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摘要：在全国钢铁行业里， 酒钢炉料中的碱金属、硫磺偏高。 因此，对酒钢高炉生产带来了极大的危害。本文对高炉内碱金属 的富集情况进行了计算分析，结果发现碱金属主要由高炉炉料 带入，其中高碱度烧结矿带入的最多，从高炉排出的途径主要是 通过炉渣。该文在结合酒钢炼铁厂一号高炉实际生产情况下，通 过大量的文献收集总结，使用现场生产数据进行阶段性理论性 分析、计算以及结合世界范围内其它炼铁厂治理碱害的经验措 施，并就酒钢高炉以后在炉料控碱和炉渣排碱问题上，提出了防 治高炉碱害的建议，主要有 ：①降低入炉原料、焦炭、风口喷吹 煤粉中的碱金属 ;②降低焦炭中的灰分，提高强度，增金属破坏 的能力 ;③建立碱金属变化情况跟踪分析制度，定期有计划的 实施排碱 ;④炉渣的碱度适当降低，渣量适当增加，兼顾其它指 标 ;⑤热制度合理， 减少碱金属的循环富集。
自高炉冶炼工艺开展以来，高炉冶炼过程中碱金属的问题， 已经困扰了人们约有 100 多年的历史了。最早于 1845 年开始，布 恩森(Bunsen) 就开始了利用高炉冶炼过程来进行生产碱金属氰 化物(KCN) 的研究试验工作。约在上世纪初，人们就已经习惯 于从高炉生产中进行回收碱金属氰化物(KCN)。因此，凯莱特 (Catlett) 也提出 ：“高炉最关键的副产品是钾盐类”。之后又有 国外研究者更准确地指出碱金属在高炉内部的存在状态，并证 实了碱金属在高炉内存在循环富集的问题，开始了碱金属对高 炉炉衬的侵蚀和影响的研究工作。但是，这些研究工作只是探究 出了问题存在的原因，均未提及能有效解决碱金属问题的有效 办法。
虽然我国对高炉碱金属问题的研究工作开始比较晚，但是 经过高炉冶炼研究及现场生产技术人员的不断摸索，已经逐步 形成了自己独到的见解。在上世纪 50 年代左右，最早在包钢，高 炉冶炼研究人员就指出包钢高炉产生结瘤的根本原因可能是高 炉生产所使用的白云鄂博矿含有的碱金属，从此时开始，高炉冶 炼研究人员就开展针对高炉碱金属问题的系统研究工作。大概 自20世纪 60 年代以后，对碱金属问题的探索无论是在国内外均 有了更为重要的进展。碱金属对高炉冶炼的危害主要体现在会 增加烧结矿和球团矿的开裂、粉化概率，会降低焦炭的强度并 使炉内料柱的透气性变差 ;会侵蚀和破坏高炉炉体的耐火材料， 缩短炉衬的寿命等。
1 碱负荷和碱平衡分析
1.1 碱负荷
酒钢使用的烧结原料来自镜铁山矿，镜铁山矿有两个矿 区 ：桦树沟和黑沟。铁矿石主要成份由镜铁矿、菱铁矿和褐铁 矿所组成并且当中有害元素 K2O、Na2O、ZnO含量比较高分别 在 0.301% ;0.082% ;0.152%。在桦树沟的矿区和黑沟矿区地质 储量分别为 4 亿和 1.5 亿吨，铁矿石平均品位分别为 37.82% 和 35.42%，酒钢高炉一号高炉所使用的原燃料中碱金属含量也是 比较高的 ;我们所说的碱负荷是指用每冶炼 1t 的生铁由原燃 料带入炉内的碱金属的总量称为碱负荷。工人们经常以碱负荷 为依据来判断碱金属对酒钢一号高炉的操作危害大小。酒钢 高炉内如果碱金属负荷高，给一号高炉带来的危害越大。酒钢 原燃料中碱金属的化验结果 ：K2O、Na2O、(K2O+Na2O)烧结 矿 中 0.311%、0.064%、4.420kg ·t-1.采 购 球 团 0.151%、0.127%、0.564kg ·t-1 ， 自 产 球 团 中 0.134%、0.111%、0.884kg ·t-1 ，块 矿 中 0.847%、0.097%、0.703kg ·t-1 ， 焦 炭 中 0.068%、0.084%、 0.678kg ·t-1.煤粉中 0.062%、0.129%、0.186kg ·t-1.
1.2 碱平衡分析
通过文献总结和酒钢一号高炉现场实地调研，发现高炉内 的碱害主要取决于滞留于高炉内循环且富集的碱金属含量。如 高炉碱金属排出少， 碱金属会不断在炉内循环且富集， 从而给高 炉的冶炼带来困难。这些不利影响有的是间接的，有的是直接 的，如高炉中的碱金属，使高碱度烧结矿、酸性球团矿及冶金焦 的冶金性能变坏。因此，定期排出高炉内的碱金属，降低炉内碱 含量， 控制好碱平衡， 对强化高炉冶炼是至关重要的。
碱平衡分析的目的是要确定高炉碱负荷、高炉冶炼中各种 入炉物料和出炉物料所带入和带出的碱金属量的收支情况、高 炉目前所处的碱金属富集状态以及高炉渣排碱能力。
1.3 酒钢高炉的碱平衡
酒钢高酒钢本部一号至七号高炉入炉的碱负荷含量与国内 外一些企业相比远远高于国内其他钢铁行业的平均水平。因此， 酒钢高炉经济技术指标受到原料中碱金属 K、Na等有害元素循 环富集的影响， 一直落后于国内的先进水平。
为了研究酒钢高炉的排碱能力，我们对酒钢高炉进行了多 次取样分析，并对所提取信息进行平衡计算，以去年 7 月份的 平衡计算结果为例进行分析酒钢 1 号高炉(1800m3) 碱金属收支平衡情况收入项 ：(K2O+Na2O) 烧结矿为 4.420kg ·t-1.采购球 团为 0.564kg ·t-1 ，自产球团为 0.884kg ·t-1.块矿为 0.703kg ·t-1. 焦炭为0.678kg · t-1 ，煤粉为0.186kg · t-1 ，支出项：炉渣为 6.951kg ·t-1 ，尘灰为0.165kg ·t-1.
根据酒钢 1# 高炉的碱平衡， 把残余在炉内的碱量进行计算得 ：
(1) 原、燃料带入的碱金属总量 ：Σ 碱进 =4.420+0.564+0.884 +0.703+0.678+0.186=7.435(kg ·t-1)。
(2) 排出的碱金属总量 ：Σ 碱出 =6.951+0.165=7.116(kg ·t-1)。
(3) 残余在高炉内的碱金属量 ：Σ 碱余 =Σ 碱进 一Σ 碱出 =7.435- 7.116=0.319(kg ·t-1)。
通过计算得到的酒钢 1# 高炉由原燃料带入的碱金属总量为 7.435kg ·t-1.排出的碱金属总量为 7.116kg ·t-1.残余在高炉内的 碱金属量在0.319kg ·t-1 左右，炉渣的排碱能力为 68.1%，导致在 高炉内有碱金属富集，会给高炉冶炼带来不利的影响。虽然烧结 矿中碱金属含量不是最高的， 但是高碱度烧结矿在炉料结构中占 了很大比重， 因而高碱度烧结矿带入一号炉的碱金属含量是最多 的 ;燃料中， 焦炭及喷吹煤粉的灰分中碱含量也是非常高的。
2 降低烧结矿中的碱金属
2.1 烧结矿中碱金属的来源
根据酒钢高炉的碱平衡分析可知 ：降低酒钢高炉中的碱金 属负荷重点在于降低烧结矿中碱金属的含量，而要降低烧结矿 中的碱金属就必须从烧结矿的原燃料入手， 因此， 本人对酒钢炼 铁厂进行了调研并获得烧结矿原料分析数据，其中碱金属 K2O、 Na2O、(K2O+Na2O) 含量为镜铁山矿(预选) 0.813%、0.034%、 0.847%， 镜铁山矿(黑沟) 0.785%、0.046%、0.831%， 铁精矿(博 伦 ) 0.105%、0.112%、0.217%， 铁精矿(大 明 ) 0.080%、0.109%、 0.189%， 综合铁精矿0.352%、0.029%、0.381%， 强磁精矿0.431%、 0.020%、0.451%， 弱 磁 精 矿 0.258%、0.030%、0.288%， 二 选 综 合 铁 精 矿 0.395%、0.020%、0.415%， 二 选 强 磁 精 矿 0.484%、 0.021%、0.505%， 二选弱磁精矿 0.291%、0.018%、0.309%， 1-3# 机 机 头 除 尘 灰 6.200%、0.283%、6.483%， 1-3# 机 机 尾 除 尘 灰 0.498%、0.068%、0.566%， 4# 机 机 头 除 尘 灰 1.260%、0.094%、 1.354%， 4# 机机尾除尘灰 0.397%、0.068%、0.465%， 高炉重力灰 0.275%、0.183%、0.458%， 高炉布袋灰 0.685%、0.360%、1.045%， 高炉环境灰2.570%、0.389%、2.959%。
从中可以看出 ：①弱磁精矿中的碱金属含量比强磁精矿的 碱金属含量低 1.56倍，因此，降低强磁精矿而增加弱磁精矿比例 有利于降低碱金属含量。②铁精矿(博伦) 和铁精矿(大明) 中的 碱金属含量低一些，适当提高他们的配比有利于降低碱金属含 量。③烧结原料所配加的灰中碱金属含量高。
2.2 烧结原料停止配加灰后的变化情况
烧结原料所配加的灰中碱金属含量很高， 因此， 对选烧厂所使用的烧结原料停用的所有的灰以后分析烧结矿在停用灰前后碱 金属含量的变化情况。
(1) 选烧厂配加灰的情况， 目前一号到三号烧结矿配加0.8% 高炉重力灰，四台烧结机都配了机头机尾灰，烧结机产生机头 机尾灰大约在 500t/d，现将烧结配料中所有灰停用，发现一号到 三号烧结矿中 K2O 下降 0.15%， Na2O 基本不变 ;四号烧结矿中 K2O 下降 0.1%， Na2O含量也基本没变。
(2) 烧结矿中停止配加所有灰以后，烧结成本将上升 3 元每 吨，生铁成本上升2.4 元每吨。但是从整个生产考虑，碱负荷降 低后，高炉的风口破损情况减少，非正常计划休风减少，高炉的 技术经济指标进一步优化。
(3) 烧结矿停用灰后，烧结矿中碱金属的含量降低，在高炉 的炉料结构中可增加块矿和烧结矿配比，烧结矿的配比可考虑 有百分之七十二提高到百分之八十甚至更高。综合考虑， 烧结矿 停用灰后， 生铁成本降低。
综上所述 :(1) 烧结原料中停止配加所有的灰以后，烧结矿 中的碱金属含量降低。高炉生产稳定顺行， 为优化高炉的各项经 济技术指标创造有利条件 ;(2) 烧结矿停用所有的除尘灰以后， 生铁有所成本降低。
2.3 对炉料进行脱碱
碱金属在人造富矿中使其体积膨胀，粉化加剧，冶金性能变 坏，冶金工作者通过大量实验研究降碱害取得了一定的效果， 有 关资料显示，在烧结矿和球团矿中加入氯化剂后进行氯化焙烧 可解决烧结矿和球团矿的粉化膨胀问题。以硅酸钠为例， 当加入 氯化钙时， 发生的反应式 ：
Na2SiO3+CaCl2 = CaO ·SiO2+2NaCl
∆G9 =415624-293.6T，J ·mol-1.
从热力学角度来看，在人造富矿中加氯化剂后，反应生成相 应的氯化物。氯化钠的熔点为 800℃，沸点为 1465℃ ;氯化钾的 熔点为 770℃，沸点为 1437℃，可以看出氯化钠和氯化钾可以以 蒸汽的形式从烧结矿和球团矿中排除。但脱碱产物会腐蚀管道、 造成结瘤及大气污染。
3 酒钢焦炭的抗碱措施
酒钢公司炼焦用煤普遍存在着以下几个方面的问题 ：①普 遍存在混煤现象。乌海焦煤，肥煤(乌达中硫)、地方肥煤均存在 混煤现象 ;混煤成分较为复杂， 含有气煤及无烟煤。在炼焦配煤 的过程中， 混煤现象严重干扰配煤， 同时也无法保障稳定的炼焦 生产过程与高质量焦炭的稳定供应。②指标波动中单个煤种的 波动较大， 已经严重影响配合煤的粘结性和结焦性。③单种煤的 灰分普遍在 10% 左右其含量偏高。④在焦煤成分中碱金属的含 量比较高， 加剧焦炭在高炉内的碳素气化反应， 破坏焦炭的骨架 作用，使高炉料柱透气性变差，破坏高炉顺行。因此，要降低高炉冶金焦中碱金属的含量，就必须控制炼焦用煤碱金属的含量。 酒钢所采用的单种炼焦煤， 煤灰中碱金属含量降低， 控制好煤源 中碱金属含量， 焦炭的质量势必提高。
近几年来，酒钢焦化厂一直在研究提高焦炭质量的措施，已 有一定成效，本文根据现场调研和相关文献调研提出几点提高 焦炭质量的措施 ：
(1) 优化配煤结构， 稳定焦炭的质量。
(2) 在配煤时， 增加低灰分煤的用量， 来提高焦炭质量。
(3) 在配煤结构中增加肥煤配比，提高煤的黏结性，进而降 低冶金焦的气孔率， 提高冶金焦强度。
(4) 采用新技术、新工艺， 不断提高焦炭质量。
(5) 不断研究焦炭钝化技术、提高焦炭抗碱能力。
(6) 建立煤质数据库， 实现对炼焦煤料场进行跟踪管理。
4 控制碱金属措施 4.1 控制入炉碱负荷
(1) 对于酒钢使用的原燃料应适当增加弱磁精矿、铁精矿 (博伦) 和铁精矿(大明) 的配比有利于降低碱金属含量。
(2) 烧结矿使用的灰碱金属含量高，造成高碱度烧结矿中碱 金属含量偏高， 建议在配料的时候停止使用所有的灰， 或先将所 有的灰送往转底炉处理去除碱金属。
(3) 加氯化钙，在熟料中加入氯化钙使碱金属生产氯化物， 再经过加热升温处理使碱金属氯化物挥发脱出。
(4) 改善焦炭的质量，采用降低高炉冶金焦中的灰分、优化 用煤结构、降低劣质非主焦煤配比、新建洗煤配套设施、对冶金 焦做钝化处理等措施，除此之外，还可以采用干法熄焦等来，从 而提高焦炭的抗碱性。
4.2 加强高炉碱负荷管理工作
碱金属在炉内危害极大，在炉内将引起炉缸堆积、炉料透气 性恶化、结瘤及损坏炉墙等，为减少碱金属危害，建议每一周分 析一次入炉的原料、燃料中碱金属的含量， 每个月计算一次碱金 属的收支平衡和高炉碱负荷，做到心中有数、及时应对。为跟踪 方便， 可建立相关的碱金属分析跟踪制度， 能够随时掌握碱金属 在高炉内的富集动态， 在强化冶炼一段时间后， 检测碱金属含量 上升， 有计划实施排碱， 避免措手不及， 减少事故率。
4.3 制定合理的炉料结构方案
根据酒钢高炉的碱负荷标准(K2O+Na2O<9kg ·t-1)，想要降 低减负荷可以从炉料着手，尽量减少高炉同时加入多种球团矿 和碱金属超高的烧结矿，高炉如果要改变料种，在此之前，须对 碱金属负荷进行配料计算， 最终制定出合适的炉料结构方案。
4.4 维持适宜的造渣制度
日常生产应维持适宜的造渣制度，在生产合格铁水的前提下最大限度的排碱， 保证炉渣的排碱率大于 80%。
(1) 高炉渣的碱度适当调低。炉渣碱度提高可以有效的脱 硫，提高脱硫率，提高生铁的质量，所以近年来酒钢的炼铁厂高 炉炉渣碱度一直控制在比较偏高的水平， 酒钢 1号高炉碱度基本 上在 1.09 左右，2 号高炉碱度基本上维持在 1.15 左右，不利于排 碱，可以将脱硫任务放到炉外进行。降低碱度即 SiO2 含量高有 利于碱金属进入到炉渣中，提高了炉渣的排碱率，因此，降低炉 渣碱度有利于高炉排碱。镜铁山矿的碱金属含量高， 酒钢高炉碱 害重， 可以采用降碱度排碱金属的方法。
(2) 适当提高炉渣MgO含量。MgO 能降低炉渣中碱金属的 有效浓度，炉渣中碱金属氧化物的溶解度随之提高。渣中MgO 含量在 8% ~ 10% 之间， 尤其是Al2O3 含量在 16% ~ 18% 之间， 排碱率提高。根据以上论述，结合酒钢的生成条件，酒钢高炉炉 渣MgO含量实际控制在 9%，高炉排碱的过程中还要考虑炉渣 的黏度。
(3) 控制好渣量。渣量应控制在合适范围内，渣量小随炉渣 排出的碱金属就少，排碱率低。但是渣量太大，焦炭的消耗量增 加，焦比升高， 高炉经济技术指标降低。
4.5 定期排碱
建立碱金属变化情况跟踪分析制度，掌握高炉碱金属富集 动态，定期有计划实施排碱。预防碱害要选择合理的操作制度， 降低炉渣二元碱度。增加铁次，及时排净炉内渣铁，减少了炉渣 在高炉内的停留时间， 从而使炉渣中挥发的碱金属量减少， 在高 炉里参与循环的总碱量减少， 提高炉渣的排碱能力。
高炉在生产一段时间后，炉内的碱含量上升如果收入较多 支出较少， 导致碱金属在炉富集， 就会出现风口小套间渗出银色 的液体，在液态的渣面上时不时冒出黄色或淡蓝色的火焰而凝 固的渣面出现白点，这时，要立即排碱，具体的措施是 ：R低到 1.05 以下， 适当提高炉温。
4.6 热制度合理
提高炉温。提高炉温是消除碱害的关键措施。适当降低碱度， 增加渣中SiO2 含量，提高铁水硅含量，就会有效提高高炉的排碱 能力。碱金属硅酸盐的还原过程是吸热反应 ,需要较高的温度 , 随 着炉温水平的升高，生成了较多的碱金属蒸汽 ,进入渣中的碱金 属就减少 ,导致高炉排碱率下降 ,所以从这个角度看炉温越低，越 有利于高炉排碱。但是，如果入炉碱金属负荷大于 5kg/t，会造成 高炉直接还原度升高，间接还原度下降，炉缸渣铁热量不足，导 致炉缸透液性下降 ,在降低炉渣碱度后，若想要通过降低炉温来 排碱，不仅对脱硫和改善炉渣的流动性不利，严重时会发生炉缸 堆积现象。1号高炉一般将 [Si]控制在0.45% ~ 0.65%， 就能使炉 缸有足够的热量， 炉况可以恢复生产需要。为了尽快加热“炉缸”， 可采用集中加焦即每隔 5批加一车净焦， 共加7车左右。
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