泉州閩光高爐鐵水粘度影響因素的分析

謝仁金

（福建泉州閩光鋼鐵有限責(zé)任公司，福建362411）

0 引言

高爐生產(chǎn)實踐表明，鐵水的流動性對高爐的生產(chǎn)效率有很大的影響[1，2]。流動性不良的鐵水滯留在死料堆中將導(dǎo)致料堆的透液性變差，后續(xù)鐵水無法順利穿過焦堆，從而造成鐵水環(huán)流現(xiàn)象，同時還影響爐缸的活性[3]。而在出鐵過程中，高粘度的鐵水還存在渣鐵分離困難、粘溝、粘罐等現(xiàn)象，這也會給企業(yè)的效益帶來損失。

泉州閩光鋼鐵廠（下稱閩鋼）的3座高爐從2012年開爐起便開始出現(xiàn)鐵水溝粘溝現(xiàn)象，且粘溝主要發(fā)生在支鐵溝，主溝均不存在粘溝問題。其中1號、2號兩座550 m3高爐的粘溝現(xiàn)象并不常見，只在爐溫高時才會出現(xiàn)此問題，而3號高爐（1 250 m3）的粘溝問題則始終存在，并且較為嚴重。本文基于閩鋼3座高爐實際情況，結(jié)合鐵水的成分特征，系統(tǒng)分析了鐵水粘溝的影響因素和問題成因，并提出了合理的爐缸鐵水調(diào)控方案以及減少鐵水粘溝的爐外措施。

1 高爐基本情況及粘溝現(xiàn)象

閩鋼1、2號高爐有效爐容為550 m3。其中1號高爐是通過大修將爐容從380 m3擴容至550 m3，大修后于2012年7月開爐；2號高爐是通過大修將爐容從420 m3擴容至550 m3，大修后于2012年11月開爐。兩座550 m3高爐均只設(shè)有一個鐵口，鐵溝設(shè)計方案完全相同，均采用1條主溝分3條支溝的出鐵方式，如圖1所示。兩座高爐平均每爐出鐵量均為110 t左右，出鐵時長約為50 min。兩座高爐每當(dāng)爐溫高時，出鐵過程中就會出現(xiàn)支溝鐵水粘溝現(xiàn)象，但1#和2#支溝粘溝情況并不嚴重，而3#支溝的粘溝現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。

3號高爐有效爐容為1 250 m3，于2011年12月開爐，高爐設(shè)有東西兩個鐵口，兩個出鐵口的主溝與支（鐵）溝設(shè)計相同，均采用1條主溝分4條支溝的出鐵方式，如圖2所示。3號高爐采用東西鐵口輪流出鐵方式，平均每爐出鐵量165 t左右，出鐵時長約為55 min。3號高爐東西兩鐵溝粘溝情況基本相似，發(fā)生粘溝的主要部位為1#支溝和4#支溝。

圖1 550 m3高爐鐵水溝示意圖

圖2 1 250 m3高爐鐵水溝示意圖

2 閩鋼3座高爐鐵水成分的比較

相比于3號大高爐頻頻粘溝問題，1、2號小高爐粘溝問題較輕，僅會在爐溫較高的時候發(fā)生，因此為了探究不同立級高爐鐵水粘溝問題差異的原因，鐵水成分是首要考慮因素，比較大小高爐間鐵水成分的差異尤為必要。

圖3為三座高爐鐵水成分[Si]含量的變化趨勢圖，從圖中可以看出，2015年7月之前，三座高爐中，3號高爐產(chǎn)出的生鐵[Si]含量相對較低，1號高爐生鐵[Si]含量最高。進入2016年之后，三座高爐生鐵[Si]含量均處于0.4wt%附近，2017年下旬，三座高爐生鐵[Si]含量均開始呈現(xiàn)下降趨勢。

圖4～圖6為三座高爐爐役期間鐵水成分[Mn]、[P]、[S]含量的變化趨勢。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，三座高爐鐵水的這三種組元變化趨勢十分相近，尤其是[Mn]和[P]含量在爐役期間的變化趨勢基本一致，曲線基本重合。

圖3 三座高爐鐵水[Si]含量比較

圖4 三座高爐鐵水[Mn]含量比較

圖5 三座高爐鐵水[P]含量比較

圖6 三座高爐鐵水[S]含量比較

圖7為三座高爐鐵水成分[Ti]含量的變化趨勢圖，從圖中可以看出，正常冶煉期間3號高爐鐵水[Ti]含量大部分時間相對最低，而每年3、4月份進行檢修期間，3號高爐鐵水[Ti]含量會驟增，并增長幅度明顯高于1、2號高爐生鐵。

圖7 三座高爐鐵水[Ti]含量比較

3 閩鋼高爐鐵水粘溝原因分析

3.1 鐵水溫降因素

3.1.1 鐵口出鐵間隔時間對鐵水溫降的影響

1、2號高爐都只設(shè)有一個鐵口，沒有設(shè)鐵水測溫裝置。3號大高爐設(shè)有東西兩個鐵口，且設(shè)有鐵水測溫裝置。從鐵水溫降角度考慮，小高爐只有一個鐵口，出鐵間隔較短，只有30～40 min，所以鐵溝暴露于空氣中的時間要遠遠小于3號高爐；相比之下，3號高爐兩個鐵口是輪流出鐵，單個鐵口出鐵時間相對較長，約為55 min，出完鐵20 min左右后，對面鐵口才開始進行第二波出鐵，第二波出鐵完成后，該鐵口才開始進行第三波出鐵，通常情況下，單個鐵口出鐵間隔約為90 min，此時鐵口對應(yīng)的支鐵溝已因長期處在空氣中，產(chǎn)生較大的溫降。因此，3號高爐鐵水在流經(jīng)支鐵溝產(chǎn)生的溫降普遍會高于小高爐，粘溝問題也會更嚴重。

3.1.2 支鐵溝長度對鐵水溫降的影響

3號高爐鐵水粘溝現(xiàn)象主要發(fā)生在支鐵溝，主溝一般不存在粘溝現(xiàn)象，這也是由于主溝鐵水物理熱較高的緣故。利用3號高爐鐵水測溫裝置，在出鐵過程中對鐵水取樣部位的鐵水溫度進行了測定，表1為3號高爐取樣溫度信息。

表1 3號高爐取樣溫度信息

由表1可以看出：出鐵過程中主溝位置處鐵水溫度最高，鐵水的流動性也最好；隨著鐵水流入支鐵溝，由于暴露在空氣中的原因，流經(jīng)此處的鐵水就產(chǎn)生了一定溫降，當(dāng)鐵水流動性隨溫度降低而變差到某一臨界時，即會發(fā)生鐵水粘溝現(xiàn)象。由于3號高爐采用4條支溝輪流出鐵的方式，而鐵水通過4#支溝進入鐵水罐所需流經(jīng)的路程最長，因此鐵水暴露在空氣中的時間也最長，溫降也最大，所以3號高爐的4#支鐵溝粘溝情況最為嚴重。

3.1.3 其他因素對鐵水溫度的影響

對于3號高爐來講，如果有時出鐵量較少，僅出三罐鐵水，就會造成4#支溝經(jīng)常因長時間未被使用而涼溝，最終導(dǎo)致再次使用4#支溝時，鐵水由于鐵鉤吸熱原因溫降過快。另外由于第四罐鐵水是出鐵后期，鐵口出鐵壓力降低、鐵流變小也易造成粘溝問題。

3.2 石墨碳析出影響

在出鐵過程中，隨著鐵水的溫度降低，鐵水中的碳元素將以石墨碳的形式析出，并以固態(tài)的形式存在于鐵液中。圖8為三座高爐鐵水溝不同位置取樣樣品碳含量分布示意圖。

圖8 三座高爐鐵水溝不同位置[C]含量分布情況

從圖8中可以看出，在出鐵過程中，鐵水從主溝流入支溝之后，鐵水自身的碳含量明顯下降，而粘溝最嚴重的4#支溝位置樣品中碳含量始終處于最小值，這說明了在出鐵過程中可能伴隨著石墨碳的析出現(xiàn)象，進而導(dǎo)致鐵水中碳含量逐漸減少。而鐵水的溫度是影響碳在鐵水中溶解度的重要因素，物理熱大量損失，將導(dǎo)致過飽和的碳以石墨碳形式從鐵水中析出，鐵水中這種固態(tài)物質(zhì)的存在會大大增加鐵水的粘度。

碳在鐵水中飽和溶解度公式如下[6]：

研究表明，石墨相析出體積與鐵水碳含量［C］的關(guān)系為[7]：

式中，f為石墨相析出體積分數(shù)，%。

Einstein粘度計算公式如下[8]：

式中，η為分散體系粘度；η0為分散介質(zhì)的粘度；φ為分散相所占的體積分數(shù)。

由公式（1）可知，碳在鐵水中飽和溶解度隨著鐵水溫度的升高而增加；由公式（2）可知，石墨相析出體積分數(shù)隨鐵水碳含量的升高而呈線性升高；由公式（3）可知，鐵水粘度會隨著液體內(nèi)部固相質(zhì)點體積分數(shù)的增加而增加。

3.3 鐵水成分因素

結(jié)合之前現(xiàn)場所取樣的化學(xué)分析結(jié)果，得出三座高爐鐵溝不同位置鐵水[Si]與[Ti]成分的分布，如圖9、10所示。

圖9 三座高爐鐵水溝不同位置[Si]含量分布情況

圖10 三座高爐鐵水溝不同位置[Ti]含量分布情況

從圖9和圖10中可以發(fā)現(xiàn)，無論是在主溝還是支溝，1號、2號高爐產(chǎn)出鐵水中的[Si]及[Ti]含量均要低于3號高爐，而[Si]與[Ti]均是導(dǎo)致鐵水粘度增大的組元[9]。硅在鐵液中與鐵原子形成共價鍵分數(shù)很高的Fe-Si群聚團（Fe3Si、FeSi、FeSi2），增加了鐵水粘度；而[Ti]在有大量固體C存在的條件下，會形成TiCxOy及TiC，作為高熔點固相質(zhì)點存在于鐵水中，大大增加了鐵水粘度。

因此可以推斷，由于三座高爐的鐵水在[Si]、[Ti]成分上存在的差異，也是導(dǎo)致3號高爐與其他兩個高爐粘溝情況不同的原因之一。

4 高爐鐵水成分控制對策

4.1 鐵水中wt[Si]%及wt[Ti]%含量的控制

（1）鐵水中的[Si]主要來源于焦炭灰分和含鐵爐料中的SiO2[10]，因此控制焦炭灰分和含鐵爐料中的SiO2含量，可做為從源頭控制鐵水[Si]含量的主要途徑。

（2）從操作制度方面，合理控制爐內(nèi)高溫區(qū)的位置，保證爐缸有充足的熱量，鐵水有較高的物理熱，可以控制鐵水最終的硅含量。

（3）由于高爐的爐渣堿度與鐵水中[Si]含量具有較明顯負相關(guān)性，因此可以選擇合適的渣系，通過控制爐渣的堿度，控制鐵水中[Si]含量。圖11為閩鋼鐵水[Si]含量與爐渣堿度關(guān)系圖。

（4）由于TiO2和SiO2的穩(wěn)定性相近，近7年內(nèi)閩鋼3座高爐生鐵中的Ti和Si含量變化規(guī)律基本一致，TiO2在高爐內(nèi)的還原行為也與SiO2相似。因此，鐵水中[Ti]的含量主要也受鐵水溫度和爐渣堿度的作用[11]，因此可以通過控制鐵水[Si]含量的工藝來控制鐵水中[Ti]的含量。圖12為3號高爐2011～2018年鐵水[Si]、[Ti]成分含量變化。

圖11 鐵水[Si]含量與爐渣堿度關(guān)系圖

圖12 3號高爐2011～2018年鐵水[Si]、[Ti]成分含量變化

4.2 鐵水中wt[Mn]%含量的控制

（1）由于爐內(nèi)還原得到的Mn大部分均會溶入鐵液之中，因此鐵水中的[Mn]含量基本上是由原料配入的Mn所決定。

（2）另外通過熱力學(xué)計算可知，高爐鐵水中[Mn]含量還受高爐爐缸內(nèi)渣鐵間的反應(yīng)條件主導(dǎo)，鐵水中[Mn]含量與鐵水溫度及爐渣堿度均表現(xiàn)出了明顯的相關(guān)性，因此可以通過調(diào)控鐵水溫度及造渣制度，對[Mn]含量進行控制。圖13為鐵水[Mn]含量與爐渣堿度關(guān)系圖，圖14為鐵水[Mn]與爐渣（MnO）含量關(guān)系圖。

圖13 鐵水[Mn]含量與爐渣堿度關(guān)系圖

圖14 鐵水[Mn]與爐渣（MnO）含量時間推移圖

4.3 鐵水中wt[P]%含量的控制

根據(jù)熱力學(xué)計算及原料P含量與鐵水[P]含量關(guān)系曲線可知（見圖15），原料中攜帶的P在高爐冶煉過程中幾乎全部進入鐵水。因此高爐鐵水成分[P]的控制，主要可通過控制燒結(jié)礦和各種入爐原料中P含量來控制，即源頭控。

圖15 燒結(jié)礦中P與鐵水中[P]含量關(guān)系

4.4 鐵水中wt[S]%含量的控制

雖然硫在高爐內(nèi)的高溫區(qū)與低溫區(qū)存在循環(huán)過程，但大部分的硫會在渣鐵反應(yīng)時轉(zhuǎn)入爐渣，一般最后爐渣約容納了全部入爐硫負荷的85%。根據(jù)圖16和圖17，鐵水[S]含量與鐵液爐渣堿度及溫度關(guān)系的分析可以看出，閩鋼高爐可以通過適當(dāng)提高爐渣堿度、提高渣鐵溫度、改善爐渣流動性及保持高爐順行等調(diào)節(jié)手段來精準控制鐵水[S]的含量。

圖16 鐵水[S]含量與爐渣堿度關(guān)系

圖17 鐵水溫度與組元成分[S]含量關(guān)系

5 結(jié)語

經(jīng)過不同影響因素的綜合分析，得出閩鋼高爐鐵水粘鉤情況的主要原因為鐵水溫降和鐵水成分所致。鐵水溫降可以導(dǎo)致鐵水粘度增加、鐵水中石墨碳析出，這是造成鐵水粘鉤的主要原因；而鐵水中Si、Ti元素的增加高也是使鐵水粘度增高的重要因素。本文根據(jù)上述分析結(jié)論和閩鋼三座高爐現(xiàn)場實際情況，提出了降低鐵水粘鉤現(xiàn)象的工藝和操作措施。

（1）由于硅在鐵液中與鐵原子形成共價鍵分數(shù)很高的FeSi群聚團（Fe3Si、FeSi、FeSi2），會使鐵水粘度增加。因此，要優(yōu)化入爐原料，控制入爐焦炭灰分和含鐵爐料中的SiO2含量，從源頭控制鐵水[Si]含量；另外要選擇合適的渣系和爐渣堿度，保持爐況活躍、提高爐內(nèi)物理熱，降低鐵水[Si]含量。

（2）[S]和[Mn]的含量有助于改善鐵水流動性，降低鐵水粘度，因此鐵水[S]含量控制在0.025%～0.035%之間。因[Mn]含量主要因受含鐵原料中Mn含量的影響，沒有采取特別的控制要求。

（3）針對生產(chǎn)過程中鐵水溫降大引起的鐵水粘溝問題，結(jié)合不同高爐現(xiàn)場情況，可以采取鐵水溝加保溫蓋，出鐵過程中添加保溫覆蓋劑，縮短出鐵間隔時間，出鐵完畢鐵水溝烘烤保溫，調(diào)整支鐵鉤使用順行等措施來減少鐵水的溫降，少鐵水粘鉤程度。