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(jìn)一步減少采購費(fèi)用、降低生鐵成本，凌鋼高爐開始使用外購高鈦承德球團(tuán)礦。2020年，5號高爐配套的鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)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(wěn)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(shù)攻關(guān)，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(jīng)濟(jì)效果。
01 凌鋼煉鐵原料含鈦情況
凌鋼燒結(jié)礦原料結(jié)構(gòu)為42%外礦+35%地方礦+23%廠內(nèi)回收廢料，球團(tuán)礦原料結(jié)構(gòu)為100%地方礦，高爐原料結(jié)構(gòu)為65%燒結(jié)礦+25%廠內(nèi)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(dá)3.3%以上，外購承德球團(tuán)與本地球團(tuán)礦含鈦量也偏高，分別達(dá)到0.85%、0.69%，外礦含鈦量較低。各種原料含鈦情況見下表1。
02 高爐鈦負(fù)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(fù)荷見下表2。由表2可知，高爐原料結(jié)構(gòu)中燒結(jié)礦TiO2含量為0.47%，球團(tuán)礦中TiO2含量為0.67%，高爐入爐鈦負(fù)荷高達(dá)8.85kg/t.fe。尤其是2020年8月份以后，5號高爐配套的鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯單獨(dú)配加5%以上建平磷鐵礦，導(dǎo)致鈦負(fù)荷升高約0.6kg/t.fe，進(jìn)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(guān)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(hù)爐水平。尤其是今年4～10月份，高爐鈦負(fù)荷高達(dá)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(yán)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(dá)到0.157%、0.45%，其中4月份分別達(dá)到0.18%、0.48%的歷史最高水平。為了活躍爐缸，高爐采取大風(fēng)量操作，煤氣流分布不穩(wěn)定，爐溫、熱負(fù)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(jì)劃產(chǎn)量，但消耗成本較高，嚴(yán)重影響了高爐穩(wěn)定低成本運(yùn)行。
圖2 標(biāo)高7.3m第4、5層碳磚之間爐底溫度趨勢圖
03 高鈦礦冶煉對高爐的影響
3.1 TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對軟融帶的影響
TiO2物質(zhì)到達(dá)軟融帶后，在大約1200℃反應(yīng)生成TiC及TiN進(jìn)入初渣相。首鋼鋼鐵研究所研究表明：隨著TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，液相出現(xiàn)的初始軟化溫度降低，同時(shí)初渣的融化溫度升高，固液共存溫度區(qū)間擴(kuò)大，導(dǎo)致高爐軟融帶變寬，透氣性下降。尤其是當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過6%，對高爐透氣性的影響較大。5號高爐TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jù)北京科技大學(xué)對低鈦渣的研究：當(dāng)溫度高于1393℃時(shí)，渣中才開始形成固熔體Ti（CN）；當(dāng)溫度達(dá)到1510℃時(shí)，Ti（CN）達(dá)到最大值，然后隨著溫度升高卻急劇降低，呈“山峰”狀。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)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(dá)到1410℃時(shí)，渣中Ti（CN）達(dá)到最大峰值，鐵水溫度大于1467℃時(shí)，渣中Ti（CN）基本不會影響爐渣流動性。
3.3 （TiO2）爐渣基本性質(zhì)
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(dāng)（TiO2）含量小于4%時(shí)，提高（TiO2）含量有利于降低爐渣粘度，增強(qiáng)爐渣脫硫性能；當(dāng)（TiO2）含量大于4%時(shí)，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(qiáng)脫硫能力，有利于高爐生產(chǎn)。
3.4 爐缸內(nèi)Ti的運(yùn)行及熔解
高爐原料中的鈦在軟熔帶就開始少量反應(yīng)生成Ti（CN）進(jìn)入初渣相，到達(dá)爐缸后將會進(jìn)行如下反應(yīng):
Ti+C=TiC
ΔG=-166483+93.11T
2Ti+N2=2TiN
ΔG=-279842+129.29T
根據(jù)以上二式吉布斯自由能可以判斷，當(dāng)溫度越低時(shí)，越容易析出TiC、TiN。含鈦物質(zhì)Ti（CN）跟隨鐵水進(jìn)入爐缸，由于比重較大透過鐵水進(jìn)入爐底及爐缸側(cè)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(hù)作用，同時(shí)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(yīng)限制環(huán)節(jié)。因此，Ti在鐵水中的熔解度將是生成Ti（CN）的關(guān)鍵因素。北京科技大學(xué)在遷鋼做了相關(guān)的氣、液相實(shí)驗(yàn)，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(fēng)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(jié)”，爐缸容積變小，高爐不易接受風(fēng)量，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變差，鐵水粘溝粘罐現(xiàn)象嚴(yán)重。含鈦鐵水粘度為5～10mPa.S，不含鈦鐵水粘度在1300～1400℃時(shí)約為2～3.5mPa.S，熔融鐵水出現(xiàn)固相時(shí)溫度隨著鈦含量增加而升高。出現(xiàn)固相，粘度急劇增加，固相達(dá)到10～20%時(shí)，鐵水將變得不能流動。
文獻(xiàn)表明，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(shí)可以看到，當(dāng)鐵水[Si]、[Ti]較高時(shí)，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(jié)”與“爐涼”的兩難境地，導(dǎo)致高爐長期不順。
3.6 含鈦鐵水成分與石墨含量的關(guān)系
當(dāng)[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(chǎn)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(chǎn)生粘溝、粘罐。
減少石墨析出，在保證脫硫前提下，應(yīng)盡可能壓低爐溫，嚴(yán)格控制鐵水中[Ti]、[C]和[Si]的含量。
04 高鐵鈦冶煉主要應(yīng)對措施
2020年，凌鋼5號高爐鈦負(fù)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(hù)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(yīng)對措施，實(shí)現(xiàn)了高爐穩(wěn)定順行，取得了較好經(jīng)濟(jì)效果。
4.1 以原燃料為基礎(chǔ)，嚴(yán)控原燃料質(zhì)量
精料是實(shí)現(xiàn)高爐高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽的基礎(chǔ)，更是高鐵鈦冶煉高爐穩(wěn)定順行的基礎(chǔ)。凌鋼5號高爐原燃料為自產(chǎn)燒結(jié)礦、球團(tuán)礦及100%外購焦炭，燒結(jié)比不到65%，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓較差，外購焦炭質(zhì)量不穩(wěn)定，具體情況見表3。
4.1.1 嚴(yán)控原燃料入廠質(zhì)量
一是提高入廠礦粉質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：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(guī)成分控制外，逐步新增對礦粉中Ti、K、Na、Zn進(jìn)行嚴(yán)格控制，詳見表4。不符合標(biāo)準(zhǔn)要求大幅度降價(jià)，尤其是K、Na、Zn等有害元素，超出限值無條件拒收。
二是嚴(yán)格執(zhí)行入垛焦炭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：5號高爐用焦炭全部為外購，為確保高爐長期穩(wěn)定順行，嚴(yán)禁不合格焦炭入垛。拒絕入垛標(biāo)準(zhǔn)為：M40<83%、M10＞7.5%、CSR<65%。
4.1.2 嚴(yán)控原燃料入爐質(zhì)量
一是優(yōu)化創(chuàng)新突破，提升人造富礦質(zhì)量：通過管理創(chuàng)新、技術(shù)突破，提升燒結(jié)、球團(tuán)生產(chǎn)水分、料面控制水平，治理系統(tǒng)漏風(fēng)，保障設(shè)備運(yùn)行精度，努力提高燒結(jié)礦、球團(tuán)礦質(zhì)量。
二是優(yōu)化備垛上料，減少焦炭混料：焦炭品種多，質(zhì)量差別大，盡量采取單品種“平鋪直取”備垛；焦炭上料系統(tǒng)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(lián)系等，盡量避免混料。
三是優(yōu)化振料時(shí)間，提升篩分效果：通過合理調(diào)整給料機(jī)振幅及閘門開啟度，統(tǒng)一優(yōu)化給料機(jī)振料時(shí)間，調(diào)整燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、焦炭振料速度,分別為40kg/s、60kg/s、30kg/s相對合理。同時(shí)，合理調(diào)整振動篩振幅，周期交替更換上、下層篩片，定時(shí)定人檢查篩子狀況，確保篩分效果。
四是優(yōu)化裝料順序，實(shí)現(xiàn)原料充分混勻：對12個(gè)礦槽進(jìn)行燒結(jié)礦-球團(tuán)礦-燒結(jié)礦-球團(tuán)礦-燒結(jié)礦“五段式”排料，并靈活調(diào)整各料斗上料量，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)礦、球團(tuán)礦充分混勻入爐，防止球團(tuán)礦滑向中心導(dǎo)致布料偏析。對5個(gè)焦槽進(jìn)行干熄焦-水熄焦-干熄焦“三段式”排料，并靈活調(diào)整各種焦炭比例，將最好的干熄焦布到中心，強(qiáng)力穩(wěn)定中心氣流。
4.2 以爐內(nèi)操作為關(guān)鍵，優(yōu)化調(diào)整操作制度
高鐵鈦冶煉高爐順行區(qū)間窄，操作難度大。以爐內(nèi)操作為關(guān)鍵，樹立“超壓差”、“低料線”、“爐涼”、“憋鐵”等規(guī)范化操作觀念，建立“熱負(fù)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(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)范，精準(zhǔn)判斷、精確調(diào)劑、精密組織、精細(xì)管理，優(yōu)化調(diào)整各項(xiàng)操作制度，實(shí)現(xiàn)煤氣流合理分布，爐缸工作良好，爐況穩(wěn)定順行。
4.2.1 穩(wěn)定邊緣，開放中心，優(yōu)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(jīng)濟(jì)效果。但隨著爐役的增加，以及高爐鈦負(fù)荷的升高，2020年前幾個(gè)月爐況并不穩(wěn)定：爐缸、爐底溫度大幅度下降，熱負(fù)荷周期性波動，爐溫起伏大，高爐時(shí)常出現(xiàn)次中心“過吹”。原因之一是高爐鈦負(fù)荷高，爐溫低時(shí)爐缸Ti（CN）、石墨炭富集，爐溫高時(shí)鐵水流動性差，爐溫波動頻繁交替出現(xiàn)，最終導(dǎo)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(xiàn)象。10月份以后，高爐制定了“開放中心、穩(wěn)定邊緣、保風(fēng)保熱、以缸為綱”的操作方針，調(diào)整裝料制度為“負(fù)角差+窄平臺+中心焦”，改善燒結(jié)礦質(zhì)量，下調(diào)爐溫規(guī)范，高爐逐漸恢復(fù)正常。目前，高爐技術(shù)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(jìn)一步穩(wěn)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(yōu)化高爐送風(fēng)制度
爐缸工作活躍是高鐵鈦冶煉的關(guān)鍵。高爐原燃料條件較差，一直采用較小的風(fēng)口面積。為了確保爐缸活躍，10月末利用計(jì)劃檢修機(jī)會對送風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了部分調(diào)整：逐步增加風(fēng)量300m3/min，提高風(fēng)速和鼓風(fēng)動能，建立了爐缸、爐底溫度監(jiān)控模型，嚴(yán)格貫徹“保風(fēng)保熱、以缸為綱”思想。調(diào)整后，爐缸、爐底溫度上升，爐缸活躍程度明顯增強(qiáng)，收到了較好效果，見表5。
4.2.3 穩(wěn)定爐溫，保證熱量，優(yōu)化高爐熱制度
合理控[Si]、控[Ti]是含鈦高爐操作的重點(diǎn)。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(guān)系，結(jié)合高爐生產(chǎn)實(shí)際，在保證脫硫前提下，采取了降硅操作。嚴(yán)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）?？刂畦F中[Ti]<0.14%，促使鈦向渣中轉(zhuǎn)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(chǎn)完成5934噸的歷史最高水平。
4.2.4 合理控硫，工序兼顧，優(yōu)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(zhì)可知，提高渣中（TiO2）含量有利于降低爐渣粘度，增強(qiáng)爐渣脫硫性能。在工藝操作上，嚴(yán)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(nèi)。當(dāng)特鋼冶煉高標(biāo)準(zhǔn)品種鋼時(shí)，控制R2在中上限水平，保證[S]≤0.030%；正常生產(chǎn)時(shí)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(chǎn)，又要保證爐缸工作活躍，實(shí)現(xiàn)高爐長期穩(wěn)定高效運(yùn)行。
4.3 強(qiáng)化高爐渣鐵排放工作
高爐鐵口淺，爐缸內(nèi)鐵水容易形成“環(huán)流”，長期侵蝕爐缸“象腳區(qū)”；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(huán)流”侵蝕爐缸，嚴(yán)重影響高爐順行、長壽。同時(shí)，鐵口淺容易發(fā)生各類鐵口事故，甚至爐缸燒穿，導(dǎo)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(shí)排凈渣鐵，確保高爐穩(wěn)定順行長壽。
4.3.1 狠抓炮泥質(zhì)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(xù)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(zhì)差淘汰、事故炮泥等措施，改善炮泥質(zhì)量，實(shí)施定量打泥，嚴(yán)格執(zhí)行交接班制度，杜絕淺鐵口、潮鐵口、鐵口滲漏等現(xiàn)象，保證鐵口深度。
4.3.2 提高鐵口泥套質(zhì)量，杜絕堵鐵口冒泥現(xiàn)象
鐵口泥套質(zhì)量差，容易發(fā)生堵不上鐵口、高爐休慢風(fēng)、鐵水落地、刷壞泥炮、刷壞冷卻水管道、放炮等生產(chǎn)安全事故。通過取消低價(jià)中標(biāo)、優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)，提升鐵口泥套澆注料質(zhì)量，改進(jìn)泥套制作方法，保證鐵口泥套完好，杜絕堵鐵口冒泥現(xiàn)象。
4.3.3 精密組織兌罐出鐵，保證渣鐵及時(shí)排凈
“憋渣鐵就是事故”。憋渣憋鐵容易導(dǎo)致爐墻粘結(jié)物脫落、爐涼、鐵水跑大流、壞風(fēng)口、風(fēng)口燒穿等事故，高爐爐型受到破壞，爐況長期不順，保證及時(shí)排凈渣鐵是爐前工作的第一要?jiǎng)?wù)。盡量采取雙鐵口對出，既有利于爐前量化操作，又能穩(wěn)定鐵口深度；精密組織、內(nèi)外協(xié)調(diào)，及時(shí)為高爐取兌罐；經(jīng)常校核開口機(jī)大臂與鉆桿平行精度；推行鐵口預(yù)鉆制度，確認(rèn)鐵口泥套完好、鐵口眼對中；針對爐溫高低不同，優(yōu)化開鐵口方式，分段選擇鉆頭大小，準(zhǔn)確把握更換鉆頭時(shí)機(jī)，力爭順利打開鐵口，保證及時(shí)排凈渣鐵。
4.3.4 推行零故障管理，大幅度降低設(shè)備故障
設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行是高爐穩(wěn)定的前提。尤其是爐頂、爐前、送風(fēng)等主線設(shè)備至關(guān)重要，發(fā)生故障會直接造成高爐休慢風(fēng)。通過貫徹設(shè)備優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)思想，不惜成本堅(jiān)決提升主線設(shè)備質(zhì)量；建立零故障獎(jiǎng)勵(lì)制度，加強(qiáng)日?；S保，落實(shí)專業(yè)化點(diǎn)檢，實(shí)施周期化更換，完善系統(tǒng)化定修，全面推進(jìn)全員設(shè)備管理，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)備零故障運(yùn)行，高爐計(jì)劃檢修周期達(dá)到6個(gè)月，高爐各項(xiàng)指標(biāo)明顯改善，取得了良好經(jīng)濟(jì)效果（見上表6）。
05 結(jié)語
1）精料是高爐穩(wěn)定、高產(chǎn)、低耗的基礎(chǔ)。凌鋼高爐鈦負(fù)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(wěn)定邊緣、保風(fēng)保熱、以缸為綱”。尤其是高鐵鈦冶煉，沒有較高的鼓風(fēng)動能、鐵水溫度，沒有良好的爐缸工作狀態(tài)，就不可能保證高爐長期穩(wěn)定順行。
3）高鐵鈦冶煉高爐順行區(qū)間窄，低硅操作是唯一出路。根據(jù)凌鋼原燃料條件及高爐操作實(shí)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(wěn)定高效運(yùn)行。
4）爐前渣鐵排放是高爐操作重點(diǎn)?！氨镌F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(rèn)識到爐前渣鐵排放的重要性。
