铁水中钛含量及其还原率影响因素分析

范和华，何 波，吴艺鹏

1 前言

高炉炼铁过程中，［Ti］和［Si］在渣铁中的还原率受高炉钛负荷、高炉热制度、高炉操作参数等方面的影响，在入炉原燃料条件给定的前提下，铁水含钛量取决于高炉热制度及高炉操作参数。低钛铁水是特钢产品的必然要求，为探讨高炉热制度、操作参数对铁水含钛量的影响，本研究利用高炉生产数据，从铁水［Si］与［Ti］含量线性关系、铁水［Ti］含量与炉渣碱度关系、铁水［Ti］与炉渣中MgO含量关系等方面进行分析，研究影响铁水中钛还原的规律以及主要影响因素。

2 生铁中钛的来源

高炉炼铁过程中受原燃料条件、炉况影响，铁水中［Ti］含量控制难度较大。通过对入炉原燃料检验分析、计算，得出入炉钛负荷约为2 kg/t，其中约25%来自燃料，75%来自矿石。矿石中［Ti］以晶格替代为主要方式存在于铁氧化物的晶格中，燃料中［Ti］主要以TiO2形式存在。高炉冶炼过程中，铁氧化物被还原的同时，［Ti］还原难易程度由高价到低价逐步提高，钛氧化物的还原顺序为TiO2、Ti3O5、Ti2O3、TiO。由Ti-O系相图可知，TiO2的还原温度高于SiO2的还原温度，其还原区域主要集中在高炉的高温区域。渣铁界面的TiO2和SiO2还原同时进行，且还原规律一致，［Ti］和［Si］的分配存在线性关系［1］，表达式为：

高炉炼铁过程中，钛氧化物被还原分阶段逐步进行，反应方程式及初始反应温度如下：

钛氧化物被碳还原的温度在1 100～2 400 K之间，而二氧化钛被直接还原成［Ti］的初始反应温度为1 997 K，高炉炉缸温度为1 800～2 200 K。因此，钛氧化物在炉缸高温环境中的渣铁界面利于被还原为［Ti］。

3 铁水中［Ti］影响因素分析

3.1 铁水中［Ti］与［Si］的线性关系

研究表明，在入炉钛负荷不能显著降低的原料条件下，高炉生产低［Ti］铁水时必须控制炉温在较低水平。将高炉铁水［Ti］含量及［Si］含量进行统计并做线性回归分析，结果见图1。

图1 铁水中［Ti］和［Si］回归分析

由图1分析可知，铁水中［Ti］含量与［Si］含量之间存在良好的线性关系，且线性关系显著，铁水中［Ti］含量随铁水中［Si］含量的降低而降低。分析可知，要降低铁水［Ti］含量，高炉必须采取低硅低炉温操作。回归方程为：

3.2 铁水［Ti］含量与炉渣碱度关系

将高炉生产数据进行整理，得到铁水［Ti］含量与炉渣碱度的关系见图2。由图2可知，炉渣碱度趋势斜率大于铁水中［Ti］含量趋势斜率，且炉渣碱度变化先于铁水中［Ti］含量变化，随着炉渣碱度从1.06提高到1.14，铁水中［Ti］含量在炉渣碱度提高过程中由0.040先降低到0.035后又增加到0.045，说明在微含量钛高炉中，炉渣碱度的适当提高，使铁水中［Ti］含量降低，即适当范围内的炉渣碱度越高越有利于抑制［Ti］元素的还原。

3.3 铁水［Ti］含量与炉渣中MgO含量关系

图2 铁水［Ti］含量与炉渣碱度的关系

铁水［Ti］含量与炉渣中MgO含量的关系见表1，铁水中［Ti］含量变化趋势与炉渣中MgO含量变化趋同，说明入炉炉料中MgO含量变化同步影响高炉中［Ti］元素的还原，入炉炉料中MgO含量对高炉炼铁过程中［Ti］元素的还原有影响。炉渣中MgO含量＜8.0%时铁水中［Ti］含量为0.045 0%，8.0%时对应的铁水中［Ti］含量为0.045 8%；随着炉渣中MgO含量提高到9.6%时，对应铁水中［Ti］含量增加为0.048 0%。铁水中［Ti］含量随着炉渣中MgO含量提高而增加。

表1 铁水［Ti］含量与炉渣中MgO含量关系

4 钛还原率主要影响因素分析

根据相关相图和热力学数据手册［2-3］可知，高炉炉渣中，SiO2、TiO2两种简单分子与 Ca2+、Fe2+、Mn2+、Mg2+、O2-等5种离子共存，它们在高炉炉渣中存在的反应见表2。表2中的反应及其标准吉布斯自由能能够反应高炉炉渣复杂体系中SiO2-TiO2-CaO-MgO-FeO-MnO六元渣系中各组分之间的反应形式、反应产物及反应难易。式1～式9反应显示，随着CaO、MgO、FeO、MnO浓度的增大，其与SiO2反应愈易发生，生成相应的硅酸盐。

式10～式20显示CaO、MgO、FeO、MnO与TiO2的反应。其中式10～式12显示随着CaO浓度的增加，其与TiO2愈易进行，使炉渣中TiO2活度降低，这与适当提高碱度利于铁水降钛的实践经验相符合。

式13～式15中MgO与TiO2反应方程式显示，MgO能够增大渣中TiO2的活性，与实际渣中低MgO利于铁水中［Ti］含量相符合。

式16～式18显示，亚铁浓度增大利于亚铁与渣中TiO2反应，降低TiO2浓度，与实际生产中低炉温铁水中［Ti］含量低相符合。

5 结论

5.1 铁水中［Si］和［Ti］有很好的线性相关性，如要控制钛较低的还原率，必须进行低硅操作。

5.2 适当提高碱度利于渣中CaO与TiO2反应，降低TiO2活性，减少Ti元素进入铁水中。

5.3 适当降低炉渣中MgO的含量，有利于降低［Ti］的还原率。

5.4 通过提高风温、提高煤气利用率等措施降低燃料比达到降低入炉钛负荷的效果时，有利于低钛铁水生产。

表2 高炉炉渣体系中存在的反应

［1］ 王新华.钢铁冶金：炼铁学［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［2］ 张鉴.冶金熔体和溶液的计算热力学［M］.北京：冶金工业出版社，2007.

［3］ 黄希祜.钢铁冶金原理［M］.北京：冶金工业出版社，2004.