含钛物料护炉方法的探讨.doc

含钛物料护炉方法的探讨翟兴华胡慧丽摘要炉缸炉底异常侵蚀是影响高炉寿命的主要因素。目前,延长炉缸炉底寿命的主要措施有两个:一是改进炭砖质量,二是采用含钛物料护炉。若能把二者有机结合起来,将会大大延长高炉寿命。为此,作者设想把含钛物料以微粉添加剂形式加入炭砖配料中生产含钛复合炭砖。这种炭砖抗氧化性和抗铁水渗透性较好,而且在炭砖被侵蚀时能及时生成Ti(C、N)沉积物,阻滞碳的进一步溶解和铁水的侵入,对炉底炉缸有保护作用,可克服目前含钛物料护炉方法的一些弊端,有效利用宝贵的钛资源。关键词高炉含钛物料护炉炭砖INVESTIGATION IN PROTECTION OF BLAST FURNACEBY ADDING OF Ti CONTAINING FURNACE BURDENZhai XinghuaHu HuiliWuhan Iron & Steel Research And Design InstituteSynopsisThe principal factor affecting the blast furnace production campaign is assumed to be the abnormal erosion of the furnace hearth and furnace bottom up to date, there is no remedy but the following two measures one is to improve the quality of the carbon bricks and the other is using Ti containing material as the furnace burden. The farnace campaign will be greatly extended provided that those two measures are effectively combined in the practical operation. For this purpose the author conceived to add the Ti containing material to the ingredient of carbon bricks in the form of powder additive to produce Ti-containing composite carbon bricks. The bricks produced as such show better oxidation resistance and hot metal penetration resistance and can promptly generate Ti(C,N) precipitated material over the carbon brick to prevent carbon from further solution and against hot metal penetration as soon as the carbon brick is eroded, and thus both the furnace hearth and furnace bottom can be well protected. This method can overcome certain shortcomings existing in the present furnace protection methods which use Ti containing material and make good use of very precious source of titanium as well.Keywordsblast furnaceTi containing materialfurnace protectioncarbon brick1前言随着炉身修补技术的发展,炉身、炉腹部位已不再是限制高炉寿命的主要环节。但是,随着高炉冶炼强度的提高,炉底、炉缸寿命受到更大的威胁,炉底、炉缸交界处的异常侵蚀已成为影响高炉一代寿命的主要因素。为了延长高炉寿命,目前大多数高炉采用含钛物料护炉。实践证明,含钛物料中的TiO2在炉内还原,能生成高熔点的Ti(C、N)沉积物,对炉底具有保护作用,许多高炉也取得了长寿的效果。但是,对目前含钛物料护炉存在的一些问题研究不够,如含钛物料消耗量偏大,护炉周期长,护炉效果差等。为此,作者试图寻找更为经济实用的含钛物料护炉方法。2炉缸、炉底侵蚀原因分析炉缸破损的主要形式有炭砖环裂,炉缸、炉底交界处“蒜头状”侵蚀和炭砖脆化。其破损的主要原因是:渣铁和煤气流的机械冲刷;热应力破坏;煤气中CO2、O2、H2O和漏入炉内水的氧化作用;铁水的侵蚀;铁和碱金属的渗透引起炭砖变质,并在渗透层和炭砖之间产生环形裂缝。3延长炉缸、炉底寿命的主要措施延长高炉炉缸、炉底寿命的主要途径有两个:一是改善耐火材料质量；二是采用含钛物料护炉。若能把二者有机的结合起来,把含钛物料以微粉添加剂的形式加到炭砖配料中,生产Ti-C复合耐火材料,既能提高炭砖质量,又能在炭砖侵蚀过程中及时生成Ti(C、N)护炉,将对延长高炉寿命起到双重作用。3.1改进炭砖质量近几年来,日本、德国、美国等在改进炭砖质量方面做了大量工作,开发了生产微孔炭砖的新原料和新工艺,如采用高温电煅烧无烟煤为主要原料,中温沥青作粘结剂,用Si、SiC、Al2O3微粉作添加剂,生产抗铁水渗透能力强、耐铁水冲刷的微孔炭砖。Si、SiC、Al2O3微粉能够填充到颗粒之间的更小孔隙,可以改善炭砖的组织结构,提高炭砖的致密性。我国在微孔炭砖的研制方面也取得了一定的进展,如武钢技术中心和兰州炭素厂合作,开发出了国产微孔炭砖,并于1996年首次应用于武钢4号高炉。这种微气孔砖小于1m的气孔容积73.69%,具有较强的抗铁水渗透能力和抗铁水侵蚀性能1。3.2用含钛物料护炉3.2.1护炉机理入炉TiO2在炉内被还原为TiC和TiN高熔点的物质,这些高熔点的物质以颗粒的形式弥散于渣铁中,使铁水粘度增加,随着渣铁排放,粘结物粘附在砖衬上,这种结构致密、难熔的物质对炉衬具有保护作用。同时,靠近炉墙区域温度较低,砖衬侵蚀后表面粗糙,对Ti(C、N)析出有利。首钢4号高炉、加古川1号高炉对钛积物进行电子探针分析的结果表明,在12301400的低温区可以生成Ti(C、N),有利于保护炉衬。3.2.2传统护炉方法比较(1)顶部加入含钛物料护炉法。顶部加入含钛物料护炉法是把TiO2以烧结矿、块矿和球团矿的形式从高炉顶部加入高炉,目前大多数高炉是把钛矿粉配入烧结料中烧结,TiO2随烧结矿作为炉料加入高炉。其优点是操作方便,缺点是烧结矿品位和产量下降,低温还原粉化率增加,作业周期长,护炉效果差,而且TiO2消耗量大,对高炉生产造成不利的影响。块矿和含钛球团矿直接加入高炉护炉,可以避免烧结矿产量、质量下降,但价格较高,限制了块矿和含钛球团矿的使用。顶部加入TiO2护炉存在的共同问题是护炉料消耗量偏大,护炉效果差,周期长等。当炉缸壁侵蚀严重时,不得不加大TiO2入炉量,以达到快速补炉的效果,但是,TiO2从炉顶加入到炉缸生成Ti(C、N)护炉需要的时间较长,而且,随TiO2入炉量的增加,渣铁变得粘稠,炉况不顺,对高炉生产影响很大。(2)风口喷吹钛精矿护炉。当炉缸局部破损时,通过选择合适的风口将TiO2喷入炉内相应的位置,使该部位局部铁水中钛富集,粘度大幅度上升。出铁时高粘度铁水滞留在侵蚀部位,Ti(C、N)迅速沉积,起到局部快速护炉作用。风口喷吹钛精粉护炉有一定的针对性,TiO2消耗量少,利用率较高,短时间内即可获得护炉效果。但是,护炉效果难以预测,炉缸仍有烧穿的隐患。风口喷钛能否达到有效的护炉效果,正确选择喷吹风口非常重要,但是选择合适的喷吹风口有一定的难度,不仅要考虑炉缸破损位置,而且要考虑铁水的流动规律,铁水的流动规律要通过必要的水力学模型试验来测定,这需要一定的时间,往往会错过护炉的最佳时机。另外,钛精矿硬度较大,对风口磨损不可避免,日本加古川和我国首钢、鞍钢、梅山等厂风口喷钛的实践证明,风口存在严重磨损。由此可见,风口喷钛护炉存在着护炉效果不确定和风口磨损两大难以克服的弊病。3.2.3含钛物料加入量和护炉效果目前高炉常用的含钛物料加入方法有两种,一种是长期少量加入含钛物料护炉,另一种是当炉缸有烧穿危险时大量加入法。长期加入法一般是在高炉开炉一年左右开始加入TiO2,直到停炉,TiO2入炉量一般为56kg/t,当炉缸温度急剧升高时,把TiO2入炉量增加到1015kg/t,有时达到20kg/t以上。日本大多数高炉和我国部分高炉采用长期加入法,以预防为主,其优点是TiO2入炉量少,对高炉生产影响较小。主要缺点是TiO2利用率较低,生铁成本增加。梅山高炉在用攀西矿护炉时,TiO2入炉量为5kg/t时,在扣除其中铁量进行折算后的吨铁成本还要增加3元多,一座1000m3高炉每年护炉成本达200万元以上2。梅山1号高炉生产实践表明,TiO2入炉量大于11kg/t时,有效护炉的TiO2达15%25%,才能起到明显的补炉作用,当TiO2入炉量小于9.5kg/t时,有效护炉的TiO2仅为06%3。根据首钢3号高炉钛平衡计算结果可知4,TiO2入炉量9.73kg/t,Si=0.46%,R=1.06时,TiO2护炉效率仅为6.58%,当Si降为0.36%时,TiO2利用率仅为1.64%。由鞍钢7号高炉钛平衡计算结果5可计算出,当TiO2入炉量11kg/t,Si=0.95%,R2=1.11时,TiO2利用率仅3.6%,当Si降为0.56%时,TiO2利用率为0,起不到护炉作用。以上实例充分说明,当TiO2入炉量小于10kg/t时,入炉的TiO295%以上随渣铁排出炉外,用于护炉的TiO2不足5%。而我们采用的长期加入TiO2护炉法,TiO2入炉量仅为56kg/t,因此,可以预测能够用于护炉的TiO2更少,甚至为零,这将造成钛资源的巨大浪费,长期护炉增加了生产管理的难度,也增加了生产成本,同时影响了高炉技术经济指标的优化。武钢4号高炉一开炉就加入TiO2护炉,正常加入量35kg/t,当炉底温度升高时,TiO2加入量增加到812kg/t,停炉调查发现6,TiO2护炉可以减缓“蒜头状”侵蚀,但炉缸仍具有严重的“蒜头状”侵蚀,而且钛积物只能沉积到炭砖的表面,而不能渗入炭砖内部,沉积物一旦脱落,就失去了对炉缸的保护作用。日本高炉采用长期护炉法之所以能够长寿,是因为炉底、炉缸耐火材料本身质量较好,具有很强的抗渣铁侵蚀能力,一般生产78年,有的甚至10年以后炉衬才有稍严重的侵蚀,这时又及时增加TiO2入炉量,起到较好的护炉作用,例如,鹿岛3号高炉投产后110年,炉底温度一直比较平稳,10年后炉缸热负荷才有较大幅度增加。而我国大部分高炉耐火材料质量较差,生产34年炉缸热负荷就有大幅度的上升,采用少量加入法起不到好的护炉效果。大量加入法TiO2入炉量一般为1015kg/t,有时达20kg/t以上。我国最早采用钒钛矿护炉的湘钢、柳钢等就是采用大量加入TiO2护炉法,TiO2入炉量一般在15kg/t以上,对延长高炉寿命起到关键作用。大量加入法的优点是钛资源得到有效利用,护炉效果较好。其缺点是加入时机不易掌握,炉缸仍有烧穿的可能,我国有些高炉因为错过了TiO2加入时机,曾导致炉缸烧穿事故。4新的护炉方法设想在微孔炭砖生产过程中,加入硅粉作添加剂,在焙烧过程中Si和C发生反应生成SiC,能填充、封闭气孔,使气孔变细,透气度下降,可以提高炭砖的抗铁水渗透性和抗铁水侵蚀性,而且可以提高炭砖抗铁水环流的冲刷磨损性能。从SiC和TiC的生成势看,TiC更易生成,且稳定,因此,用含钛原料作添加剂生产炭砖是可行的。在当前冶金领域发展的一项“炭粉精矿粉”高度混合的炭热还原技术大大提高了金属的还原效率。在铌的还原研究中,采用含炭团块可大幅度降低还原温度,并可在1000左右顺利生成NbC,而且证明混合粉越细越好,由此可以判断,Ti(C、N)用此法也易生成。这样,不仅炭砖表面有Ti(C、N)高熔点物质存在,炭砖内部也有部分Ti(C、N)护炉物质存在,对炉缸炉底起到较强的保护作用,克服传统护炉方法的缺陷。高炉炉底表面温度1250左右,有生成Ti(C、N)的有利条件,当炭砖被铁水侵蚀时,炭砖中的钛及时还原生成Ti(C、N),粘附于炉壳表面侵蚀部位,这种粘结物能阻滞碳的溶解和铁水的入侵,防止脆化层的形成,对炉底有保护作用。由于钛的碳氮化合物导热系数是碳砖的两倍,抗压强度是炭砖的数十倍,而且对渣铁润湿性较好,预期这种炭质复合材料不仅可以改进原有炭砖的性能,而且有利于形成保护性渣皮,减轻铁水侵蚀和冲刷,为延长炉缸寿命开辟了一条新途径。文献7在实验室考查了渣铁对CTiC-TiN复合炭质材料的润湿性,试验结果表明,当TiC+TiN含量达到一定值时,炉渣对复合炭质材料有较好的润湿性,在砖表面易形成渣皮,而不易被铁水侵蚀,有助于延长炉缸、炉底寿命。文献8对CTiC复合炭质材料的抗氧化性做了试验,结果表明TiC的加入降低了炭质材料,特别是脱炭区的孔隙度,从而提高了复合炭质材料的抗氧化性,而且,随着TiC加入量的增加,抗氧化性不断增