凌鋼5號(hào)高爐高鐵鈦冶煉生產(chǎn)實(shí)踐

劉海彬

1.引言

凌鋼5號(hào)2300m3高爐于2012年10月開爐，主要原料以含鈦較高的地方礦粉為主。2016年以后，為進(jìn)一步降低成本，凌鋼高爐開始使用外購(gòu)高鈦承德球團(tuán)礦。2020年，5號(hào)高爐配套的鏈箅機(jī)—回轉(zhuǎn)窯又配加了5%的高鈦建平磷鐵礦。在使用過程中，隨著鐵水中鈦含量的不斷升高，高爐操作難度增加，爐況穩(wěn)定性變差，焦比升高。針對(duì)這種情況，開展高爐了高鐵鈦冶煉技術(shù)攻關(guān)，逐步克服了鈦含量偏高對(duì)高爐的不利影響，形成了一套適合凌鋼高爐的操作制度，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。

2.凌鋼煉鐵原料含鈦情況

凌鋼燒結(jié)礦原料結(jié)構(gòu)為42%外礦+35%地方礦+23%廠內(nèi)回收廢料，球團(tuán)礦原料結(jié)構(gòu)為100%地方礦，5號(hào)高爐原料結(jié)構(gòu)為65%燒結(jié)礦+34%廠內(nèi)球+1%外購(gòu)球和塊礦。所有原料中地方礦含鈦量較高，尤其是建平磷鐵礦高達(dá)3.3%以上，外購(gòu)承德球團(tuán)與本地球團(tuán)礦含鈦量也偏高，分別達(dá)到0.85%、0.69%。見表1。

表1 2019-2020年凌鋼使用礦粉成分 %

3.高爐鈦負(fù)荷及鐵水中[Ti]、[Si]含量

2020年，凌鋼5號(hào)高爐用燒結(jié)礦、球團(tuán)礦TiO2含量分別為0.47%、0.67%，入爐鈦負(fù)荷高達(dá)8.85kg/t.fe。尤其是8月份以后，高爐配套鏈箅機(jī)—回轉(zhuǎn)窯單獨(dú)配加5%以上建平磷鐵礦，導(dǎo)致鈦負(fù)荷升高約0.6kg/t.fe，進(jìn)一步增加了高爐操作難度。見表2。

表2 2020年凌鋼2300m3高爐鈦負(fù)荷情況 %

2020年4-10月份，凌鋼高爐鈦負(fù)荷高達(dá)9.4kg/t.fe，爐缸、爐底溫度大幅度下降，爐缸工作不活躍，高爐順行受到嚴(yán)重影響。鐵水中[Ti]、[Si]大幅度上升且波動(dòng)較大，[Ti]、[Si]平均含量分別達(dá)到0.157%、0.45%，其中4月份分別達(dá)到0.18%、0.48%的歷史最高水平。為了活躍爐缸，高爐采取大風(fēng)量操作，煤氣流分布不穩(wěn)定，爐溫、熱負(fù)荷等波動(dòng)較大，煤氣利用率下降，4-10月份僅為42.1%，比2019年下降1.4%，高爐盡管完成了計(jì)劃產(chǎn)量，但消耗成本較高，嚴(yán)重影響了高爐穩(wěn)定低成本運(yùn)行。

4.高鈦礦冶煉對(duì)高爐的影響

4.1 TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)軟融帶的影響

TiO2物質(zhì)到達(dá)軟融帶后，在大約1200℃反應(yīng)生成TiC及TiN進(jìn)入初渣相。首鋼鋼鐵研究所研究表明：隨著TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，液相出現(xiàn)的初始軟化溫度降低，同時(shí)初渣的融化溫度升高，固液共存溫度區(qū)間擴(kuò)大，導(dǎo)致高爐軟融帶變寬，透氣性下降。尤其是當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過6%，對(duì)高爐透氣性的影響較大［1］。5號(hào)高爐TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.5%，TiO2對(duì)軟熔帶寬度及高爐透氣性影響不大。

4.2 溫度對(duì)終渣中（TiO2)的影響

爐渣中形成的Ti(CN)過高，會(huì)增加爐渣黏度，渣鐵分離差，降低高爐透氣性。根據(jù)某科技大學(xué)對(duì)低鈦渣的研究［2］：當(dāng)溫度高于1393℃時(shí)，渣中才開始形成固熔體Ti(CN)；當(dāng)溫度達(dá)到1510℃時(shí)，Ti(CN)達(dá)到最大值，然后隨著溫度升高而急劇降低，呈“山峰”狀。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用研究中，渣溫大于1567℃就具有較好的流動(dòng)性，基本不會(huì)影響爐況。一般情況下，高爐爐渣溫度要比鐵水溫度高50℃～100℃，也就是說出爐鐵水溫度超過1467℃，低鈦爐渣就有很好的流動(dòng)性了。

4.3（TiO2）爐渣基本性質(zhì)

高爐渣按（TiO2）含量劃分為三種類型：高鈦型（＞20%）、中鈦型（5%-20%）、低鈦型（＜5%）。TiO2比SiO2酸性弱一些，隨著（TiO2）的升高，爐渣熔化性溫度呈升高趨勢(shì)。如低鈦爐渣熔化性溫度在1250℃～1350℃，中鈦爐渣熔化性溫度在1310℃～1430℃，高鈦爐渣熔化性溫度在1380℃～1450℃。當(dāng)（TiO2）含量小于4%時(shí)，提高（TiO2）含量有利于降低爐渣粘度，增強(qiáng)爐渣脫硫性能；當(dāng)（TiO2）含量大于4%時(shí)，爐渣粘度直線上升，脫硫能力明顯下降。5號(hào)高爐渣含（TiO2）約2.0%，屬于低鈦渣。在保證鐵水溫度前提下，采取低硅操作，降低鐵中[Ti]，提高渣中（TiO2），能夠提高爐渣流動(dòng)性，增強(qiáng)脫硫能力，有利于高爐生產(chǎn)。

4.4 爐缸內(nèi)Ti的運(yùn)行及熔解

高爐原料中的鈦在軟熔帶就開始少量反應(yīng)生成Ti(CN)進(jìn)入初渣相，到達(dá)爐缸后將會(huì)進(jìn)行如下反應(yīng):

Ti+C=TiC ΔG=-166483+93.11T

2Ti+N2=2TiN ΔG =-279842+129.29T

根據(jù)以上二式吉布斯自由能可以判斷，當(dāng)溫度越低時(shí)，越容易析出 TiC、TiN。含鈦物質(zhì)Ti(CN)跟隨鐵水進(jìn)入爐缸，由于比重較大透過鐵水進(jìn)入爐底及爐缸側(cè)壁，因爐缸的冷卻作用，有利于生成固熔體Ti(CN)并沉積，對(duì)爐底、爐缸起到保護(hù)作用，同時(shí)也很容易造成爐缸堆積、爐底升高。影響鐵水中Ti(CN)的生成因素有Ti、C、N2，鐵水中的C、N2基本不變，相比之下，Ti則是反應(yīng)限制環(huán)節(jié)。因此，Ti在鐵水中的熔解度將是生成Ti(CN)的關(guān)鍵因素。北京科技大學(xué)在遷鋼做了相關(guān)的氣、液相實(shí)驗(yàn)［3］，得出Pco和溫度對(duì)Ti在鐵水中的熔解度的影響很大，溫度越高，熔解度越大；Pco越大，則熔解度越小。因此，凡是有利于提高溫度和降低Pco均有利于鐵水中Ti的熔解，如減小富氧、風(fēng)量、噴煤等能夠降低Pco，有利于增加鐵水中Ti的熔解。

4.5 含[Ti]鐵水粘度與液相線溫度

爐渣中（TiO2）為3%-4%，生鐵含鈦超過0.15%后，爐缸明顯“熱結(jié)”[4]，爐缸容積變小，高爐不易接受風(fēng)量，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變差，鐵水粘溝粘罐現(xiàn)象嚴(yán)重。含鈦鐵水粘度為5～10mPa.S，不含鈦鐵水粘度在1300℃～1400℃時(shí)約為2 mPa.S～3.5mPa.S，熔融鐵水出現(xiàn)固相時(shí)溫度隨著鈦含量增加而升高。出現(xiàn)固相，粘度急劇增加，固相達(dá)到10%～20%時(shí)，鐵水將變得不能流動(dòng)。

文獻(xiàn)表明[5]，隨著生鐵中含鈦量的增加，液相線溫度為增加趨勢(shì)，[Ti]每增加0.02%，液相線溫度將升高21.5℃。由凌鋼高爐爐況波動(dòng)可以看到，當(dāng)鐵水[Si]、[Ti]較高時(shí)，因鐵水液相線溫度升高很多，渣鐵流動(dòng)性極差，高爐最終陷入輪番“熱結(jié)”與“爐涼”的兩難境地，導(dǎo)致高爐長(zhǎng)期不順。

4.6 含鈦鐵水成分與石墨含量的關(guān)系

當(dāng)[Ti]超過0.142%后，鐵水溫度一旦降至接近液相線溫度，鐵水中石墨碳含量大幅增加，甚至產(chǎn)生石墨漂浮，使鐵水流動(dòng)性惡化。尤其是爐缸冷卻壁周圍的鐵水由于溫度的降低，石墨碳析出更多，出爐鐵水極易產(chǎn)生粘溝、粘罐。在保證脫硫前提下，減少石墨析出應(yīng)盡可能壓低爐溫，嚴(yán)格控制鐵水中[Ti]、[C]和[Si]的含量[6]。

5.高鐵鈦冶煉主要應(yīng)對(duì)措施

2020年，凌鋼5號(hào)高爐鈦負(fù)荷8.85kg/t.fe，高爐生鐵[Si]平均0.436%，[Ti]平均0.146%，(TiO2)平均1.867%，屬于高鐵鈦、低渣鈦冶煉。鐵中[Ti]長(zhǎng)期超過了高爐爐役末期護(hù)爐水平，給高爐操作帶來了很大困難。針對(duì)這種情況，采取了一系列應(yīng)對(duì)措施，實(shí)現(xiàn)了高爐穩(wěn)定順行，取得了較好經(jīng)濟(jì)效果。

5.1 以原燃料為基礎(chǔ)，嚴(yán)控原燃料質(zhì)量

精料是實(shí)現(xiàn)高爐高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長(zhǎng)壽的基礎(chǔ)，更是高鐵鈦冶煉高爐穩(wěn)定順行的基礎(chǔ)。凌鋼5號(hào)高爐原燃料為自產(chǎn)燒結(jié)礦、球團(tuán)礦及100%外購(gòu)焦炭，燒結(jié)比不到65%，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓較差，外購(gòu)焦炭質(zhì)量不穩(wěn)定。

根據(jù)原燃料情況，一是采取嚴(yán)控原燃料入廠質(zhì)量。提高入廠礦粉質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格執(zhí)行入垛焦炭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。二是嚴(yán)控原燃料入爐質(zhì)量。優(yōu)化創(chuàng)新突破，提升人造富礦質(zhì)量；優(yōu)化焦炭備垛，固定料流，定量上料，減少混料；優(yōu)化振料時(shí)間，周期交替更換上、下層篩片，提升篩分效果；優(yōu)化料槽裝料順序，實(shí)現(xiàn)原料充分混勻。

5.2 以爐內(nèi)操作為關(guān)鍵，優(yōu)化調(diào)整操作制度

高鐵鈦冶煉高爐順行區(qū)間窄，操作難度大。以爐內(nèi)操作為關(guān)鍵，樹立“超壓差”“低料線”“爐涼”“憋鐵”等規(guī)范化操作觀念，建立“熱負(fù)荷”“低爐溫”“燃料比”“煤氣利用率”等趨勢(shì)化、定量化管理制度，推行“定爐溫、定料批、定頂壓、定壓差、定堿度”的“五定”標(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)范，精準(zhǔn)判斷、精確調(diào)劑、精密組織、精細(xì)管理，優(yōu)化調(diào)整各項(xiàng)操作制度，實(shí)現(xiàn)煤氣流合理分布，爐缸工作良好，爐況穩(wěn)定順行。

5.2.1 穩(wěn)定邊緣，開放中心，優(yōu)化高爐裝料制度

5號(hào)高爐原燃料條件較差，基本裝料制度為“窄平臺(tái)+中心焦”。隨著爐役的增加，以及高爐鈦負(fù)荷的升高，2020年前幾個(gè)月爐況并不穩(wěn)定，爐缸、爐底溫度大幅度下降，熱負(fù)荷周期性波動(dòng)，爐溫起伏大，高爐偶爾出現(xiàn)次中心“過吹”。10月份以后，高爐制定了“開放中心、穩(wěn)定邊緣、保風(fēng)保熱、以缸為綱”的操作方針，調(diào)整裝料制度為“負(fù)角差+窄平臺(tái)+中心焦”，改善燒結(jié)礦質(zhì)量，下調(diào)爐溫規(guī)范，高爐逐漸恢復(fù)正常。

5.2.2 上下兼顧，合理布局，優(yōu)化高爐送風(fēng)制度

爐缸工作活躍是高鐵鈦冶煉的關(guān)鍵。高爐原燃料條件較差，一直采用較小的風(fēng)口面積。為了確保爐缸活躍，10月末利用計(jì)劃?rùn)z修機(jī)會(huì)對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了部分調(diào)整：逐步增加風(fēng)量300m3/min，提高風(fēng)速和鼓風(fēng)動(dòng)能，建立了爐缸、爐底溫度監(jiān)控模型，嚴(yán)格貫徹“保風(fēng)保熱、以缸為綱”思想。調(diào)整后，爐缸、爐底溫度上升，爐缸活躍程度明顯增強(qiáng)，收到了較好效果，見表3。

表3 2019-2020年凌鋼5號(hào)高爐主要送風(fēng)參數(shù)及爐缸爐底溫度

5.2.3 穩(wěn)定爐溫，保證熱量，優(yōu)化高爐熱制度

合理控[Si]、控[Ti]是含鈦高爐操作的重點(diǎn)。結(jié)合高鐵鈦冶煉生產(chǎn)實(shí)際，在保證脫硫前提下，采取了降硅操作。嚴(yán)格控制[Si]為0.35%±0.05%，[Si+Ti]為0.4%～0.55%，鐵水溫度為1490±10℃，見圖1。控制鐵中[Ti]＜0.14%，促使鈦向渣中轉(zhuǎn)移，這樣既保證了鐵水流動(dòng)性，又提高了爐渣流動(dòng)性。采取措施后，12月份，鐵水[Ti]、[Si]分別完成0.134%、0.396%，平均日產(chǎn)完成5934噸的歷史最高水平。

圖1 凌鋼2300m3高爐渣鐵主要成分及鐵水溫度趨勢(shì)圖

5.2.4 合理控硫，工序兼顧，優(yōu)化高爐造渣制度

5號(hào)高爐爐渣（TiO2）含量約2.0%，小于5.0%，屬于低鈦渣。在工藝操作上，嚴(yán)格控制爐渣二元堿度R2在1.15±0.03倍范圍內(nèi)。當(dāng)特鋼冶煉高標(biāo)準(zhǔn)品種鋼時(shí)，控制R2在中上限水平，保證[S]≤0.030%；正常生產(chǎn)時(shí)控制R2在中下限水平，保證[S]≤0.035%，并保證鐵水溫度1480℃以上。通過合理控制爐渣堿度，控制鐵中[S]既要滿足下道工序生產(chǎn)，又要保證爐缸工作活躍。

5.3 以爐前操作為重點(diǎn)，強(qiáng)化高爐渣鐵排放

高爐鐵口淺，爐缸內(nèi)鐵水容易形成“環(huán)流”，長(zhǎng)期侵蝕爐缸“象腳區(qū)”；高爐鐵口淺，容易造成中心“死料堆”肥大，加劇鐵水“環(huán)流”侵蝕爐缸，嚴(yán)重影響高爐順行、長(zhǎng)壽。同時(shí)，鐵口淺容易發(fā)生各類鐵口事故，甚至爐缸燒穿，導(dǎo)致高爐大修。牢固樹立“憋渣鐵就是事故”“淺鐵口就是要命”的理念，及時(shí)排凈渣鐵，確保高爐穩(wěn)定順行長(zhǎng)壽。

5.3.1 狠抓炮泥質(zhì)量，保證鐵口深度

“淺鐵口就是要命”。高爐不順、短壽往往從連續(xù)淺鐵口開始，保證鐵口深度是爐前日常操作的核心。采取炮泥多家備用、質(zhì)差淘汰等措施，改善炮泥質(zhì)量，實(shí)施定量打泥，改進(jìn)鐵口泥套制作方法，杜絕淺鐵口、潮鐵口、鐵口滲漏等現(xiàn)象。

5.3.2 精密組織兌罐出鐵，保證渣鐵及時(shí)排凈

“憋渣鐵就是事故”。憋渣憋鐵容易導(dǎo)致爐墻粘結(jié)物脫落、爐涼、鐵水跑大流、壞風(fēng)口、風(fēng)口燒穿等事故，使高爐爐型受到破壞。盡量采取雙鐵口對(duì)出，既有利于爐前量化操作，又能穩(wěn)定鐵口深度；精密組織、內(nèi)外協(xié)調(diào)，及時(shí)為高爐取兌罐；經(jīng)常校核開口機(jī)大臂與鉆桿平行精度；推行鐵口預(yù)鉆制度，確認(rèn)鐵口泥套完好、鐵口眼對(duì)中；針對(duì)爐溫高低不同，優(yōu)化開鐵口方式，分段選擇鉆頭大小，準(zhǔn)確把握更換鉆頭時(shí)機(jī)，力爭(zhēng)順利打開鐵口，保證及時(shí)排凈渣鐵。

5.3.3 推行零故障管理，大幅度降低設(shè)備故障

設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行是高爐穩(wěn)定的前提。貫徹設(shè)備優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)思想，不惜成本堅(jiān)決提升主線設(shè)備質(zhì)量；建立零故障獎(jiǎng)勵(lì)制度，加強(qiáng)日?；S保，落實(shí)專業(yè)化點(diǎn)檢，實(shí)施周期化更換，完善系統(tǒng)化定修，全面推進(jìn)全員設(shè)備管理，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)備零故障運(yùn)行，高爐計(jì)劃?rùn)z修周期達(dá)到6個(gè)月，高爐各項(xiàng)指標(biāo)明顯改善，取得了良好經(jīng)濟(jì)效果，見表4。

表4 2019-2020年凌鋼5號(hào)高爐主要指標(biāo) %

6.結(jié)語

（1）精料是高爐穩(wěn)定、高產(chǎn)、低耗的基礎(chǔ)。凌鋼高爐鈦負(fù)荷約9kg/t.fe，鐵中[Ti]含量接近0.15%，渣中（TiO2）含量約2.0%，屬于高鐵鈦冶煉，操作難度極大，需要在礦粉源頭上有效控制鈦含量。

（2）高爐操作基本原則是“開放中心、穩(wěn)定邊緣、保風(fēng)保熱、以缸為綱”。尤其是高鐵鈦冶煉，沒有較高的鼓風(fēng)動(dòng)能、鐵水溫度，沒有良好的爐缸工作狀態(tài)，就不可能保證高爐長(zhǎng)期穩(wěn)定順行。

（3）高鐵鈦冶煉高爐順行區(qū)間窄，低硅操作是唯一出路。根據(jù)凌鋼原燃料條件及高爐操作實(shí)踐，保持[Si+Ti]含量0.40%～0.55%、R2在1.15±0.03相對(duì)合適，鐵水和爐渣流動(dòng)性均能得到提高，能夠維持高爐長(zhǎng)期穩(wěn)定高效運(yùn)行。

（4）爐前渣鐵排放是高爐操作重點(diǎn)。“憋渣鐵就是事故”“淺鐵口就是要命”絕不是危言聳聽，高爐操作者一定要認(rèn)識(shí)到爐前渣鐵排放的重要性。