钒钛磁铁矿高炉冶炼的强化

钒钛磁铁矿高炉冶炼的强化马家源孙希文盛世雄摘要：以高钛型钒钛磁铁矿为主要原料的攀钢高炉，在解决了泡沫渣、粘渣、铁水粘罐、铁损高、脱硫能力低等重要技术难题后，通过优化高炉操作及炉料结构，开发一系列强化冶炼的新技术，取得了大型高炉在采用难冶炼的特殊矿、入炉品位低的情况下达到高利用系数的经验，获得了巨大的经济效益，并建立了高炉冶炼钒钛磁铁矿的系统理论。关键词：钒钛磁铁矿高炉强化冶炼INTENSIFIEDSMELTINGOFVANADIUMANDTITANIUMMAGNETITEINBLASTFURNACEMAJiayuanSUNXiwenSHENGShixiong(PanzhihuaIronandSteel(Group)Co.)ABSTRACT：Havingbeensolvedseveralcriticalproblems,suchasslagfoaming,viscousslag,hotmetalpitadhesion,highmetallossandlowdesulphurizationrate,Panganghasdevelopedanewpackageofoperationintensificationtechnologybyoptimizationofblastfurnaceoperationandburdenstructureswithgoodeconomicresults.Asystematicaltheoryofvanadiumandtitaniummagnetitesmeltinginblastfurnacehasbeenestablished.KEYWORDS：vanadiumtitaniummagnetite,blastfurnace,intensifiedsmelting▲1概述用普通大型高炉冶炼钒钛磁铁矿，尤其是冶炼时炉渣中TiO2＞22%的高钛型钒钛磁铁矿，过去国内外都认为是不可能的。由于技术上的原因，用常规方法冶炼将会出现炉渣粘稠，渣铁不分，炉缸堆积等现象，使正常生产难以进行。我国攀枝花地区蕴藏着丰富的钒钛磁铁矿，是我国三大铁矿之一。与铁矿共生的钒、钛资源在全国和世界都占有重要地位。经过60年代中期的大规模工业性科学试验，解决了基本工艺问题，首创了高炉冶炼钒钛矿技术，为攀枝花资源的开发利用奠定了基础。并因此曾获国家发明奖。但由于一些重要的技术难题未能解决，如泡沫渣、铁水粘罐、铁损高以及品位低、渣量大等问题长期困扰生产，冶炼工艺及操作技术也尚不完全成熟，使攀钢高炉指标低下。自1970年投产后，历经10年，高炉利用系数才达到不高的设计指标(1.40t/m2.d),此后长期徘徊在1.5～1.6t/(m3.d)的较低水平，且消耗高，焦比在620kg/t以上，经济效益差，连年亏损。进入90年代中期，攀钢以钒钛磁铁矿高炉强化冶炼为中心，开展了系统的科技攻关，进行了系列的科学试验和理论研究，成功地开发了钒钛磁铁矿高炉强化冶炼的新技术，取得重大的突破性进展。使各项指标大幅度提高，在入炉品位低的原料条件下，高炉利用系数达到国内外先进水平，自1998年下半年以来，利用系数(未经折算的实际值)一直保持在2.0t/(m3.d)以上，1999年一季度平均利用系数为2.143t/(m3.d)，入炉焦比降到484kg/t，吨铁喷煤98.54kg，取得巨大经济效益(表1)。2主要技术难题的突破泡沫渣、铁水粘罐、粘渣、铁损高、脱硫能力低是钒钛矿高炉冶炼试验中的重要技术难题，也是攀钢高炉投产后长期困扰生产的主要问题。2.1泡沫渣问题冶炼钒钛矿的高炉渣流入渣罐后，产生大量气体，使炉渣成泡沫状沸腾上涨，溢出罐外。而涨落之后，罐内只有小半罐渣，渣罐容积不能充分利用，而高炉则因出不净渣铁，导致炉内压差升高，被迫减风，无法提高冶炼强度。通过理论研究〔1〕和生产试验，弄清了泡沫渣形成机理并找到了消除措施。表1攀钢炼铁厂1990～1998年度主要技术经济指标Table1Maintechnical-economicindexfrom1990to1998forIronmakingPlantofPangang年份总产量/t利用系数/t.m－3.d－1折算利用系数/t.m－3.d－1入炉焦比/t.m－3.d－1冶炼强度/t.m－3.d－1入炉矿石品位/%煤比/kg.t－1199022761641.4061.5556520.9545.583.80199126909371.5291.6716150.9745.367.01199228024181.5471.6946221.0145.5410.01199329171011.6151.7706151.0245.4110.81199428751421.6551.8156081.0445.4014.15199530636381.6961.8626001.0445.4717.05199632777221.8091.9875851.0845.7927.65199733449371.9292.1125531.0846.0355.84199835604181.9722.1675241.0646.5774.941999(一季度)8725322.1432.3474931.05547.0398.54从热力学分析，渣中TiO2被TiC以及饱和碳和非晶态碳还原，产生大量CO气体，是导致沸腾现象的原因(图1)。图1有关TiC反应的ΔG与t的关系Fig.1RelationbetweenΔGandtrelatedtoTiCreactionTiC+5(TiO2)＝3(Ti2O3)+CO↑2TiC+5(FeO)＝(Ti2O3)+5［Fe］+2CO↑2(TiO2)+C＝(Ti2O3)+CO↑(FeO)+C＝［Fe］+CO↑从动力学分析，当渣中产生的CO气泡的生成速率和气泡的稳定性达到一定程度时，泡沫渣就产生沸腾现象。vt≥15.56u-0.3016cTi(C,N)≥0.457+0.092u式中vt——气泡产生速度；cTi(C，N)——Ti(C,N)在渣中的浓度；u——参数，取值1～8；ΔG——形核的活化能；ΔGf——气、渣二相体积自由能变化；ΔGh——还原成CO的化学反应自由能变化。根据对主要参数的分析，可得出泡沫渣形成的区间(图2)。图2泡沫渣形成的条件(全钒钛高钛渣)Fig.2Formationconditionofslagfoaming通过调整炉渣成分，控制渣中TiO2在23%～24%，改变了钛渣结构，使渣中TiO2活度降低，并提高炉内高温区的氧势，从而抑制了TiO2的过还原，有效地消除了泡沫渣沸腾现象。2.2铁水粘罐问题铁水粘罐是钒钛矿冶炼的特有现象。普通矿冶炼时铁水罐虽然也有粘结的情况，但其粘结物的熔化温度低于出铁温度，下次出铁时可被熔化，罐衬越刷越薄，一般可用300～400次。而钒钛铁水的粘罐物中则因含有V、Ti的氧化物，熔点很高，高于出铁温度，在下次出铁时不能被熔化，越结越厚，铁水罐只能用几十次。严重影响了高炉正常生产。在研究弄清了粘罐的机理后，发明了吹氧化罐和氧燃枪化罐技术熔化粘罐物，又采取冷扣罐、喷涂和使用腊石砖砌罐帽，炉前采用焖砂口操作杜绝高炉渣过渣进罐，铁水罐加蛭石保温等措施，彻度解决了铁水粘罐问题。2.3消除粘渣和降低铁损随着高炉内还原过程的进行，炉渣中一部分TiO2被还原生成钛的碳、氮化合物。TiC的熔点为3140℃±90℃，TiN熔点为2950℃±50℃，远高于炉内最高温度，它们通常以几微米但具有极大比表面积的固相质点弥散在炉渣中和包裹在铁珠周围，使铁珠难以聚合，渣中带铁增多，粘度增大数十倍，造成粘渣和高铁损。由于形成“高温亲液胶体”和“类网状结构”，其粘度已不能用牛顿力学计算。实验表明，在1480℃变稠的炉渣粘度η＝2.817e105.34Ti(C，N)体积分数浓度(01)。高炉采用低硅、钛操作，控制炉热水平，以抑制TiO2过还原。又采用特殊措施，使变稠的炉渣消稠，并活跃炉缸。强化炉前操作，缩短渣铁在炉内停留时间以及采用合理炉料结构，控制TiO2在合适范围，从而有效地消除了粘渣，降低了铁损。2.4钛渣脱硫能力的改善由于TiO2在炉渣中呈弱酸性，所以高钛渣的脱硫能力远低于普通高炉渣，Ls仅为5～9，而一般炉渣Ls为20～30。实验室研究表明，钛渣的碱度R可表达为五元碱度可表达为系数α＝0.7，β＝0.15，γ＝0.6。通过科技攻关，采取优选合适的炉温、炉渣碱度，并在冶炼操作中减少其标准偏差；改善钛渣性能，增加流动性；强化冶炼，活跃炉缸以及改善入炉原燃料质量，提高风温，降低硫负荷，从而改善了钛渣脱硫能力，显著地提高了生铁质量，使铁水平均含硫由0.075%降至0.054%。3优化炉料结构，提高钒钛烧结矿的强度为改善原料质量，将烧结矿碱度由1.2提高到1.75，避开了钒钛烧结矿低强度区间，减少了粉末，又使高炉配料中不再加石灰石，促使焦比降低。为了实施精料方针，改变大渣量对强化冶炼造成的困难，近年来，将提高入炉矿石品位作为优化炉料结构的重点之一。通过适度提高钒钛铁精矿品位，增加烧结中富矿粉用量以及提高熔剂的有效CaO等措施，使入炉矿石品位由1995年的45.47%提高至1998年的46.57%，1999年1季度又提高至47.01%。不仅入炉铁量增加，而且由于渣量减少，改善了炉内压差分布，降低了铁损和焦比，使攀钢高炉获得了提高1%品位，增加产量3%以上的效益。高钛型钒钛磁铁精矿的特点是TiO2、Al2O3高，SiO2低，成球性差，液相量少，是一种特别难烧的矿石。针对上述特点，成功地开发了一系列技术措施，如高负压厚料层操作、配加生石灰和钢渣、富氧点火、添加复合粘结剂、采用ISF偏析布料技术、燃料二次分加、烧结矿喷洒卤化物等，使钒钛烧结矿的冷、热强度明显提高，质量改善，产量增加。4高炉操作的优化与冶炼的强化在解决了钒钛矿冶炼的技术难题、生产步入正常的基础上，围绕高炉冶炼，不断优化工艺操作参数和操作制度，创造了一套完善的工艺技术。包括钒钛矿冶炼合理的热制度与造渣制度［2］，上部调剂的高压操作、无钟炉顶的多环布料与中心加焦技术，中部调剂控制合适的热流强度，下部调剂以120～150kJ/s的高鼓风动能以及防止钛渣变稠的特有措施来达到活跃炉缸，强化冶炼的目的。喷吹煤粉对于冶炼高钛型钒钛矿的攀钢高炉，长期以来一直是技术领域里的一个禁区。1967年在首钢老2号高炉进行钒钛矿冶炼模拟试验时，曾两次试喷煤粉均告失败。由于一部分未完全燃烧的煤粉进入炉缸，与高温熔渣接触，形成渣焦反应，碳与TiO2作用的结果，生成高熔点的钛的碳氮化合物，TiO2+3C＝TiC+2CO,ΔF°t＝125500-80.29T；TiO2+2C+(1)/(2)N2＝TiN+2CO,ΔF°t＝90100-61.24T。使炉渣变稠，渣铁难分，正常生产无法进行，被迫停喷。从80年代开始，攀钢高炉再次试验喷吹煤粉。为了保证煤粉的快速完全燃烧，避免炉渣变稠，研制发明了氧煤喷枪［3］。据查新，当时在国内外均属首创。1991年攀钢高炉氧煤混喷技术又列入国家“八五”重点科技攻关项目，进一步完善了喷吹系统，并进行了不同结构氧煤枪的生产试验(图3)，取得较好效果，实现了用最少量氧达到最大喷煤量的目的。目前，喷煤量已达到平均120kg/t的水平。图3氧煤枪结构示意图Fig.3Structuraldiagramforoxygen-coallance此外，攀钢高炉还开发了钒钛矿冶炼的富氧鼓风、炉前操作的强化技术与焖砂口的应用等。为了建立高炉冶炼钒钛矿的数学模型，以逐步实现冶炼过程的自动化控制，在攀钢4号高炉开发了计算机专家系统。用美国西屋公司WDPF计算机开发炉况判断和热状态判断两个子系统，热状态又以预报铁水钛含量作为高炉操作炉热水平控制的依据。［Ti］的预报采用自适应和人工神经网络综合预报系统，当炉况正常时用自适应系统，炉况不顺时用人工神经网络系统预报，在误差±0.03%范围内命中率为86.8%，有一定参考作用(图4、5、6)。图4攀钢4号高炉炉况判定及操作指导专家系统结构图Fig.4BF