劉海彬

（凌源鋼鐵集團有限責任公司）

摘　要：本文闡述了鈦對高爐冶煉的影響及凌鋼高爐高鐵鈦冶煉主要應對措施。5號高爐鈦負荷接近9kg/t.fe，在“開放中心、穩定邊緣、保風保熱、以缸為綱”思想指導下，采取低硅操作，控制較高鼓風動能，強化爐前渣鐵排放，確保爐缸工作活躍，實現了高產順行目的，取得了較好經濟效果。

關鍵詞：高爐鈦負荷；高鐵鈦冶煉低硅操作

0  引言

凌鋼5號2300m³高爐于2012年10月開爐，基本上以含鈦較高的地方礦粉為主。2016年以后，為進一步減少采購費用、降低生鐵成本，凌鋼高爐開始使用外購高鈦承德球團礦。2020年，5號高爐配套的鏈箅機-回轉窯又配加了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，爐況穩定性變差，焦比升高。針對這種情況，高爐開展了高鐵鈦冶煉技術攻關，逐步克服鐵水中鈦含量偏高對高爐的不利影響，形成了一套適合凌鋼高爐的操作制度和管理辦法，取得了較好的經濟效果。

1 凌鋼煉鐵原料含鈦情況

凌鋼燒結礦原料結構為42%外礦+35%地方礦+23%廠內回收廢料，球團礦原料結構為100%地方礦，高爐原料結構為65%燒結礦+25%廠內球+10%外購球和少量塊礦。所有原料中地方礦含鈦量較高，尤其是建平磷鐵礦高達3.3%以上，外購承德球團與本地球團礦含鈦量也偏高，分別達到0.85%、0.69%，外礦含鈦量較低。各種原料含鈦情況見下表1。

2  高爐鈦負荷及鐵水中[Ti]、[Si]含量

2020年，5號高爐原料中鈦含量及入爐鈦負荷見下表2。由表2可知，高爐原料結構中燒結礦TiO₂含量為0.47%，球團礦中TiO₂含量為0.67%，高爐入爐鈦負荷高達8.85kg/t.fe。尤其是2020年8月份以后，5號高爐配套的鏈箅機-回轉窯單獨配加5%以上建平磷鐵礦，導致鈦負荷升高約0.6kg/t.fe，進一步增加了高爐操作難度。

2019年以來，凌鋼5號高爐鐵水中[Ti]、[Si]相關性趨勢及[Ti+Si]含量的變化情況見圖1。

從圖1可知，隨著鐵水中[Si]含量上升，[Ti]含量也隨之升高。兩年來，鐵水中[Ti]、[Si]含量平均分別為0.147%、0.44%，高于其他廠家高爐爐役末期護爐水平。尤其是今年4～10月份，高爐鈦負荷高達9.4kg/t.fe，爐缸、爐底溫度大幅度下降（見圖2），爐缸工作不活躍，高爐順行受到嚴重影響。鐵水中[Ti]、[Si]大幅度上升且波動較大，[Ti]、[Si]平均含量分別達到0.157%、0.45%，其中4月份分別達到0.18%、0.48%的歷史最高水平。為了活躍爐缸，高爐采取大風量操作，煤氣流分布不穩定，爐溫、熱負荷等波動較大，煤氣利用率下降，4～10月份僅為42.1%，比2019年下降1.4%，高爐盡管完成了計劃產量，但消耗成本較高，嚴重影響了高爐穩定低成本運行。

圖2 標高7.3m第4、5層碳磚之間爐底溫度趨勢圖

3 高鈦礦冶煉對高爐的影響

3.1 TiO₂質量分數對軟融帶的影響

TiO₂物質到達軟融帶后，在大約1200℃反應生成TiC及TiN進入初渣相。首鋼鋼鐵研究所研究表明：隨著TiO₂質量分數增加，液相出現的初始軟化溫度降低，同時初渣的融化溫度升高，固液共存溫度區間擴大，導致高爐軟融帶變寬，透氣性下降。尤其是當質量分數超過6%，對高爐透氣性的影響較大^［1］。5號高爐TiO₂質量分數約為0.5%，TiO₂對軟熔帶寬度及高爐透氣性影響不大。

3.2  溫度對終渣中（TiO₂)的影響

爐渣中形成的Ti(CN)過高，會增加爐渣黏度，渣鐵分離差，降低高爐透氣性。根據北京科技大學對低鈦渣的研究^［2］：當溫度高于1393℃時，渣中才開始形成固熔體Ti(CN)；當溫度達到1510℃時，Ti(CN)達到最大值，然后隨著溫度升高卻急劇降低，呈“山峰”狀。在現實應用研究中，渣溫大于1567℃就具有較好的流動性，基本不會影響爐況。

按渣溫高于鐵溫100℃反推算，可以得到：鐵水溫度達到1410℃時，渣中Ti(CN)達到最大峰值，鐵水溫度大于1467℃時，渣中Ti(CN)基本不會影響爐渣流動性。

3.3 （TiO₂）爐渣基本性質

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。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（TiO₂）含量小于4%時，提高（TiO₂）含量有利于降低爐渣粘度，增強爐渣脫硫性能；當（TiO₂）含量大于4%時，爐渣粘度直線上升，脫硫能力明顯下降。5號高爐渣含（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），能夠提高爐渣流動性，增強脫硫能力，有利于高爐生產。

3.4  爐缸內Ti的運行及熔解

高爐原料中的鈦在軟熔帶就開始少量反應生成Ti(CN)進入初渣相，到達爐缸后將會進行如下反應:

Ti+C=TiC     ΔG=-166483+93.11T

2Ti+N₂=2TiN  ΔG =-279842+129.29T

根據以上二式吉布斯自由能可以判斷，當溫度越低時，越容易析出 TiC、TiN。含鈦物質Ti(CN)跟隨鐵水進入爐缸，由于比重較大透過鐵水進入爐底及爐缸側壁，因爐缸的冷卻作用，有利于生成固熔體Ti(CN)并沉積，對爐底、爐缸起到保護作用，同時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則是反應限制環節。因此，Ti在鐵水中的熔解度將是生成Ti(CN)的關鍵因素。北京科技大學在遷鋼做了相關的氣、液相實驗^［3］，得出Pco和溫度對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、風量、噴煤等能夠降低Pco，有利于增加鐵水中Ti的熔解。

3.5  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”^[4]，爐缸容積變小，高爐不易接受風量，技術經濟指標變差，鐵水粘溝粘罐現象嚴重。含鈦鐵水粘度為5～10mPa.S，不含鈦鐵水粘度在1300～1400℃時約為2～3.5mPa.S，熔融鐵水出現固相時溫度隨著鈦含量增加而升高。出現固相，粘度急劇增加，固相達到10～20%時，鐵水將變得不能流動。

文獻表明^[5]，隨著生鐵中含鈦量的增加，液相線溫度為增加趨勢，[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時可以看到，當鐵水[Si]、[Ti]較高時，因鐵水液相線溫度升高很多，渣鐵流動性極差，高爐最終陷入輪番“熱結”與“爐涼”的兩難境地，導致高爐長期不順。

3.6  含鈦鐵水成分與石墨含量的關系

當[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，甚至產生石墨漂浮，使鐵水流動性惡化。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，出爐鐵水極易產生粘溝、粘罐。

減少石墨析出，在保證脫硫前提下，應盡可能壓低爐溫，嚴格控制鐵水中[Ti]、[C]和[Si]的含量^[6]。

4  高鐵鈦冶煉主要應對措施

2020年，凌鋼5號高爐鈦負荷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]長期超過了高爐爐役末期護爐水平，給高爐操作帶來了很大困難。針對這種情況，高爐采取了一系列應對措施，實現了高爐穩定順行，取得了較好經濟效果。

4.1以原燃料為基礎，嚴控原燃料質量

精料是實現高爐高產、優質、低耗、長壽的基礎，更是高鐵鈦冶煉高爐穩定順行的基礎。凌鋼5號高爐原燃料為自產燒結礦、球團礦及100%外購焦炭，燒結比不到65%，燒結礦轉鼓較差，外購焦炭質量不穩定，具體情況見表3。

4.1.1  嚴控原燃料入廠質量

一是提高入廠礦粉質量標準：凌鋼地方礦粉含Ti、K、Na、Zn、S都比較高，可謂“五毒”俱全。除對礦粉品位、SiO₂、P、S等常規成分控制外，逐步新增對礦粉中Ti、K、Na、Zn進行嚴格控制，詳見表4。不符合標準要求大幅度降價，尤其是K、Na、Zn等有害元素，超出限值無條件拒收。

二是嚴格執行入垛焦炭質量標準：5號高爐用焦炭全部為外購，為確保高爐長期穩定順行，嚴禁不合格焦炭入垛。拒絕入垛標準為：M₄₀<83%、M₁₀＞7.5%、CSR<65%。

4.1.2  嚴控原燃料入爐質量

一是優化創新突破，提升人造富礦質量：通過管理創新、技術突破，提升燒結、球團生產水分、料面控制水平，治理系統漏風，保障設備運行精度，努力提高燒結礦、球團礦質量。

二是優化備垛上料，減少焦炭混料：焦炭品種多，質量差別大，盡量采取單品種“平鋪直取”備垛；焦炭上料系統皮帶長約4km，全程25min，如果按5分斗要料，大約15min就能上滿槽，很難保證不混料。通過好壞搭配、減少品種、固定料流、定量上料、空出料段、密切聯系等，盡量避免混料。

三是優化振料時間，提升篩分效果：通過合理調整給料機振幅及閘門開啟度，統一優化給料機振料時間，調整燒結礦、球團礦、焦炭振料速度,分別為40kg/s、60kg/s、30kg/s相對合理。同時，合理調整振動篩振幅，周期交替更換上、下層篩片，定時定人檢查篩子狀況，確保篩分效果。

四是優化裝料順序，實現原料充分混勻：對12個礦槽進行燒結礦-球團礦-燒結礦-球團礦-燒結礦“五段式”排料，并靈活調整各料斗上料量，實現燒結礦、球團礦充分混勻入爐，防止球團礦滑向中心導致布料偏析。對5個焦槽進行干熄焦-水熄焦-干熄焦“三段式”排料，并靈活調整各種焦炭比例，將最好的干熄焦布到中心，強力穩定中心氣流。

4.2  以爐內操作為關鍵，優化調整操作制度

高鐵鈦冶煉高爐順行區間窄，操作難度大。以爐內操作為關鍵，樹立“超壓差”、“低料線”、“爐涼”、“憋鐵”等規范化操作觀念，建立“熱負荷”、“低爐溫”、“燃料比”、“煤氣利用率”等趨勢化、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”標準化操作規范，精準判斷、精確調劑、精密組織、精細管理，優化調整各項操作制度，實現煤氣流合理分布，爐缸工作良好，爐況穩定順行。

4.2.1  穩定邊緣，開放中心，優化高爐裝料制度

5號高爐原燃料條件較差，基本裝料制度為“窄平臺+中心焦”，礦平臺寬度  

為6度，中心焦比例25%，取得了較好的經濟效果。但隨著爐役的增加，以及高爐鈦負荷的升高，2020年前幾個月爐況并不穩定：爐缸、爐底溫度大幅度下降，熱負荷周期性波動，爐溫起伏大，高爐時常出現次中心“過吹”。原因之一是高爐鈦負荷高，爐溫低時爐缸Ti(CN)、石墨炭富集，爐溫高時鐵水流動性差，爐溫波動頻繁交替出現，最終導致爐缸堆積，中心“死料堆”肥大，整體料柱透氣性差，造成最薄弱的次中心“過吹”現象。10月份以后，高爐制定了“開放中心、穩定邊緣、保風保熱、以缸為綱”的操作方針，調整裝料制度為“負角差+窄平臺+中心焦”，改善燒結礦質量，下調爐溫規范，高爐逐漸恢復正常。目前，高爐技術人員正在研究“窄平臺+次中心焦”、“寬平臺+中心焦”等裝料制度，以便進一步穩定爐況，提高煤氣利用率，降低焦比。    

4.2.2  上下兼顧，合理布局，優化高爐送風制度

爐缸工作活躍是高鐵鈦冶煉的關鍵。高爐原燃料條件較差，一直采用較小的風口面積。為了確保爐缸活躍，10月末利用計劃檢修機會對送風系統參數進行了部分調整：逐步增加風量300m³/min，提高風速和鼓風動能，建立了爐缸、爐底溫度監控模型，嚴格貫徹“保風保熱、以缸為綱”思想。調整后，爐缸、爐底溫度上升，爐缸活躍程度明顯增強，收到了較好效果，見表5。

4.2.3  穩定爐溫，保證熱量，優化高爐熱制度

合理控[Si]、控[Ti]是含鈦高爐操作的重點。通過鐵水粘度與液相線溫度以及含鈦鐵水成分與石墨含量的關系，結合高爐生產實際，在保證脫硫前提下，采取了降硅操作。嚴格控制[Si]為0.35%±0.05%，[Si+Ti]為0.4～0.55%，鐵水溫度為1490±10℃（見圖3）。控制鐵中[Ti]<0.14%，促使鈦向渣中轉移，這樣既保證了鐵水流動性，又提高了爐渣流動性。采取措施后，12月份，鐵水[Ti]、[Si]分別完成0.134%、0.396%，平均日產完成5934噸的歷史最高水平。

4.2.4  合理控硫，工序兼顧，優化高爐造渣制度

5號高爐爐渣（TiO₂）含量約2.0%，小于5.0%，屬于低鈦渣。但鐵中[Ti]高，基本長期維持在0.15%，屬于高鐵鈦冶煉。由低鈦爐渣性質可知，提高渣中（TiO₂）含量有利于降低爐渣粘度，增強爐渣脫硫性能。在工藝操作上，嚴格控制[Ti]<0.14%、[Si]在0.30%～0.40%、爐渣二元堿度R₂在1.12～1.18倍范圍內。當特鋼冶煉高標準品種鋼時，控制R₂在中上限水平，保證[S]≤0.030%；正常生產時控制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，又要保證爐缸工作活躍，實現高爐長期穩定高效運行。

4.3  以爐前操作為重點，強化高爐渣鐵排放工作

高爐鐵口淺，爐缸內鐵水容易形成“環流”，長期侵蝕爐缸“象腳區”；高爐鐵口淺，不利于爐缸中心活躍，容易造成中心“死料堆”肥大，加劇鐵水“環流”侵蝕爐缸，嚴重影響高爐順行、長壽。同時，鐵口淺容易發生各類鐵口事故，甚至爐缸燒穿，導致高爐大修。要牢固樹立“憋渣鐵就是事故”、“淺鐵口就是要命”的理念，及時排凈渣鐵，確保高爐穩定順行長壽。

4.3.1  狠抓炮泥質量，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、質差淘汰、事故炮泥等措施，改善炮泥質量，實施定量打泥，嚴格執行交接班制度，杜絕淺鐵口、潮鐵口、鐵口滲漏等現象，保證鐵口深度。

4.3.2  提高鐵口泥套質量，杜絕堵鐵口冒泥現象

鐵口泥套質量差，容易發生堵不上鐵口、高爐休慢風、鐵水落地、刷壞泥炮、刷壞冷卻水管道、放炮等生產安全事故。通過取消低價中標、優質優價，提升鐵口泥套澆注料質量，改進泥套制作方法，保證鐵口泥套完好，杜絕堵鐵口冒泥現象。

4.3.3  精密組織兌罐出鐵，保證渣鐵及時排凈

“憋渣鐵就是事故”。憋渣憋鐵容易導致爐墻粘結物脫落、爐涼、鐵水跑大流、壞風口、風口燒穿等事故，高爐爐型受到破壞，爐況長期不順，保證及時排凈渣鐵是爐前工作的第一要務。盡量采取雙鐵口對出，既有利于爐前量化操作，又能穩定鐵口深度；精密組織、內外協調，及時為高爐取兌罐；經常校核開口機大臂與鉆桿平行精度；推行鐵口預鉆制度，確認鐵口泥套完好、鐵口眼對中；針對爐溫高低不同，優化開鐵口方式，分段選擇鉆頭大小，準確把握更換鉆頭時機，力爭順利打開鐵口，保證及時排凈渣鐵。

4.3.4  推行零故障管理，大幅度降低設備故障

設備穩定運行是高爐穩定的前提。尤其是爐頂、爐前、送風等主線設備至關重

要，發生故障會直接造成高爐休慢風。通過貫徹設備優質優價思想，不惜成本堅決提升主線設備質量；建立零故障獎勵制度，加強日常化維保，落實專業化點檢，實

施周期化更換，完善系統化定修，全面推進全員設備管理，基本實現了設備零故障運行，高爐計劃檢修周期達到6個月，高爐各項指標明顯改善，取得了良好經濟效果（見上表6）。

5  結語

1）精料是高爐穩定、高產、低耗的基礎。凌鋼高爐鈦負荷約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、穩定邊緣、保風保熱、以缸為綱”。尤其是高鐵鈦冶煉，沒有較高的鼓風動能、鐵水溫度，沒有良好的爐缸工作狀態，就不可能保證高爐長期穩定順行。

3）高鐵鈦冶煉高爐順行區間窄，低硅操作是唯一出路。根據凌鋼原燃料條件及高爐操作實踐，保持[Si+Ti]含量0.40～0.55%、R₂在1.15±0.03相對合適，鐵水和爐渣流動性均能得到提高，能夠維持高爐長期穩定高效運行。

4）爐前渣鐵排放是高爐操作重點。“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識到爐前渣鐵排放的重要性。

參考資料

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[2]  董一城，余紹儒。鈦在高爐內的行為及其對爐缸爐底壽命的影響[J]，鋼鐵，1988(2)，No.3～8.

[4]  李楊，程樹森，蔡皓宇。高爐內Ti(C，N)生成的熱力學分析[J]，鋼鐵研究，2013(5),No.14～18+26.

[5]  賀媛媛，劉清才，楊劍，陳黔湘，敖萬忠。含鈦鐵水流動性能研究，鋼鐵釩鈦，第31卷第2期，2010年4月，V01.3,No.2,10～14.

[6]  丁寶忠.含鈦鐵水流動性的研究，煉鐵，1990年第5期，No.5～9.

[7]  叢家瑞，曹興言，高洪吾，趙璞，韓正，呂經建。過共晶鐵水漂浮石墨形成機理的研究，大連工學院學報，1986年9月，V01.24,No.3,13～18.