玉鋼高爐提高釩鈦鐵水質量實踐

楊敬

（玉溪新興鋼鐵有限公司煉鐵廠）

1 前言

玉鋼煉鐵廠1 080 m3高爐采用BT 型串罐式無料鐘爐頂，爐身本體冷卻系統為薄壁爐襯軟水密閉循環，共有Φ115 風口20 個，進風面積0.208 m2，配備四座卡魯金式高效熱風爐，采用膠帶機自動控制上料，兩個出鐵口成對角設計，采用圖拉法水渣處理系統，采用干法煤氣除塵系統處理高爐煤氣，有爐頂煤氣調壓閥組和TRT 余壓發電裝置，是一座裝備水平較為現代的中小型高爐。玉鋼由于受礦石資源不足、生產成本高、產品單一的影響，尤其高品位礦石資源嚴重不足，為了保生存促發展高爐不得不開展釩鈦礦冶煉，走差異化提釩煉鋼經營道路。但釩鈦礦冶煉較普通礦在操作控制上的困難程度隨著入爐釩鈦比例的上升而急劇增加，渣鐵比隨入爐品位的降低而升高，爐內透氣性會變差，釩鈦鐵水質量會下降，燃料消耗會升高，生產事故會增多，生產成本會升高。玉鋼煉鐵廠通過優化完善原燃料質量跟蹤、設備保障、調整高爐四大操作制度、強化爐前管控及設備保障，初步掌握了釩鈦礦的冶煉規律，2021 年釩鈦鐵水質量合格率由年初78.65 %提升至99.83 %，釩鈦鐵水含釩[V]提高至0.26 %。

2 影響釩鈦鐵水質量因素分析

2.1 爐況波動

維持穩定順行是高爐釩鈦礦冶煉鐵水質量穩定的基礎條件。爐缸是高爐冶煉過程的中心，必須有充沛穩定的熱量保障，爐缸工作狀態好壞直接決定了釩鈦鐵水質量的品質。當爐況出現波動時，爐內煤氣流就會發生變化，很容易造成爐襯附著的渣皮脫落出現崩滑料，還會出現掛料、管道行程、煤氣流失常等一系列破壞爐缸熱狀態穩定的問題，這樣一來爐內冶煉進程就會被打亂，礦石得不到充足的熱量融化，釩鈦鐵水成份就會受到很大影響。

2.2 原燃料質量

通常說高爐冶煉七分靠原燃料三分靠操作，說的就是原燃料質量好壞對爐況穩定順行的重要性，只有原燃料質量滿足高爐冶煉過程的所需要求，爐況才能長時間穩定順行，釩鈦鐵水質量才能得到有效保障。當原燃料質量出現惡化時，比如焦炭反應性上升、反應后強度下降、M40、M10 變差；燒結礦粒度偏碎、堿度波動大、強度下降、低溫還原粉化率升高；生礦含粉率上升、球團礦抗壓強度降低、入爐有害元素負荷上升等等都會導致爐內料柱透氣性變差，爐內煤氣流雜亂，爐缸熱制度失常，最終導致出爐時釩鈦鐵水質量超標[1]。另外釩鈦鐵水中的硫來自于入爐爐料，其中入爐焦炭帶入的硫占入爐總硫量的80 %以上，對釩鈦鐵水含硫影響最大。玉鋼1 080 m3高爐由于受燃料價格影響，從2019年10 月開始使用師宗生產的二級焦炭，中下旬使用比例一度提高到50 %，期間高爐爐況出現波動，釩鈦鐵水質量出格爐次上升較大。進入2020 年2月份，大為焦和干熄焦供應困難，高爐被迫又增加二級焦炭的使用比例，20 日后一直在52 %以上，二級焦的物理性能及冶金性能見圖1，熱態反應性上升至30.41 %，較之前上升2.76 %，反應后強度為61.16 %，較之前下降3.36 %，M40 最低時不足82 %，CRI 最高達34 %以上，CSR 最低不足58 %，生鐵質量大幅下滑，期間爐況波動頻繁，導致2 月下旬至3 月上旬期間頻繁變換釩鈦礦與普通礦冶煉，經濟技術指標下滑。

圖1 師宗二級焦冶金性能趨勢圖（2020 年2 月～2020 年3 月）

如果帶入高爐的有害元素負荷一段時間內上升較大的話，一定程度上會影響高爐爐況的順行，從而對釩鈦鐵水質量產生較大影響。2019年11 月份受采購、庫存影響，增加武定球使用比例，堿金屬負荷和Zn 負荷持續上升，加上58釩鈦球庫存不足，高爐使用有害元素較高的昆鋼球，2020 年1～3 月平均入爐堿負荷為7.05 kg/t，鋅負荷為0.86 kg/t 見圖2。堿金屬主要來源于入爐礦石，其中燒結礦有害元素含量，Na2O 長期＞0.30 %、K2O 長期＞0.10 %、Zn 長期＞0.045 %；武定球堿金屬含量，Na2O：0.251 %；K2O：0.108 %。堿金屬在爐內循環富集，加劇焦炭熔損，降低焦炭強度，破壞焦炭在爐內料柱骨架作用，使得原本冶金性能較差的焦炭在爐內進一步劣化，惡化高爐料柱透氣性；加劇球團礦在爐內異常膨脹，破壞球團礦冶金性能，還原粉化加劇。另外Zn 負荷上升在爐內爐襯上循環富集形成局部粘結，影響內部煤氣流分布，破壞合理的操作爐型。如2019 年11 月至2020年4 月上旬，高爐頻繁出現爐溫偏低、憋風嚴重的現象，出鐵時鐵水大量排Zn，鐵水[Zn]由正常時的0.010 %以下上升到0.101 %以上，物理熱低于1 420 ℃，含S 高達0.113～0.187 %，釩鈦鐵水質量大幅出格。

圖2 堿負荷、Zn 負荷趨勢圖（2020 年1 月～3 月）

2.3 爐渣脫硫性能

影響高爐爐渣脫硫能力的因素很多，但爐渣的成分、溫度和流動性對脫硫效果影響最大。高爐通過造渣可控制爐渣的成分和性質，造渣對釩鈦鐵水的品種和質量有著重大的影響和作用。爐渣性能的好壞與脫硫系數、爐況順行以及各項經濟技術指標都有密切關系。適宜的爐渣堿度是保證爐渣脫硫的最主要條件，過低或過高都會引起其流動性變差，導致Ls 值降低。釩鈦爐渣脫硫能力遠比普通爐渣低，在爐渣堿度為一定時，含鈦爐渣隨TiO2含量增加Ls 會下降見表1。

表1 高爐爐渣Ls 與TiO2 的關系

在一定范圍內，不同TiO2的爐渣隨堿度升高Ls 會有所升高。在TiO2含量不變的情況下，堿度在一定范圍內，含鈦爐渣的脫硫能力會隨堿度增加而提高。但由于溫度升高而引起含鈦爐渣變稠時，其脫硫能力反而會下降。含鈦爐渣開始變稠的溫度與渣中的TiO2含量有關，隨TiO2含量增加，變稠的開始溫度越低，且開始變稠的反應時間越短。隨渣中TiO2上升時，釩鈦鐵水含S 上升逐步明顯，高爐操作上應采取適當提高爐渣堿度，提高風溫，降低燃料比等方法控制或調整配礦和用料結構控制，減少Ti 的入爐量。

3 提高釩鈦鐵水質量的措施

3.1 原燃料質量跟蹤管理

通過以上分析得知，原燃料質量是高爐穩定順行和釩鈦鐵水質量的主要支撐，玉鋼考慮降庫存減少資金占用，為了合理利用礦石資源，結合高爐冶煉對燒結礦質量的要求，從根本上了解各種用礦結構的燒結礦質量及主要技術經濟指標可能達到的最好水平，從了解礦石的基礎特性到各種搭配的綜合特性入手，在此基礎上利用燒結杯試驗進行必要的驗證，再到生產實際應用驗證，加強工藝過程監督管控，嚴抓料場造堆料混勻和成分波動，穩定燒結礦質量，強化燒結工序過程監督，穩定燒結礦堿度和亞鐵，為高爐的穩定順行創造良好條件。

高爐操作人員要及時掌握各種原燃料的冶金性能，密切關注入爐料有害元素負荷及冶金性能的變化，及時調整焦炭負荷和爐渣堿度，確保高爐有足夠的脫硫能力，定期排堿，控制好有害元素對高爐爐況的影響。玉鋼3#高爐爐料結構為配有9 %釩鈦精燒結礦和酸性釩鈦球團礦構成，燒結系統通過加強料堆取料質量和燃料粒度控制，控制蒸汽使用保障料溫穩定，實施厚料層燒結，提高料層蓄熱能力，改善燒結礦強度穩定燒結礦質量，燒結礦實物質量見表2。

表2 燒結礦實物質量（%）

3.2 改善高爐爐缸工作狀態

3.2.1 選擇適宜的送風制度和裝料制度

玉鋼3#高爐釩鈦礦冶煉采用“以穩定下部制度為基礎，上、下部制度相結合”的操作方針。為適應原燃料條件、活躍爐缸，使用20 個Φ115風口小套，進風面積0.208 m2，保持合適的風速和鼓風動能，可以使爐內初始煤氣流分布合理，送風溫度保持在1 190～1 210 ℃，富氧維持在12 000 m3/h 以上。采用大富氧和大風量操作一方面活躍了爐缸，另一方面加強了爐缸氧化性氣氛，增強爐缸氧勢有利于抑制Ti(C、N)的生成。為了穩定上部氣流，結合下部送風制度及原燃料條件，堅持發展中心氣流，提高煤氣利用率＞44 %，料線控制在1.8 m 左右，合理增加入爐礦石批重量，可以使入爐料批數減少，有利于改善高爐料柱透氣性，從而降低煤氣在二次分布時的界面效應，穩定煤氣流分布。

3.2.2 熱制度和造渣制度優化

高爐在釩鈦礦冶煉過程中，存在“熱不得、冷不得、憋不得”的冶煉特點，釩鈦爐渣熔點比普通礦高50～100 ℃，爐溫過高時鈦渣性質不穩定，在高爐爐缸渣中TiO2被還原成高熔點的TiC、TiN 和Ti（C、N）以固相的形式存在，它們通常以顆粒固相質點的形式彌散于和包裹于鐵液周圍，一方面影響爐況的穩定，另一方面惡化渣鐵流動性，進一步影響釩鈦鐵水質量，并且隨著TiO2的上升，使爐渣變稠，影響加劇，TiO2為弱酸性，TiO2不具有脫硫能力，且隨渣中TiO2的上升，爐渣脫硫效果呈下降趨勢；爐溫過低時，因鈦渣熔點高易造成渣溫不足，渣鐵分離差，長期低爐溫會導致爐缸熱儲備不足，爐缸溫度降低甚至爐缸凍結。爐溫過高或過低都會影響爐渣流動性，兼顧爐渣中TiO2含量選擇適宜的爐溫和堿度，可以防止鈦渣變稠，并使爐渣具有好的脫硫能力和流動性；在日常生產中影響爐渣黏度最主要的因素是堿度，隨著爐渣堿度升高，堿性氧化物數量增加，熔化性溫度升高，黏度隨之上升；同時合適的渣中MgO 可降低爐渣的熔化溫度和黏度，改善渣的流動性和穩定性，使脫硫反應速度加快。

釩鈦礦冶煉造渣制度要兼顧TiO2含量與爐渣堿度、脫硫能力的關系，釩鈦礦中鈦渣冶煉與普通礦冶煉在爐渣成分方面最大的區別是由四元渣系CaO～MgO～SiO2～Al2O3變為CaO～MgO～SiO2～Al2O3～TiO2五元渣系后，爐渣的熔化性溫度會升高55～65 ℃，渣中Al2O3升高，爐渣的黏度和熔化性溫度也會上升，但流動性就會變差，脫硫能力也會降低；爐渣中FeO 的上升，對鐵水脫硫十分不利。考慮在五元渣系條件下選擇適宜的造渣制度保持爐缸溫度充足穩定、良好爐渣的流動性。因此，3#高爐釩鈦礦冶煉實際生產情況，爐溫調劑主要以煤量調劑為主，要求操作工長勤看風口，密切關注操作參數和原燃料變化，精心操作，準確調劑，提高低硅、鈦冶煉的爐溫穩定率。

3.2.3 加強爐前組織管理

抓好出鐵管理是釩鈦礦冶煉過程中的重要環節，及時出凈渣鐵改善順行，確保出鐵均勻率和下渣率，杜絕因出鐵導致爐況波動造成釩鈦鐵水質量出格。隨著釩鈦比例上升，渣比、渣中w（TiO2）的升高會使高爐憋風逐漸突顯，玉鋼3#高爐制定了高爐鐵口深度、打泥量、鉆頭大小、開口方式等出鐵質量的相關參數，按照鐵口深度在2.8～3.1 m 進行控制，采取分段開口技術，先使用65 mm 鉆頭開1.1 m 距離，再換成55 mm 鉆頭一次開穿，出鐵時間一般控制在55～75 分鐘。為縮短釩鈦渣鐵在爐內的停留時間，高效做好出鐵組織工作，必要時采用兩鐵口無間隔出鐵模式盡快出凈渣鐵，避免憋風、慢風情況的出現，打亂冶煉進程從而影響鐵水質量[2]。

3.2.4 強化設備管理

設備的正常運行是保證高爐釩鈦礦冶煉正常生產的重要保障，釩鈦礦冶煉中因設備故障造成的空料、大幅減慢風、非計劃休風等，都會影響爐況，最終影響釩鈦鐵水產量、質量，最終導致生產成本上升。玉鋼3#高爐強化設備基礎管理，優化設備檢維修周期，提高生產設備運行穩定水平，堅持以設備運行“零故障”為控制目標，推進設備精細化管理，推行全員參與設備管理，包機到人，做好日常設備的點、巡檢及潤滑維護工作，落實關鍵設備的隱患排查和管理維護工作，如煤氣在線分析儀、風口成像及爐內紅外成像等，將設備故障由事后搶修向事前預防的方向轉化，有效避免了因設備故障造成的空料、慢風和非計劃休風，為安全、有序、高效的組織高爐生產，提高釩鈦鐵水質量提供保障。

4 實施效果

2021 年玉鋼對之前影響釩鈦鐵水質量原因進行分析，制定原燃料質量跟蹤管理措施，通過優化高爐四大操作制度改善爐缸工作狀態，加強爐前組織管理，強化設備保障，克服了釩鈦礦冶煉具有爐溫控制區間窄，料柱透氣、透液差，鈦渣熔化溫度高，性能不穩定，出渣出鐵困難，爐前工作量大，鈦渣脫硫能力低等技術難題。2021年5 月份后鐵水質量大幅提升，鐵水[Si]、[S]、[V]對比川威有了很大提升，7、8 月份[S]≤0.12% 的占比達99 % 以上（見圖3、圖5），鐵水[V]也由0.22 %提升至0.26 %（見圖6），[Si]：0.05～0.25 %占比達到92 %以上（見圖4）。

圖3 2021 年釩鈦鐵水含S 達標率

圖4 2021 年6～8 月玉鋼、川威鐵水[Si]堆積百分比面積圖

圖5 2021 年6～8 月玉鋼、川威鐵水[S]堆積百分比面積圖

圖6 2021 年6～8 月玉鋼、川威鐵水[V]堆積百分比面積圖

5 結論

（1）跟蹤了解礦石的基礎特性到各種搭配的綜合特性，利用燒結杯試驗，加強工藝過程監督管控，嚴抓料場造堆料混勻和成分波動控制，強化燒結工序過程監督，穩定燒結礦堿度和亞鐵，加強料堆取料質量和燃料粒度控制，控制蒸汽使用，實施厚料層燒結，提高料層蓄熱能力，改善燒結礦強度穩定燒結礦質量。

（2）及時掌握各種原燃料的冶金性能，密切關注入爐料有害元素負荷及冶金性能的變化，及時調整焦炭負荷和爐渣堿度，確保高爐有足夠的脫硫能力，定期排堿，控制好有害元素對高爐爐況的影響。

（3）采用“以穩定下部制度為基礎，上、下部制度相結合”的操作理念有利于改善高爐料柱透氣性，控制煤氣流分布合理。

（4）加強爐前組織及設備管理，減少因設備故障造成的空料、慢風和非計劃休風，最大限度的降低設備故障休風率和慢風率，為安全、有序、高效的組織高爐生產，提高釩鈦鐵水質量（[S]≤0.12 %的占比達99 %以上，鐵水[V]由0.22 % 提升至0.26 %，[Si]：0.05～0.25 %占比達到92 %以上）提供保障。