鐵水中鈦含量及其還原率影響因素分析

范和華，何 波，吳藝鵬

1 前言

高爐煉鐵過程中，［Ti］和［Si］在渣鐵中的還原率受高爐鈦負荷、高爐熱制度、高爐操作參數等方面的影響，在入爐原燃料條件給定的前提下，鐵水含鈦量取決于高爐熱制度及高爐操作參數。低鈦鐵水是特鋼產品的必然要求，為探討高爐熱制度、操作參數對鐵水含鈦量的影響，本研究利用高爐生產數據，從鐵水［Si］與［Ti］含量線性關系、鐵水［Ti］含量與爐渣堿度關系、鐵水［Ti］與爐渣中MgO含量關系等方面進行分析，研究影響鐵水中鈦還原的規律以及主要影響因素。

2 生鐵中鈦的來源

高爐煉鐵過程中受原燃料條件、爐況影響，鐵水中［Ti］含量控制難度較大。通過對入爐原燃料檢驗分析、計算，得出入爐鈦負荷約為2 kg/t，其中約25%來自燃料，75%來自礦石。礦石中［Ti］以晶格替代為主要方式存在于鐵氧化物的晶格中，燃料中［Ti］主要以TiO2形式存在。高爐冶煉過程中，鐵氧化物被還原的同時，［Ti］還原難易程度由高價到低價逐步提高，鈦氧化物的還原順序為TiO2、Ti3O5、Ti2O3、TiO。由Ti-O系相圖可知，TiO2的還原溫度高于SiO2的還原溫度，其還原區域主要集中在高爐的高溫區域。渣鐵界面的TiO2和SiO2還原同時進行，且還原規律一致，［Ti］和［Si］的分配存在線性關系［1］，表達式為：

高爐煉鐵過程中，鈦氧化物被還原分階段逐步進行，反應方程式及初始反應溫度如下：

鈦氧化物被碳還原的溫度在1 100～2 400 K之間，而二氧化鈦被直接還原成［Ti］的初始反應溫度為1 997 K，高爐爐缸溫度為1 800～2 200 K。因此，鈦氧化物在爐缸高溫環境中的渣鐵界面利于被還原為［Ti］。

3 鐵水中［Ti］影響因素分析

3.1 鐵水中［Ti］與［Si］的線性關系

研究表明，在入爐鈦負荷不能顯著降低的原料條件下，高爐生產低［Ti］鐵水時必須控制爐溫在較低水平。將高爐鐵水［Ti］含量及［Si］含量進行統計并做線性回歸分析，結果見圖1。

圖1 鐵水中［Ti］和［Si］回歸分析

由圖1分析可知，鐵水中［Ti］含量與［Si］含量之間存在良好的線性關系，且線性關系顯著，鐵水中［Ti］含量隨鐵水中［Si］含量的降低而降低。分析可知，要降低鐵水［Ti］含量，高爐必須采取低硅低爐溫操作。回歸方程為：

3.2 鐵水［Ti］含量與爐渣堿度關系

將高爐生產數據進行整理，得到鐵水［Ti］含量與爐渣堿度的關系見圖2。由圖2可知，爐渣堿度趨勢斜率大于鐵水中［Ti］含量趨勢斜率，且爐渣堿度變化先于鐵水中［Ti］含量變化，隨著爐渣堿度從1.06提高到1.14，鐵水中［Ti］含量在爐渣堿度提高過程中由0.040先降低到0.035后又增加到0.045，說明在微含量鈦高爐中，爐渣堿度的適當提高，使鐵水中［Ti］含量降低，即適當范圍內的爐渣堿度越高越有利于抑制［Ti］元素的還原。

3.3 鐵水［Ti］含量與爐渣中MgO含量關系

圖2 鐵水［Ti］含量與爐渣堿度的關系

鐵水［Ti］含量與爐渣中MgO含量的關系見表1，鐵水中［Ti］含量變化趨勢與爐渣中MgO含量變化趨同，說明入爐爐料中MgO含量變化同步影響高爐中［Ti］元素的還原，入爐爐料中MgO含量對高爐煉鐵過程中［Ti］元素的還原有影響。爐渣中MgO含量＜8.0%時鐵水中［Ti］含量為0.045 0%，8.0%時對應的鐵水中［Ti］含量為0.045 8%；隨著爐渣中MgO含量提高到9.6%時，對應鐵水中［Ti］含量增加為0.048 0%。鐵水中［Ti］含量隨著爐渣中MgO含量提高而增加。

表1 鐵水［Ti］含量與爐渣中MgO含量關系

4 鈦還原率主要影響因素分析

根據相關相圖和熱力學數據手冊［2-3］可知，高爐爐渣中，SiO2、TiO2兩種簡單分子與 Ca2+、Fe2+、Mn2+、Mg2+、O2-等5種離子共存，它們在高爐爐渣中存在的反應見表2。表2中的反應及其標準吉布斯自由能能夠反應高爐爐渣復雜體系中SiO2-TiO2-CaO-MgO-FeO-MnO六元渣系中各組分之間的反應形式、反應產物及反應難易。式1～式9反應顯示，隨著CaO、MgO、FeO、MnO濃度的增大，其與SiO2反應愈易發生，生成相應的硅酸鹽。

式10～式20顯示CaO、MgO、FeO、MnO與TiO2的反應。其中式10～式12顯示隨著CaO濃度的增加，其與TiO2愈易進行，使爐渣中TiO2活度降低，這與適當提高堿度利于鐵水降鈦的實踐經驗相符合。

式13～式15中MgO與TiO2反應方程式顯示，MgO能夠增大渣中TiO2的活性，與實際渣中低MgO利于鐵水中［Ti］含量相符合。

式16～式18顯示，亞鐵濃度增大利于亞鐵與渣中TiO2反應，降低TiO2濃度，與實際生產中低爐溫鐵水中［Ti］含量低相符合。

5 結論

5.1 鐵水中［Si］和［Ti］有很好的線性相關性，如要控制鈦較低的還原率，必須進行低硅操作。

5.2 適當提高堿度利于渣中CaO與TiO2反應，降低TiO2活性，減少Ti元素進入鐵水中。

5.3 適當降低爐渣中MgO的含量，有利于降低［Ti］的還原率。

5.4 通過提高風溫、提高煤氣利用率等措施降低燃料比達到降低入爐鈦負荷的效果時，有利于低鈦鐵水生產。

表2 高爐爐渣體系中存在的反應

［1］ 王新華.鋼鐵冶金：煉鐵學［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［2］ 張鑒.冶金熔體和溶液的計算熱力學［M］.北京：冶金工業出版社，2007.

［3］ 黃希祜.鋼鐵冶金原理［M］.北京：冶金工業出版社，2004.