碱金属对冶金高炉的危害性已成为冶金行业不可回避的一个现实问题，碱金属能够催化炉内焦炭的气化反应，破坏高炉内衬，使料柱的透气渗液性下降，缩减高炉的使用寿命，而给冶金企业造成巨大的经济损失。据研究结果表明，在炉内高温区，碱金属硅酸盐通过分解可以形成大量的碱金属蒸气，在炉内中温区，炉料吸附的碱金属含量约为 2.8%，在低温区约为 0.3%，随着炉料粒度的不断增大，炉料吸附碱金属的含量也随之减小。因此，研究碱金属填充材料的分配比例，应当紧紧围绕碱金属在高炉内发生的化学反应展开。

1 & emsp冶金高炉中碱金属的化学反应和分配比。为了深入探索碱金属在冶金高炉中的化学反应特性，采用以下方法进行验证。以二硅化钼炉为实验高炉，炉温1600℃，反应温度在200 ~ 1300℃之间，炉膛气体用CO、CO2、H2和n 2混合气体置换，碱金属蒸气用碳酸钾分解。模拟实验持续2h。

1.1碱金属在高温区的反应和分布比例

冶金高炉高温区的温度定义在1200 ~ 1600℃之间，高温区位于炉体下部。试验开始后，高温区炉料吸收的碱金属含量从1100℃时的2.85%下降到1300℃时的2.1%。这一实验数据表明，高温区炉料不吸附碱金属，使碱金属在炉内循环。当高温区温度超过1300℃时，炉内碱金属氧化物与焦炭反应，化学反应式如下:2K2SiO3+6C=4K(g)+2Si+6CO(g)。在压力强度为1Mpa的纯固态下，当炉内温度达到1550℃时，K2SiO3被焦炭还原，得到一氧化碳和钾。但在液态下，碱金属硅酸盐会与炉渣和焦炭中的氧化钙发生以下化学反应:k2sio 3+Cao+C = 2k(g)+Co(g)+Cao & middot；二氧化硅.此外，高炉内的碱性硅酸盐会与氮和焦炭发生如下化学反应:3c+N2+K2SiO3 = 2kcn (g)+SiO2+Co，若每吨铁、碱平均负荷为5.7kg，高炉内煤气携带的碱金属约为0.31kg，排碱率约为5.4%，炉渣携带的碱金属为4.56kg，排碱率达到80。

1.2中温区碱金属的反应和分配比

冶金高炉中温区的温度定义在900℃~ 1100℃之间，位于炉体的中下部。由于空在这一带的体积较大，炉料在这一带停留的时间相对较长，从而形成碱金属富集区和循环区。当炉内温度达到900℃时，炉料吸收的碱金属含量约为1.96%。当温度升至1000℃时，碱金属含量迅速上升至2.73%，在中温区达到极值温度后达到峰值2.85%。可见中温区对碱金属有很强的吸附能力。在中温区，碱性硅酸盐K2SiO3与焦炭反应，反应式为K2SiO3+C=2K(g)+SiO2+CO(g)，K2SiO3+xFe=2K(g)+SiO2+FexO。在标准状态下，钾的平衡蒸气压是1000℃时的1 &倍。10-5Mpa，而钠在1000℃时的平衡蒸气压为1.8×104；10-5Mpa，可见碱性硅酸盐虽然可以在中温下发生还原反应，但还原反应强度相对较弱。

根据实验可以得出以下结论:中温区碱金属的积累形式通常是以氰化物和碳酸盐的形式，在较低的位置生成氰化物气体，在温度降低时再转化为液体，但液体转化量相对较小，气态的氰化物大部分总是在炉内气体的带动下向上移动。在上升过程中，炉气常与二氧化碳气体结合生成碱金属碳酸盐，化学反应式为2k (g)+2co2 = k2co3+co，碱金属氰化物也与二氧化碳反应生成碱金属碳酸盐。根据计算，碱金属碳酸盐在冶金高炉中的稳定性相对高于氰化物，当反应达到平衡时，碱金属氰化物被完全氧化。

1.3低温区碱金属反应和分配比

高炉低温区定义在200 ~ 900℃之间，位于炉体上部。由于这个地区位置较高，气温波动很大。实验表明，当温度在400 ~ 900℃之间时，高炉炉料中碱金属含量从1.96%迅速下降到0.31%。当温度降至400℃以下时，碱金属含量曲线几乎没有变化。当温度下降到200℃的极值时，碱金属蒸气不再挥发，碱金属含量也呈下降趋势，从0.31%下降到0。在低温区，碱金属氧化物不会与炉料中的焦炭等物质发生反应，但能与CO2发生如下反应:2k (g)+2co2 = k2co3+co .根据计算，当低温区温度为900℃时，k2co3含量变化范围较小，大部分随炉内气流被带出炉外，少量K2CO3残留在炉料中。当炉料下降到高温区时，分解成碱金属蒸气，参与炉内循环[2]。

2 & emsp低温区矿石冶金性能分析

为了验证碱金属充填材料的危险性，通过低温还原粉化实验分析了该矿石的冶金性能，确定了碱金属充填材料的配比。这个实验的炉膛温度是550℃。从实验中可以看出，随着K2O含量的增加，烧结矿和球团矿在炉内的低温还原粉化率RDI-3.15和RDI-0.5也增加，而RDI+6.3迅速降低。如果烧结矿的RDI+6.3从80%下降到50.21%，球团矿的RDI+6.3将为6.3。烧结矿和球团矿含量降低的主要原因是还原反应后，炉料中吸附的碱金属会进入FexO晶格。此时碱金属还原反应起催化剂作用，导致金属铁晶体快速形成，产生相界面应力。当应力积累到一定值时，晶体中会产生大量裂纹，从而提高粉化率。而钾元素经过还原反应后，在移动迁移过程中形成二次浓缩现象。钾元素再次与炉料中的硅、铝等元素结合，形成钾铝硅酸盐矿物，难以结晶。随着还原反应的加剧，硅酸盐将进一步结晶。炉温越高，晶化效应越明显，最终烧结矿内部结构疏松，导致粉化。

3 & emsp中温区焦炭反应特性分析

通过对炉内焦炭样品的分析可以发现，当焦炭和炉料的温度在900 ~ 1100℃之间时，焦炭的粉化现象明显。因此，通过实验验证了炉内碱金属对焦炭粉化率的影响。实验表明&ω；当k2o=0.2%时，焦炭的CRI迅速增加到40.75%，ω；当k2o=1.6%时，CRI继续上升至49.25%。此时，K2O的含量增加了8倍，而CRI仅增加了9.5%。这进一步证明了只需要少量的碱金属就可以完成焦炭的气化反应。和& omega当k2o=0.2%时，焦炭的强度下降到70.53%，ω；当k2o=1.5%时，强度值下降到40.89%。该实验结果表明，反应后焦炭的强度值与碱金属含量成反比。此外，焦炭中的碱金属与石墨体可以形成一系列的层间化合物，如KC8、KC6等。这些夹层化合物可以使焦炭体积变大。当形成KC8夹层化合物时，焦炭体积膨胀61%，当形成KC6夹层化合物时，焦炭体积膨胀12%。当焦炭体积膨胀时，石墨体产生的裂纹会破坏焦炭的内部结构，导致焦炭开裂，进而焦炭的强度迅速下降。

4 & emsp中温区碱金属吸附与炉料粒度的关系分析

中温区是碱金属吸附率最高、对高炉危害程度最大的区域。因此，为了消除碱金属吸附在炉料中的危险，对不同粒度的炉料吸附不同量的碱金属进行以下实验。实验温度为900℃，实验时间为3h，气体中碱金属蒸气含量为3%，气体流量为0.02%。实验表明，随着炉料粒度的增大，烧结矿、球团矿和焦炭吸附的碱金属含量降低，其中烧结矿的吸附值最大，而焦炭和球团矿的吸附值相对较小。在实验温度为900℃时，烧结体内部结构多孔，大量碱金属蒸气随孔隙附着在烧结体表面，与其发生还原反应。此时，一些碱金属会进入FexO晶格，导致碱金属的吸附量增加。在900℃时，焦炭会与碱金属发生还原反应，而球团内部结构相对致密。所以在这个温度下还原反应并不明显。

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综上所述，冶金高炉高温区不吸附碱金属，同时可以挥发一部分吸附在中温区的碱金属。中温区温度变化区间小，炉料停留时间过长，导致中温区成为吸附碱金属的重灾区。因此，该区域也是炉料粉化最严重的区域。但在低温区，温度下降较快，碱金属吸附量较大。然而，当炉内温度下降到极值时，碱金属吸附量也显著下降。可以看出，科学合理的碱金属填料配比可以减少对冶金高炉的危害，保证冶金产品的质量，进而为冶金企业创造更多的经济效益。