭质量指标探析． 炼铁，2002，21( 6) : 22) ［2］ Kambara K． Study on BF Disintegration． Beijing: Metallurgical Industry Press，1980 ( 神原健二郎． 高炉解体研究． 北京: 冶金工业出版社，1980) ［3］ Zhang Q R． Accumulation and circulation of alkalis in the BF． Iron Steel，1982，17( 10) : 25 ( 张庆瑞． 碱金属富集与循环． 钢铁，1982，17( 10) : 25) ［4］ Xu G Z，Chen D H，Zhou S Y，et al． Study of simulating carbon's solution loss reaction in cohesive zone of blast furnace． J Anshan Univ Sci Technol，2003，26( 1) : 48 ( 徐国忠，陈德浩，周师庸，等． 模拟焦炭在高炉软融带碳溶反 应的研究． 鞍山科技大学学报，2003，26( 1) : 48) ［5］ Liu Y X，Zhang B B，Wang F X，et al． Effect of alkaline metal on thermal properties of coke． Coal Convers，2008，31( 3) : 43 ( 刘永新，张波波，王福先，等． 碱金属对焦炭热性能的影响． 煤炭转化，2008，31( 3) : 43) ［6］ Wang C L，Lü Q，Gu L N，et al． Reaction and distribution of al￾kali metals in blast furnace． J Iron Steel Res，2006，18( 6) : 6 ( 王成立，吕庆，顾林娜，等． 碱金属在高炉内的反应及分配． 钢铁研究学报，2006，18( 6) : 6) ［7］ Hilding T，Gupta S，Sahajwalla V． Degradation behavior of a high CSR coke in an experimental blast furnace: effect of carbon struc￾ture and alkali reactions． ISIJ Int，2005，45( 7) : 1041 ［8］ Chen B Q，Shen H B． Characteristics of tuyere coke and BF oper￾ation． Iron Steel，1996，31( 4) : 16 ( 陈炳庆，沈红标． 风口焦性状与高炉操作． 钢 铁，1996，31 ( 4) : 16) ［9］ Zhu W C，Zhang X S，Ma L． Study on change of alkali metal of coke at BF hearth radial direction and the affection of coke per￾formance． Iron Steel，2009，44( 6) : 20 ( 竺维春，张雪松，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． 钢铁，2009，44( 6) : 20) ［10］ Cui G H． Alkali metals and blast furnace abnormality． Iron Steel，1981，16( 7) : 66 ( 崔光辉． 碱金属与高炉反常． 钢铁，1981，16( 7) : 66) ［11］ Yang Y Y，Gao Z K． Study on the mechanism of scaffolding caused by alkali cycling and accumulation and promoted by the presence of fluorine in the blast furnaces of Baotou iron and steel Co． and measures to prevent scab formation． Iron Steel，1983， 18( 12) : 32 ( 杨永宜，高征铠． 碱金属及氟引起高炉结瘤的机理及防治 结瘤的措施． 钢铁，1983，18( 12) : 32) ［12］ Yang Y D，Mclean A，Sommerville I D，et al． The correlation of alkali capacity with optical basicity of blast furnace slags． Iron Steelmaker，2000，27( 10) : 103 ［13］ Hamilton R T，Sams D A，Shadman F． Variation of rate during potassium-catalyzed CO2 gasification of coal char． Fuel，1984， 63: 1008 ［14］ Harris D J，Young D J． Potassium effect in solution loss reaction of metallurgical coke． Ironmaking Steelmaking，1989，16( 6) : 399 ·341·