沙鋼高爐鈦礦經(jīng)濟(jì)護(hù)爐技術(shù)研究

雷 鳴 杜 屏 周夏芝 周大勇 張 健 馬恒保 張建良 焦克新 徐 震

（1.沙鋼集團(tuán)有限公司鐵前辦，江蘇 張家港 215625；2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；3.江蘇集萃冶金技術(shù)研究院有限公司，江蘇 張家港 215625）

隨著高爐煉鐵技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，高爐壽命大幅度提高。然而，高爐的強(qiáng)化冶煉導(dǎo)致大量高爐出現(xiàn)爐缸側(cè)壁溫度異常升高甚至爐缸燒穿的情況，為煉鐵等實際生產(chǎn)帶來諸多安全隱患。目前，鈦礦護(hù)爐是高爐煉鐵最常用且有效的護(hù)爐手段［1］，其在爐缸薄弱區(qū)域形成高熔點Ti（C，N）保護(hù)層能夠隔離鐵水，起到保護(hù)炭磚的作用。已有很多學(xué)者對鈦礦護(hù)爐高爐內(nèi)Ti（C，N）的形成機(jī)制及促進(jìn)Ti（C，N）生成的熱力學(xué)進(jìn)行了研究［2-4］。此外，部分學(xué)者對鈦礦護(hù)爐模型及其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析［5-6］，以確保爐缸護(hù)爐效果的同時降低護(hù)爐成本。

2018年4 月以來，沙鋼3號2 680 m3高爐爐缸側(cè)壁溫度異常升高，熱電偶最高溫度達(dá)到700℃以上，嚴(yán)重影響高爐正常運行。通過對爐缸側(cè)壁炭磚殘厚的計算，發(fā)現(xiàn)爐缸西鐵口下方1 m處的炭磚厚度僅為517 mm，嚴(yán)重降低爐缸壽命［7］。為了緩解爐缸侵蝕，沙鋼煉鐵部采取加鈦礦護(hù)爐措施以降低爐缸侵蝕速率，取得了良好效果，但生產(chǎn)成本增加。本文以沙鋼鈦礦護(hù)爐實踐為研究對象，通過熱力學(xué)計算有效護(hù)爐的最低［Ti］含量，并分析影響鐵渣間鈦分配比的因素，力求降低鈦礦使用量，從而降低護(hù)爐成本，達(dá)到經(jīng)濟(jì)護(hù)爐的目的。

1 鈦化物形成

1.1 渣鐵界面TiO2的還原

在高爐生產(chǎn)過程中，添加含鈦爐料可有效延長高爐壽命［8-10］。其主要原理是，爐渣中的TiO2被還原進(jìn)入鐵水，與鐵水中溶解的［C］或［N］等發(fā)生反應(yīng)，形成高熔點的Ti（C，N）沉積于爐缸侵蝕嚴(yán)重部位，從而起到保護(hù)爐襯的作用［11］。由于高爐內(nèi)存在過剩的C以及渣鐵良好的潤濕和接觸，渣中TiO2可被溶解在鐵水中的碳直接還原，其反應(yīng)式為［12］：

［Ti］的活度系數(shù)f［Ti］與溫度的關(guān)系函數(shù)為［13］：

1 873 K時鐵水中元素的活度系數(shù)fi為：

式（5）中1 873 K時鐵水中元素的相互作用系數(shù)eji可從文獻(xiàn)［14］中查出，如表1所示，取文獻(xiàn)［15］中TiO2的活度系數(shù)fTiO2＝0.89。沙鋼3號高爐鐵水成分如表2所示，爐腹煤氣壓力約為0.375 MPa，富氧率（氧氣體積分?jǐn)?shù)）為6.2%，N2和CO的體積分?jǐn)?shù)分別為56%和43%。

表1 鐵水中Ti元素與其他元素的相互作用系數(shù)（1 873 K）Table 1 Interaction coefficient between Ti element and other elements in molten iron （1 873 K）

表2 沙鋼3號高爐鐵水成分Table 2 Composition of molten iron of Shasteel’s BF No.3

圖1 為w（TiO2）分別為0.8%、1.0%、1.3%、1.5%和2.0%時，不同溫度下與TiO2平衡的w［Ti］。若僅考慮渣中TiO2被［C］還原，當(dāng)w（TiO2）一定時，隨著溫度的升高，與渣中TiO2平衡的w［Ti］迅速增加；當(dāng)鐵水溫度相同時，w（TiO2）增加，與渣中TiO2平衡的w［Ti］亦隨之增加。

圖1 不同溫度及TiO2含量條件下鐵水中平衡鈦含量Fig.1 Equilibrium ［Ti］content in molten iron under condition of different temperatures and TiO2contents

1.2 高爐鐵水中Ti（C，N）生成

當(dāng)溶解在鐵水中［Ti］和［C］的濃度積或［Ti］和［N］的濃度積達(dá)到一定值后，便析出Ti（C，N）顆粒，其反應(yīng)式為：

表3 鐵水中元素間相互作用系數(shù)（1 873 K）Table 3 Interaction coefficient between elements in molten iron （1 873 K）

圖2為沙鋼高爐鐵水在不同氮分壓和溫度條件下形成TiN所需的臨界［Ti］含量（即平衡［Ti］含量）。沙鋼高爐鐵水中鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08%，當(dāng)鐵水溫度低于1 837 K時，TiN便能從鐵水中析出。在高爐實際冶煉過程中，鐵水溫度約1 773 K，TiN可穩(wěn)定存在于鐵液中。圖3為不同［C］含量和溫度條件下鐵水中平衡［Ti］含量。由圖3可知，隨著鐵水中w［C］的增加，平衡w［Ti］不斷減少，TiC析出溫度遠(yuǎn)低于鐵水溫度，考慮到爐缸側(cè)壁和爐底的冷卻強(qiáng)度，TiC可在爐底和爐缸側(cè)壁附近低溫區(qū)域形成。

圖2 不同氮分壓和溫度條件下鐵水中平衡［Ti］含量Fig.2 Equilibrium ［Ti］content in molten iron under condition of different nitrogen partial pressures and temperatures

圖3 不同［C］含量和溫度條件下鐵水中平衡［Ti］含量Fig.3 Equilibrium ［Ti］content in molten iron under condition of different［C］contents and temperatures

2 鈦礦護(hù)爐鐵水中平衡［Ti］含量

2.1 ［C］含量對平衡［Ti］含量的影響

不同溫度、［C］含量、氮分壓及加入TiO2條件下鐵水中平衡［Ti］含量如圖4所示。由Ti-Fe相圖［17］可知，Ti在鐵水中有一定的溶解度，且當(dāng)鐵水中［Ti］含量達(dá)到一定值時，鈦化物才會析出。從圖4可以看出，當(dāng)TiO2還原生成的［Ti］含量大于［Ti］在鐵水中的溶解度時，有TiC、TiN固體顆粒析出，從而減緩鐵水環(huán)流對爐缸磚襯的侵蝕。沙鋼3號高爐鐵水在w［Ti］為0.08%、1 595 K 時就可以形成TiC。當(dāng)鐵水中［Ti］含量繼續(xù)增加，TiC、TiN析出動力學(xué)條件更加充分，溫度較高時也能析出TiC、TiN，但此時鐵水流動性變差，不利于高爐操作。因此鐵水中鈦含量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，根據(jù)鐵水中［C］含量的變化，w［Ti］應(yīng)控制在0.076%以上，相應(yīng)溫度為1 600 K。

圖4 不同溫度、［C］含量、氮分壓及加入TiO2條件下鐵水中平衡［Ti］含量Fig.4 Equilibrium ［Ti］content under condition of different temperatures，［C］contents，nitrogen partial pressures and TiO2addition

2.2 ［Si］含量對平衡［Ti］含量的影響

［Si］含量對TiC析出的影響主要是基于［Si］與［Ti］之間的相互作用系數(shù)。［Si］與［Ti］之間的相互作用系數(shù)為正值，因此提高［Si］含量有利于提高鐵水中［Ti］的活度，從而促進(jìn)TiC的形成。從圖5可以看出，沙鋼3號高爐鐵水中w［Si］為0.30% ～0.70%，開始析出TiC 的w［Ti］為0.050% ～0.075%。隨著［Si］含量的增加，平衡［Ti］含量降低，TiC開始析出的溫度也降低。根據(jù)沙鋼高爐鐵水成分，將w［Si］從0.46%適當(dāng)提高至0.50%，可使析出TiC的臨界w［Ti］降低至0.07%以下。

圖5 不同溫度、［Si］含量、氮分壓及加入TiO2條件下鐵水中平衡［Ti］含量Fig.5 Equilibrium ［Ti］content under condition of different temperatures，［Si］contents，nitrogen partial pressures and TiO2addition

2.3 ［C］、［Si］含量對臨界［Ti］含量的影響

圖6為析出TiC的臨界［Ti］含量隨鐵水中［Si］、［C］含量的變化。可以看出，隨著鐵水中［Si］、［C］含量的增加，臨界［Ti］含量降低，兩者幾乎呈線性關(guān)系。但相比［C］含量，［Si］含量對臨界［Ti］含量的影響更大。因此，在正常生產(chǎn)條件下，可通過調(diào)節(jié)鐵水中［Si］和［C］含量來降低析出TiC的臨界［Ti］含量，從而達(dá)到降低入爐鈦負(fù)荷的目的。

3 鐵水溫度和成分對鈦分配比的影響

在沙鋼3號高爐護(hù)爐過程中，鈦負(fù)荷為3～7 kg/t。研究發(fā)現(xiàn)［18］，當(dāng)鈦負(fù)荷小于7 kg/t時，鐵水中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨鈦負(fù)荷的增加而增加；當(dāng)鈦負(fù)荷大于7 kg/t時，鐵水中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨鈦負(fù)荷的增加而減小，甚至出現(xiàn)負(fù)值，因此不能僅通過增加鈦負(fù)荷來提高鈦分配比。圖7為鈦分配比與鐵水成分之間的關(guān)系。從圖7（a）可知，提高鐵水中［Si］含量，鈦分配比也隨之增大，兩者總體呈正線性關(guān)系。由此可知，在鈦礦護(hù)爐條件下，提高鐵水［Si］含量有利于增大渣鐵間鈦分配比，提高鐵水鈦含量。從圖7（b）可知，鐵水中［S］含量增加，鈦分配比也隨之減小，兩者總體呈負(fù)線性關(guān)系，說明提高鐵水［S］含量不利于增大鈦分配比。在實際生產(chǎn)過程中，控制鐵水中硫含量不僅可以減輕鐵水環(huán)流對爐襯的侵蝕，還可增大鈦分配比，改善護(hù)爐效果［19］。但是考慮到鐵水中［Si］和［S］含量都相對較低，鐵水溫度對鈦分配比的影響可能更顯著［20］。

如圖7（c，d）所示，鈦分配比隨鐵水溫度和［C］含量的升高而升高，這與蔡皓宇等［4］的研究結(jié)果一致。這一方面是由于渣中TiO2與［C］之間的氧化還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，溫度的升高有利于反應(yīng)的進(jìn)行；另一方面，鐵水溫度升高，增大鐵水中［C］和［Ti］的傳質(zhì)速率，使鐵水［C］含量增加，從而改善渣中TiO2還原的動力學(xué)條件。因此，控制鐵水溫度較高也是保證鐵水鈦含量的重要措施。

圖7 鈦分配比隨鐵水成分和溫度的變化Fig.7 Titanium distribution ratio as a function of composition and temperature of molten iron

根據(jù)沙鋼3號高爐的生產(chǎn)實際，鐵水溫度應(yīng)控制在1 495～1 505℃，同時降低鐵水［S］含量，適當(dāng)提高［Si］和［C］含量，有利于提高渣鐵間鈦分配比，降低鈦礦護(hù)爐成本，實現(xiàn)高效護(hù)爐。

4 結(jié)論

（1）對平衡［Ti］含量的熱力學(xué)計算發(fā)現(xiàn)，沙鋼高爐鐵水中［Ti］可以形成穩(wěn)定的TiN，且在1 595 K時可以形成TiC。實際生產(chǎn)中反應(yīng)平衡還與［C］和［Si］含量有關(guān)，根據(jù)沙鋼高爐鐵水的實際［C］和［Si］含量，其護(hù)爐鐵水中Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.076%以上。

（2）析出TiC 的臨界［Ti］含量與鐵水中［C］、［Si］含量呈線性關(guān)系。因此，可通過使鐵水保持較高的［C］含量并適當(dāng)提高［Si］含量來降低析出TiC 的臨界［Ti］含量。

（3）鈦分配比與鐵水溫度、［C］及［Si］含量呈正相關(guān)，與［S］含量呈負(fù)相關(guān)。為實現(xiàn)護(hù)爐效果的同時降低護(hù)爐成本，應(yīng)適當(dāng)提高鐵水［Si］和［C］含量、降低［S］含量，并控制鐵水溫度在1 495～1 505℃。