近年来，国内外原燃料价格不断上涨，而质量水平却逐年下降，保持供应稳定都变得困难。为了降低生产成本，原燃料中大量配加尘泥固废料，致使有害元素在高炉内循环富集。这样会大幅减弱焦炭热态性能，加剧其在高温区的粉化，致使炉况顺行不好，难以降低焦比、提高煤比，对高炉正常生产带来了不利影响。

　　因此，有必要开展细致全面的研究，深入了解有害元素对焦炭热态性能的影响规律和特点，进而明确对高炉冶炼的危害程度，确立合理的有害元素入炉负荷标准，并探寻更加科学有效的控制手段。这对保证高炉的长期平稳生产具有重要意义。

　　焦炭热态性能影响高炉稳定

　　焦炭是高炉炼铁工艺不可缺少的燃料。特别是在现代大型高炉冶炼条件下，随着焦比的降低、冶炼强度的提高，焦炭负荷增加，在高炉内的滞留时间延长，其作为料柱骨架保持炉内透气透液性的作用更加突出。因此，高炉冶炼中焦炭的热态性能非常重要。

　　焦炭的热态性能指标包括反应性(CRI)和反应后强度(CSR)。反应性是焦炭在高温状态下与氧化性气氛发生碳溶反应的能力。反应后强度是焦炭在经受氧化性气氛溶蚀状态下保持高温强度的能力。焦炭热态性能不好，则在高温区域更易粉化，骨架作用能力减小，恶化料柱透气透液性，影响煤气流稳定和高炉顺行。降低CRI、提高CSR一直是炼铁界的共识。在加剧焦炭粉化的众多因素中，循环富集的碱金属等有害元素能够催化碳溶反应，对焦炭的破坏非常严重。因此，研究有害元素对焦炭热态性能的影响，进而明确对高炉冶炼的危害以便采取相应控制措施，对保证高炉长期平稳生产具有重要意义。

　　有害元素影响焦炭热态性能

　　碱金属(K、Na)的影响。进入高炉的碱金属主要以复杂的硅酸盐和硅铝酸盐形式存在。这些含碱矿物在高温区熔融后大部分进入炉渣，与焦炭充分接触时部分以硅酸盐形式被C还原出K、Na单质。因为高炉炉腹和炉缸部位的环境温度远远超过了金属K、Na的沸点(分别为759℃、883℃)，生成的单质碱金属立即气化以蒸汽形式随煤气流上升，在不同温度条件下又与其他物质反应生成碳酸盐、硅酸盐、氰化物等。一部分碱金属单质与化合物随炉顶煤气排出，一部分则沉积在炉料上再度下降至高温区，形成炉内循环。

　　经过对许多高炉调查证明，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可达到原始含量的十几倍甚至几十倍。在高炉内的有害元素中，碱金属对焦炭热态性能的影响最为严重。调查表明，碱金属分布越高的区域焦炭的劣化越显著，粒度、强度降低幅度越大。

　　为此，有关碱金属对焦炭热态性能的影响一直受到人们的关注，尤其是针对K、Na两种主要碱金属元素的研究。通过在焦炭中增碱的方法能够定性地考察碱金属对焦炭热态性能的影响。试验结果显示，随着碱金属含量的增加，焦炭的反应性大幅升高，反应后强度大幅降低，焦炭劣化加剧。

　　须要指出的是，目前企业在制定入炉碱金属负荷上限时多把钾、钠总量作为标准，但很多高炉调查发现，在碱金属富集区域和风口取样的焦炭中钾含量明显高于钠含量。为此有人提出应该将钾、钠入炉标准区分开。有研究认为，钾对焦炭的破坏性要比钠高10倍以上，因此有必要在进一步确定钾、钠对高炉冶炼危害程度的基础上，考虑区分二者的入炉标准，重点关注入炉钾负荷。

　　锌、铅的影响。除了最主要的钾、钠碱金属元素加剧碳溶反应外，锌、铅元素对焦炭热态性能也会造成影响，进入高炉的锌主要以铁酸盐(ZnOFe2O3)、硫化物(ZnS)、硅酸盐(ZnOSiO2)等形式存在，在高温区被CO等还原成Zn单质。锌沸点也很低(907℃)，还原出来的Zn立即气化随煤气流上升。部分随炉顶煤气排出，部分又被氧化成ZnO吸附在炉料上再度下降，形成炉内循环。炉料中的铅主要以硫酸盐(PbSO4)、硫化物(PbS)等形式存在，可以被C和Fe还原，也可与CaO作用成PbO，然后被CO还原。铅的沸点较高(1749℃)，在高温区也可能部分气化进入煤气，上升到低温区又被氧化成PbO再随炉料下降，形成循环。

　　对锌、铅的危害研究，以往关注较多的是其引起炉身结瘤、侵蚀炉衬等现象。有研究表明，其在高炉内循环过程中对焦炭劣化也有明显的催化作用。北科大进行过炼焦前配入锌、铅化合物的试验。配入3%的ZnO后，焦炭反应性由20.3%增至41.1%，增加了20%以上;配入1%~5%的PbO时，焦炭反应性增加了6.5%~26.2%，相应的反应后强度也大幅降低。可见锌、铅元素对碳溶反应的催化作用强烈，应引起炼铁和焦化工作者的足够重视。

　　氯化物的影响。目前普遍向烧结矿中喷洒CaCl2、MgCl2溶液以改善低温还原粉化性能，而氯化物的存在对焦炭的热态性能不利。其在高炉条件下能与碱金属发生反应，形成对应的碱金属氯化物，从而进一步强化碱金属的循环和危害。有学者用CaCl2和取到的高炉风口粉末(KCl、NaCl)配制不同浓度的溶液对焦炭试样进行浸渍，静置24小时取出烘干后进行焦炭反应性试验。试验发现，吸附CaCl2或碱金属氯化物粉末的焦炭反应性提高、反应后强度降低，焦炭热态性能下降。因此，对于烧结矿喷洒氯化物的技术有必要进一步研究，在考虑降低烧结矿低温还原粉化率作用的同时，也要考虑其强化高炉碱循环、加剧焦炭劣化的负面作用，必要时寻求新的替代品。

　　注重“饮食”和“自清洁”促“排毒”

　　碱金属、锌等有害元素在高炉内循环富集，都会催化焦炭的气化溶碳反应，尤其是多种破坏作用交替累加在一起，对焦炭热态性能的影响更加严重。除了高炉内部的有害元素循环富集，炼铁工序和炼钢工序产生大量含铁尘泥(高炉瓦斯灰/泥、转炉灰/泥等)，往往作为原料返回烧结工序回收利用。其所含的碱金属、锌等有害元素随烧结矿也进入高炉，这样又形成了炉外循环，外部循环的最终富集点也是高炉。这样，高炉中的有害元素负载量不断积累增加，除了对焦炭热态性能产生影响，降低其保持炉内透气透液性的料柱骨架作用外，还会降低烧结矿和球团矿的热强度，导致粉化率增加，并加剧炉衬耐火材料侵蚀，对高炉顺行和安全长寿都产生不良作用。因此，控制有害元素在高炉中的循环富集十分重要，主要应从以下几个角度寻求改善：

　　从入炉原燃料着手，尽量减少有害元素入炉。建立入炉原燃料有害元素监测制度，实时检测分析高炉原燃料中有害元素的含量，确定各有害元素的主要来源，对有害元素含量高的原燃料要限制或优化处理。应重点监测各类含铁的固废尘泥，其在企业内部消化时必须区别对待，综合考虑利弊，必要时应停止使用，阻断有害元素的循环。日本钢企普遍使用转底炉处理有害元素含量高的尘泥固废，还有些钢企专门留用一座中小高炉来处理有害元素含量高的尘泥固废，担负主要产能任务的大型高炉则尽量避免有害元素大量入炉。这些形式和方法都值得我们借鉴。

　　从高炉支出着手，增强高炉排除有害元素的能力。高炉本身具有一定的有害元素自排功能，通常高炉中有害元素以碱金属和锌含量较高，而研究表明绝大部分碱金属能随炉渣排出，锌随炉尘排出。提高炉渣排碱能力可采用适当增加渣量、降低炉渣碱度、及时出尽渣铁等措施，提高排锌能力可采用适当降低炉顶压力、营造中心开放和边缘稳定的煤气流分布，以提高煤气流速强化排锌等措施。但这些手段往往带来一定负面效果，例如提高炉渣排碱能力的措施一般都会引起铁水高硫，而降低炉顶压力排锌的措施又与增产、降焦等相悖。因此，从高炉支出着手属于相对消极的有害元素控制措施，最根本的还应是从入炉原燃料加以控制。

　　确立合理的高炉有害元素入炉负荷上限。《高炉炼铁工艺设计规范》中，碱金属的入炉控制值为不超过3.0kg/t，锌为不超过0.15kg/t。各钢铁企业一般也都规定碱、锌负荷上限值，但不同企业的控制标准差别很大。这在原燃料条件波动、操作参数变化的情况下，制定具体高炉有害元素入炉上限时难以借鉴。因此，必须进行系统研究，依据具体高炉的冶炼实践确立合理的负荷上限，而当前的限制方法也有待进一步完善。此外，有必要针对高炉中有害元素的反应行为、富集机理，炉内循环、炉外循环等全程开展深入、系统的研究，寻求更加科学合理的控制手段