凌钢5号高炉高铁钛冶炼生产实践

刘海彬

1.引言

凌钢5号2300m3高炉于2012年10月开炉，主要原料以含钛较高的地方矿粉为主。2016年以后，为进一步降低成本，凌钢高炉开始使用外购高钛承德球团矿。2020年，5号高炉配套的链箅机—回转窑又配加了5%的高钛建平磷铁矿。在使用过程中，随着铁水中钛含量的不断升高，高炉操作难度增加，炉况稳定性变差，焦比升高。针对这种情况，开展高炉了高铁钛冶炼技术攻关，逐步克服了钛含量偏高对高炉的不利影响，形成了一套适合凌钢高炉的操作制度，取得了较好的经济效果。

2.凌钢炼铁原料含钛情况

凌钢烧结矿原料结构为42%外矿+35%地方矿+23%厂内回收废料，球团矿原料结构为100%地方矿，5号高炉原料结构为65%烧结矿+34%厂内球+1%外购球和块矿。所有原料中地方矿含钛量较高，尤其是建平磷铁矿高达3.3%以上，外购承德球团与本地球团矿含钛量也偏高，分别达到0.85%、0.69%。见表1。

表1 2019-2020年凌钢使用矿粉成分 %

3.高炉钛负荷及铁水中[Ti]、[Si]含量

2020年，凌钢5号高炉用烧结矿、球团矿TiO2含量分别为0.47%、0.67%，入炉钛负荷高达8.85kg/t.fe。尤其是8月份以后，高炉配套链箅机—回转窑单独配加5%以上建平磷铁矿，导致钛负荷升高约0.6kg/t.fe，进一步增加了高炉操作难度。见表2。

表2 2020年凌钢2300m3高炉钛负荷情况 %

2020年4-10月份，凌钢高炉钛负荷高达9.4kg/t.fe，炉缸、炉底温度大幅度下降，炉缸工作不活跃，高炉顺行受到严重影响。铁水中[Ti]、[Si]大幅度上升且波动较大，[Ti]、[Si]平均含量分别达到0.157%、0.45%，其中4月份分别达到0.18%、0.48%的历史最高水平。为了活跃炉缸，高炉采取大风量操作，煤气流分布不稳定，炉温、热负荷等波动较大，煤气利用率下降，4-10月份仅为42.1%，比2019年下降1.4%，高炉尽管完成了计划产量，但消耗成本较高，严重影响了高炉稳定低成本运行。

4.高钛矿冶炼对高炉的影响

4.1 TiO2质量分数对软融带的影响

TiO2物质到达软融带后，在大约1200℃反应生成TiC及TiN进入初渣相。首钢钢铁研究所研究表明：随着TiO2质量分数增加，液相出现的初始软化温度降低，同时初渣的融化温度升高，固液共存温度区间扩大，导致高炉软融带变宽，透气性下降。尤其是当质量分数超过6%，对高炉透气性的影响较大［1］。5号高炉TiO2质量分数约为0.5%，TiO2对软熔带宽度及高炉透气性影响不大。

4.2 温度对终渣中（TiO2)的影响

炉渣中形成的Ti(CN)过高，会增加炉渣黏度，渣铁分离差，降低高炉透气性。根据某科技大学对低钛渣的研究［2］：当温度高于1393℃时，渣中才开始形成固熔体Ti(CN)；当温度达到1510℃时，Ti(CN)达到最大值，然后随着温度升高而急剧降低，呈“山峰”状。在现实应用研究中，渣温大于1567℃就具有较好的流动性，基本不会影响炉况。一般情况下，高炉炉渣温度要比铁水温度高50℃～100℃，也就是说出炉铁水温度超过1467℃，低钛炉渣就有很好的流动性了。

4.3（TiO2）炉渣基本性质

高炉渣按（TiO2）含量划分为三种类型：高钛型（＞20%）、中钛型（5%-20%）、低钛型（＜5%）。TiO2比SiO2酸性弱一些，随着（TiO2）的升高，炉渣熔化性温度呈升高趋势。如低钛炉渣熔化性温度在1250℃～1350℃，中钛炉渣熔化性温度在1310℃～1430℃，高钛炉渣熔化性温度在1380℃～1450℃。当（TiO2）含量小于4%时，提高（TiO2）含量有利于降低炉渣粘度，增强炉渣脱硫性能；当（TiO2）含量大于4%时，炉渣粘度直线上升，脱硫能力明显下降。5号高炉渣含（TiO2）约2.0%，属于低钛渣。在保证铁水温度前提下，采取低硅操作，降低铁中[Ti]，提高渣中（TiO2），能够提高炉渣流动性，增强脱硫能力，有利于高炉生产。

4.4 炉缸内Ti的运行及熔解

高炉原料中的钛在软熔带就开始少量反应生成Ti(CN)进入初渣相，到达炉缸后将会进行如下反应:

Ti+C=TiC ΔG=-166483+93.11T

2Ti+N2=2TiN ΔG =-279842+129.29T

根据以上二式吉布斯自由能可以判断，当温度越低时，越容易析出 TiC、TiN。含钛物质Ti(CN)跟随铁水进入炉缸，由于比重较大透过铁水进入炉底及炉缸侧壁，因炉缸的冷却作用，有利于生成固熔体Ti(CN)并沉积，对炉底、炉缸起到保护作用，同时也很容易造成炉缸堆积、炉底升高。影响铁水中Ti(CN)的生成因素有Ti、C、N2，铁水中的C、N2基本不变，相比之下，Ti则是反应限制环节。因此，Ti在铁水中的熔解度将是生成Ti(CN)的关键因素。北京科技大学在迁钢做了相关的气、液相实验［3］，得出Pco和温度对Ti在铁水中的熔解度的影响很大，温度越高，熔解度越大；Pco越大，则熔解度越小。因此，凡是有利于提高温度和降低Pco均有利于铁水中Ti的熔解，如减小富氧、风量、喷煤等能够降低Pco，有利于增加铁水中Ti的熔解。

4.5 含[Ti]铁水粘度与液相线温度

炉渣中（TiO2）为3%-4%，生铁含钛超过0.15%后，炉缸明显“热结”[4]，炉缸容积变小，高炉不易接受风量，技术经济指标变差，铁水粘沟粘罐现象严重。含钛铁水粘度为5～10mPa.S，不含钛铁水粘度在1300℃～1400℃时约为2 mPa.S～3.5mPa.S，熔融铁水出现固相时温度随着钛含量增加而升高。出现固相，粘度急剧增加，固相达到10%～20%时，铁水将变得不能流动。

文献表明[5]，随着生铁中含钛量的增加，液相线温度为增加趋势，[Ti]每增加0.02%，液相线温度将升高21.5℃。由凌钢高炉炉况波动可以看到，当铁水[Si]、[Ti]较高时，因铁水液相线温度升高很多，渣铁流动性极差，高炉最终陷入轮番“热结”与“炉凉”的两难境地，导致高炉长期不顺。

4.6 含钛铁水成分与石墨含量的关系

当[Ti]超过0.142%后，铁水温度一旦降至接近液相线温度，铁水中石墨碳含量大幅增加，甚至产生石墨漂浮，使铁水流动性恶化。尤其是炉缸冷却壁周围的铁水由于温度的降低，石墨碳析出更多，出炉铁水极易产生粘沟、粘罐。在保证脱硫前提下，减少石墨析出应尽可能压低炉温，严格控制铁水中[Ti]、[C]和[Si]的含量[6]。

5.高铁钛冶炼主要应对措施

2020年，凌钢5号高炉钛负荷8.85kg/t.fe，高炉生铁[Si]平均0.436%，[Ti]平均0.146%，(TiO2)平均1.867%，属于高铁钛、低渣钛冶炼。铁中[Ti]长期超过了高炉炉役末期护炉水平，给高炉操作带来了很大困难。针对这种情况，采取了一系列应对措施，实现了高炉稳定顺行，取得了较好经济效果。

5.1 以原燃料为基础，严控原燃料质量

精料是实现高炉高产、优质、低耗、长寿的基础，更是高铁钛冶炼高炉稳定顺行的基础。凌钢5号高炉原燃料为自产烧结矿、球团矿及100%外购焦炭，烧结比不到65%，烧结矿转鼓较差，外购焦炭质量不稳定。

根据原燃料情况，一是采取严控原燃料入厂质量。提高入厂矿粉质量标准，严格执行入垛焦炭质量标准。二是严控原燃料入炉质量。优化创新突破，提升人造富矿质量；优化焦炭备垛，固定料流，定量上料，减少混料；优化振料时间，周期交替更换上、下层筛片，提升筛分效果；优化料槽装料顺序，实现原料充分混匀。

5.2 以炉内操作为关键，优化调整操作制度

高铁钛冶炼高炉顺行区间窄，操作难度大。以炉内操作为关键，树立“超压差”“低料线”“炉凉”“憋铁”等规范化操作观念，建立“热负荷”“低炉温”“燃料比”“煤气利用率”等趋势化、定量化管理制度，推行“定炉温、定料批、定顶压、定压差、定碱度”的“五定”标准化操作规范，精准判断、精确调剂、精密组织、精细管理，优化调整各项操作制度，实现煤气流合理分布，炉缸工作良好，炉况稳定顺行。

5.2.1 稳定边缘，开放中心，优化高炉装料制度

5号高炉原燃料条件较差，基本装料制度为“窄平台+中心焦”。随着炉役的增加，以及高炉钛负荷的升高，2020年前几个月炉况并不稳定，炉缸、炉底温度大幅度下降，热负荷周期性波动，炉温起伏大，高炉偶尔出现次中心“过吹”。10月份以后，高炉制定了“开放中心、稳定边缘、保风保热、以缸为纲”的操作方针，调整装料制度为“负角差+窄平台+中心焦”，改善烧结矿质量，下调炉温规范，高炉逐渐恢复正常。

5.2.2 上下兼顾，合理布局，优化高炉送风制度

炉缸工作活跃是高铁钛冶炼的关键。高炉原燃料条件较差，一直采用较小的风口面积。为了确保炉缸活跃，10月末利用计划检修机会对送风系统参数进行了部分调整：逐步增加风量300m3/min，提高风速和鼓风动能，建立了炉缸、炉底温度监控模型，严格贯彻“保风保热、以缸为纲”思想。调整后，炉缸、炉底温度上升，炉缸活跃程度明显增强，收到了较好效果，见表3。

表3 2019-2020年凌钢5号高炉主要送风参数及炉缸炉底温度

5.2.3 稳定炉温，保证热量，优化高炉热制度

合理控[Si]、控[Ti]是含钛高炉操作的重点。结合高铁钛冶炼生产实际，在保证脱硫前提下，采取了降硅操作。严格控制[Si]为0.35%±0.05%，[Si+Ti]为0.4%～0.55%，铁水温度为1490±10℃，见图1。控制铁中[Ti]＜0.14%，促使钛向渣中转移，这样既保证了铁水流动性，又提高了炉渣流动性。采取措施后，12月份，铁水[Ti]、[Si]分别完成0.134%、0.396%，平均日产完成5934吨的历史最高水平。

图1 凌钢2300m3高炉渣铁主要成分及铁水温度趋势图

5.2.4 合理控硫，工序兼顾，优化高炉造渣制度

5号高炉炉渣（TiO2）含量约2.0%，小于5.0%，属于低钛渣。在工艺操作上，严格控制炉渣二元碱度R2在1.15±0.03倍范围内。当特钢冶炼高标准品种钢时，控制R2在中上限水平，保证[S]≤0.030%；正常生产时控制R2在中下限水平，保证[S]≤0.035%，并保证铁水温度1480℃以上。通过合理控制炉渣碱度，控制铁中[S]既要满足下道工序生产，又要保证炉缸工作活跃。

5.3 以炉前操作为重点，强化高炉渣铁排放

高炉铁口浅，炉缸内铁水容易形成“环流”，长期侵蚀炉缸“象脚区”；高炉铁口浅，容易造成中心“死料堆”肥大，加剧铁水“环流”侵蚀炉缸，严重影响高炉顺行、长寿。同时，铁口浅容易发生各类铁口事故，甚至炉缸烧穿，导致高炉大修。牢固树立“憋渣铁就是事故”“浅铁口就是要命”的理念，及时排净渣铁，确保高炉稳定顺行长寿。

5.3.1 狠抓炮泥质量，保证铁口深度

“浅铁口就是要命”。高炉不顺、短寿往往从连续浅铁口开始，保证铁口深度是炉前日常操作的核心。采取炮泥多家备用、质差淘汰等措施，改善炮泥质量，实施定量打泥，改进铁口泥套制作方法，杜绝浅铁口、潮铁口、铁口渗漏等现象。

5.3.2 精密组织兑罐出铁，保证渣铁及时排净

“憋渣铁就是事故”。憋渣憋铁容易导致炉墙粘结物脱落、炉凉、铁水跑大流、坏风口、风口烧穿等事故，使高炉炉型受到破坏。尽量采取双铁口对出，既有利于炉前量化操作，又能稳定铁口深度；精密组织、内外协调，及时为高炉取兑罐；经常校核开口机大臂与钻杆平行精度；推行铁口预钻制度，确认铁口泥套完好、铁口眼对中；针对炉温高低不同，优化开铁口方式，分段选择钻头大小，准确把握更换钻头时机，力争顺利打开铁口，保证及时排净渣铁。

5.3.3 推行零故障管理，大幅度降低设备故障

设备稳定运行是高炉稳定的前提。贯彻设备优质优价思想，不惜成本坚决提升主线设备质量；建立零故障奖励制度，加强日常化维保，落实专业化点检，实施周期化更换，完善系统化定修，全面推进全员设备管理，基本实现了设备零故障运行，高炉计划检修周期达到6个月，高炉各项指标明显改善，取得了良好经济效果，见表4。

表4 2019-2020年凌钢5号高炉主要指标 %

6.结语

（1）精料是高炉稳定、高产、低耗的基础。凌钢高炉钛负荷约9kg/t.fe，铁中[Ti]含量接近0.15%，渣中（TiO2）含量约2.0%，属于高铁钛冶炼，操作难度极大，需要在矿粉源头上有效控制钛含量。

（2）高炉操作基本原则是“开放中心、稳定边缘、保风保热、以缸为纲”。尤其是高铁钛冶炼，没有较高的鼓风动能、铁水温度，没有良好的炉缸工作状态，就不可能保证高炉长期稳定顺行。

（3）高铁钛冶炼高炉顺行区间窄，低硅操作是唯一出路。根据凌钢原燃料条件及高炉操作实践，保持[Si+Ti]含量0.40%～0.55%、R2在1.15±0.03相对合适，铁水和炉渣流动性均能得到提高，能够维持高炉长期稳定高效运行。

（4）炉前渣铁排放是高炉操作重点。“憋渣铁就是事故”“浅铁口就是要命”绝不是危言耸听，高炉操作者一定要认识到炉前渣铁排放的重要性。