梁振华1，何少松2，赵华森1，聂志水1，常鹏飞1，刘佳3
( 1． 河钢集团石钢公司技术中心，河北石家庄050031; 2． 河钢集团石钢公司炼铁厂，河北石家庄050031; 3． 河钢集团石钢公司公司办，河北石家庄050031)
摘要: 为长期稳定地提供优质低钛铁水，降低下道工序操作压力及生产成本，河钢石钢从降低入炉原料的钛负荷入手，对高炉中钛的还原机理、影响因素、生产参数等进行了研究，查找影响铁水钛含量的主要因素。通过优化原料配比、低硅冶炼、适当降低炉渣碱度、提高风温等措施有效降低了铁水的钛含量。
关键词: 高炉；入炉原料；低钛铁水；低硅冶炼；炉渣碱度； 风温
0 引言
河钢石钢是国内三大专业化特钢棒材生产企业之一。年产钢材260 万t，主导产品轴承钢、齿轮钢、弹簧钢、易切削非调钢、优碳钢、合金钢被广泛应用于汽车、工程机械、铁路、石油和矿山、船舶和海洋工程、军工等领域。其中，部分高端轴承钢用户对钢材成品Ti 含量有严格的要求，甚至严苛到30 ppm 以下。钛与溶解于钢中的氮有着极强的亲和力，多以氮化钛、碳氮化钛夹杂物的形式残留于钢中。这种夹杂物坚硬、呈棱角状，严重影响轴承的疲劳寿命，特别是在洁净度显著提高，其他氧化物夹杂数量很少的情况下，含钛夹杂物的危害就尤为突出［1］。虽然河钢石钢高炉钛负荷在3 kg /t 左右，铁水中钛含量0． 053% 左右，对高炉运行状况和操作基本不会产生负面影响，但作为特钢企业，如何长期稳定地提供优质低钛铁水，为下道工序减轻操作压力，降低生产成本，是应重点研究的问题。本文结合高炉实际操作，探索冶炼低钛铁水的生产方法。
1 铁水中［Ti］的来源
河钢石钢高炉炉料结构中，主要的原料为鑫跃焦化公司产烧结矿、河北神邦矿业产球团矿及进口块矿，燃料主要为鑫跃焦化公司生产的水熄焦炭及外购的洗精煤。
选取2017 年1 ～ 6 月为基准期，基准期入炉料的钛平均含量见表1。
从各类入炉原燃料钛含量角度分析，焦炭和球团矿中钛含量较高，入炉烧结矿和块矿中钛含量占比接近。高炉在同时期炉料结构基本采取65% 烧结矿+ 19%球团矿+ 16% 块矿的方案，偶尔根据炉况略微调整，整体变化幅度不大。
2 铁水中［Ti］的还原机理
钛被认为是一种稀有金属，这是由于其在自然界中存在状态分散并难于提取。常见的钛的化合物有钛铁矿( FeTiO3) 、金红石( TiO2) 等。
钛在高温环境中的还原能力极强，能与氧、碳、氮等许多元素化合，还能从部分金属氧化物( 如Al2O3) 中夺取氧。钛的还原主要发生在高炉内高温区，还原方式主要有两种: 一是从高价氧化物向低价氧化物逐级进行还原: TiO2→Ti3O5→Ti2O3→TiO→Ti，这主要存在于渣焦界面; 二是渣铁界面的( TiO2) →Ti。研究表明，用H2还原TiO2，在700 ～1 000 ℃可得到Ti3O5，1300 ℃时可还原成Ti2O3，1 500 ℃时可还原成TiO。用CO 还原钛氧化物时，比用H2还原所需温度要高，钛的低价氧化物只能用碳直接还原［2，3］。
高炉中TiO2的还原从软熔带开始，随着炉料的下降，还原量最大的位置在炉腹高温区和风口之间渣铁界面; 渣铁界面的TiO2易被还原成［Ti］，扩散至铁水中，形成溶解钛。Ti 的还原率较低，大部分TiO2进入炉渣。
2017 年1 ～ 6 月，河钢石钢高炉产铁水钛平均含量为0． 053%，处于一个相对稳定的状态，炉渣中的钛含量在0． 60%左右，属于微钛渣。
3 低钛铁水冶炼生产实践
3． 1 优化原料配比，使用低钛炉料
选取2017 年7 ～ 12 月为实验期，经测算，烧结矿配矿过程中减少含钛量高的矿粉入烧，使烧结矿中的TiO2≤0． 11%，同时调低高炉原料中球团矿配加比例，增加烧结矿比例，将高炉炉料结构调整为72%烧结矿+ 13% 球团矿+ 15% 块矿，高炉铁水［Ti］可≤0． 050%。
3． 2 控制铁水物理温度
高炉铁水温度对Ti 含量的影响如图1 所示。从图1 中可以看出，高炉铁水温度和Ti 含量之间具有规律性的正比关系，随高炉铁水温度的升高，Ti含量同步升高。高炉铁水温度对Ti 含量有着明显影响。TiO2被还原的反应方程式:
2C + ( TiO2) =［Ti］+ 2CO ΔG ＞ 0
该反应为吸热反应，高炉温度越高，越有利于反应向右进行，化学反应生成的［Ti］越多。因此，尽可能地降低铁水的物理热，将有效降低铁水中的［Ti］含量。实验期将铁水的温度控制在1 480 ～1 505 ℃之间。
3． 3 采取低Si 冶炼
高炉冶炼过程中，高炉炉温的高低，通常用Si含量来表征。即，高炉铁水中［Si］越高，高炉炉温越高; 反之，炉温越低。在高炉铁水［Si］含量超过0． 7%之后，即会呈现高炉炉热现象，铁水的物理热也会提高。从氧化物的稳定性看，Ti 与Si 的性质很接近，在高炉中还原程度应与Si 接近，还原单位重量Ti 所消耗的热量比还原Si 时高0． 14 倍［2］。在高温区域，Si 的还原和Ti 的还原成正比关系，如图2 所示。随着铁水［Si］含量的增加，［Ti］也相应增加; 铁水［Ti］随着［Si］含量的增加离散度变大。当铁水［Si］≤0． 50% 时，［Ti］绝大部分在0． 050% 以下，即图2 中的第三象限。在实际操作中，可以采取控制燃料比的方式降低［Si］含量，提高理论燃烧温度和煤气利用率，减少炉体热量损失，进而增加焦炭负荷，降低滴落带高度，以尽可能地减少TiO2［4］向铁水转移。
以高炉稳定顺行为前提，将实验期炉温［Si］控制在0． 3% ～ 0． 5% 之间，［Si］稳定符合率完成89． 8%，较基准期提高1． 16%。同时，稳定炉温为稳定煤气流和炉况创造了条件，也可保证铁水［Ti］的部分降低。
3． 4 选择适宜的造渣碱度
炉渣碱度也严重影响［Ti］含量，当渣中TiO2含量较高( ＞ 25%) 时，［Ti］随碱度升高而减少，主要是由于CaO 与TiO2结合，生成钙钛矿，降低了TiO2的活度; 而TiO2含量较低( ＜ 25%) 时，［Ti］却随碱度升高而增加［5］，主要是CaO 与SiO2结合，提高了TiO2的活度。同时，若过多降低碱度会使铁水硅、硫含量上升，易对下道工序钢水冶炼过程造成负面影响。所以，高炉冶炼时，以满足生铁含硫和渣铁热量等条件为原则，应选择合理的造渣制度，维持适宜的炉渣碱度来控制TiO2的还原程度。实验期调整炉渣碱度在1． 25 ～ 1． 30 之间，Mg /Al 在0． 62 ～0． 64之间，并且尽量靠下限控制。
3． 5 提高风温，降低焦比
风温是活跃炉缸最经济的重要手段，热风带入的热量占高炉热量总收入的1 /3 左右。高风温改善了煤粉在高炉内的燃烧状态，可以补偿风口前煤粉分解吸收的热量，促进煤粉的充分燃烧，是实现高煤焦置换比的前提。河钢石钢高炉在实验期将平均风温提升至1 181 ℃，较基准期1 177 ℃提高了4 ℃。
同时，由于煤比上升，焦比下降，通过焦炭带入铁水中的［Ti］也相应降低。
3． 6 优化布料矩阵，精心操作
长期稳定顺行的炉况，不但是高炉高产、低耗的必要条件，也是稳定铁水成分的先决条件。各种炉况失常现象，在发生发展和治理过程中，不可避免地要带来炉缸、炉底热负荷的大幅度波动，使铁水成分波动异常。
河钢石钢高炉在实验期优化布料矩阵，坚持“以稳定中心气流为主，控制合理的边缘温度”为原则，采取以下措施: ( 1) 中心温度控制在550 ℃ 左右，边缘温度控制在60 ～ 80 ℃之间。( 2) 用多环布料的矩阵焦6 矿5，矿角差7°、焦角差10°。( 3) 用等面积布料的方法计算出炉料矩阵形式，并利用理论与实践相结合，摸索出合理的基础布料矩阵
，然后根据十字测温边缘和中心温度的趋势进行微调整。
4 生产指标情况
通过实施调整措施，高炉铁水的钛含量从0． 053%降低到0． 046%，主要成分对比见表2。
5 结语
( 1) 通过调整原料配比、采取低Si 冶炼、控制铁水温度和炉温、选择适宜的炉渣碱度、提高风温、降低焦比、优化布料矩阵、精心操作等一系列的强化措施，实现了高炉铁水中钛含量的降低，达到了预期的目标。
( 2) 通过本次生产实践，积累了生产低钛铁水的经验。为今后优化下道工序生产组织，稳定钢材成品质量奠定了基础。
参考文献
［1］刘颖，赵瑞华，席军良，等． 转炉冶炼低钛轴承钢的生产实践［J］．河北冶金，2011，( 5) : 10 ～ 11．
［2］贺友多． 炼铁学［M］． 北京: 冶金工业出版社， 1980．
［3］黄希祜． 钢铁冶金原理［M］． 北京: 冶金工业出版社，1981．
［4］李洪波． 冶炼硅钢用高炉铁水中Ti 的影响因素分析［J］． 电工材料，2016，( 4) : 13 ～ 15
［5］杜鹤桂． 高炉冶炼钒钛磁铁矿原理［M］． 北京: 科学出版社， 1996．