·334· 北京科技大学学报 第34卷 随着现代大型高炉煤比的增加和焦炭负荷的 的关系，但是对于生产中高炉炉内焦炭上碱金属 提高，焦炭作为高炉料柱的骨架作用愈发突出.在 的富集量是未知的也是不均匀的，而且高炉调研 加剧高炉内焦炭劣化的众多因素中，循环富集的 结果表明炉身部位碱金属富集并不严重，而少量 碱金属对焦炭的破坏已引起重视山，通过高炉解 的碱金属碳酸盐(<1%)对焦气化反应的催化效 剖发现焦炭是碱金属富集的最主要载体，在碱金 果并不明显.因此为了有效地评价碱金属对高炉 属富集严重区域焦炭中碱金属的含量甚至可达原 冶炼的危害程度，应以碱金属富集严重区域钾、钠 始含量的40倍左右-).前人为了研究碱金属对 对焦炭劣化的影响为出发点，探寻依据己知的入 焦炭劣化的影响，将焦炭浸泡在碱金属碳酸盐溶 炉碱负荷来量化判断的方法. 液(“浸碱法”)或在炼焦时加入碱金属碳酸盐 1 (“增碱法”)后再进行1100℃或更高温度下的焦 碱金属存在形式的热力学计算及分析 炭反应性测试，发现碳酸钾和碳酸钠对气化反应 以某生产中大型高炉为研究对象，对高炉内 具有相近的催化作用，在限制碱金属入炉时也 不同区域碱金属存在形式进行热力学计算分析. 都是以钾、钠的总量作为控制标准.但是，通过高 首先对该高炉的原燃料进行化学分析，得到入炉 炉内碱金属的循环富集研究可知碱金属碳酸盐主 碱金属主要存在于煤粉、烧结矿和焦炭中.入炉氧 要存在于炉身中上部而在炉身下部已开始分 化钾负荷为每吨铁2.864kg,氧化钠为4.62kg.通 解，即在高炉调研发现碱金属富集明显加剧的 过矿相分析可知碱金属在高炉原燃料中主要以云 软熔带及以下区域碳酸盐已不是碱金属的主要存 母、长石等复杂硅酸盐及硅铝酸盐形式存在，这些 在形式，且此区域C02的含量也在减少.因此，为 含碱矿物入炉后在高温区间熔融后最终以碱金属 了明确碱金属对高炉治炼的危害，研究碱金属富 硅酸盐形式被还原，因此在对入炉碱金属的存在 集严重的软熔带区域中碱金属的存在形式以及 形式进行热力学计算时，依据化学分析结果折算 有、无C02条件下对焦炭劣化的影响具有更重要 为每吨铁入炉的硅酸钾为4.692kg、硅酸钠为 的意义.更加值得注意的是，多座高炉的调研结果 9.091kg.考虑到高炉正常连续生产时高度方向上 均表明在碱金属富集区域焦炭中的钾含量明显高 不同横截面通过的物质总量基本是不变的，只是 于钠含量，即使二者在炉身部位的富集程度接近， 其成分和组成发生变化，依据单位时间(1min)内 且粉焦量和钾富集量存在着相关性).造成此 入炉的碱金属硅酸盐量，结合该高炉利用系数、焦 现象的原因尚未明确，相应地钾、钠在碱金属富集 比、煤比、风量、湿度、富氧率、风压、顶压、炉顶煤 区域对焦炭的破坏性是否存在差别，是否需要区 气成分和炉体静压，得出高炉炉缸、炉腹、炉腰和 分制定钾、钠的入炉上限仍有待研究.为了防治碱 炉身不同工作区域的温度、压强、煤气量和主要气 金属的危害，高炉现场需要对入炉碱负荷做出限 体成分如表1所示，其中碱金属形成的气体或消 制，但钢铁企业由于缺乏依据入炉碱负荷量化判 耗的N2在总体积中所占的比例很小，因此对单位 断其危害程度的方法，大多只能依据自身的治炼 时间内的总煤气量和C0、CO2的体积分数的影响 实践及经验制定碱金属入炉上限.通过调研可知， 基本可以忽略.依据表中数据和碱金属反应的相 国内外不同钢铁企业制定的碱负荷上限值每吨铁 关热力学参数，对碱金属可能发生的反应计算其 从2.5kg到12kg差别较大@，这就使得在目前国 △G或者反应平衡时的气体分压来判断反应是否 内原料条件波动、操作参数变化的情况下制定具 能够发生 体高炉的碱金属入炉上限时难以借鉴.此外，前人 碱金属以硅酸盐形式进入高炉后，由于其热力 虽然研究了不同碱金属碳酸盐添加量和焦炭劣化 学氧位势比Fe0低，在软熔带以下初渣中只有Fe0 表1某实际生产中高炉不同区域的温度、压强、气体成分和煤气量变化 Table 1 Changes of temperature,pressure,gas composition and gas volume in different BF regions 区域 温度/℃ 总压kPa Px2 /kPa Poo/kPa Pco2/kPa 煤气量/(m3:min1) 炉缸 >1500 360 197 153 0 6499 炉腹（软熔带下缘） 1300~1500 310 170 132 0 6499 炉腰（软熔带上缘） 1100-1300 220 113 97 ￥ 6908 炉身（块状带） <1100 190 98 44 43 6908北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 随着现代大型高炉煤比的增加和焦炭负荷的 提高，焦炭作为高炉料柱的骨架作用愈发突出． 在 加剧高炉内焦炭劣化的众多因素中，循环富集的 碱金属对焦炭的破坏已引起重视［1］，通过高炉解 剖发现焦炭是碱金属富集的最主要载体，在碱金 属富集严重区域焦炭中碱金属的含量甚至可达原 始含量的 40 倍左右［2--3］． 前人为了研究碱金属对 焦炭劣化的影响，将焦炭浸泡在碱金属碳酸盐溶 液( “浸 碱 法”) 或在炼焦时加入碱金属碳酸盐 ( “增碱法”) 后再进行 1 100 ℃ 或更高温度下的焦 炭反应性测试，发现碳酸钾和碳酸钠对气化反应 具有相近的催化作用［4--5］，在限制碱金属入炉时也 都是以钾、钠的总量作为控制标准． 但是，通过高 炉内碱金属的循环富集研究可知碱金属碳酸盐主 要存在 于 炉 身 中 上 部 而 在 炉 身 下 部 已 开 始 分 解［6］，即在高炉调研发现碱金属富集明显加剧的 软熔带及以下区域碳酸盐已不是碱金属的主要存 在形式，且此区域 CO2 的含量也在减少． 因此，为 了明确碱金属对高炉冶炼的危害，研究碱金属富 集严重的软熔带区域中碱金属的存在形式以及 有、无 CO2 条件下对焦炭劣化的影响具有更重要 的意义． 更加值得注意的是，多座高炉的调研结果 均表明在碱金属富集区域焦炭中的钾含量明显高 于钠含量，即使二者在炉身部位的富集程度接近， 且粉焦量和钾富集量存在着相关性［7--9］． 造成此 现象的原因尚未明确，相应地钾、钠在碱金属富集 区域对焦炭的破坏性是否存在差别，是否需要区 分制定钾、钠的入炉上限仍有待研究． 为了防治碱 金属的危害，高炉现场需要对入炉碱负荷做出限 制，但钢铁企业由于缺乏依据入炉碱负荷量化判 断其危害程度的方法，大多只能依据自身的冶炼 实践及经验制定碱金属入炉上限． 通过调研可知， 国内外不同钢铁企业制定的碱负荷上限值每吨铁 从 2. 5 kg 到 12 kg 差别较大［10］，这就使得在目前国 内原料条件波动、操作参数变化的情况下制定具 体高炉的碱金属入炉上限时难以借鉴． 此外，前人 虽然研究了不同碱金属碳酸盐添加量和焦炭劣化 的关系，但是对于生产中高炉炉内焦炭上碱金属 的富集量是未知的也是不均匀的，而且高炉调研 结果表明炉身部位碱金属富集并不严重，而少量 的碱金属碳酸盐( ＜ 1% ) 对焦气化反应的催化效 果并不明显． 因此为了有效地评价碱金属对高炉 冶炼的危害程度，应以碱金属富集严重区域钾、钠 对焦炭劣化的影响为出发点，探寻依据已知的入 炉碱负荷来量化判断的方法． 1 碱金属存在形式的热力学计算及分析 以某生产中大型高炉为研究对象，对高炉内 不同区域碱金属存在形式进行热力学计算分析． 首先对该高炉的原燃料进行化学分析，得到入炉 碱金属主要存在于煤粉、烧结矿和焦炭中． 入炉氧 化钾负荷为每吨铁 2. 864 kg，氧化钠为 4. 62 kg． 通 过矿相分析可知碱金属在高炉原燃料中主要以云 母、长石等复杂硅酸盐及硅铝酸盐形式存在，这些 含碱矿物入炉后在高温区间熔融后最终以碱金属 硅酸盐形式被还原，因此在对入炉碱金属的存在 形式进行热力学计算时，依据化学分析结果折算 为每吨铁入炉的硅酸钾为 4. 692 kg、硅 酸 钠 为 9. 091 kg． 考虑到高炉正常连续生产时高度方向上 不同横截面通过的物质总量基本是不变的，只是 其成分和组成发生变化，依据单位时间( 1 min) 内 入炉的碱金属硅酸盐量，结合该高炉利用系数、焦 比、煤比、风量、湿度、富氧率、风压、顶压、炉顶煤 气成分和炉体静压，得出高炉炉缸、炉腹、炉腰和 炉身不同工作区域的温度、压强、煤气量和主要气 体成分如表 1 所示，其中碱金属形成的气体或消 耗的 N2 在总体积中所占的比例很小，因此对单位 时间内的总煤气量和 CO、CO2 的体积分数的影响 基本可以忽略． 依据表中数据和碱金属反应的相 关热力学参数，对碱金属可能发生的反应计算其 ΔG 或者反应平衡时的气体分压来判断反应是否 能够发生． 碱金属以硅酸盐形式进入高炉后，由于其热力 学氧位势比 FeO 低，在软熔带以下初渣中只有 FeO 表 1 某实际生产中高炉不同区域的温度、压强、气体成分和煤气量变化 Table 1 Changes of temperature，pressure，gas composition and gas volume in different BF regions 区域 温度/℃ 总压/kPa PN2 /kPa PCO /kPa PCO2 /kPa 煤气量/( m3 ·min － 1 ) 炉缸 ＞ 1 500 360 197 153 0 6 499 炉腹( 软熔带下缘) 1 300 ～ 1 500 310 170 132 0 6 499 炉腰( 软熔带上缘) 1 100 ～ 1 300 220 113 97 4 6 908 炉身( 块状带) ＜ 1 100 190 98 44 43 6 908 ·334·