梁振華1，何少松2，趙華森1，聶志水1，常鵬飛1，劉佳3
( 1． 河鋼集團(tuán)石鋼公司技術(shù)中心，河北石家莊050031; 2． 河鋼集團(tuán)石鋼公司煉鐵廠，河北石家莊050031; 3． 河鋼集團(tuán)石鋼公司公司辦，河北石家莊050031)
摘要: 為長(zhǎng)期穩(wěn)定地提供優(yōu)質(zhì)低鈦鐵水，降低下道工序操作壓力及生產(chǎn)成本，河鋼石鋼從降低入爐原料的鈦負(fù)荷入手，對(duì)高爐中鈦的還原機(jī)理、影響因素、生產(chǎn)參數(shù)等進(jìn)行了研究，查找影響鐵水鈦含量的主要因素。通過優(yōu)化原料配比、低硅冶煉、適當(dāng)降低爐渣堿度、提高風(fēng)溫等措施有效降低了鐵水的鈦含量。
關(guān)鍵詞: 高爐；入爐原料；低鈦鐵水；低硅冶煉；爐渣堿度； 風(fēng)溫
0 引言
河鋼石鋼是國(guó)內(nèi)三大專業(yè)化特鋼棒材生產(chǎn)企業(yè)之一。年產(chǎn)鋼材260 萬t，主導(dǎo)產(chǎn)品軸承鋼、齒輪鋼、彈簧鋼、易切削非調(diào)鋼、優(yōu)碳鋼、合金鋼被廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、鐵路、石油和礦山、船舶和海洋工程、軍工等領(lǐng)域。其中，部分高端軸承鋼用戶對(duì)鋼材成品Ti 含量有嚴(yán)格的要求，甚至嚴(yán)苛到30 ppm 以下。鈦與溶解于鋼中的氮有著極強(qiáng)的親和力，多以氮化鈦、碳氮化鈦夾雜物的形式殘留于鋼中。這種夾雜物堅(jiān)硬、呈棱角狀，嚴(yán)重影響軸承的疲勞壽命，特別是在潔凈度顯著提高，其他氧化物夾雜數(shù)量很少的情況下，含鈦夾雜物的危害就尤為突出［1］。雖然河鋼石鋼高爐鈦負(fù)荷在3 kg /t 左右，鐵水中鈦含量0． 053% 左右，對(duì)高爐運(yùn)行狀況和操作基本不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，但作為特鋼企業(yè)，如何長(zhǎng)期穩(wěn)定地提供優(yōu)質(zhì)低鈦鐵水，為下道工序減輕操作壓力，降低生產(chǎn)成本，是應(yīng)重點(diǎn)研究的問題。本文結(jié)合高爐實(shí)際操作，探索冶煉低鈦鐵水的生產(chǎn)方法。
1 鐵水中［Ti］的來源
河鋼石鋼高爐爐料結(jié)構(gòu)中，主要的原料為鑫躍焦化公司產(chǎn)燒結(jié)礦、河北神邦礦業(yè)產(chǎn)球團(tuán)礦及進(jìn)口塊礦，燃料主要為鑫躍焦化公司生產(chǎn)的水熄焦炭及外購的洗精煤。
選取2017 年1 ～ 6 月為基準(zhǔn)期，基準(zhǔn)期入爐料的鈦平均含量見表1。
從各類入爐原燃料鈦含量角度分析，焦炭和球團(tuán)礦中鈦含量較高，入爐燒結(jié)礦和塊礦中鈦含量占比接近。高爐在同時(shí)期爐料結(jié)構(gòu)基本采取65% 燒結(jié)礦+ 19%球團(tuán)礦+ 16% 塊礦的方案，偶爾根據(jù)爐況略微調(diào)整，整體變化幅度不大。
2 鐵水中［Ti］的還原機(jī)理
鈦被認(rèn)為是一種稀有金屬，這是由于其在自然界中存在狀態(tài)分散并難于提取。常見的鈦的化合物有鈦鐵礦( FeTiO3) 、金紅石( TiO2) 等。
鈦在高溫環(huán)境中的還原能力極強(qiáng)，能與氧、碳、氮等許多元素化合，還能從部分金屬氧化物( 如Al2O3) 中奪取氧。鈦的還原主要發(fā)生在高爐內(nèi)高溫區(qū)，還原方式主要有兩種: 一是從高價(jià)氧化物向低價(jià)氧化物逐級(jí)進(jìn)行還原: TiO2→Ti3O5→Ti2O3→TiO→Ti，這主要存在于渣焦界面; 二是渣鐵界面的( TiO2) →Ti。研究表明，用H2還原TiO2，在700 ～1 000 ℃可得到Ti3O5，1300 ℃時(shí)可還原成Ti2O3，1 500 ℃時(shí)可還原成TiO。用CO 還原鈦氧化物時(shí)，比用H2還原所需溫度要高，鈦的低價(jià)氧化物只能用碳直接還原［2，3］。
高爐中TiO2的還原從軟熔帶開始，隨著爐料的下降，還原量最大的位置在爐腹高溫區(qū)和風(fēng)口之間渣鐵界面; 渣鐵界面的TiO2易被還原成［Ti］，擴(kuò)散至鐵水中，形成溶解鈦。Ti 的還原率較低，大部分TiO2進(jìn)入爐渣。
2017 年1 ～ 6 月，河鋼石鋼高爐產(chǎn)鐵水鈦平均含量為0． 053%，處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，爐渣中的鈦含量在0． 60%左右，屬于微鈦渣。
3 低鈦鐵水冶煉生產(chǎn)實(shí)踐
3． 1 優(yōu)化原料配比，使用低鈦爐料
選取2017 年7 ～ 12 月為實(shí)驗(yàn)期，經(jīng)測(cè)算，燒結(jié)礦配礦過程中減少含鈦量高的礦粉入燒，使燒結(jié)礦中的TiO2≤0． 11%，同時(shí)調(diào)低高爐原料中球團(tuán)礦配加比例，增加燒結(jié)礦比例，將高爐爐料結(jié)構(gòu)調(diào)整為72%燒結(jié)礦+ 13% 球團(tuán)礦+ 15% 塊礦，高爐鐵水［Ti］可≤0． 050%。
3． 2 控制鐵水物理溫度
高爐鐵水溫度對(duì)Ti 含量的影響如圖1 所示。從圖1 中可以看出，高爐鐵水溫度和Ti 含量之間具有規(guī)律性的正比關(guān)系，隨高爐鐵水溫度的升高，Ti含量同步升高。高爐鐵水溫度對(duì)Ti 含量有著明顯影響。TiO2被還原的反應(yīng)方程式:
2C + ( TiO2) =［Ti］+ 2CO ΔG ＞ 0
該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，高爐溫度越高，越有利于反應(yīng)向右進(jìn)行，化學(xué)反應(yīng)生成的［Ti］越多。因此，盡可能地降低鐵水的物理熱，將有效降低鐵水中的［Ti］含量。實(shí)驗(yàn)期將鐵水的溫度控制在1 480 ～1 505 ℃之間。
3． 3 采取低Si 冶煉
高爐冶煉過程中，高爐爐溫的高低，通常用Si含量來表征。即，高爐鐵水中［Si］越高，高爐爐溫越高; 反之，爐溫越低。在高爐鐵水［Si］含量超過0． 7%之后，即會(huì)呈現(xiàn)高爐爐熱現(xiàn)象，鐵水的物理熱也會(huì)提高。從氧化物的穩(wěn)定性看，Ti 與Si 的性質(zhì)很接近，在高爐中還原程度應(yīng)與Si 接近，還原單位重量Ti 所消耗的熱量比還原Si 時(shí)高0． 14 倍［2］。在高溫區(qū)域，Si 的還原和Ti 的還原成正比關(guān)系，如圖2 所示。隨著鐵水［Si］含量的增加，［Ti］也相應(yīng)增加; 鐵水［Ti］隨著［Si］含量的增加離散度變大。當(dāng)鐵水［Si］≤0． 50% 時(shí)，［Ti］絕大部分在0． 050% 以下，即圖2 中的第三象限。在實(shí)際操作中，可以采取控制燃料比的方式降低［Si］含量，提高理論燃燒溫度和煤氣利用率，減少爐體熱量損失，進(jìn)而增加焦炭負(fù)荷，降低滴落帶高度，以盡可能地減少TiO2［4］向鐵水轉(zhuǎn)移。
以高爐穩(wěn)定順行為前提，將實(shí)驗(yàn)期爐溫［Si］控制在0． 3% ～ 0． 5% 之間，［Si］穩(wěn)定符合率完成89． 8%，較基準(zhǔn)期提高1． 16%。同時(shí)，穩(wěn)定爐溫為穩(wěn)定煤氣流和爐況創(chuàng)造了條件，也可保證鐵水［Ti］的部分降低。
3． 4 選擇適宜的造渣堿度
爐渣堿度也嚴(yán)重影響［Ti］含量，當(dāng)渣中TiO2含量較高( ＞ 25%) 時(shí)，［Ti］隨堿度升高而減少，主要是由于CaO 與TiO2結(jié)合，生成鈣鈦礦，降低了TiO2的活度; 而TiO2含量較低( ＜ 25%) 時(shí)，［Ti］卻隨堿度升高而增加［5］，主要是CaO 與SiO2結(jié)合，提高了TiO2的活度。同時(shí)，若過多降低堿度會(huì)使鐵水硅、硫含量上升，易對(duì)下道工序鋼水冶煉過程造成負(fù)面影響。所以，高爐冶煉時(shí)，以滿足生鐵含硫和渣鐵熱量等條件為原則，應(yīng)選擇合理的造渣制度，維持適宜的爐渣堿度來控制TiO2的還原程度。實(shí)驗(yàn)期調(diào)整爐渣堿度在1． 25 ～ 1． 30 之間，Mg /Al 在0． 62 ～0． 64之間，并且盡量靠下限控制。
3． 5 提高風(fēng)溫，降低焦比
風(fēng)溫是活躍爐缸最經(jīng)濟(jì)的重要手段，熱風(fēng)帶入的熱量占高爐熱量總收入的1 /3 左右。高風(fēng)溫改善了煤粉在高爐內(nèi)的燃燒狀態(tài)，可以補(bǔ)償風(fēng)口前煤粉分解吸收的熱量，促進(jìn)煤粉的充分燃燒，是實(shí)現(xiàn)高煤焦置換比的前提。河鋼石鋼高爐在實(shí)驗(yàn)期將平均風(fēng)溫提升至1 181 ℃，較基準(zhǔn)期1 177 ℃提高了4 ℃。
同時(shí)，由于煤比上升，焦比下降，通過焦炭帶入鐵水中的［Ti］也相應(yīng)降低。
3． 6 優(yōu)化布料矩陣，精心操作
長(zhǎng)期穩(wěn)定順行的爐況，不但是高爐高產(chǎn)、低耗的必要條件，也是穩(wěn)定鐵水成分的先決條件。各種爐況失?，F(xiàn)象，在發(fā)生發(fā)展和治理過程中，不可避免地要帶來爐缸、爐底熱負(fù)荷的大幅度波動(dòng)，使鐵水成分波動(dòng)異常。
河鋼石鋼高爐在實(shí)驗(yàn)期優(yōu)化布料矩陣，堅(jiān)持“以穩(wěn)定中心氣流為主，控制合理的邊緣溫度”為原則，采取以下措施: ( 1) 中心溫度控制在550 ℃ 左右，邊緣溫度控制在60 ～ 80 ℃之間。( 2) 用多環(huán)布料的矩陣焦6 礦5，礦角差7°、焦角差10°。( 3) 用等面積布料的方法計(jì)算出爐料矩陣形式，并利用理論與實(shí)踐相結(jié)合，摸索出合理的基礎(chǔ)布料矩陣
，然后根據(jù)十字測(cè)溫邊緣和中心溫度的趨勢(shì)進(jìn)行微調(diào)整。
4 生產(chǎn)指標(biāo)情況
通過實(shí)施調(diào)整措施，高爐鐵水的鈦含量從0． 053%降低到0． 046%，主要成分對(duì)比見表2。
5 結(jié)語
( 1) 通過調(diào)整原料配比、采取低Si 冶煉、控制鐵水溫度和爐溫、選擇適宜的爐渣堿度、提高風(fēng)溫、降低焦比、優(yōu)化布料矩陣、精心操作等一系列的強(qiáng)化措施，實(shí)現(xiàn)了高爐鐵水中鈦含量的降低，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。
( 2) 通過本次生產(chǎn)實(shí)踐，積累了生產(chǎn)低鈦鐵水的經(jīng)驗(yàn)。為今后優(yōu)化下道工序生產(chǎn)組織，穩(wěn)定鋼材成品質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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