沙鋼高爐鈦礦經濟護爐技術研究

雷 鳴 杜 屏 周夏芝 周大勇 張 健 馬恒保 張建良 焦克新 徐 震

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

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

2018年4 月以來，沙鋼3號2 680 m3高爐爐缸側壁溫度異常升高，熱電偶最高溫度達到700℃以上，嚴重影響高爐正常運行。通過對爐缸側壁炭磚殘厚的計算，發現爐缸西鐵口下方1 m處的炭磚厚度僅為517 mm，嚴重降低爐缸壽命［7］。為了緩解爐缸侵蝕，沙鋼煉鐵部采取加鈦礦護爐措施以降低爐缸侵蝕速率，取得了良好效果，但生產成本增加。本文以沙鋼鈦礦護爐實踐為研究對象，通過熱力學計算有效護爐的最低［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，從而降低護爐成本，達到經濟護爐的目的。

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被還原進入鐵水，與鐵水中溶解的［C］或［N］等發生反應，形成高熔點的Ti（C，N）沉積于爐缸侵蝕嚴重部位，從而起到保護爐襯的作用［11］。由于高爐內存在過剩的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，其反應式為［12］：

［Ti］的活度系數f［Ti］與溫度的關系函數為［13］：

1 873 K時鐵水中元素的活度系數fi為：

式（5）中1 873 K時鐵水中元素的相互作用系數eji可從文獻［14］中查出，如表1所示，取文獻［15］中TiO2的活度系數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（氧氣體積分數）為6.2%，N2和CO的體積分數分別為56%和43%。

表1 鐵水中Ti元素與其他元素的相互作用系數（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

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

表3 鐵水中元素間相互作用系數（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量分數為0.08%，當鐵水溫度低于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析出溫度遠低于鐵水溫度，考慮到爐缸側壁和爐底的冷卻強度，TiC可在爐底和爐缸側壁附近低溫區域形成。

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，且當鐵水中［Ti］含量達到一定值時，鈦化物才會析出。從圖4可以看出，當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。當鐵水中［Ti］含量繼續增加，TiC、TiN析出動力學條件更加充分，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控制在一定范圍內，根據鐵水中［C］含量的變化，w［Ti］應控制在0.076%以上，相應溫度為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。［Si］與［Ti］之間的相互作用系數為正值，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。根據沙鋼高爐鐵水成分，將w［Si］從0.46%適當提高至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，在正常生產條件下，可通過調節鐵水中［Si］和［C］含量來降低析出TiC的臨界［Ti］含量，從而達到降低入爐鈦負荷的目的。

3 鐵水溫度和成分對鈦分配比的影響

在沙鋼3號高爐護爐過程中，鈦負荷為3～7 kg/t。研究發現［18］，當鈦負荷小于7 kg/t時，鐵水中鈦的質量分數隨鈦負荷的增加而增加；當鈦負荷大于7 kg/t時，鐵水中鈦的質量分數隨鈦負荷的增加而減小，甚至出現負值，因此不能僅通過增加鈦負荷來提高鈦分配比。圖7為鈦分配比與鐵水成分之間的關系。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系。由此可知，在鈦礦護爐條件下，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，兩者總體呈負線性關系，說明提高鐵水［S］含量不利于增大鈦分配比。在實際生產過程中，控制鐵水中硫含量不僅可以減輕鐵水環流對爐襯的侵蝕，還可增大鈦分配比，改善護爐效果［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］的研究結果一致。這一方面是由于渣中TiO2與［C］之間的氧化還原反應是吸熱反應，溫度的升高有利于反應的進行；另一方面，鐵水溫度升高，增大鐵水中［C］和［Ti］的傳質速率，使鐵水［C］含量增加，從而改善渣中TiO2還原的動力學條件。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

根據沙鋼3號高爐的生產實際，鐵水溫度應控制在1 495～1 505℃，同時降低鐵水［S］含量，適當提高［Si］和［C］含量，有利于提高渣鐵間鈦分配比，降低鈦礦護爐成本，實現高效護爐。

4 結論

（1）對平衡［Ti］含量的熱力學計算發現，沙鋼高爐鐵水中［Ti］可以形成穩定的TiN，且在1 595 K時可以形成TiC。實際生產中反應平衡還與［C］和［Si］含量有關，根據沙鋼高爐鐵水的實際［C］和［Si］含量，其護爐鐵水中Ti質量分數應控制在0.076%以上。

（2）析出TiC 的臨界［Ti］含量與鐵水中［C］、［Si］含量呈線性關系。因此，可通過使鐵水保持較高的［C］含量并適當提高［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，與［S］含量呈負相關。為實現護爐效果的同時降低護爐成本，應適當提高鐵水［Si］和［C］含量、降低［S］含量，并控制鐵水溫度在1 495～1 505℃。