炉渣排碱(removing alkalis with slag)

在高炉造渣过程中将炉料(矿石、焦炭、熔剂)带入高炉的碱金属尽量转入炉渣，并排出炉外的技术。高炉中的碱金属泛指钾、钠及其化合物。炉渣排碱的目的是减少碱金属对高炉的危害，确保高炉冶炼过程炉况顺行和高炉炉体的长寿从而获得良好的技术经济指标。

高炉中的碱金属问题早在100多年前就有人发现并在文献中作了论述。1845年布恩森(Bunsen)最早进行了高炉内碱金属氰化物的生成试验。1882年贝尔(I．L．Bell)更确切地指出高炉内碱金属的存在状况，并肯定了碱金属在高炉内存在着循环富集问题。1905年路德维哥(T．Ludwig)论述了碱金属对高炉炉衬的侵蚀和影响。这些早期的工作都指出了碱金属对高炉操作、炉衬侵蚀及寿命等的不良影响。但那时尚未提出解决碱金属问题的有效办法。20世纪60年代以来，世界上对碱金属问题有了不少新的研究，在高炉生产中对炉渣排碱技术创造和积累了大量行之有效的实践经验，从而也深化了对炉渣排碱的认识。

碱金属在高炉内的行为  

碱金属多以钾、钠的复合硅酸盐形式进入高炉，大部分通过炉渣排出炉外，小部分随炉顶煤气以炉尘形式排出炉外，一部分被高炉耐火材料吸收，一部分在炉内参与循环积累。当入炉碱金属量不大和冶炼操作适当时，碱金属的循环积累量很小，对高炉冶炼的影响不明显。但当入炉的碱金属量过多，高炉操作措施不当，循环积累数量显著增加时，高炉便会失常。碱金属对高炉的危害主要表现是：降低焦炭强度、增加矿石的爆裂和粉化，使炉内料柱透气性恶化；侵蚀破坏耐火材料，使炉衬寿命缩短；由煤气分布失常发展成悬料、崩料直至结瘤等。

碱金属的化学变化和循环积累   钾、钠两种碱金属在高炉内具有相似的化学变化和富集过程，对高炉具有相似的作用。在高炉内随着炉料的下降和温度的升高，从炉料中的硅酸盐分解出来的氧化钾被碳还原成金属钾：

K₂O+C=2K+CO   (1)

根据热力学计算，在温度超过815℃时反应(1)向生成金属钾的方向进行。但因金属钾的气化温度是766℃，所以在高炉中被还原生成的金属钾就会立即成为气态钾并随着高炉煤气上升。在上升过程中由于温度下降，反应(1)向左进行，气态钾又被CO氧化生成K₂O和C，即形成碱金属氧化物的固态微粒和固体碳微粒。这些小微粒一部分附着在炉墙上，另一部分附着在焦炭和矿石等炉料上。附着在炉料上的K₂O固体微粒，又随炉料再下降到炉子的高温区，又重新被碳还原生成气态钾，此气态钾再度随煤气上升，再度被氧化为K₂O固体微粒，就这样经历相同的途径进行碱金属的循环。这种循环的结果，使碱金属在炉内的含量不断地富集和积累。在操作措施不当的情况下这种循环积累增加到一定程度时，将出现碱金属引起的一系列危害。

碱金属的循环富集给高炉操作带来困难的反应存在着硅酸钾循环、碳酸钾循环和氰化钾循环等三种，其中的硅酸钾循环实质上也是氧化钾的循环。它们的反应式为：

从式(2)～式(10)可见，决定高炉内碱金属循环的基本环节是生成气态钾。气态钾又反过来促成K₂O或K₂SiO₃的循环、K₂CO₃的循环和KCN的循环。至于更科学的解释尚待进一步深入研究。

在高炉中钠与钾具有非常相似的化学反应。但钠的各种反应温度都高于钾的反应温度，如Na₂O在高于1020℃时才能被碳还原，生成的金属钠在890℃才开始气化。虽然在高炉内钾钠以同样的方式进行循环积累，但一般情况下进入高炉的钾量比钠量大，而且从生产高炉上取样分析的结果表明：炉身中温区碱金属总量中4／5是钾，炉尘中主要是钠，炉顶煤气中Na₂O的量约为入炉量的55％，而K₂O的量只有15％，所以相比之下钠对高炉的危害不像钾那样大。

碱金属对高炉炉衬和炉料的作用   钾在高温区气化后沿炉身向上运动并与CO反应生成K₂O和C的固体微粒后可以发生如下几类作用：(1)一部分微粒附着于高炉上部温度较低的炉墙上并逐步粘结使炉墙结厚或形成炉瘤。炉瘤中的K₂O再与高炉煤气中的CO₂反应形成质地坚硬且难于去除的K₂CO₃，此K₂CO₃在900℃以下相当稳定。(2)一部分微粒附着于焦炭上，在焦炭下降过程中K₂O与焦炭中的碳及煤气中的N₂生成了KCN，而KCN在622～1625℃的广阔温度区间内均呈液态存在，此液相KCN使焦炭的孔隙度降低，影响了料柱的透气性。(3)一部分微粒凝聚在铁矿石上，在铁矿石下降升温过程中K₂O与氧化铁反应形成(K₂O)₂Fe₂O₃、(K₂O)₄Fe₂O₃和K₂FeO₂等化合物，随着它们被CO还原引起了矿块的膨胀和爆裂，同时也降低了矿石的熔点。如果氧化球团内的SiO₂含量很低，则此球团极易受K₂O的侵害，K₂O对SiO₂含量很低的铁矿石也起粉化作用。

中国高炉的碱金属问题  

中国有许多高炉使用含碱金属炉料冶炼，涉及的地区广，主要有乌鲁木齐、包头、酒泉、宣化、苏州、武汉及鄂城、涟源和昆明等从西北到东南的广阔地带。这些地区高炉的碱负荷(每炼lt铁由炉料带入炉内的碱金属量，以K₂O与Na₂O之和表示)从5～6kg／t铁到17～25kg／t铁，远远超出别国一般为2～3kg／t铁的控制量。70年代末和80年代初碱金属的危害比较普遍和突出，据包头钢铁稀土公司、新疆钢铁公司、苏州钢铁厂和首都钢铁公司等进行的测定表明，这些厂的高炉内普遍存在着碱金属的循环富集现象。例如包头钢铁稀土公司在55m³高炉上专门进行的测定，其炉身下部矿石中K₂O的平均含量为入炉料K₂O含量的7～9．6倍。在这样的碱负荷范围下进行冶炼对高炉引起的碱金属危害可归纳如下3点：(1)降低了炉料透气性造成气流分布失常和难行、悬料。特别是在原燃料质量差、碱负荷高、炉渣碱度高的情况下更易出现气流分布失常，直至形成悬料难行。(2)高炉易于结瘤。在高炉结瘤的许多复杂原因中，碱金属是其中一个重要的原因。由于在炉内循环富集过程中将生成一些熔点很低的碱金属化合物如KCN、KF、和K₂CO₃等，其熔点分别为662℃、850℃和901℃，使炉料过早地局部软化和熔融，当温度波动时容易粘结在炉墙上。在边缘气流过剩时，碱金属被黏土质耐火材料吸收结成炉瘤。中国一些高炉的炉瘤取样中含K₂O一般为8％～19％，有的高达36％，含Na₂O1％～13％。(3)使耐火砖膨胀、炉壳开裂、炉缸炉底烧穿。苏州钢铁厂在高炉炉身、炉腰和炉底耐火砖取样中，K₂O的含量为10％～35％，Na₂O含量为0．48％～1．31％。侵入碱金属的耐火砖引起的线膨胀平均为9．356％，体积膨胀最大为28．3％～32．45％。昆明钢铁厂在1979～1980年3座高炉曾先后发生炉底、炉缸钢壳开裂和炉缸烧穿事故。该厂4号高炉炉底砖中K₂O的含量从边缘的0．36％逐渐增加到中心达28．08％，边缘砖的线膨胀为2％，中心砖的线膨胀普遍在20％以上，最高达37．1％。上述情况说明碱金属可以通过一定的渠道侵蚀到高炉炉底。

炉渣排碱的基本方法  

可归纳为4种：

(1)适当降低炉渣碱度。由于K₂O在815℃的低温就被还原且生成气态钾，因而很难从高炉炉渣中排出。但热力学计算表明硅酸钾(K₂SiO₃)在1550℃以下是较稳定的。因此在1550℃以下使碱金属与SiO₂形成硅酸盐，就有可能进入炉渣从高炉排出，而使渣中具有足够的自由状态的SiO₂与K₂O反应是确保生成硅酸钾的关键。为此要适当降低炉渣碱度，增加自由SiO₂的数量，以确保生成稳定的钾、钠硅酸盐或硅铝酸盐并随炉渣排出炉外。实践证明这是一条有效的经验。据包头钢铁稀土公司2号高炉连续7个月(1979年12月至1980年7月)的日平均数据表明，渣中含碱量(指(K₂O+Na₂O)％)随炉渣碱度(CaO／SiO₂)的降低而升高。渣碱度由1．15降到0．95，渣中含碱量从1．4％提高到1．9％～2．3％(见图1、图2)，大大提高了炉渣的排碱能力。据实测，在正常情况下，由炉渣带走的碱金属占90％以上，由炉尘带走的占1％～2％，由煤气洗涤水带走的占5％。在炉渣带走的部分显著减少时，高炉炉况极易出现失常，需及时进行调剂。每座高炉的适宜炉渣碱度须根据碱负荷的大小而定。例如A厂K₂O的入炉量约12kg／t，渣量约400kg／t，炉渣碱度须保持在0．85～0．90的相当低的水平。而B厂K₂O的入炉量仅约2kg／t，维持0．95～1．00的炉渣碱度即可获得满意的排碱效果。

(2)在降低炉渣碱度的同时适当提高(MgO)含量。由于MgO具有降低K₂O或Na₂O在渣中活度的作用，因而在降低碱度的同时，适当提高渣中MgO含量，可以阿时满足炉渣排碱和铁水脱硫的要求。有数据表明在三元碱度(CaO+MgO)／SiO₂不变时，用5％MgO代替5％CaO，炉渣排碱能力提高20％。

(3)在降低炉渣碱度的同时适当加大渣量也是有利于炉渣排碱的措施。对于特殊高炉的炉料有时向高炉内加入河砂、经破碎的河卵石、砂砾或硅石等酸性物可加强炉渣排碱，特别在洗炉和清除碱金属炉瘤时能收到较好效果。但此法一般不宜提倡，因为不如加入酸性矿石更为经济。

(4)在处理炉瘤的特殊情况下可以在降低炉渣碱度的同时，发展边缘气流靠高温使碱金属较多地从炉顶煤气排除。