CN112877485A - 低热态强度焦炭下大型高炉冶炼钒钛矿的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低热态强度焦炭下大型高炉冶炼钒钛矿的方法，使用现有的八钢自产烧结矿烧结矿碱度R=1.8；烧结矿：蒙库球团：钒钛球团=75%：17%：8%；高炉操作参数调整：焦炭负荷O/C：4.142、富氧维持在15500±100 m³/h，富氧率：4.5%‑5%，顶温：135±5°C，铁水PT在1490°C‑1510°C，铁水[Si]：0.35‑0.45，[Ti]＜0.20％,燃料比：540‑560kg/t；所述焦炭的灰份为11～13％，M40≥89.5%；所述高炉入炉风温为1150～1250℃,所述炉顶压力为210kPa；调节冶炼过程中烧结矿和钒钛球团矿中的铁的质量百分比在56.8％以上，二元碱度为1.08‑1.12，焦比为430‑440kg/t，煤比为100‑120kg/t，调节鼓风温度为1150℃以上。

Description

低热态强度焦炭下大型高炉冶炼钒钛矿的方法

技术领域

本发明涉及一种低热态强度焦炭下大型高炉冶炼钒钛矿的方法。

背景技术

高炉炼铁生产是冶金(钢铁)工业最主要的环节。高炉炼铁冶炼是把铁矿石还原成单质生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度，焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构，矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。我国钒钛磁铁矿分布广泛、储量丰富、储量和开采量居全国铁矿的第三位，已探明储量近百亿吨，远景储量达三百亿吨以上，新疆钒钛磁铁矿储量丰富，已探明储量上亿吨，八钢公司为区域资源满足区域市场的战略要求，加快开发利用新疆钒钛矿产资源，实现综合开发利用100万吨/年以上钒钛铁精矿的目标，增强八钢公司钢铁主业的整体竞争力，八钢高炉将持续增加钒钛矿的冶炼，降低生铁成本。采用钒钛矿冶炼，由于钛(Ti)易于与炉缸内的碳(C)和氮(N)生成碳化钛(TiC)和氮化钛(TiN)， 而碳化钛(TiC)和氮化钛(TiN)在1400多度的炉缸内的温度不能熔解，它们的熔解温度分别为2950度和3150度。所以，TiC和TiN是高炉冶炼钒钛磁铁矿渣、铁不能完全分离的主要根源。渣中TiO₂长期在19～21％，生产实践表明，生铁中含钛量增加其粘度也有不同程度的增加，因此铁水粘罐严重，渣铁沟挂孔多。含钛炉渣在有还原气氛并有炙热焦炭存在的冶炼条件下，随着还原温度的升高或还原时间的延长，其粘度增大，使炉渣变稠。炉渣变稠还会导致炉况失常。钒钛矿冶炼具有吨铁渣量大和炉渣性能稳定区间小的特点，因此进行钒钛矿冶炼，必须使用较高的强度，特别是要具有良好的热态强度的焦炭，确保料柱有良好是透气性、透液性，使含钛渣铁在高炉内部停留时间缩短，顺利的由软熔带低落至炉缸，渣铁及时排出，减少钛元素的还原，降低铁中钛的含量，活跃炉缸，提高炉缸的空间系数，保证炉况顺行。焦炭热反应性影响其在高炉内反应后的强度,制约着焦炭在高炉中料柱骨架的作用,进而影响高炉的透气性和顺行,如果焦炭反应性过大,就会使焦炭热强度下降,产生较多的碎焦和焦粉积聚,导致死料柱堵塞,高炉难以接受大风量高风温,炉缸的活性降低。高炉下部焦炭的劣化程度对整个高炉的透气性有直接影响,因此要求焦炭有更高的抗溶损反应能力以提高焦炭的CSR。根据生产经验高炉冶炼钒钛矿的焦炭热强度条件为CSR≥65%，在我国的高炉设计规范中已规定2000～4000m³的高炉所用焦炭CRI≤25％，CSR≥62～65％。而八钢高炉为了适应生产及成本需要，进一步降低冶炼成本，焦炭中大量配加疆内非焦煤，减少或者不配山西焦煤，使炼焦成本降至最低，进而降低生铁成本，八钢焦炭的CSR≤29.8%。因此，八钢高炉在此低热态强度焦炭下冶炼钒钛矿，为了确保高炉活跃炉缸，长期稳定顺行，降低炼铁生产的成本，需要进一步的挖掘和提高钒钛磁铁矿冶炼的生产工艺技术，以满足高炉低耗高产、低成本运行需要。

发明内容

为解决大型高炉在钒钛矿冶炼过程中不能使用低热态强度焦炭这一技术问题，本发明的技术方案为采用一种低热态强度焦炭下大型高炉冶炼钒钛矿的方法，通过科学的技术手段分析钒钛矿冶炼的工艺技术原理，采用创新的操作理念及高炉调剂手段，使高炉在低热态强度焦炭的燃料条件下进行钒钛矿冶炼。

实现上述目的的一种低热态强度焦炭下大型高炉冶炼钒钛矿的方法，1、选择合适的炉料配矿结构：

（1）烧结矿：使用现有的八钢自产烧结矿烧结矿碱度R=1.8；

（2）球团矿：使用钒钛球团矿、蒙库球团矿，通过增加钒钛球团矿比例调整入炉钛负荷；

（3）基本配矿结构比例：烧结矿：蒙库球团：钒钛球团=75%： 17%： 8%； 烧结矿、钒钛球团矿、蒙库球团矿具体成分见下表：

全铁品位TFe=56.7%、烧结矿碱度R=1.8，TiO2负荷21.4 Kg/t铁

2、低热态强度焦炭指标：焦炭生产的焦化配煤全部使用本地煤，其焦炭热态强度为29.8%；

3、高炉操作参数调整：

维持指标：焦炭负荷O/C：4.142、富氧维持在15500±100 m³/h，富氧率：4.5%-5%，顶温：135±5°C，铁水PT在1490°C-1510°C，铁水[Si]：0.35-0.45，[Ti]＜0.20％,燃料比：540-560kg/t；所述焦炭的灰份为11～13％，M40≥89.5%；所述高炉入炉风温为1150～1250℃,富氧量占入炉风量的4～5％(v/v)；所述炉顶压力为210kPa；调节冶炼过程中烧结矿和钒钛球团矿中的铁的质量百分比在56.8％以上，二元碱度为1.08-1.12，焦比为430-440kg/t，煤比为100-120kg/t，调节鼓风温度为1150℃以上。

所述铁水的出铁次数为8次/昼夜以上。由于钒钛矿铁水和炉渣在炉缸内有“等不得”和“停不得”的特点，炉前操作要增加出铁次数，勤放渣铁，及时排放炉渣。

本发明从钒钛矿冶炼的基本原理展开论述八钢高炉在低热态强度焦炭的燃料条件下进行钒钛矿冶炼的要点。钒钛矿在炉腰出现热变形和局部软化，炉腹部位初成渣大量生成，Ti0₂从炉腹开始被还原成低价氧化物和TiC、TiN，到风口区达到最大含量，从风口到铁口又降低到终渣的含量。高钛渣中Ti0₂没有被还原时，其熔化温度低，流动性良好，随着低价氧化物的生成和增多，其熔化温度也随着提高。而TiC、TiN则在高炉条件下并不熔化，TiC的熔点为3140±90℃，TiN的熔点为2950±50℃，远高于炉内最高温度所致，TiC、TiN以固态微粒悬浮在渣中，使渣子变得粘稠。TiC、TiN越多，粘稠越甚，以至于失去流动性。在高炉温度范围内，CO和H₂只能少部分还原TiO₂至Ti₂0₃、TiO，不能再继续还原，不能产生Ti及TiC、TiN，但液态渣生成后，在足够的温度下在炉腹才能被C直接还原。在炉腹生成Ti (C、N)的反应包括：

渣----焦反应：

TiO₂+2C=[Ti]+2C0，[Ti]进入铁相。

TiO₂+3C=TiC+2C0

TiO₂+3C +1/2N₂=TiN+2CO

反应生成的TiC、TiN以Ti (C、N)固溶体形式弥散于渣相中。

渣----铁反应：

TiO₂+2[C]=TiC+2C0

TiO₂+2[C]+1/2N₂=TiN+2CO

TiC、TiN以Ti (C、N)固溶体形式包裹于渣相中铁珠周围，形成Ti (C、N)薄壳。

上述各反应统称渣相反应，在高炉冶炼条件下，这些反应主要受热力学和动力学条件限制。冶炼技术的关键在于控制炉温，炉温的控制主要通过控制铁相中的[Ti]含量来实现。所以，控制了[Ti]含量也相应地控制了低价钛氧化物和Ti (C、N)的生成量，达到防止炉渣变稠的目的。根据高炉的生铁样本数据显示：铁水中含[Si]量越高，渣中含低价钛化合物和TiC、TiN也越多。基于钒钛矿的这种冶炼原理，从理论上认识了钒钛矿冶炼的困难不是发生在高炉的上部而是发生在高炉的下部；不是由于铁水的易凝，而是渣子的变稠和难熔；不是像普通矿那样由于炉缸温度低而不能出渣出铁(当然炉缸温度过低高钛渣也会凝结在炉内)。因此，钒钛矿冶炼必须兼顾两个方面：(1)抑制TiO₂的还原，这是根本的措施；(2)促进钛的低价钛化合物和TiC、TiN再氧化成TiO₂。由此可见，高炉内钛的还原和氧化是高炉冶炼的主要矛盾，两者是对立统一关系。要处理好这个关系，一方面控制TiO₂只有少量的还原，另一方面又将过量的低价钛氧化物再氧化成TiO₂，使矛盾得到统一，高炉冶炼才能正常进行。实践证明，起主导作用的还是还原，因为高炉冶炼本身是一个还原过程，而氧化在高炉内并不能大量进行。因此，钒钛矿冶炼主要是控制TiO₂的还原，同时要求炉腹保持一定的氧势。

通过上述钒钛矿冶炼的论述，钒钛矿冶炼在高炉冶炼条件下，冶炼技术的关键在于控制炉温，控制了炉温就控制铁相中的[Ti]含量。根据生产经验，高炉冶炼钒钛矿的焦炭热强度条件为CSR≥65%，可以满足高炉低硅[Si]≤0.2%、[Ti]≤0.2%的冶炼进而瞒足钒钛矿冶炼对于抑制TiO₂的还原，而八钢高炉为了适应生产及成本需要，进一步降低冶炼成本，焦炭中大量配加疆内非焦煤，八钢焦炭的CSR≤29.8%，对于低硅冶炼[Si]≤0.15%的控制难度较大。

本发明提供一种低热态强度焦炭下大型高炉冶炼钒钛矿的方法，它能够保证八钢焦炭在热态强度CSR≤29.8%的焦炭性能指标下，钛负荷达到了20.4Kg/t铁，同时提高高炉产铁量和生铁合格率，提高高炉冶炼钒钛矿的的各项技术经济指标，保证高炉炉况稳定顺行，低耗高产。

具体实施方式

一种低热态强度焦炭下大型高炉冶炼钒钛矿的方法，1、选择合适的炉料配矿结构：

（1）烧结矿：使用现有的八钢自产烧结矿烧结矿碱度R=1.8；

（2）球团矿：使用钒钛球团矿、蒙库球团矿，通过增加钒钛球团矿比例调整入炉钛负荷；

（3）基本配矿结构比例：(烧结矿：蒙库球团：钒钛球团=75%： 17%： 8%)；

烧结矿、钒钛球团矿、蒙库球团矿具体成分见下表：

全铁品位TFe=56.7%、烧结矿碱度R=1.8，TiO2负荷21.4 Kg/t铁

2、低热态强度焦炭指标：焦炭生产的焦化配煤全部使用本地煤，其焦炭热态强度为29.8%；

3、高炉操作参数调整：

维持指标：焦炭负荷O/C：4.142、富氧维持在15500±100 m³/h，富氧率：4.5%-5%，顶温：135±5°C，铁水PT在1490°C-1510°C，铁水[Si]：0.35-0.45，[Ti]＜0.20％,燃料比：540-560kg/t；所述焦炭的灰份为11～13％，M40≥89.5%；所述高炉入炉风温为1150～1250℃,富氧量占入炉风量的4～5％(v/v)；所述炉顶压力为210kPa；调节冶炼过程中烧结矿和钒钛球团矿中的铁的质量百分比在56.8％以上，二元碱度为1.08-1.12，焦比为430-440kg/t，煤比为100-120kg/t，调节鼓风温度为1150℃以上。

一种低热态强度焦炭下大型高炉冶炼钒钛矿的方法：本发明的工艺冶炼机理和合理的操作模式如下：

1、钒钛矿冶炼的还原、氧化反应机理

普通矿高炉冶炼炉内是还原反应，风口平面以上是间接还原(Fe₃O₄+CO＝Fe₂O₃+CO₂； Fe₂O₃+CO＝2FeO+CO₂)，风口平面区是直接还原(2FeO+C＝2Fe+CO₂)。而钒钛矿高炉冶炼与普通矿大不相同，其遵循上述还原规律外，成结晶体的二氧化钛(TiO₂)只是直接还原，在普通矿成渣带(风口平面区)平面以下的钒钛矿成渣带进行直接还原 (TiO₂+2C＝Ti+2CO)反应，重点在还原出来的钛(Ti)和一氧化碳(CO)。

由于钛(Ti)易于与炉缸内的碳(C)和氮(N)生成碳化钛(TiC)和氮化钛(TiN)， 而碳化钛(TiC)和氮化钛(TiN)在1400多度的炉缸内的温度不能熔解，它们的熔解温度分别为2950度和3150度。所以，TiC和TiN是高炉冶炼钒钛磁铁矿渣、铁不能完全分离的主要根源。

为此，本发明在风口提高送风富氧量，高炉风口富氧送风主要是助焦燃烧，提高冶炼强度，达到增产节焦的目的，提高高富氧率后对高炉冶炼钒钛矿在炉缸上部进行渣铁熔液中的钛(Ti)的氧化，使钒钛矿成渣带平面以下，渣铁介面以上的炉缸范围内维持氧化气氛(O₂)，能使钛(Ti)进行氧化反应(Ti+O₂＝TiO₂)生成非结晶体的二氧化钛(TiO₂)热熔炉渣。

2、根据冶炼钒钛的铁水和炉渣的特性进行操作调剂：

（1）送风制度调剂手段：一种低热态强度焦炭下大型高炉冶炼钒钛矿的方法，由于焦炭热态强度较低，在增加富氧量的同时，需要提高喷煤量。但在高炉热平衡后的基础上，煤比提高后，煤粉在风口前燃烧量增加，煤粉的分解热增加，回旋区径向长度会缩短，使边缘气流增加，中心气流减弱，影响中心死料柱的透气性，中心气流受到抑制，为此，首先必须维持此焦炭热态强度下合适的喷煤比110kg/t，提高富氧后的风口理论燃烧温度的控制通过调节风温和加湿进行控制。

其次将送风面积由0.34m²调整至0.311m²，使风口实际面积与入炉风量相匹配，风速维持在265m/s左右，逐步提高风量吹透中心，达到改善高炉透气性、开放中心气流的目的。由于高炉焦炭质量变差，通过减风减缓高炉焦炭的劣化，减小鼓风动能、增加块状带高度，来改善高炉透气性，但鼓风动能减小后，为保证炉缸正常工作及气流分布正常，通过调节风口面积提高风速，保证风速与正常生产无太大差异。

因为氧(O₂)与钛(Ti)进行的是动态，氧化性能特别强的反应，其反应能力大于钛(Ti)与碳(C)和氮(N)相对静态(氮是隋性气体)结合生成碳化钛(TiC)和氮化钛(TiN)的能力。这就抑制了碳化钛(TiC)和氮化钛(TiN)在炉缸温度下难熔混合物的生成，达到渣铁分离彻底，畅通流动的效果。

(2)炉温波动范围大，易出现过热过冷现象。首先要控制好渣、铁熔液中的硅【Si】和 钛【Ti】水平，使【Si】控制在0.20～0.30％，【Ti】控制在0.15～0.20％的范围内。如炉温过热，易出粘渣，渣铁分离不好，需要降低炉温，可用增加钒钛矿或减少焦炭用量或降低入炉风温进行控制；如炉温过凉时，需要提高炉温，可用减少入炉钒钛矿或增加入炉焦炭或提高入炉风温量进行调控。如炉温控制稳定，出现粘渣，可限量增加普通矿用量，降低渣中TiO₂的含量小于10％以内。或采用三高手段：高炉顶压力、高风温和高湿度进行调控。

（3）保持铁水物理温度，根据生产实践PT(物理温度)控制1480-1510℃，做到炉缸活跃，温度充沛，预防物理温度。制定合适的送风制度调剂手段：风温―湿度―煤粉―富氧(炉温发生波动时按风温、湿度、煤粉、富氧的顺序进行炉温的调整，将炉温变化对炉况的影响减小到最低)的原则，稳定分布调节炉况。

（4）选择合适的装料制度：在风口面积和分布位置固定之后高炉日常生产中气流调节主要依赖于上部调剂，即依靠装料制度进行调整。2500m³坚持“平台+漏斗”布料模式，确保边缘气流和中心气流的合理分布，通过一定深度的漏斗稳定中心气流，同时获得稳定、畅通的边缘通气性。在布料过程中料面平台与炉喉钢砖相距300mm，料面平台宽度控制在1.5m左右，中心漏斗深度控制在1.5～2米为适宜的料面形状。批重选择与风量匹配，风量逐步下调(由4500Nm³/min调整至4300Nm³/min)，批重未调整，保持班料速控制在44±1批，稳定气流。

（5）钒钛矿冶炼的铁水和及炉渣在炉缸内有“停不得”和“等不得”的特点，要勤放渣铁。增加出铁次数，昼夜出铁次数。高炉采用零间隔出铁，防止渣铁不及时排放出现憋风现象；由于焦炭热态强度较低，炉缸透气性、透液性差，正常情况保证三铁口轮流出铁，有助于炉缸活跃；保证铁口深度控制在3600mm-3800mm，稳定打泥量200kg-250kg，控制好出铁时间，按时打开铁口，保证间隔时间不超过15min；严格管理见渣时间，铁口打开后40min不见渣，进行重叠出铁(打开两个铁口)；加强泥套管理，减少冒泥率至1%以下。

（6）建立日常炉况评价指数

一种低热态强度焦炭下大型高炉冶炼钒钛矿的工艺技术必须立足本地原燃料条件，以炉况长期稳定顺行为中心，在操作过程中逐步量化高炉综合指标，建立炉况评价指数及炉缸活跃指数体系，在冶炼钒钛矿对高炉炉况顺行情况指标进行合理的评估，通过高炉的运行参数趋势化、数据化管理，及时调整运行参数，稳定高炉炉况顺行。

Claims (1)

1.一种低热态强度焦炭下大型高炉冶炼钒钛矿的方法，其特征在于

1、选择合适的炉料配矿结构：

（1）烧结矿：使用现有的八钢自产烧结矿烧结矿碱度R=1.8；

（2）球团矿：使用钒钛球团矿、蒙库球团矿，通过增加钒钛球团矿比例调整入炉钛负荷；

（3）基本配矿结构比例：烧结矿：蒙库球团：钒钛球团=75%： 17%： 8%； 烧结矿、钒钛球团矿、蒙库球团矿具体成分见下表：

全铁品位TFe=56.7%、烧结矿碱度R=1.8，TiO2负荷21.4 Kg/t铁

2、低热态强度焦炭指标：焦炭生产的焦化配煤全部使用本地煤，其焦炭热态强度为29.8%；

3、高炉操作参数调整：

维持指标：焦炭负荷O/C：4.142、富氧维持在15500±100 m³/h，富氧率：4.5%-5%，顶温：135±5°C，铁水PT在1490°C-1510°C，铁水[Si]：0.35-0.45，[Ti]＜0.20％,燃料比：540-560kg/t；所述焦炭的灰份为11～13％，M40≥89.5%；所述高炉入炉风温为1150～1250℃,富氧量占入炉风量的4～5％v/v；所述炉顶压力为210kPa；调节冶炼过程中烧结矿和钒钛球团矿中的铁的质量百分比在56.8％以上，二元碱度为1.08-1.12，焦比为430-440kg/t，煤比为100-120kg/t，调节鼓风温度为1150℃以上。