高炉内氯对高炉冶炼的影响分析

2014-03-09孙刚

冶金设备 2014年1期

孙刚

（北京中冶设备研究设计总院有限公司北京 100029）

1 高炉内氯的来源

高炉内的氯元素来自于高炉冶炼的炉料，目前钢铁企业的炉料结构为：含铁原料和燃料。其中，含铁原料主要包括烧结矿、球团矿和天然块矿；而燃料则主要由焦炭和煤粉组成。煤粉和焦炭除本身含有氯元素以外，喷吹煤粉时加入的助燃剂和焦炭为了降低其反应性而使用的钝化剂也均含有一定量的氯元素，在冶炼过程中这些氯元素会随之进入高炉。其次，高炉冶炼使用的烧结矿，为了降低烧结矿的低温还原粉化率，采用了在烧结矿表面喷洒CaCl2溶液的技术，CaCl2溶液就会将一部分氯元素带入高炉。另外，高炉冶炼使用的天然块矿，一部分由于受到海水的浸泡，表面会附着少量的氯化物，这些氯化物在冶炼过程中也会随铁矿石进入高炉。氯元素的来源有以下几种。

1.1 高炉喷吹煤粉中的氯元素

现代高炉大都采用煤粉喷吹技术，以此来节省焦炭用量，降低生产成本，提高在市场中的竞争力。目前，国内大部分高炉的煤比都处在150kg／t左右，部分高炉的煤比已经超过了200kg／t。虽然全国煤炭中氯的平均含量只有0.022%左右，绝大部分煤炭中氯的含量处在0.05%以下，但是，随着高炉喷煤比的提高，煤炭中微量元素氯进入高炉的数量也将随之增加，所以由煤粉带入高炉的氯成为高炉内氯元素的一个主要来源。

1.2 焦炭中的氯元素

焦炭在高炉内不仅仅是发热剂、还原剂、渗碳剂，它还起着非常重要的骨架作用。一些炼焦工艺采用废旧塑料与煤共焦化的处理方法，使得焦炭中的氯元素含量大大升高，再加上高炉炼铁需要消耗大量的焦炭，所以由焦炭带入高炉内的氯元素也成为高炉内氯的一个主要来源。

1.3 铁矿石中的氯元素

随着铁矿石资源开发的逐渐扩展，海滨含铁砂矿越来越受到人们的重视。海滨含铁砂矿石依海开采，铁矿石不可避免地会被海水浸泡，加之在对部分铁矿石进行选矿处理时也会使铁矿石与海水进行接触，所以这些铁矿石都会有一定程度的海水附着现象，海水中的一些无机氯化物会随之附着在铁矿石的表面。

1.4 烧结矿表面喷洒CaCl2中的氯元素

降低烧结矿的低温还原粉化率一直是冶金工作者们努力的重点。目前采用喷洒CaCl2溶液的方法能够有效降低烧结矿的低温还原粉化率，但是高炉长期使用喷洒过CaCl2溶液的烧结矿，就会使这些CaCl2随烧结矿进入高炉，在高炉内挥发为气体氯化物，进入高炉煤气。

1.5 添加剂中的氯元素

添加剂有利于提高生产效率，降低高炉生产的经济指标。但是部分添加剂中的氯元素含量高达10%以上，当这些氯元素随着焦炭和煤粉进入高炉后，就会影响高炉的冶炼过程。

2 氯元素对高炉冶炼的影响分析

2.1 氯对高炉风口的影响

高炉风口结渣会使风口通道面积减小，风压升高，影响喷煤作业和高炉炉况的顺行。煤粉中的氯元素在200～500℃之间析出的为有机氯或水溶态的氯；而在1000～1100℃之间析出的是无机氯，高炉风口区的温度通常超过l600℃，尽管煤粉在在回旋区的停留时间只有十几毫秒，但是煤粉中的氯元素40%左右还是会以气态Hl的形式释放出来。HCl气体的化学性质非常活泼，很可能与煤粉中的Na、K、Fe、Mg、Al等元素发生化学反应生成低熔点的氯化物（氯化钠熔点为801℃，氯化钾熔点为770℃，氯化铁熔点为282℃，氯化镁熔点为118℃），由于高炉风口内外温差比较大，所以造成这些低熔点的氯化物很容易在风口处凝固，并逐渐聚集在风口部位，形成结渣物，甚至堵塞风口，影响高炉顺行，对高炉的冶炼过程造成严重影响。

2.2 氯对煤气管道的影响

氯化物堵塞煤气管道，影响高炉煤气的正常运行。为了降低水的消耗，近些年来，高炉煤气除尘系统中的干法除尘工艺开始被普遍应用。干法除尘工艺（即布袋除尘）具有除尘效率高、净化煤气含尘量低并可充分利用煤气余热、TRT发电量高、基本不消耗水等诸多优点。然而，现代高炉喷吹煤粉，在冶炼过程中会有氯化氨（NH4Cl）生成。氯化氨在100℃时会大量挥发，在337.8℃时分解成HCl分子和NH3分子，以气体的形式存在于高炉煤气中。布袋除尘只能够过滤5μm以上的灰尘颗粒，不能将这些高炉煤气中的HCl分子和NH3分子过滤下来。随着高炉煤气温度地不断下降，HCl和NH3再次结合成NH4Cl固体，与部分小于5μm的灰尘颗粒形成固体混合物，这些固体混合物一部分粘结在布袋除尘箱的内壁，影响布袋的除尘效率，另外一部分则堵塞煤气管道影响煤气的输送和使用。

2.3 氯对TRT的影响

氯化物粘结在TRT叶片上，影响机组正常运行。近几年来，在一些使用干式TRT的企业多次出现机组流道快速结垢的现象，结垢的主要成分为氯化氨（NH4Cl）与灰尘的结晶，称之为积盐。这些积盐主要寄存在二级叶片的进气侧背部和出气侧的叶盆处，当垢层达到一定厚度时，就会引起机组振动而造成停机，造成高炉煤气压力能和热能的巨大损失，给钢铁公司带来经济损耗。TRT机组产生积盐的机理是：现代高炉煤气一般采用的都是干法除尘，大大降低了工业水的消耗，除尘效率也得到了有效提高，但是干法除尘不能除去煤气中小于5μm的粉尘，这些粉尘和一些机组油污，另外加上高炉冶炼过程中产生的HC1、NH3气体等，在二级叶片的进气侧背部和出气侧的叶盆处形成气—汽—固组成的多相流。当高炉煤气的热能转变成机械能后，温度会降低，当温度降低到露点以下时，煤气中的水分会大量凝结，而重新结合成的氯化氨又极易溶于水中，再加上一些粉尘形成结垢，粘附在透平的动、静叶片和机壳内壁上，垢层逐渐积厚，最后导致机组无法正常运行。

2.4 氯对高炉炉料冶金性能的影响

氯元素进入到高炉内，最终以HC1的形式释放出来，进入到煤气当中，并随着高炉煤气向高炉顶部运行，在上升的过程中不可避免地与高炉炉料和高炉炉墙耐火材料相接触，给高炉的冶炼过程带来了影响。根据相关文献的研究表明：HC1会对高炉炉料焦炭的反应性（CRI）和反应后强度（CSR）以及铁矿石的冶金性能均有一定程度的影响。HC1对焦炭反应性和反应后强度的影响：HC1会使焦炭的反应性降低而反应后强度明显升高，这种影响使焦炭的冶金性能得到了改善，有利于高炉的顺行。HC1能够改善焦炭冶金性能的原因可能是：由于HC1具有比较强的吸附能力，当HC1与焦炭接触时就会粘附在固体焦炭的表面，从而抑制了焦炭和其他气体（主要是CO2）之间的反应，降低了焦炭的反应性，提高了焦炭的反应后强度。HC1对烧结矿低温还原粉化率的影响：HC1降低了烧结矿的低温还原粉化率，明显改善了高炉块状带的透气性。这种现象产生的原因可能是：一方面是由于HC1的吸附能力比较强，容易粘附在烧结矿的表面，阻止烧结矿内铁氧化物与还原性气体之间的反应，另一方面因为HC1要比高炉还原性气体中的CO更容易与烧结矿内的铁氧化物反应，抑制了烧结矿还原粉化的发生。HC1对球团矿还原膨胀系数的影响：HC1提高了球团矿的还原膨胀系数，降低了球团矿的冶金性能。这种现象产生的原因可能是：HC1气体与球团矿中的石英或硅酸盐发生反应生成一部分SiCl4，因为SiCl4的沸点只有57.6℃，所以在高炉内会以气体的形式进入到煤气中，使球团矿在还原过程中形成的低熔点硅酸盐数量减少，促进了球团矿在还原过程中产生的孔隙和裂隙，给铁晶须的生长创造了有利条件，从而提高了球团矿的还原膨胀系数。HC1对铁矿石还原性的影响：HC1降低了铁矿石的还原性，使铁矿石的冶金性能得到恶化。这种现象产生的原因可能是：一方面是因为HC1具有比较强的吸附能力会粘附在铁矿石的表面，阻止铁矿石和还原性气体之间的反应，另一方面是HC1与烧结矿中的CaO和铁氧化物（Fe2O3、Fe3O4、FeO）反应生成CaCl2、FeCl2和FeCl3，在900℃时，CaCl2和FeCl2是液体状态，而FeCl3则为气体状态，呈液体状态的CaCl2和FeCl2会粘附在铁矿石的表面，从而抑制铁矿石的还原反应，降低铁矿石的还原性。