近年來，國內(nèi)外原燃料價(jià)格不斷上漲，而質(zhì)量水平卻逐年下降，保持供應(yīng)穩(wěn)定都變得困難。為了降低生產(chǎn)成本，原燃料中大量配加塵泥固廢料，致使有害元素在高爐內(nèi)循環(huán)富集。這樣會大幅減弱焦炭熱態(tài)性能，加劇其在高溫區(qū)的粉化，致使?fàn)t況順行不好，難以降低焦比、提高煤比，對高爐正常生產(chǎn)帶來了不利影響。

　　因此，有必要開展細(xì)致全面的研究，深入了解有害元素對焦炭熱態(tài)性能的影響規(guī)律和特點(diǎn)，進(jìn)而明確對高爐冶煉的危害程度，確立合理的有害元素入爐負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，并探尋更加科學(xué)有效的控制手段。這對保證高爐的長期平穩(wěn)生產(chǎn)具有重要意義。

　　焦炭熱態(tài)性能影響高爐穩(wěn)定

　　焦炭是高爐煉鐵工藝不可缺少的燃料。特別是在現(xiàn)代大型高爐冶煉條件下，隨著焦比的降低、冶煉強(qiáng)度的提高，焦炭負(fù)荷增加，在高爐內(nèi)的滯留時(shí)間延長，其作為料柱骨架保持爐內(nèi)透氣透液性的作用更加突出。因此，高爐冶煉中焦炭的熱態(tài)性能非常重要。

　　焦炭的熱態(tài)性能指標(biāo)包括反應(yīng)性（CRI）和反應(yīng)后強(qiáng)度（CSR）。反應(yīng)性是焦炭在高溫狀態(tài)下與氧化性氣氛發(fā)生碳溶反應(yīng)的能力。反應(yīng)后強(qiáng)度是焦炭在經(jīng)受氧化性氣氛溶蝕狀態(tài)下保持高溫強(qiáng)度的能力。焦炭熱態(tài)性能不好，則在高溫區(qū)域更易粉化，骨架作用能力減小，惡化料柱透氣透液性，影響煤氣流穩(wěn)定和高爐順行。降低CRI、提高CSR一直是煉鐵界的共識。在加劇焦炭粉化的眾多因素中，循環(huán)富集的堿金屬等有害元素能夠催化碳溶反應(yīng)，對焦炭的破壞非常嚴(yán)重。因此，研究有害元素對焦炭熱態(tài)性能的影響，進(jìn)而明確對高爐冶煉的危害以便采取相應(yīng)控制措施，對保證高爐長期平穩(wěn)生產(chǎn)具有重要意義。

　　有害元素影響焦炭熱態(tài)性能

　　堿金屬（K、Na）的影響。進(jìn)入高爐的堿金屬主要以復(fù)雜的硅酸鹽和硅鋁酸鹽形式存在。這些含堿礦物在高溫區(qū)熔融后大部分進(jìn)入爐渣，與焦炭充分接觸時(shí)部分以硅酸鹽形式被C還原出K、Na單質(zhì)。因?yàn)楦郀t爐腹和爐缸部位的環(huán)境溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了金屬K、Na的沸點(diǎn)（分別為759℃、883℃），生成的單質(zhì)堿金屬立即氣化以蒸汽形式隨煤氣流上升，在不同溫度條件下又與其他物質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鹽、硅酸鹽、氰化物等。一部分堿金屬單質(zhì)與化合物隨爐頂煤氣排出，一部分則沉積在爐料上再度下降至高溫區(qū)，形成爐內(nèi)循環(huán)。

　　經(jīng)過對許多高爐調(diào)查證明，焦炭是堿金屬富集的最主要載體。在堿金屬富集嚴(yán)重區(qū)域，焦炭中堿金屬的含量可達(dá)到原始含量的十幾倍甚至幾十倍。在高爐內(nèi)的有害元素中，堿金屬對焦炭熱態(tài)性能的影響最為嚴(yán)重。調(diào)查表明，堿金屬分布越高的區(qū)域焦炭的劣化越顯著，粒度、強(qiáng)度降低幅度越大。

　　為此，有關(guān)堿金屬對焦炭熱態(tài)性能的影響一直受到人們的關(guān)注，尤其是針對K、Na兩種主要堿金屬元素的研究。通過在焦炭中增堿的方法能夠定性地考察堿金屬對焦炭熱態(tài)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著堿金屬含量的增加，焦炭的反應(yīng)性大幅升高，反應(yīng)后強(qiáng)度大幅降低，焦炭劣化加劇。

　　須要指出的是，目前企業(yè)在制定入爐堿金屬負(fù)荷上限時(shí)多把鉀、鈉總量作為標(biāo)準(zhǔn)，但很多高爐調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在堿金屬富集區(qū)域和風(fēng)口取樣的焦炭中鉀含量明顯高于鈉含量。為此有人提出應(yīng)該將鉀、鈉入爐標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分開。有研究認(rèn)為，鉀對焦炭的破壞性要比鈉高10倍以上，因此有必要在進(jìn)一步確定鉀、鈉對高爐冶煉危害程度的基礎(chǔ)上，考慮區(qū)分二者的入爐標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)關(guān)注入爐鉀負(fù)荷。

　　鋅、鉛的影響。除了最主要的鉀、鈉堿金屬元素加劇碳溶反應(yīng)外，鋅、鉛元素對焦炭熱態(tài)性能也會造成影響，進(jìn)入高爐的鋅主要以鐵酸鹽（ZnOFe2O3）、硫化物（ZnS）、硅酸鹽（ZnOSiO2）等形式存在，在高溫區(qū)被CO等還原成Zn單質(zhì)。鋅沸點(diǎn)也很低（907℃），還原出來的Zn立即氣化隨煤氣流上升。部分隨爐頂煤氣排出，部分又被氧化成ZnO吸附在爐料上再度下降，形成爐內(nèi)循環(huán)。爐料中的鉛主要以硫酸鹽（PbSO4）、硫化物（PbS）等形式存在，可以被C和Fe還原，也可與CaO作用成PbO，然后被CO還原。鉛的沸點(diǎn)較高（1749℃），在高溫區(qū)也可能部分氣化進(jìn)入煤氣，上升到低溫區(qū)又被氧化成PbO再隨爐料下降，形成循環(huán)。

　　對鋅、鉛的危害研究，以往關(guān)注較多的是其引起爐身結(jié)瘤、侵蝕爐襯等現(xiàn)象。有研究表明，其在高爐內(nèi)循環(huán)過程中對焦炭劣化也有明顯的催化作用。北科大進(jìn)行過煉焦前配入鋅、鉛化合物的試驗(yàn)。配入3%的ZnO后，焦炭反應(yīng)性由20.3%增至41.1%，增加了20%以上；配入1%~5%的PbO時(shí)，焦炭反應(yīng)性增加了6.5%~26.2%，相應(yīng)的反應(yīng)后強(qiáng)度也大幅降低�？梢婁\、鉛元素對碳溶反應(yīng)的催化作用強(qiáng)烈，應(yīng)引起煉鐵和焦化工作者的足夠重視。

　　氯化物的影響。目前普遍向燒結(jié)礦中噴灑CaCl2、MgCl2溶液以改善低溫還原粉化性能，而氯化物的存在對焦炭的熱態(tài)性能不利。其在高爐條件下能與堿金屬發(fā)生反應(yīng)，形成對應(yīng)的堿金屬氯化物，從而進(jìn)一步強(qiáng)化堿金屬的循環(huán)和危害。有學(xué)者用CaCl2和取到的高爐風(fēng)口粉末（KCl、NaCl）配制不同濃度的溶液對焦炭試樣進(jìn)行浸漬，靜置24小時(shí)取出烘干后進(jìn)行焦炭反應(yīng)性試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，吸附CaCl2或堿金屬氯化物粉末的焦炭反應(yīng)性提高、反應(yīng)后強(qiáng)度降低，焦炭熱態(tài)性能下降。因此，對于燒結(jié)礦噴灑氯化物的技術(shù)有必要進(jìn)一步研究，在考慮降低燒結(jié)礦低溫還原粉化率作用的同時(shí)，也要考慮其強(qiáng)化高爐堿循環(huán)、加劇焦炭劣化的負(fù)面作用，必要時(shí)尋求新的替代品。

　　注重“飲食”和“自清潔”促“排毒”

　　堿金屬、鋅等有害元素在高爐內(nèi)循環(huán)富集，都會催化焦炭的氣化溶碳反應(yīng)，尤其是多種破壞作用交替累加在一起，對焦炭熱態(tài)性能的影響更加嚴(yán)重。除了高爐內(nèi)部的有害元素循環(huán)富集，煉鐵工序和煉鋼工序產(chǎn)生大量含鐵塵泥（高爐瓦斯灰/泥、轉(zhuǎn)爐灰/泥等），往往作為原料返回?zé)�結(jié)工序回收利用。其所含的堿金屬、鋅等有害元素隨燒結(jié)礦也進(jìn)入高爐，這樣又形成了爐外循環(huán)，外部循環(huán)的最終富集點(diǎn)也是高爐。這樣，高爐中的有害元素負(fù)載量不斷積累增加，除了對焦炭熱態(tài)性能產(chǎn)生影響，降低其保持爐內(nèi)透氣透液性的料柱骨架作用外，還會降低燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的熱強(qiáng)度，導(dǎo)致粉化率增加，并加劇爐襯耐火材料侵蝕，對高爐順行和安全長壽都產(chǎn)生不良作用。因此，控制有害元素在高爐中的循環(huán)富集十分重要，主要應(yīng)從以下幾個(gè)角度尋求改善：

　　從入爐原燃料著手，盡量減少有害元素入爐。建立入爐原燃料有害元素監(jiān)測制度，實(shí)時(shí)檢測分析高爐原燃料中有害元素的含量，確定各有害元素的主要來源，對有害元素含量高的原燃料要限制或優(yōu)化處理。應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測各類含鐵的固廢塵泥，其在企業(yè)內(nèi)部消化時(shí)必須區(qū)別對待，綜合考慮利弊，必要時(shí)應(yīng)停止使用，阻斷有害元素的循環(huán)。日本鋼企普遍使用轉(zhuǎn)底爐處理有害元素含量高的塵泥固廢，還有些鋼企專門留用一座中小高爐來處理有害元素含量高的塵泥固廢，擔(dān)負(fù)主要產(chǎn)能任務(wù)的大型高爐則盡量避免有害元素大量入爐。這些形式和方法都值得我們借鑒。

　　從高爐支出著手，增強(qiáng)高爐排除有害元素的能力。高爐本身具有一定的有害元素自排功能，通常高爐中有害元素以堿金屬和鋅含量較高，而研究表明絕大部分堿金屬能隨爐渣排出，鋅隨爐塵排出。提高爐渣排堿能力可采用適當(dāng)增加渣量、降低爐渣堿度、及時(shí)出盡渣鐵等措施，提高排鋅能力可采用適當(dāng)降低爐頂壓力、營造中心開放和邊緣穩(wěn)定的煤氣流分布，以提高煤氣流速強(qiáng)化排鋅等措施。但這些手段往往帶來一定負(fù)面效果，例如提高爐渣排堿能力的措施一般都會引起鐵水高硫，而降低爐頂壓力排鋅的措施又與增產(chǎn)、降焦等相悖。因此，從高爐支出著手屬于相對消極的有害元素控制措施，最根本的還應(yīng)是從入爐原燃料加以控制。

　　確立合理的高爐有害元素入爐負(fù)荷上限�！陡郀t煉鐵工藝設(shè)計(jì)規(guī)范》中，堿金屬的入爐控制值為不超過3.0kg/t，鋅為不超過0.15kg/t。各鋼鐵企業(yè)一般也都規(guī)定堿、鋅負(fù)荷上限值，但不同企業(yè)的控制標(biāo)準(zhǔn)差別很大。這在原燃料條件波動、操作參數(shù)變化的情況下，制定具體高爐有害元素入爐上限時(shí)難以借鑒。因此，必須進(jìn)行系統(tǒng)研究，依據(jù)具體高爐的冶煉實(shí)踐確立合理的負(fù)荷上限，而當(dāng)前的限制方法也有待進(jìn)一步完善。此外，有必要針對高爐中有害元素的反應(yīng)行為、富集機(jī)理，爐內(nèi)循環(huán)、爐外循環(huán)等全程開展深入、系統(tǒng)的研究，尋求更加科學(xué)合理的控制手段。