一种预测和控制高炉铁水[Ti]的方法及应用

李胜杰 赵恒山 王瑞玲

(安阳钢铁股份有限公司)

一种预测和控制高炉铁水[Ti]的方法及应用

李胜杰 赵恒山 王瑞玲

(安阳钢铁股份有限公司)

通过理论分析和实际生产经验，确定了显著影响铁水[Ti]的因素主要是钛负荷和炉温。在一定钛负荷条件下，研究了铁水[Ti]与[Si]的关系；在一定炉温条件下，研究了铁水[Ti]与钛负荷的关系；根据[Ti]与钛负荷、[Ti]与炉温之间的相互关系，建立[Ti]与钛负荷、炉温它们两者之间的数学模型，通过回归求解从而得到一种预测和控制高炉铁水[Ti]的方法。该方法既可以应用于含钛炉料的护炉生产，也可以应用于高炉的低成本生产，并取得了较好的使用效果。

高炉 炉缸 铁水 钛

0 引言

高炉炉缸的炉衬随着生产时间的推移会不同程度地出现各种破损现象，并且高炉大修费用十分昂贵，因此钢铁企业常常应用含钛炉料护炉技术来维护炉缸的正常工作状态，进而达到延长高炉寿命的目标[1]。高炉实际生产实践经验证实，含钛炉料护炉作业是一个长期和不断调整的过程。此项技术护炉效果的显著与否，涉及的影响因素比较多，但是其中科学预测和合理控制铁水[Ti]是最关键和最复杂的。

安钢1号高炉于2015年2月12日开始应用含钛炉料护炉技术。通过分析含钛炉料冶炼机理，总结和归纳影响铁水[Ti]的显著性因素，试图建立一种预测和控制铁水[Ti]的数学模型，以便能够准确快捷地计算出铁水[Ti]，为其科学预测和合理控制提供科学的指导，提高含钛炉料的利用率，避免和减少炉况波动，以达到护炉生产与低成本运行相结合的综合目标。

1 影响铁水[Ti]的因素分析

含钛炉料的高炉冶炼机理是：钛的氧化物有TiO2、Ti3O5，Ti2O3，TiO等形式，其还原时是从高价氧化物向低价逐级进行的；炉料中的含钛氧化物在炉内高温高压还原性气氛的作用下，部分被还原成Ti，Ti随着铁水环流或扩散到炉缸的各个部位；在碳、氮等元素过剩的条件下，Ti部分反应生成固熔体Ti(C、N)，由于其熔点高于1 500 ℃，在炉内只能以半融状或固态存在，进入被侵蚀的砖缝或在炉缸的表面不断凝结从而形成一定的保护层，所以对炉缸起到一定的保护作用；同时这些粘稠物弥散于铁水中，使铁水的粘度增加和流动性减弱，降低了铁水对炉缸的机械冲刷作用，但相应地也会对高炉料柱的透气性和炉况顺行造成不利影响，甚至造成高炉难行现象的发生[2]。

目前，高炉操作者往往认为影响铁水[Ti]的因素基本包括：钛负荷、[Si]、(TiO2)、[S]和[Mn]等。参照实验室相关的基础研究和其他钢铁企业含钛炉料护炉的生产实践经验，结合安钢1号、2号和5号高炉实际生产过程的生产操作和控制实践，总结出显著影响铁水[Ti]的主要因素是入炉的钛负荷和高炉的炉温水平,其中炉温水平一般用铁水[Si]来表示[3]。

2 预测和控制铁水[Ti]数学模型的建立

高炉的生产过程是一个在高温高压密闭容器内发生的十分复杂的物理化学反应的冶炼过程，有别于一般的实验室研究，在生产实践中它涉及的影响因素相当多，那么选择合理的研究样本就显得格外重要。

选取1号高炉2015年3月6日～2015年5月12日期间的生产实践作为研究对象，来分析铁水[Ti]与[Si]、钛负荷的关系。之所以选取该时间段，是因为:

(1)为了更好地进行高炉钛矿护炉作业，安钢从2015年3月6日开始对烧结矿成分中的TiO2含量开始化验分析，这样为能够准确计算钛负荷提供了较好的基础条件。

(2)2015年3月6日～2015年3月11日，1号高炉配加了含钛球团矿(品位：50.00%)；2015年3月24日～2015年4月18日，配加了含钛球团矿(品位：58.00%)；2015年3月6日～2015年5月4日，主供1号高炉的1号烧结矿配加了高钛精粉；在此期间的不同阶段，1号高炉的入炉钛负荷呈现出一定差异性，这样有利于提高数据统计回归分析的准确性和代表性。

为了更好地分析[Ti]与[Si]、钛负荷的关系，我们把每日的铁水成分作为一个样本，每个样本数据要求是全天的完整数据，中间没有休风检修等异常情况。通过大量的样本研究和数据分析，从中遴选了19个典型样本。在这些样本的生产期间，高炉炉况基本保持稳定顺行，炉料结构基本不变，各炉料成分和性能保持稳定；这些样本保证了对应的钛负荷分布范围的广泛性和一定的均匀性。

2.1 一定钛负荷条件下，铁水[Ti]与[Si]的关系

一定钛负荷条件下，通过对这19个典型样本的[Ti]和[Si]之间关系的回归分析，我们分别得到其相应趋势线的回归方程，见表1。

表1 典型样本[Ti]与[Si]的回归方程

通过对这19个典型样本的钛负荷与回归方程斜率的分析，得到的典型样本钛负荷与回归方程斜率的关系如图1所示。

典型样本[Ti]与[Si]的回归方程为：

y=0.0291x+0.0573

(1)

相关系数R2=0.9052，表明其具有很高的相关性。

综合表1和图1可以总结出：在钛负荷一定的条件下，铁水[Ti]与[Si]成一元一次函数关系([Ti]=k1[Si]+b1，k1>0)，即随着铁水中[Si]的增加，[Ti]也是增加的；钛负荷越高，一元一次函数的斜率值越大。

图1 典型样本钛负荷与回归方程斜率的关系

2.2 一定炉温即[Si]条件下，铁水[Ti]与钛负荷的关系

由于在高炉实际生产过程中要求炉缸保持活跃和炉温相对稳定，通常铁水[Si]控制在一个较窄的目标范围内，1号高炉[Si]一般控制在[0.35%,0.55%],所以造成其样本相对比较集中且数量偏少。在一定炉温即[Si]条件下，通过对典型样本的[Ti]和钛负荷之间关系的回归分析，我们分别得到其相应趋势线的回归方程，见表2。

表2 典型样本[Ti]与钛负荷的回归方程

通过对这8个典型样本[Si]与回归方程斜率的分析，得到的典型样本[Si]与回归方程斜率的回归趋势线如图2所示。

图2 典型样本[Si]与回归方程斜率的回归趋势

典型样本[Ti]与钛负荷的回归方程为：

y=0.0484x-0.0066

(2)

相关系数R2=0.9064，表明其很高的相关性。

综合表2和图2可以得出：在炉温即[Si]一定的条件下，铁水中[Ti]与钛负荷成一元一次函数关系([Ti]=k2[钛负荷]+b2，k2>0)，即随着铁水中钛负荷的增加，[Ti]也是增加的。

2.3 预测和控制铁水[Ti]数学模型的建立

综合2.1和2.2内容，可设定[Ti]与[Si] 、钛负荷的多元一次回归数学模型为：

[Ti]= k3[Si]+k4[钛负荷]+b3。

(3)

利用微软公司Excel软件数据分析工具对这19个样本点进行回归分析，可以求出k3=0.3541、k4=0.0123和b3=-0.1277。

因此，式(3)可以写为：[Ti]= 0.3541[Si] + 0.0123[钛负荷]-0.1277

(4)

相关系数R2=0.8782，表明其具有很高的相关性。

这样式(4)就成为我们对铁水[Ti]预测和控制的一个有力工具。根据该方程可知，显著影响[Ti]的主要因素为[Si]和钛负荷；已知钛负荷和[Si]，就可以快速计算出[Ti]预测值；根据[Ti]的大小，我们可以调节钛负荷和[Si]来获得适宜的[Ti]。

3 预测和控制铁水[Ti]数学模型的应用

3.1 1号高炉护炉生产模式

根据式(4)可以计算得到表3，表3可以作为在护炉期间预测和控制铁水[Ti]的一个简单工具。为获得符合护炉要求的[Ti]，利用式(4)或表3，根据炉缸温度偏高部位的温度升高程度和变化趋势，可以准确快捷地动态调整钛负荷和[Si]的组合。

表3 护炉生产模式下[Si]和[Ti]对应的钛负荷

因为高炉在生产过程中受到的影响因素很多，所以在护炉过程中，既有固定钛负荷调整炉温即[Si]的阶段，也有固定炉温即[Si]调整钛负荷的阶段，还有同时调整钛负荷和炉温即[Si]的阶段，但我们只要掌握了钛矿护炉技术的这些规律，根据炉缸破损部位温度变化趋势，就可以有方向有分寸的进行护炉操作，使护炉操作精细化和简单化，减少调整的盲动性，避免不必要的炉况波动，从而实现护炉期间高炉稳定顺行和低成本运行的有效结合。

3.2 1号高炉正常生产模式

1号高炉正常生产期间一般要求[Ti]控制在0.10%以下，[Si]控制在[0.30%,0.50%]。根据式(4)可以计算得到表4，表4可以作为正常生产期间预测和控制铁水[Ti]的一个简单工具。利用式(4)和表4，根据低成本冶炼的需要，并把[Ti]控制在0.10%以下，可以准确快捷地动态调整钛负荷和[Si]的组合。

表4 正常生产模式下[Si]和[Ti]对应的钛负荷

3.3 模型在其他高炉的推广性

随后这种预测和控制铁水[Ti]的方法在安钢2号也得到了推广和应用，虽然各个高炉的炉型、设备和原燃料等实际情况各不相同，但其规律却是相同的，只是有关系数有所调整，并且也取得了较好的使用效果，同时也证明了该方法的正确性和良好的重现性。

4 结语

(1)实际生产经验可得，在高炉冶炼过程中，显著影响铁水[Ti]的因素主要是入炉的钛负荷和高炉的炉温水平。

(2)在钛负荷一定的条件下，铁水中[Ti]与[Si]成一元一次函数关系；在炉温即[Si]一定的条件下，铁水[Ti]与钛负荷成一元一次函数关系；综合这些规律，应用数据分析软件，可以建立和得到一种预测和控制铁水[Ti]的二元一次函数关系数学模型。

(3)这种方法既可以应用在高炉炉役后期的含钛炉料护炉生产，也可应用于高炉正常的低成本生产。

[1] 李胜杰,王雪峰,张希刚.安钢1号高炉炉缸侧壁温度异常升高的治理[J].炼铁, 2015,34(5):15-18.

[2] 李胜杰,周东锋,张希刚,等.高炉钛矿护炉时[Ti]与[Si]的关系[J].炼铁, 2015,34(2):49-51.

[3] 李胜杰,龙防,程广田.含钛球团矿护炉在安钢7号高炉的应用与研究[J].中国冶金, 2015,25(5):43-46.

A METHOD AND APPLICATION FOR PREDICTING AND CONTROLLING [Ti] IN HOT METAL OF BLAST FURNACE

Li Shengjie Zhao Hengshan Wang Ruiling

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

According to the theoretical analysis and practical production experience, the significant factors to [Ti] in hot metal is determined by the titanium load and the blast furnace temperature. The relationship between [Ti] and [Si] in hot metal was studied under the condition of a certain titanium load. The relationship between [Ti] and titanium load was studied under the condition of a certain temperature. According to the relationship between [Ti] and [Si], [Ti] and titanium load, a mathematical model is established about the two factors. By solving the model, a method is obtained for predicting and controlling [Ti] in hot metal of blast furnace. The method is applied not only on the blast furnace protection with titanium-bearing ore, but also on the low cost production, and achieved good results.

blast furnace hearth hot metal titanium

杰，工程师，河南.安阳(455004)，安阳钢铁股份有限公司炼铁厂；

2017—3—17