1有害元素在高炉中的行为
碱金属主要来源于铁矿石、焦炭等物质，碱金属常以复杂硅酸盐的形式存在于各种矿石中，这些复杂化合物在常规的烧结过程中去除很少。在高炉的中、上部，以复杂硅酸盐形式进入高炉的碱金属是很稳定的，当它随炉料下降到高炉下部高温区后，能按式(1)和式(2)进行还原，生成K、Na[1]。 (1)
(2)
式(1)还原温度大于1550℃；式(2)还原温度大于1700℃。由于煤气的高速运动，反应不能达到平衡，只有小部分碱金属硅酸盐参加反应，生成的碱蒸气随着煤气流向上运动。在高温区产生的碱蒸气离开风口区后，能按式(3)至式(5)反应生成蒸气随煤气流上升。 (3)
(4)
(5)
夹杂着碱蒸气、碱金属及碳酸盐的高炉煤气流，在上升过程中与高炉料柱和内衬充分接触，其碱金属一部分被焦炭吸收，一部分沉积于耐火材料上，一部分随煤气排出炉外，炉料中大部分未还原的碱金属以硅酸盐形式随高炉渣排出[2]。被焦炭吸收和黏附在炉料上的碱金属及其化合物，随炉料下降到高炉高温区后又将挥发而重新进入煤气流中，这样导致碱金属的循环往复，最终出现碱金属的富集，进而影响高炉冶炼的正常进行。锌是与含铁矿物在矿石中共存的元素，在天然矿石中锌的含量是微量的。入炉后分解成为氧化物ZnO，随炉料下降，在CO/CO2=l～5的条件下，于100℃以上的高温区还原成Zn。Zn的 沸点为907℃，蒸发进入煤气，升至高炉中上部又被氧化成ZnO，一部分随煤气逸出，另一部分黏附在炉料上，又下降而被还原、汽化，形成循环。
1.2 锌
Zn蒸气可渗入砖衬缝隙中，冷凝并氧化成Zn0，体积膨胀损坏内衬，若ZnO粘在炉墙上，则造成炉墙结厚或结瘤。随煤气逸出的ZnO，能在上升管和下降管凝集，产生堵塞。Zn凝集的温度随煤气中Zn的浓度、环境气氛及压力不同而异，在500℃左右，CO浓度很高时容易凝结。
2碱金属的影响
2.1对烧结矿性能的影响
2.1.1 还原性
碱金属能提高烧结矿的还原性能，其主要原因是碱金属对还原反应的催化作用及碱金属能增加烧结矿的气孔率。从这一方面来看，；碱金属对降低焦比是有利的，但其作用有限。
作者简介：董万春，男，硕士研究生
2.1.2软熔性能
高炉冶炼时要求烧结矿具有较高的软熔温度和较窄的软熔温度区间，使高炉内的软熔 带处于较低的位置。当烧结矿碱度相同时，烧结矿中碱金属含量越高，其软熔温度越低。原因在于碱金属含量高时，将会和其他化合物反应而生成一些低熔点物质，从而使烧结矿软熔温度明显降低。钒钛烧结矿高炉冶炼过程中钙、铁、硅的氧化物在还原气氛下固液反应生成的低熔点化合物钙铁橄榄石数量有限，其滴落温度升高，从而使软熔温度区间变宽。
2.1.3原粉化性能
碱金属含量对低温还原粉化率影响较小，对中温还原粉化率则影响显著。随着碱金属含量的增加，烧结矿的中温还原粉化率增加。原因在于炉料中碱金属氧化物含量的增加，加速了炉料还原过程的晶形转变(Fe2O，三方晶系，Fe，04立方晶系)，导致炉料体积膨胀，产生粉末，此外，K、Na挥发物冷凝沉积后与其它物料反应也会使粉化率增加[3]。
2.2对球团矿性能的影响
碱金属具有催化作用，能促进球团矿的还原，但过量的碱金属会使球团矿膨胀，甚至出现开裂、强度变差等，产生二次粉末，恶化料柱透气性，严重影响高炉的顺行。
2.3焦炭性能
K、Na、Zn等有害元素在高炉中循环富集，对焦炭的强度起着严重的破坏作用。碱金属的吸附首先从焦炭的气孔开始，而后逐渐向焦炭内部的基质扩散。随着焦炭在碱蒸气内暴露时间的延长，碱金属的吸附量逐渐增多，向焦炭基质部分的碱金属会侵蚀到石墨晶体内部，破坏了原有层状结构，，当生成层间化合物时，会产生比较大的体积膨胀，使焦炭产生裂纹，甚至崩裂。碱金属会使焦炭的反应性明显增强，焦炭反应后强度将明显降低，焦炭质量将恶化[4]。
2.4碱金属对高炉炉衬的影响
炉料带入的碱金属在高温区被还原，并立即汽化，在随煤气上升的过程中一部分被炉料吸收，一部分附在砖衬表面与砖衬反应生成新的化合物，产生体积膨胀，使砖衬从热端向冷端逐层剥落。另一部分蒸气与煤气一道沿砖缝、裂纹、气孔渗入砖衬内部，反应生成大量
的沉积炭。碱金属还与砖中的莫来石反应生成钾霞石化合物，产生体积膨胀，从而破坏砖衬。
碱金属对炭砖的影响包括：强度变差、体积膨胀和塑性膨胀、、促使石墨化。
对不同类型砖衬进行的抗碱实验表明：在高炉常用的几种炉衬材料中，碳化硅砖以及与氮化硅结合的碳化硅砖具有较好的抗碱侵蚀性能；其次是铝炭砖；高铝砖和黏土砖较差。对同类型砖，致密度高的抗碱侵蚀性能较好。
据观察，碱金属和锌破坏高炉炉衬的反应是按以下两种方式进行的[5]：
(1)在有碱金属存在的条件下，碱金属或锌同耐火砖反应并生成新的化合物,引起耐火砖从热端向中间逐渐破坏；
(2)含碱金属和锌的蒸气穿过灰缝进入耐火砖(或炭砖)的气孔，在适宜的温度条件下和高炉煤气中的CO发生下列反应：
某一区域炉衬中间的碱金属含量高于其热端的含量，这一事实说明了碱金属蒸气的渗透作用。碱金属蒸气渗透的破坏作用并不亚于与热端的直接侵蚀。
2.5 碱金属对高炉冶炼的影响
2.5.1 焦比
碱金属对焦比的影响主要包括三方面：
(1)进入高炉内的碱金属硅酸盐在高炉下部被还原时消耗碳和一定的热量。
(2)碱金属对焦炭的溶损反应起催化作用，使焦炭溶损反应的开始温度下降，焦炭反应性明显增加，结构强度减弱，从而引起焦比升高。
(3)碱金属对高炉顺行的影响。碱金属在炉内使料柱透气性变坏，导致冶炼强度降低，风压
升高，造成炉料运动失常，产生滑料和悬料，炉顶温度升高，煤气利用变差，最终导致炉凉，焦比升高。
从上述三个方面来看，碱金属的影响主要是通过恶化高炉料柱透气性来破坏高炉的顺行，从而导致焦比的升高。
2.5.2 高炉结瘤
高炉结瘤严重影响高炉的生产。大量研究表明，碱金属是高炉炉瘤形成的主要原因。碱金属氧化物在高炉下部被还原为K、Na蒸气或生成K(Na)CN，随煤气上升到高炉上部，同炉衬发生反应，使砖衬软化和熔融，黏结粉料。不断进行，就会逐渐形成炉瘤或结厚。原料中含有较多碱金属，加上操作制度不合适，原料粉末多，炉渣排碱能力差，高炉便会出现频繁结瘤现象[6]。
3影响高炉排碱的因素
3.1 炉温
随着炉温水平的升高，高炉排碱能力呈下降趋势。因为炉温高有利于高炉内碱金属的硅钛酸盐的还原，生成的K、Na相对多，而进入高炉渣中的碱金属的硅钛酸盐就少，排碱率自然也低。攀钢高炉的炉温控制水平较冶炼普通矿高炉低，因而攀钢高炉渣排碱能力相对较强。
3.2 炉渣碱度
炉渣碱度是排碱能力的主要影响因素，碱度低有利于排碱。因为碱度低，渣中(SiO2)量相对较高，不利于碱金属的硅钛酸盐还原，从而提高排碱率。炉渣的排碱能力随着碱度的提高而减小。这是因为参加反应的K2O和Na2O都是强碱性物质，它们的溶解度是随着炉渣中一元碱度的提高而降低的。碱度也不是越低越好，低碱度渣对排碱有利，但不利于脱硫。在实际生产过程中，在保证生产出合格生铁的前提下，为提高炉渣排碱量，应尽量采用较低二元碱度渣操作[7]。
随着渣中w(Si02)越高，炉渣排碱量也逐渐提高。碱金属在高炉中温区反应如下：
增加渣中自由Si02的质量分数，有利于反应向右进行，从而增大炉渣吸收碱金属的能力。因此，在不影响炉渣脱硫能力的前提下，应尽量提高渣中自由SiO2的质量分数。炉渣的排碱能力随着渣中w(MgO)的增加而提高。实验已证明，提高渣中w(MgO)能使渣中K2O、Na2O的活度系数大大降低，即稳定性增加，从而提高了K2O、Na2O在炉渣中的溶解度。用MgO代替CaO，降低m(CaO)/m(Si02)值，可以减少碱金属的挥发。因此，在条件许可的前提下，就单纯提高炉渣排碱能力而言，应尽量提高渣中w(Mg0)。炉渣排碱能力和R2的关系见图1，与w(A1203)的关系见图2。
图1 排碱能力与碱金属之间的关系
图2 排碱能力与w(Al2O3)%的关系
从图2可以看出，炉渣的排碱能力随着渣中w(A1203)的增加而提高，A12O3在渣中是弱酸性氧化物，而K2O、Na2O都是强碱性氧化物。它们在渣中的活度将随着渣中的酸性物的增加而降低，稳定性增加。增加w(A12O3)有益于排碱。但高A12O3对脱硫不利，且使熔渣黏度变大，w(A1203)不宜增加。
3.3 渣中(TiO2)
以攀钢为例，高炉渣中TiO2呈弱酸性，为SiO2酸性的0.61倍，排碱作用显著。高TiO2炉渣中低熔点矿物以含钛的透辉石为主，高熔点矿物以钙钛矿为主，这些矿物质都固溶有较多的Na2O和K2O。据矿物元素平衡理论计算，钙钛矿中SiO2不能同Na2O、K2O反应完全，剩余的碱金属会形成钛酸盐(这是高TiO：炉渣排碱不同于普通炉渣之处)，从而排出炉外。因此，炉渣中高Ti02有助于炉渣中碱金属的排出。
3.4 渣量
攀钢炉料中带入的碱金属绝大部分通过炉渣排出，所以渣量大小对排碱有明显的影响。攀
钢高炉原料入炉品位低，渣量大，这也是排碱率高的一个重要原因。
4 对策
4.1 合理配矿
限制入炉碱负荷。通过合理配料，减少烧结矿、块矿、焦炭和煤粉带入的碱金属量是降低高炉碱负荷的主要途径。
4.2 提高炉渣的排碱能力
高炉内碱金属主要通过高炉渣排出炉外，因此，提高炉渣的排碱能力是减轻高炉碱金属危害的主要方法。在提高炉渣排碱能力时要特别注意控制好炉温和炉渣的碱度。
条件允许时，尽量保持低炉温、低碱度操作。炉渣碱度降低，使SiO2和TiO2的活度增大，从而抑制了碱金属硅钛酸盐的高温还原，使渣的溶碱能力提高。在总碱度不变的情况下，以MgO代替CaO造渣也有利于炉渣排碱。
另一方面，可以考虑在炉料中加入硅石，改善K、Na与SiO2的反应条件，生成比较稳定且
容易进渣的K(Na)2SiO：，使炉渣带走更多的碱金属。
4.3改善焦炭热性能
集中在两个方面：一是通过合理配煤，增加活性组分，提高配合煤的黏结性；二是降低配合煤的碱金属含量和碱度指数，可以改善焦炭的热性能。向焦炭中添加钝化剂(硼酸等)，可以改善焦炭的热性能，尤其是中等强度焦炭的改善效果较明显。
4.4 优化高炉操作
强化筛分管理，在改善原料的冶金性能的同时，减少入炉粉末：运用上下部调剂，形成合理煤气流分布；控制冷却强度，避免边缘堆积或炉墙结厚。必要时采取硅石洗炉的办法排除碱害。
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