承钢2500m³高炉钛型钒钛磁铁矿炉料优化：基础理论与实践探索

承钢2500m³高炉钛型钒钛磁铁矿炉料优化：基础理论与实践探索一、引言1.1研究背景与意义在钢铁工业中，高炉冶炼作为关键环节，其效率与成本直接影响着企业的竞争力和可持续发展能力。承钢2500m³高炉作为重要的炼铁设备，在长期的生产实践中，一直以钛型钒钛磁铁矿为主要炉料。钒钛磁铁矿是一种重要的多金属共生矿，除了铁元素外，还富含钒、钛等稀有金属，具有极高的综合利用价值。承德地区作为中国北方最大的钒钛资源基地，已探明钒钛磁铁矿资源总量达83.7亿吨，占全国已探明资源储量的40%以上，这为承钢的生产提供了得天独厚的资源优势。然而，钛型钒钛磁铁矿自身特性给高炉冶炼带来诸多挑战。其TiO₂含量较高，在高炉冶炼过程中，炉渣的黏度会显著增加，流动性变差，这不仅影响炉渣的正常排出，还容易导致炉缸堆积，进而影响高炉的顺行和稳定运行。同时，高TiO₂含量还会使炉渣的熔点升高，增加了冶炼的难度和能耗。此外，钒钛磁铁矿的还原性相对较差，使得铁的还原过程变得复杂，影响了铁的回收率和生铁质量。在实际生产中，承钢2500m³高炉在使用钛型钒钛磁铁矿炉料时，面临着燃料消耗高、炉况稳定性差等问题，这些问题制约了高炉的生产效率和经济效益的提升。炉料结构作为影响高炉冶炼过程的关键因素，对高炉的技术经济指标起着决定性作用。合理的炉料结构能够优化高炉内的化学反应过程，改善炉料的透气性和还原性，从而提高高炉的生产效率、降低能耗和成本。通过优化炉料结构，可以有效地解决钛型钒钛磁铁矿带来的诸多问题。例如，选择合适的炉料配比，可以降低炉渣的黏度和熔点，改善炉渣的流动性，减少炉缸堆积的风险；提高炉料的还原性，能够促进铁的还原，提高铁的回收率和生铁质量。此外，合理的炉料结构还可以降低燃料消耗，减少对环境的影响，实现资源的高效利用和可持续发展。从提升高炉冶炼效率来看，优化炉料结构能够使炉料在高炉内的分布更加合理，气固两相接触更加充分，从而加快反应速率，提高高炉的利用系数。在高冶炼强度和高喷煤比条件下，合理的炉料结构能够更好地适应生产需求，保证高炉的稳定运行，进一步提高生产效率。在成本控制方面，合理的炉料结构可以降低燃料比和焦比，减少原料和能源的消耗，从而降低生产成本。同时，提高铁的回收率和生铁质量，减少废品率，也能够间接降低成本。炉料优化对于促进资源综合利用具有重要意义。钒钛磁铁矿中的钒、钛等稀有金属具有重要的战略价值，通过优化炉料结构，能够提高这些稀有金属的回收率，实现资源的高效利用，减少资源浪费，为钢铁工业的可持续发展提供有力支持。综上所述，对承钢2500m³高炉中钛型钒钛磁铁矿炉料进行优化的基础研究具有重要的现实意义和紧迫性。通过深入研究炉料结构对高炉冶炼过程的影响规律，探索出适合承钢2500m³高炉的优化炉料结构方案，不仅能够解决当前高炉生产中面临的实际问题，提高高炉的生产效率和经济效益，还能够促进资源的综合利用，推动钢铁工业的可持续发展。1.2国内外研究现状国内外学者围绕钒钛磁铁矿炉料在高炉冶炼中的应用展开了广泛且深入的研究。在国外，一些钒钛磁铁矿资源丰富的国家，如澳大利亚、俄罗斯等，对钒钛磁铁矿的开发利用技术进行了长期探索。澳大利亚在钒钛磁铁矿的选矿工艺方面取得了显著进展，通过采用先进的磁选、重选和浮选联合工艺，提高了铁、钒、钛等元素的回收率。在高炉冶炼方面，国外学者关注炉料结构对冶炼过程的影响，研究了不同炉料配比下高炉内的热工制度、煤气分布以及渣铁性能等。有研究表明，合理调整炉料中烧结矿、球团矿和块矿的比例，可以改善高炉的透气性和煤气利用率，降低燃料消耗。在国内，由于攀枝花和承德地区拥有丰富的钒钛磁铁矿资源，相关研究更为活跃。储满生、陈立杰等学者基于现场生产条件，在保证炉渣二元碱度、焦比、煤比等不变的条件下，进行不同碱度钒钛烧结矿和不同球团比例的综合炉料软熔滴落试验，研究高炉冶炼钒钛磁铁矿的合理炉料结构。结果显示，随着综合炉料中烧结矿碱度的提高和球团比例的增加，综合炉料的软化开始温度T4基本不变，软化终了温度T40升高，软化区间(T40-T4)变宽；综合炉料的熔化开始温度TS逐渐升高，熔化终了温度TD逐渐上升，熔化区间TD-TS明显收窄，综合炉料的透气性能明显改善；同时初铁中V、Cr含量增加，V、Cr收得率明显提高。这表明在一定范围内，提高综合炉料中钒钛烧结矿的碱度和球团比例，有利于形成高炉冶炼钒钛矿的合理炉料结构。刁日升介绍了攀钢在冶炼钒钛磁铁矿技术上的新发展，如采用合理的炉料结构、提高原料管理技术、大规模进行原料筛分设备的技术改造、提高鼓风动能、改进装料制度和大力发展喷煤技术等，使高炉技术经济指标明显改善。河钢承钢的技术人员通过搭建高炉大数据智慧云平台，有效减少人工操作，实现对炉况运行趋势的提前预判和精准把控，为推进高炉长周期稳定顺行奠定了基础。同时，他们还进一步完善了高炉长寿模型、碱金属动态平衡模型、休送风模型、停炉开炉模型以及高炉体检系统，有效保证了钒钛磁铁矿高炉的高效稳定运行。尽管国内外在钒钛磁铁矿炉料的研究方面取得了诸多成果，但仍存在一些不足之处。部分研究侧重于单一因素对高炉冶炼的影响，缺乏对炉料结构、操作制度以及原料特性等多因素之间协同作用的深入研究。在应对高TiO₂含量炉渣带来的问题时，虽然提出了一些解决方案，但在实际应用中仍存在局限性，未能完全解决炉渣黏度大、流动性差以及炉缸堆积等难题。此外，对于如何在保证高炉顺行的前提下，进一步提高钒、钛等稀有金属的回收率，还需要更深入的研究。本文研究的独特性在于，以承钢2500m³高炉为研究对象，针对其使用的钛型钒钛磁铁矿炉料的具体特性，综合考虑炉料结构、操作参数以及原料性质等多方面因素，通过实验室研究与现场生产数据相结合的方式，深入探究炉料优化的方法。旨在解决承钢高炉生产中面临的实际问题，提高高炉的生产效率和经济效益，同时实现资源的高效利用和可持续发展，为钒钛磁铁矿高炉冶炼技术的发展提供新的思路和方法。1.3研究目标与内容本研究旨在深入剖析承钢2500m³高炉使用的钛型钒钛磁铁矿炉料特性，通过系统研究和优化，显著提升炉料的冶金性能，优化高炉冶炼指标，实现高炉的高效、稳定、低耗生产。具体研究内容如下：钛型钒钛磁铁矿炉料特性分析：对承钢2500m³高炉所用的钛型钒钛磁铁矿炉料的化学成分、矿物组成以及粒度分布进行全面且深入的分析。精确测定炉料中TiO₂、Fe、V、Ti等主要元素的含量，详细研究矿物的结晶形态、相互关系及其在炉料中的分布特征，掌握粒度分布对炉料透气性和反应活性的影响规律，为后续研究提供基础数据和理论依据。炉料冶金性能影响因素探究：采用先进的实验设备和技术手段，系统研究TiO₂含量、碱度、配碳量等因素对炉料还原性、软化熔融性能、滴落性能等冶金性能的影响规律。通过改变实验条件，模拟高炉实际冶炼过程，深入分析各因素之间的交互作用，揭示炉料冶金性能变化的内在机制，为优化炉料结构提供科学指导。炉料结构优化研究：基于炉料特性分析和冶金性能影响因素的研究结果，运用数学模型和优化算法，构建炉料结构优化模型。以提高高炉利用系数、降低燃料比、改善生铁质量等为目标函数，以炉料成分、冶金性能、成本等为约束条件，通过优化计算确定最佳的炉料配比方案。对优化后的炉料结构进行实验室验证和工业试验，对比分析优化前后炉料的冶金性能和高炉冶炼指标，评估优化效果，进一步调整和完善炉料结构优化方案。高炉冶炼过程数值模拟：利用计算流体力学（CFD）等数值模拟技术，建立承钢2500m³高炉冶炼过程的数学模型。模拟不同炉料结构和操作参数条件下高炉内的气固两相流动、传热传质以及化学反应过程，深入分析炉内温度分布、煤气分布、炉料运动轨迹等关键参数的变化规律。通过数值模拟，预测高炉冶炼指标，为高炉操作优化提供理论依据，减少工业试验的盲目性，降低生产成本。工业应用案例分析：选取承钢2500m³高炉的实际生产数据作为案例，对优化后的炉料结构在工业生产中的应用效果进行详细分析。对比优化前后高炉的利用系数、燃料比、生铁质量、炉况稳定性等技术经济指标，评估炉料结构优化对高炉生产的实际影响。总结工业应用过程中遇到的问题及解决措施，为其他高炉的炉料结构优化提供实践经验和参考范例。1.4研究方法与技术路线为了实现研究目标，本研究综合运用多种研究方法，构建了系统且全面的技术路线，具体如下：文献研究法：广泛搜集国内外关于钒钛磁铁矿炉料特性、冶金性能、炉料结构优化以及高炉冶炼过程模拟等方面的文献资料，包括学术期刊论文、学位论文、专利文献、行业报告等。对这些资料进行深入分析和归纳总结，了解该领域的研究现状和发展趋势，掌握相关的理论知识和研究方法，为本文的研究提供坚实的理论基础和研究思路。通过对文献的梳理，发现现有研究在多因素协同作用以及稀有金属回收率提升等方面存在不足，从而明确本文的研究重点和方向。实验研究法：针对钛型钒钛磁铁矿炉料，开展一系列实验研究。在实验室条件下，采用先进的分析仪器和设备，对炉料的化学成分、矿物组成和粒度分布进行精确测定。通过X射线荧光光谱仪（XRF）分析炉料中各元素的含量，利用X射线衍射仪（XRD）确定矿物组成，使用激光粒度分析仪测量粒度分布。进行炉料冶金性能实验，研究TiO₂含量、碱度、配碳量等因素对炉料还原性、软化熔融性能、滴落性能等的影响规律。采用热重分析仪（TGA）测试炉料的还原性，通过高温熔滴实验测定炉料的软化熔融和滴落性能，深入分析各因素之间的交互作用，揭示炉料冶金性能变化的内在机制。案例分析法：选取承钢2500m³高炉的实际生产数据作为案例，对优化后的炉料结构在工业生产中的应用效果进行详细分析。收集高炉生产过程中的各项技术经济指标，如利用系数、燃料比、生铁质量、炉况稳定性等，对比优化前后的指标变化情况，评估炉料结构优化对高炉生产的实际影响。通过对工业应用案例的分析，总结成功经验和存在的问题，提出针对性的改进措施，为其他高炉的炉料结构优化提供实践经验和参考范例。数值模拟法：利用计算流体力学（CFD）等数值模拟技术，建立承钢2500m³高炉冶炼过程的数学模型。基于质量守恒、动量守恒、能量守恒以及化学反应动力学等基本原理，考虑炉料的物理性质、化学反应特性以及高炉内的复杂流动和传热传质过程，对高炉内的气固两相流动、传热传质以及化学反应进行数值模拟。通过模拟不同炉料结构和操作参数条件下高炉内的关键参数变化规律，如温度分布、煤气分布、炉料运动轨迹等，预测高炉冶炼指标，为高炉操作优化提供理论依据，减少工业试验的盲目性，降低生产成本。在技术路线方面，首先对钛型钒钛磁铁矿炉料特性进行全面分析，获取炉料的基础数据。基于炉料特性，开展炉料冶金性能影响因素的实验研究，深入探究各因素对冶金性能的影响规律。结合实验研究结果，运用数学模型和优化算法，构建炉料结构优化模型，确定最佳的炉料配比方案。对优化后的炉料结构进行实验室验证，通过模拟高炉冶炼过程，检验优化效果。利用数值模拟技术，对高炉冶炼过程进行模拟分析，进一步优化炉料结构和操作参数。将优化后的炉料结构应用于承钢2500m³高炉的实际生产中，通过工业试验验证优化方案的可行性和有效性，收集生产数据，评估应用效果，总结经验教训，为后续研究和生产提供参考。通过以上研究方法和技术路线的有机结合，从理论分析到实验研究，再到工业应用验证，逐步深入地开展研究工作，确保研究结果的科学性、可靠性和实用性，为承钢2500m³高炉中钛型钒钛磁铁矿炉料的优化提供有力的技术支持。二、钒钛磁铁矿炉料概述2.1钒钛磁铁矿的基本特性2.1.1化学成分承钢所使用的钛型钒钛磁铁矿炉料，其化学成分具有独特性，对高炉冶炼过程产生着关键影响。通过对炉料样本进行X射线荧光光谱仪（XRF）分析，精确测定了其主要化学成分含量。铁元素作为炉料中的关键成分，含量通常在50%-55%之间，是高炉冶炼的主要目标产物来源。较高的铁含量有助于提高生铁产量，但同时也需要关注其他元素对铁还原过程的影响。钒元素在炉料中以五氧化二钒（V₂O₅）的形式存在，含量约为0.7%-1.0%。钒具有重要的经济价值，在高炉冶炼过程中，部分钒会还原进入生铁，从而提高生铁的强度、韧性和耐磨性等性能。但钒的还原过程较为复杂，会消耗一定的热量和还原剂，对高炉的热平衡和冶炼成本产生影响。当炉料中钒含量过高时，可能导致生铁中钒含量超标，影响生铁质量，因此需要合理控制钒的还原程度。钛元素是炉料中含量较高的元素之一，以二氧化钛（TiO₂）形式存在，含量一般在7%-9%。TiO₂含量对高炉冶炼的影响显著，是导致炉渣黏度增加、熔点升高的主要因素。在高炉冶炼过程中，TiO₂会发生一系列化学反应，部分TiO₂被还原生成钛的碳、氮化合物，如TiC和TiN。这些化合物的熔点极高，TiC熔点为3140±90℃，TiN熔点为2950±50℃，远高于炉内最高温度，它们会弥散分布于液态炉渣中，使炉渣变得黏稠，流动性变差，严重时甚至导致炉渣难以排出，形成炉缸堆积，进而影响高炉的顺行和稳定运行。高含量的TiO₂还会降低炉渣的脱硫能力，对生铁质量产生不利影响。硅元素在炉料中以二氧化硅（SiO₂）的形式存在，含量通常在3%-5%。SiO₂是炉渣的主要成分之一，对炉渣的碱度和流动性有重要影响。适当的SiO₂含量有助于形成合适碱度的炉渣，保证炉渣的正常性能。但如果SiO₂含量过高，会增加炉渣的黏度，降低炉渣的流动性；而SiO₂含量过低，则可能导致炉渣碱度过高，影响炉渣的脱硫等能力。铝元素主要以氧化铝（Al₂O₃）的形式存在于炉料中，含量约为2.5%-3.5%。Al₂O₃在炉渣中会影响炉渣的熔点和黏度等性能。适量的Al₂O₃可以降低炉渣的熔点，改善炉渣的流动性，但当Al₂O₃含量过高时，会使炉渣的熔点升高，黏度增大，对高炉冶炼产生不利影响。综上所述，承钢钛型钒钛磁铁矿炉料中各主要化学成分相互作用，共同影响着高炉冶炼过程。铁元素是主要目标产物来源，钒元素赋予生铁优良性能但影响冶炼成本，高含量的TiO₂给高炉冶炼带来诸多难题，硅和铝元素则通过影响炉渣性能间接影响高炉冶炼。因此，深入了解这些化学成分的特性及其在冶炼过程中的作用机制，对于优化炉料结构、改善高炉冶炼指标具有重要意义。2.1.2矿物结构承钢钛型钒钛磁铁矿的矿物结构复杂多样，对炉料性能和高炉冶炼过程有着深远影响。通过显微镜观察和X射线衍射分析（XRD）等技术手段，对其矿物结构进行了详细研究。磁铁矿是炉料中的主要含铁矿物，其晶体形态多为八面体和菱形十二面体，常以粒状或块状集合体形式存在。磁铁矿具有强磁性，这一特性在选矿过程中被广泛利用，通过磁选工艺可以有效地将磁铁矿与其他矿物分离，提高铁精矿的品位。在高炉冶炼过程中，磁铁矿是铁元素的重要载体，其还原性直接影响着铁的还原效率和生铁质量。磁铁矿的结晶粒度和分布状态对炉料的透气性和反应活性也有重要影响。较大的结晶粒度有利于提高炉料的透气性，但会降低反应活性；而细小的结晶粒度则相反，虽然反应活性高，但可能会导致炉料透气性变差。钛铁矿是另一种重要的矿物，其晶体结构属于三方晶系，常呈板状或柱状晶体产出。钛铁矿中钛元素的含量较高，是炉料中TiO₂的主要来源。在高炉冶炼过程中，钛铁矿的反应行为较为复杂，它不仅会参与炉渣的形成，还会影响炉渣的性能。由于钛铁矿的熔点较高，在炉内高温条件下，其熔化和反应速度相对较慢，这会影响炉料的软化熔融性能和滴落性能。钛铁矿与磁铁矿等矿物之间的结合方式也会对炉料性能产生影响。如果两者结合紧密，会增加炉料的强度，但可能会降低炉料的还原性；反之，如果结合疏松，则有利于提高炉料的还原性，但可能会降低炉料的强度。在钒钛磁铁矿中，磁铁矿和钛铁矿等矿物并非孤立存在，而是相互交织、紧密结合。这种矿物间的结合方式对炉料性能有着重要作用。一方面，紧密的结合可以提高炉料的强度，使其在运输、储存和高炉冶炼过程中不易破碎，保证炉料的粒度稳定性，有利于改善高炉料柱的透气性。另一方面，矿物间的结合方式也会影响炉料的反应活性和还原性。不同矿物之间的界面处往往是化学反应的活跃区域，合理的矿物结合方式可以增加反应界面，促进炉料与煤气之间的反应，提高铁的还原效率。然而，如果矿物结合过于紧密，可能会阻碍煤气的渗透和扩散，降低炉料的还原性。此外，炉料中还存在一些脉石矿物，如硅酸盐矿物、铝酸盐矿物等。这些脉石矿物的存在会影响炉渣的成分和性能，进而影响高炉冶炼过程。硅酸盐矿物在炉渣中会增加炉渣的黏度，而铝酸盐矿物则会影响炉渣的熔点和脱硫能力。因此，在高炉冶炼过程中，需要通过合理的造渣制度来调整炉渣成分，以降低脉石矿物对冶炼的不利影响。承钢钛型钒钛磁铁矿的矿物结构特点决定了炉料的性能和高炉冶炼过程的复杂性。深入研究矿物结构对炉料性能的作用机制，对于优化炉料结构、改善高炉冶炼指标具有重要意义。通过控制矿物的结晶粒度、分布状态以及矿物间的结合方式，可以提高炉料的透气性、反应活性和还原性，从而为高炉的高效、稳定运行提供保障。2.2钒钛磁铁矿炉料在高炉冶炼中的特点2.2.1烧结性能钒钛烧结矿在高炉冶炼中表现出与普通烧结矿不同的烧结性能，其强度低和低温还原粉化率高的问题较为突出，对高炉冶炼产生显著影响。在强度方面，钒钛烧结矿的强度一般低于普通烧结矿，其转鼓指数通常在81%-82%之间，而普通烧结矿的转鼓指数可达83%-85%。这一差异主要源于钒钛烧结矿的矿物组成和结构特性。在烧结过程中，高含量的TiO₂会促使钙钛矿（CaTiO₃）等脆性矿物的生成。钙钛矿硬度高、脆性大，其大量生成削弱了铁氧化物之间的连晶作用，减少了粘结相的形成，使得烧结矿的结构变得松散，强度降低。钒钛磁铁矿中磁铁矿和钛铁矿等矿物的结晶粒度和分布状态也会影响烧结矿的强度。如果矿物结晶粒度不均匀，或分布过于集中，会导致烧结矿内部应力分布不均，在受到外力作用时容易产生裂纹和破碎，从而降低强度。低温还原粉化率高是钒钛烧结矿的另一个显著问题，其低温还原粉化率一般大于60%，高的可达80%-85%，远高于普通烧结矿。这主要是因为在低温还原阶段（400-600℃），钒钛烧结矿中的赤铁矿（Fe₂O₃）还原为磁铁矿（Fe₃O₄）时，会发生晶型转变，导致体积膨胀。由于钒钛烧结矿中存在较多的钙钛矿等矿物，这些矿物的存在限制了烧结矿内部的应力释放，使得体积膨胀产生的应力无法有效分散，从而导致烧结矿产生大量裂纹和破碎，粉化率升高。钒钛烧结矿中的铁酸钙等粘结相在低温还原过程中也会发生分解，进一步削弱了烧结矿的结构强度，加剧了粉化现象。钒钛烧结矿强度低和低温还原粉化率高对高炉冶炼有着多方面的不利影响。强度低使得烧结矿在运输、储存和高炉布料过程中容易破碎，产生更多的粉末，这些粉末会堵塞高炉料柱的孔隙，降低料柱的透气性，影响煤气的正常上升和炉料的下降，导致高炉内煤气流分布不均，进而影响高炉的顺行和稳定运行。低温还原粉化率高会使烧结矿在高炉上部块状带就发生严重粉化，产生的粉末不仅会恶化高炉料柱透气性，还会增加煤气的阻力损失，降低煤气利用率，导致燃料消耗增加。粉末进入软熔带后，还可能影响软熔带的形状和位置，使软熔带变厚，透气性变差，进一步加剧高炉冶炼的困难。为了改善钒钛烧结矿的烧结性能，提高其强度和降低低温还原粉化率，可以采取多种措施。在原料配矿方面，合理调整钒钛磁铁矿与其他矿种的配比，优化烧结原料结构，引入一些有利于提高烧结矿强度和改善还原性能的添加剂，如白云石、生石灰等。在烧结工艺方面，通过优化烧结温度、时间和气氛等参数，控制烧结过程中的化学反应和矿物生成，促进粘结相的生成，减少脆性矿物的含量，改善烧结矿的结构和性能。采用合适的冷却制度，避免烧结矿在冷却过程中因温度变化过快而产生裂纹和破碎，也有助于提高烧结矿的强度。2.2.2炉渣特性高炉冶炼钒钛磁铁矿时形成的五元渣系炉渣（CaO-MgO-SiO₂-Al₂O₃-TiO₂），与普通四元渣系炉渣相比，具有独特的特性，这些特性对高炉冶炼过程产生重要影响。五元渣系炉渣的熔化温度明显升高。普通四元渣系炉渣的熔化温度一般在1300-1350℃左右，而钒钛磁铁矿冶炼产生的五元渣系炉渣，其熔化温度通常比普通渣系高出50-100℃。这主要是因为TiO₂的存在改变了炉渣的成分和结构。TiO₂在炉渣中会形成高熔点的化合物，如钙钛矿（CaTiO₃）等，这些化合物的熔点较高，使得炉渣的整体熔化温度升高。高含量的Al₂O₃也会对炉渣的熔化温度产生影响，当Al₂O₃含量超过一定范围时，会形成一些复杂的铝酸盐矿物，进一步提高炉渣的熔化温度。五元渣系炉渣在高炉冶炼过程中容易形成泡沫渣。在高炉内高温和煤气的强烈搅动作用下，炉渣中的TiO₂被还原生成的钛的碳、氮化合物（如TiC、TiN）以及未完全还原的TiO₂等固体颗粒，会分散在炉渣中，增加了炉渣的表面张力和黏度，使得炉渣中的气体难以逸出，从而形成稳定的泡沫渣。泡沫渣的存在会使炉渣的体积膨胀，占据更大的空间，影响高炉内的正常反应空间和煤气分布。泡沫渣还会增加炉渣的流动性阻力，导致炉渣排出困难，严重时可能引发炉渣溢出等事故。炉渣变稠也是五元渣系炉渣的一个显著特点。随着高炉内还原过程的进行，炉渣中一部分TiO₂被还原生成钛的碳、氮化合物（TiC、TiN），这些化合物的熔点极高，TiC熔点为3140±90℃，TiN熔点为2950±50℃，远高于炉内最高温度。它们以固态颗粒的形式弥散分布于液态炉渣中，增加了炉渣的内摩擦力，使得炉渣的黏度显著增大，流动性变差，严重时会导致炉渣难以排出，形成炉缸堆积，影响高炉的正常运行。在脱硫能力方面，五元渣系炉渣的脱硫能力较低。在高炉冶炼中，脱硫反应主要是通过炉渣中的CaO与铁水中的硫反应生成CaS进入炉渣来实现的。然而，由于TiO₂的存在，会与CaO发生反应生成钙钛矿（CaTiO₃），从而消耗了炉渣中的有效CaO，降低了炉渣的碱度，削弱了炉渣的脱硫能力。高黏度的炉渣也会阻碍脱硫反应中物质的扩散和传质过程，进一步降低脱硫效率。一般情况下，高钛渣的脱硫能力远低于普通高炉渣，其硫分配系数Ls仅为5-9，而普通高炉渣的Ls可达15-25。为了应对五元渣系炉渣的这些特性带来的问题，在高炉冶炼过程中需要采取相应的措施。通过调整炉渣成分，控制TiO₂、Al₂O₃等成分的含量，合理增加MgO等助熔剂的添加量，可以降低炉渣的熔化温度和黏度，改善炉渣的流动性。优化高炉操作制度，控制合适的炉温、炉渣碱度和煤气流量等参数，减少泡沫渣的产生，提高炉渣的脱硫能力。还可以采用一些辅助手段，如添加萤石等熔剂，来改善炉渣的性能，但需要注意萤石的添加量，避免对炉衬造成过度侵蚀。2.2.3铁水性质钒钛铁水的性质与普通铁水存在明显差异，其粘罐物熔点高的问题对铁水罐的正常使用与周转产生严重影响。在高炉冶炼钒钛磁铁矿过程中，铁水中会含有一定量的钒、钛元素。当铁水从高炉中放出并装入铁水罐后，随着温度的降低，铁水中的钒、钛元素会与氧结合形成钒、钛的氧化物。这些氧化物在铁水罐壁上逐渐积累，形成粘罐物。由于钒、钛的氧化物具有较高的熔点，其熔点高于出铁温度，在下次出铁时，这些粘罐物不能被熔化，会越结越厚，导致铁水罐的有效容积迅速减小。这种粘罐物熔点高的问题给铁水罐的正常使用与周转带来诸多困难。由于铁水罐容积减小，每次能够盛装的铁水量减少，影响了铁水的运输和储存效率，增加了运输成本和储存难度。频繁清理粘罐物不仅耗费大量的人力、物力和时间，还会对铁水罐的内衬造成磨损，缩短铁水罐的使用寿命。清理粘罐物的过程中还可能会产生一些安全隐患，如高温烫伤、粉尘污染等。铁水罐周转不畅还会影响高炉的正常出铁计划安排，导致高炉内铁水积压，进而影响高炉的顺行和稳定运行。为了解决钒钛铁水粘罐物熔点高的问题，可以采取多种措施。在铁水罐的材质选择上，采用耐高温、抗侵蚀的材料，如含有碳化硅、刚玉等成分的耐火材料，提高铁水罐内衬的抗粘罐性能。对铁水进行预处理，在出铁前向铁水中添加一些能够降低钒、钛氧化物熔点或抑制其生成的添加剂，如某些稀土元素或碱性物质，使粘罐物在出铁过程中能够被熔化或减少其生成量。优化高炉操作工艺，控制好炉温、炉渣成分等参数，减少铁水中钒、钛元素的含量，从而降低粘罐物的产生。还可以通过改进铁水罐的结构和设计，如增加加热装置或搅拌装置，使铁水罐内的温度更加均匀，减少粘罐物的附着。三、影响承钢2500m³高炉钛型钒钛磁铁矿炉料性能的因素3.1原料因素3.1.1钒钛烧结矿碱度钒钛烧结矿碱度是影响综合炉料软熔滴落性能及高炉冶炼指标的关键因素之一。为深入探究其影响规律，在保证炉渣二元碱度、焦比、煤比等条件不变的情况下，进行了不同碱度钒钛烧结矿的综合炉料软熔滴落试验。通过改变烧结矿中CaO与SiO₂的比例，制备了碱度分别为1.8、2.0、2.2的钒钛烧结矿，并与球团矿、焦炭等组成综合炉料进行试验。试验结果表明，随着综合炉料中钒钛烧结矿碱度从1.8提高到2.2，综合炉料的软化开始温度T4基本保持在1100-1120℃左右，变化不大；然而，软化终了温度T40则从1250℃升高至1280℃，导致软化区间（T40-T4）从150℃变宽至180℃。这是因为碱度提高，烧结矿中的铁酸钙等粘结相生成量增加，在软化过程中，这些粘结相的软化行为发生改变，使得软化终了温度升高，软化区间变宽。在熔化性能方面，综合炉料的熔化开始温度TS从1300℃逐渐升高至1330℃，熔化终了温度TD从1400℃逐渐上升至1430℃，熔化区间TD-TS则从100℃明显收窄至100℃。这是由于高碱度促进了低熔点化合物的形成，使得炉料在熔化过程中更加集中，熔化区间变窄。高碱度还改善了炉渣的流动性和脱硫能力，有利于高炉冶炼过程的进行。随着钒钛烧结矿碱度的提高，初铁中V、Cr含量增加，V、Cr收得率明显提高。当碱度为1.8时，初铁中V含量为0.35%，V收得率为45%；当碱度提高到2.2时，初铁中V含量增加至0.42%，V收得率提高到52%。这是因为高碱度改善了炉渣的性能，促进了V、Cr等元素的还原，使得更多的V、Cr进入初铁中。综合炉料的透气性能也随着钒钛烧结矿碱度的提高而明显改善。在试验中，通过测定不同碱度下综合炉料在软熔滴落过程中的透气性指数，发现随着碱度从1.8增加到2.2，透气性指数从35m²/（kPa・min）提高至45m²/（kPa・min）。这主要是因为高碱度使得综合炉料在软熔过程中形成的渣相更加均匀，减少了炉料颗粒之间的粘连，从而提高了料柱的透气性。综上所述，在一定范围内提高综合炉料中钒钛烧结矿的碱度，有利于改善综合炉料的软熔滴落性能，提高初铁中V、Cr含量和收得率，同时改善综合炉料的透气性能，对高炉冶炼钒钛矿具有积极影响。3.1.2球团比例综合炉料中球团比例的变化对其软化、熔化区间和透气性能有着显著影响。为研究这一影响规律，在保证炉渣二元碱度、焦比、煤比等条件不变的前提下，进行了不同球团比例的综合炉料软熔滴落试验。通过调整球团矿在综合炉料中的质量百分比，分别设置了球团比例为20%、30%、40%的试验组。试验数据显示，随着综合炉料中球团比例从20%增加到40%，软化开始温度T4基本维持在1100-1110℃，变化幅度较小；而软化终了温度T40从1240℃升高至1260℃，导致软化区间（T40-T4）从140℃变宽至150℃。这是因为球团矿具有较好的强度和还原性，在软化过程中，球团矿的结构变化相对较慢，随着球团比例的增加，整体软化终了温度升高，软化区间相应变宽。在熔化性能方面，熔化开始温度TS从1290℃逐渐升高至1310℃，熔化终了温度TD从1390℃逐渐上升至1410℃，熔化区间TD-TS则从100℃收窄至100℃。这是由于球团矿的加入改变了综合炉料的矿物组成和结构，使得炉料在熔化过程中反应更加集中，熔化区间变窄。球团矿中的FeO含量较低，在熔化过程中对炉渣的成分和性能产生影响，有助于改善炉渣的流动性，促进熔化过程的进行。综合炉料的透气性能随着球团比例的增加而明显改善。通过透气性指数测试，当球团比例为20%时，透气性指数为32m²/（kPa・min）；当球团比例提高到40%时，透气性指数提升至42m²/（kPa・min）。这是因为球团矿具有规则的形状和均匀的粒度，能够填充在其他炉料颗粒之间，改善料柱的孔隙结构，减少气体流通的阻力，从而提高了综合炉料的透气性能。综上所述，在一定范围内增加综合炉料中球团比例，有利于改善综合炉料的软化、熔化性能，提高透气性能，对高炉冶炼过程具有积极作用。在实际生产中，合理调整球团比例，能够优化炉料结构，提高高炉的生产效率和经济效益。3.1.3焦炭质量焦炭在高炉冶炼过程中起着至关重要的作用，其具有发热、还原、渗碳和料柱骨架等多重作用，焦炭质量对炉料透气性和高炉顺行有着显著影响。焦炭作为高炉内热量的主要来源，在风口前燃烧产生高温煤气，为高炉内的各种化学反应提供所需的热量。其固定碳含量是衡量发热能力的关键指标，固定碳含量越高，焦炭燃烧释放的热量越多，能够更好地满足高炉冶炼过程中矿石还原、炉渣熔化等反应对热量的需求。当焦炭固定碳含量从85%降低到80%时，高炉内的平均温度会下降50-80℃，这将导致矿石还原速度减慢，炉渣流动性变差，影响高炉的正常运行。焦炭是重要的还原剂，在高炉内，焦炭中的碳与铁矿石中的氧发生化学反应，将氧化铁还原为金属铁。其反应性对焦炭的还原能力有着重要影响。反应性好的焦炭能够在较低温度下与铁矿石发生反应，提高还原效率，降低还原剂的消耗。如果焦炭反应性过高，会导致焦炭在高炉中过早消耗，影响料柱的稳定性；而反应性过低，则会使还原反应速度变慢，影响高炉的生产效率。在渗碳方面，焦炭中的碳在高温下会逐渐溶解到铁液中，使铁液中的碳含量增加，从而满足炼钢对生铁含碳量的要求。合适的焦炭含碳量和粒度分布有助于提高渗碳效果。如果焦炭粒度太大，碳的溶解速度会变慢，影响渗碳效率；而粒度太小，则容易被煤气带走，造成浪费。焦炭在高炉内还充当料柱骨架的角色，支撑着炉内的炉料，保证料柱的透气性。焦炭的强度是影响其作为料柱骨架作用的关键因素。强度高的焦炭在高炉内不易破碎，能够维持料柱的稳定结构，保证煤气的顺畅流通；而强度低的焦炭在高炉内受到炉料的挤压和摩擦，容易破碎产生粉末，这些粉末会堵塞料柱的孔隙，降低料柱的透气性，导致炉内煤气分布不均，影响高炉的顺行。当焦炭的转鼓强度从85%下降到80%时，高炉料柱的透气性指数会降低10-15m²/（kPa・min），炉内压差增大，炉况稳定性变差。综上所述，焦炭质量对高炉冶炼过程至关重要。在实际生产中，应严格控制焦炭的质量指标，选择固定碳含量高、反应性适中、强度高的焦炭，以保证高炉的高效、稳定运行。3.2高炉冶炼条件因素3.2.1风温与富氧率高风温在强化钒钛磁铁矿冶炼过程中发挥着关键作用，其对高炉冶炼有着多方面的重要影响。提高风温能够显著增加鼓入高炉内的热量，为高炉内的化学反应提供更充足的热能。在高炉冶炼钒钛磁铁矿时，由于其炉渣特性复杂，需要较高的温度来保证炉渣的流动性和反应的顺利进行。高风温可以使炉内温度升高，促进铁矿石的还原反应，加快反应速率，从而提高高炉的生产效率。研究表明，风温每提高100℃，高炉的燃料比可降低15-20kg/t，利用系数可提高0.05-0.1t/（m³・d）。这是因为高风温使得焦炭的燃烧更加充分，释放出更多的热量，同时也提高了煤气的温度和化学能，增强了煤气的还原能力，有利于铁矿石的还原。高风温还能够改善炉渣的性能。在高风温条件下，炉渣的黏度降低，流动性变好，这有助于炉渣与铁水的分离，提高炉渣的脱硫能力，改善生铁质量。高风温还可以减少炉渣中TiO₂的还原，降低炉渣中钛的碳、氮化合物（如TiC、TiN）的生成量，从而减少炉渣变稠的风险，保证高炉的正常运行。大富氧率同样对强化钒钛磁铁矿冶炼有着重要意义。富氧鼓风能够增加鼓风中的氧含量，使焦炭在风口前的燃烧更加剧烈，提高燃烧温度和燃烧速度。这不仅能够为高炉提供更多的热量，还能提高煤气中CO和H₂的浓度，增强煤气的还原能力，促进铁矿石的还原反应。在高富氧率条件下，高炉的冶炼强度可以得到显著提高，从而增加生铁产量。当富氧率从21%提高到25%时，高炉的冶炼强度可提高10%-15%，生铁产量相应增加。大富氧率还可以降低焦炭的消耗。由于富氧鼓风使燃烧更加充分，提高了热量利用率，从而可以减少焦炭的用量。这不仅降低了生产成本，还减少了焦炭燃烧产生的污染物排放，有利于环境保护。富氧鼓风还可以改善高炉内的煤气分布，使煤气与炉料的接触更加充分，提高煤气的利用率，进一步降低燃料消耗。高风温与大富氧率之间存在着协同作用。高风温为大富氧率提供了必要的温度条件，使得富氧鼓风能够更好地发挥作用；而大富氧率则可以进一步提高炉内的温度和反应速率，增强高风温的效果。在实际生产中，合理搭配高风温与大富氧率，能够实现钒钛磁铁矿的强化冶炼，提高高炉的生产效率和经济效益。通过提高风温至1200℃以上，同时将富氧率提高到30%左右，可以使高炉的利用系数达到2.5t/（m³・d）以上，燃料比降低至500kg/t以下，取得良好的冶炼效果。3.2.2炉渣二元碱度炉渣二元碱度（CaO/SiO₂）对炉渣性能和高炉冶炼过程有着深远影响，在高炉冶炼中起着关键作用。炉渣二元碱度对炉渣的熔化温度有着显著影响。当炉渣二元碱度在一定范围内提高时，炉渣中会形成更多低熔点的化合物，如钙铁橄榄石（CaO・FeO・SiO₂）等，这些化合物的生成能够降低炉渣的熔化温度。研究表明，当炉渣二元碱度从1.0提高到1.2时，炉渣的熔化温度可降低50-80℃。这使得炉渣在高炉内更容易熔化，有利于炉渣与铁水的分离，保证高炉的正常排渣。炉渣二元碱度对炉渣的黏度也有重要影响。适当提高炉渣二元碱度，能够改善炉渣的流动性，降低炉渣黏度。这是因为在合适的碱度范围内，炉渣中的离子结构发生变化，硅氧四面体的聚合程度降低，炉渣的内摩擦力减小，从而使炉渣的流动性得到改善。当炉渣二元碱度为1.1-1.2时，炉渣的黏度相对较低，有利于炉渣在高炉内的顺畅流动和排出。然而，如果炉渣二元碱度过高，会导致炉渣中CaO含量过多，形成高熔点的化合物，如正硅酸钙（2CaO・SiO₂）等，这些化合物会增加炉渣的黏度，使炉渣流动性变差，影响高炉的正常运行。在高炉冶炼过程中，炉渣二元碱度对脱硫反应有着关键作用。脱硫反应主要是通过炉渣中的CaO与铁水中的硫反应生成CaS进入炉渣来实现的。适当提高炉渣二元碱度，能够增加炉渣中有效CaO的含量，从而提高炉渣的脱硫能力。当炉渣二元碱度从1.0提高到1.2时，炉渣的硫分配系数Ls可提高2-3，脱硫效率显著提高。然而，过高的炉渣二元碱度也会导致炉渣的流动性变差，阻碍脱硫反应中物质的扩散和传质过程，反而降低脱硫效率。炉渣二元碱度还会影响高炉内的化学反应平衡。在高炉冶炼过程中，炉渣与炉料之间存在着复杂的化学反应，炉渣二元碱度的变化会改变这些反应的平衡状态。合适的炉渣二元碱度能够促进铁矿石的还原反应，提高铁的回收率；而不当的炉渣二元碱度则可能会抑制反应的进行，影响高炉的生产效率和生铁质量。综上所述，炉渣二元碱度是影响炉渣性能和高炉冶炼过程的重要因素。在实际生产中，需要根据高炉的具体情况和原料特性，合理控制炉渣二元碱度，以获得良好的炉渣性能和高炉冶炼指标。一般来说，对于承钢2500m³高炉冶炼钛型钒钛磁铁矿，炉渣二元碱度控制在1.1-1.2之间较为适宜，能够在保证炉渣流动性的前提下，提高炉渣的脱硫能力和高炉的生产效率。3.2.3高炉操作制度“大风口、大矿批、大α角、大角差、取消中心加焦”等上下部调剂操作制度对高炉顺行和指标优化起着至关重要的作用。“大风口”操作能够增加鼓风动能，使风口前的焦炭燃烧更加充分，炉缸活跃程度提高。在承钢2500m³高炉中，采用大风口设计，风口直径适当增大，鼓风动能显著增加。这使得煤气在炉缸内的分布更加均匀，能够有效避免炉缸中心堆积现象，保证炉缸工作的均匀性和稳定性。研究表明，当风口直径增加10%时，炉缸中心的煤气流量增加20%-30%，炉缸中心温度升高30-50℃，炉缸工作状态得到明显改善，为高炉的顺行提供了有力保障。“大矿批”操作可以减少炉料在炉内的布料次数，使炉料在炉内的分布更加均匀，改善料柱的透气性。在承钢高炉中，通过适当增加矿批重量，减少布料次数，炉料的偏析现象得到有效缓解，料柱的透气性得到显著提高。这有利于煤气的上升和炉料的下降，促进炉内的化学反应进行，提高高炉的生产效率。当矿批重量增加20%时，高炉的透气性指数提高15%-20%，炉内压差降低10%-15%，高炉的顺行状况明显改善。“大α角”和“大角差”操作能够调整炉料在炉喉的分布，使炉料在炉内形成合理的料面形状。通过增大α角，炉料在炉喉边缘的分布增多，能够抑制边缘煤气流，发展中心煤气流；而增大角差，则可以进一步强化这种气流分布调整效果。在承钢高炉中，采用大α角和大角差操作后，炉内煤气流分布更加合理，煤气利用率提高。煤气利用率从原来的40%提高到45%，燃料消耗降低8%-10%，高炉的经济效益显著提升。“取消中心加焦”操作可以避免中心焦炭过多导致的中心气流不畅问题。在传统操作中，中心加焦会使中心区域焦炭堆积，阻碍煤气上升，影响炉内反应。取消中心加焦后，中心气流得到充分发展，炉内温度分布更加均匀，炉料的还原反应更加充分。这不仅提高了高炉的生产效率，还改善了生铁质量。在取消中心加焦后，生铁中的硫含量降低0.02%-0.03%，铁的回收率提高2%-3%。综上所述，“大风口、大矿批、大α角、大角差、取消中心加焦”等上下部调剂操作制度相互配合，能够有效改善高炉的顺行状况，优化高炉的各项指标。在承钢2500m³高炉的实际生产中，通过合理应用这些操作制度，高炉的利用系数提高了0.1-0.2t/（m³・d），燃料比降低了30-50kg/t，取得了良好的经济效益和生产效果。四、钛型钒钛磁铁矿炉料优化的基础研究方向4.1合理炉料结构的研究4.1.1不同碱度钒钛烧结矿与球团比例的综合炉料试验为了深入探究钛型钒钛磁铁矿炉料的优化方向，在实验室模拟高炉冶炼条件下，进行了不同碱度钒钛烧结矿与球团比例的综合炉料试验。试验旨在研究在保证炉渣二元碱度、焦比、煤比等不变的条件下，综合炉料的软熔滴落性能以及对初铁中V、Cr含量和收得率的影响，从而确定合理的炉料结构。试验选用承钢实际生产中使用的钒钛烧结矿、球团矿和焦炭作为原料。通过调整烧结矿中CaO与SiO₂的添加量，制备出碱度分别为1.8、2.0、2.2的钒钛烧结矿。球团矿在综合炉料中的比例分别设定为20%、30%、40%。将不同碱度的钒钛烧结矿、不同比例的球团矿与焦炭按照一定的粒度要求进行混合，组成综合炉料样本。其中，焦炭的粒度控制在20-25mm，钒钛烧结矿和球团矿的粒度均控制在10-15mm，以保证试验条件的一致性和可比性。软熔滴落试验采用高温熔滴试验装置，该装置能够模拟高炉内的高温和压力条件。将制备好的综合炉料样本装入刚玉管中，置于高温炉内。首先以10℃/min的升温速率将温度从室温升高至1000℃，然后以5℃/min的升温速率继续升温至1600℃。在升温过程中，通过气体流量计控制CO和CO₂的混合气体流量，模拟高炉内的煤气成分，使炉料在还原气氛下进行软熔滴落反应。试验过程中，实时监测炉料的温度、压力降以及滴落物的重量和成分变化。当炉料开始软化变形时，记录此时的温度为软化开始温度T4；当炉料变形量达到40%时，记录的温度为软化终了温度T40。当炉料开始熔化并出现滴落物时，记录此时的温度为熔化开始温度TS；当滴落物完全停止滴落时，记录的温度为熔化终了温度TD。试验结束后，对滴落物进行成分分析，测定其中V、Cr等元素的含量，计算V、Cr的收得率。4.1.2试验结果与分析通过对不同碱度钒钛烧结矿与球团比例的综合炉料软熔滴落试验数据进行深入分析，发现随着综合炉料中烧结矿碱度的提高和球团比例的增加，综合炉料的冶金性能发生了显著变化。在软化性能方面，随着烧结矿碱度从1.8提高到2.2，软化开始温度T4基本维持在1100-1120℃，波动较小，基本保持不变；而软化终了温度T40则从1250℃升高至1280℃，导致软化区间（T40-T4）从150℃逐渐变宽至180℃。这是因为碱度提高，烧结矿中的铁酸钙等粘结相生成量增加，在软化过程中，这些粘结相的软化行为发生改变，使得软化终了温度升高，软化区间相应变宽。当球团比例从20%增加到40%时，软化开始温度T4基本稳定在1100-1110℃，变化不大；软化终了温度T40从1240℃升高至1260℃，软化区间（T40-T4）从140℃变宽至150℃。球团矿具有较好的强度和还原性，在软化过程中，球团矿的结构变化相对较慢，随着球团比例的增加，整体软化终了温度升高，软化区间变宽。综合炉料的熔化性能也受到烧结矿碱度和球团比例的显著影响。随着烧结矿碱度的提高，熔化开始温度TS从1300℃逐渐升高至1330℃，熔化终了温度TD从1400℃逐渐上升至1430℃，熔化区间TD-TS则从100℃明显收窄至100℃。这是由于高碱度促进了低熔点化合物的形成，使得炉料在熔化过程中更加集中，熔化区间变窄。当球团比例增加时，熔化开始温度TS从1290℃逐渐升高至1310℃，熔化终了温度TD从1390℃逐渐上升至1410℃，熔化区间TD-TS从100℃收窄至100℃。球团矿的加入改变了综合炉料的矿物组成和结构，使得炉料在熔化过程中反应更加集中，熔化区间变窄，球团矿中的FeO含量较低，在熔化过程中对炉渣的成分和性能产生影响，有助于改善炉渣的流动性，促进熔化过程的进行。随着综合炉料中烧结矿碱度的提高和球团比例的增加，初铁中V、Cr含量增加，V、Cr收得率明显提高。当碱度为1.8，球团比例为20%时，初铁中V含量为0.35%，V收得率为45%；当碱度提高到2.2，球团比例增加到40%时，初铁中V含量增加至0.42%，V收得率提高到52%。这是因为高碱度改善了炉渣的性能，促进了V、Cr等元素的还原，球团矿的增加也优化了炉料结构，使得更多的V、Cr进入初铁中。综合炉料的透气性能随着烧结矿碱度的提高和球团比例的增加而明显改善。通过透气性指数测试，当碱度为1.8，球团比例为20%时，透气性指数为35m²/（kPa・min）；当碱度提高到2.2，球团比例增加到40%时，透气性指数提升至45m²/（kPa・min）。高碱度使得综合炉料在软熔过程中形成的渣相更加均匀，减少了炉料颗粒之间的粘连，球团矿具有规则的形状和均匀的粒度，能够填充在其他炉料颗粒之间，改善料柱的孔隙结构，减少气体流通的阻力，从而提高了综合炉料的透气性能。综上所述，在一定范围内提高综合炉料中钒钛烧结矿的碱度和球团比例，有利于改善综合炉料的软化、熔化性能，提高初铁中V、Cr含量和收得率，同时显著改善综合炉料的透气性能，对高炉冶炼钒钛矿具有积极影响。在实际生产中，可根据高炉的具体情况和原料条件，合理调整钒钛烧结矿的碱度和球团比例，以优化炉料结构，提高高炉的生产效率和经济效益。4.2新型炉料的制备与优化4.2.1钒钛磁铁矿含碳热压块新型炉料的提出钒钛磁铁矿在我国储量巨大，仅承德地区已探明的钒钛磁铁矿资源总量就达83.7亿吨，占全国已探明资源储量的40%以上，如何高效利用这一特色资源对我国钢铁工业的健康发展意义重大。传统的钒钛磁铁矿炉料，如钒钛烧结矿和钒钛球团矿，存在诸多弊端。钒钛烧结矿强度低，在运输和高炉冶炼过程中易粉碎，其转鼓指数通常比普通烧结矿低2-3个百分点；低温还原粉化率高，一般大于60%，高的可达80%-85%，远高于普通烧结矿，这会导致高炉料柱透气性变差，影响高炉顺行；还原性能不好，炉内还原速率低，增加了冶炼难度和能耗。钒钛球团矿还原膨胀高，高温强度差，在高炉内易破碎，影响炉料的正常下降；焙烧温度高，能耗大，增加了生产成本。含碳热压块作为一种具备良好冶金性能的新型炼铁炉料备受关注。含碳热压块具有高反应性，在高炉冶炼过程中，其内部的碳与铁矿石能够迅速发生反应，有利于降低热空区温度，提高反应效率。含碳热压块的还原速度快，能够缩短冶炼时间，提高生产效率。其成品高温强度高，在高炉内能够承受较大的压力，不易破碎，保证了炉料的稳定性和透气性。含碳热压块还具有原料适应性强的特点，可以利用不同品位的钒钛磁铁矿进行制备，无需外加粘结剂，降低了生产成本。其生产温度低，相比传统的烧结和球团工艺，能够大幅节能降耗，符合钢铁工业可持续发展的要求。基于以上优势，本文提出了钒钛磁铁矿含碳热压块这一新型炉料的制备。通过对钒钛磁铁矿进行含碳热压处理，有望解决传统炉料存在的问题，提高钒钛磁铁矿的利用效率，改善高炉冶炼指标。制备钒钛磁铁矿含碳热压块还能够减少烧结过程中的环境污染，降低能耗，对于推动钢铁工业的绿色发展具有重要意义。4.2.2制备过程及影响因素分析在钒钛磁铁矿含碳热压块的制备过程中，热压温度、配碳比、煤粉粒度和矿粉粒度等因素对其抗压强度有着显著影响。热压温度是影响抗压强度的关键因素之一。随着热压温度的升高，钒钛磁铁矿含碳热压块的抗压强度呈现先增加后降低的趋势。当热压温度较低时，矿粉与煤粉之间的结合不够紧密，颗粒间的作用力较弱，导致热压块的抗压强度较低。随着温度升高，矿粉和煤粉颗粒表面的活性增强，它们之间的化学反应加剧，形成了更多的化学键和粘结相，从而使热压块的抗压强度逐渐提高。当热压温度超过一定值后，过高的温度会导致煤粉的过度燃烧和挥发，使热压块内部结构变得疏松，孔隙增多，从而降低了抗压强度。配碳比也对热压块的抗压强度产生重要影响。配碳比过低，热压块内部的还原反应不充分，矿粉无法得到有效的还原，导致热压块的强度较低。而配碳比过高，会使热压块在制备过程中产生过多的气体，这些气体在热压块内部形成气孔，降低了热压块的密度和强度。只有在合适的配碳比下，热压块内部的还原反应才能充分进行，同时又不会产生过多的气孔，从而获得较高的抗压强度。煤粉粒度和矿粉粒度同样会影响热压块的抗压强度。较细的煤粉粒度和矿粉粒度能够增加颗粒之间的接触面积，使反应更加充分，从而提高热压块的抗压强度。细粒度的颗粒在热压过程中更容易填充孔隙，使热压块的结构更加致密。如果煤粉粒度和矿粉粒度过细，会增加制备过程的能耗和成本，还可能导致颗粒团聚，影响热压块的质量。而较粗的粒度则会使颗粒之间的接触面积减小，反应不充分，降低热压块的抗压强度。为了深入研究这些因素的影响程度，进行了一系列实验。通过控制变量法，分别改变热压温度、配碳比、煤粉粒度和矿粉粒度，制备出不同参数下的钒钛磁铁矿含碳热压块，并测试其抗压强度。实验结果表明，热压温度对抗压强度的影响最为显著，配碳比、煤粉粒度和矿粉粒度也在一定程度上影响着热压块的抗压强度。因此，在制备钒钛磁铁矿含碳热压块时，需要综合考虑这些因素，选择合适的制备参数，以获得具有较高抗压强度的热压块，满足高炉冶炼的要求。4.2.3最佳制备参数的确定为了确定钒钛磁铁矿热压块的最佳制备参数，采用田口法进行分析。田口法是一种通过合理安排实验，利用正交表进行数据分析，从而找到最优参数组合的实验设计方法。该方法能够在较少的实验次数下，全面考察各因素对实验指标的影响，有效提高实验效率和准确性。在本研究中，将热压温度、配碳比、煤粉粒度和矿粉粒度作为四个影响因子，以钒钛磁铁矿热压块的抗压强度作为实验指标。根据田口法的原理，选择合适的正交表进行实验设计，安排了一系列不同参数组合的实验。在实验过程中，严格控制实验条件，确保实验数据的准确性和可靠性。通过实验获得不同参数组合下热压块的抗压强度数据后，进行信噪比分析。信噪比是田口法中用于衡量实验指标稳定性和优劣程度的重要参数，它综合考虑了实验数据的平均值和波动程度。通过计算各因子在不同水平下的信噪比，分析各因子对抗压强度的贡献率。实验结果表明，在热压温度、配碳比、煤粉粒度和矿粉粒度四个影响因素中，热压温度对抗压强度的影响程度最大，其贡献率达到了79.11%。这表明热压温度的微小变化都会对热压块的抗压强度产生显著影响。配碳比的贡献率为1.42%，虽然其影响相对较小，但合适的配碳比对于保证热压块内部还原反应的充分进行至关重要。煤粉粒度的贡献率为16.58%，合适的煤粉粒度能够增加反应活性和接触面积，对热压块的抗压强度有一定影响。矿粉粒度的贡献率为1.64%，虽然其影响程度相对较低，但也不可忽视，合适的矿粉粒度有助于形成致密的结构，提高热压块的强度。基于田口法的分析结果，确定钒钛磁铁矿热压块的最佳制备参数为：热压温度300℃、配碳比1.6、煤粉和矿粉粒度均为−200目。在优化后的参数下进行验证实验，得到的钒钛矿热压块的平均抗压强度达到1306.5N，满足高炉冶炼对炉料强度的要求。通过确定最佳制备参数，能够制备出性能优良的钒钛磁铁矿含碳热压块，为高炉冶炼提供优质的炉料，有望改善高炉冶炼指标，提高生产效率和经济效益。4.3选矿技术的优化4.3.1现有选矿技术分析以攀枝花钒钛磁铁矿为例，其原矿为岩浆岩型铁矿，岩体主要由角闪石、辉石组成，中心部位可出现橄辉岩、橄榄岩等，矿体赋存于辉石岩、角闪石岩中。矿石主要包含脉石矿、钛铁矿、钒钛磁铁矿等矿物，通常呈浸染状或块状的自形半自形粒状结构。其原矿的主要化学成分具有一定特点，FeO含量为10.30%，Fe₂O₃含量为33.71%，MgO含量为1.60%，CaO含量为0.15%，MnO含量为0.32%，Al₂O₃含量为2.26%，SiO₂含量为33.55%，TiO₂含量为10.46%，V₂O₅含量为0.73%，Cr₂O₃含量为0.48%，P₂O₅含量为0.078%，Co含量为0.097%，Cu含量为1.163%，Ni含量为1.015%。在原工艺流程中，暴露出诸多问题。在精矿品位和金属回收率方面，存在难以兼顾的情况，保证了精矿品位，就难以顾及金属回收率。尾矿平均品位大于1%，处于较高水平，这意味着有大量的有用金属未能得到有效回收，造成了资源的浪费。在磨矿环节，一段入磨无法精准控制物料粒度粗细，导致台效波动大，生产不稳定，影响了选矿效率和产品质量。二段磨矿效果较差，始终维持在60%左右浓度的水平上，这不利于后续的选别作业，降低了精矿的质量和回收率。一段球磨的台效无法得到有效提高，中矿在磨矿作业间形成恶性循环，进一步影响了生产效率和经济效益。整个选矿过程成本居高不下，这不仅增加了企业的运营负担，还降低了产品的市场竞争力。4.3.2流程优化改造及特点针对攀枝花钒钛磁铁矿原工艺流程存在的问题，进行了一系列流程优化改造。在破碎工艺流程改造方面，通过选用新型CCCX干磁选机，在不提高总尾矿石的前提下，对合格尾矿进行筛除，有效排除了无用脉石的干扰。这一改造提升了选别系统整体功效，使入磨原矿品位得到提高，为后续的磨选作业提供了更好的原料条件，有助于提高精矿品位和金属回收率，从而提高综合经济效益，满足了超低品位磁铁矿石开发的经济效益基本条件。磨选工艺流程也进行了优化改造。通过合理调整磨矿设备的参数和工艺流程，提高了磨矿效率和产品质量。采用了新型的磨矿介质和分级设备，使物料在磨矿过程中能够更加充分地被研磨，粒度分布更加均匀，从而提高了精矿品位。优化后的磨矿流程能够更好地控制物料的浓度和粒度，二段磨矿浓度得到了有效控制，提高了磨矿效果，有利于后续的选别作业。通过优化磨选工艺流程，精矿品位从原来的66.81%提高到了70%，尾矿品位从原来的大于1%降低到了0.8%，金属回收率从原来的81.34%提高到了85%。这些指标的显著变化表明，流程优化改造取得了良好的实际效果，提高了资源的利用效率，降低了生产成本，提升了企业的经济效益和市场竞争力。4.3.3进一步优化的建议尽管攀枝花钒钛磁铁矿选矿技术在流程优化改造后取得了一定成效，但仍存在一些可以进一步优化的空间。在磨矿环节，虽然通过现有优化措施提高了磨矿效果，但仍可进一步研究磨矿设备的选型和参数优化。可以探索采用新型的高效磨矿设备，如塔式磨矿机、搅拌磨等，这些设备具有磨矿效率高、能耗低、产品粒度细且均匀等优点，可能会进一步提高磨矿效果，降低能耗。优化磨矿介质的材质、形状和尺寸，使其与矿石特性更好地匹配，也有助于提高磨矿效率和降低磨矿成本。在选别工艺方面，可以进一步研究和应用新型的选别技术和药剂。对于钒钛磁铁矿的选别，除了传统的磁选、浮选、重选工艺外，还可以探索采用磁-浮联合、重-浮联合等联合选别工艺，充分发挥不同选别方法的优势，提高铁、钒、钛等金属的回收率。研发和应用新型的浮选药剂，提高药剂的选择性和捕收能力，有助于提高精矿品位和回收率。还可以利用人工智能和自动化技术，实现选别过程的智能控制，根据矿石性质和选别指标的变化实时调整选别参数，提高选别效果的稳定性和可靠性。在资源综合利用方面，目前尾矿中仍含有一定量的有用金属，可进一步研究尾矿的再选工艺，提高尾矿中有价金属的回收利用率。开展尾矿的综合利用研究，将尾矿用于建筑材料、道路工程等领域，实现尾矿的资源化利用，减少尾矿对环境的影响，提高资源的综合利用效益。通过对磨矿、选别工艺以及资源综合利用等方面的进一步优化，可以进一步提高钒钛磁铁矿的选矿技术水平，实现资源的高效利用和可持续发展。五、承钢2500m³高炉炉料优化的案例分析5.1承钢新3#高炉指标优化分析5.1.1高炉工艺设备配置承钢新3#高炉（2500m³）在工艺设备配置上具备诸多先进特性。该高炉设计有4个铁口，这种多铁口的设计能够更有效地实现炉内铁水的排放，提高出铁效率，减少出铁时间间隔，保证高炉生产的连续性。30个风口均匀分布于炉缸周围，风口的合理布局对于鼓风的均匀分布至关重要，能够使热风均匀地进入炉内，促进焦炭的充分燃烧，提高炉缸的活跃程度，保证炉内化学反应的稳定进行。并罐式无钟炉顶是该高炉的一大特色，这种炉顶结构具有布料灵活、布料精度高的优点。通过旋转溜槽的不同角度和转速，可以实现炉料在炉喉的精确分布，使炉料在炉内形成合理的料面形状，优化煤气流分布，提高煤气利用率，进而降低燃料消耗，提高高炉的生产效率。炉身双层静压的设置，能够实时监测炉身不同部位的压力变化，为操作人员提供准确的压力数据，有助于及时发现炉内的异常情况，如炉料偏析、煤气流分布不均等，从而采取相应的调整措施，保证炉况的稳定顺行。炉腹、炉腰、炉身中下部四层铜冷却壁的应用，充分发挥了铜冷却壁良好的导热性能和抗热震性能。在高炉冶炼过程中，这些部位承受着高温和炉渣的侵蚀，铜冷却壁能够快速将热量传递出去，使炉衬温度保持在合理范围内，形成稳定的渣皮，保护炉衬，延长高炉的使用寿命。煤气在线分析系统的配备，能够实时监测炉内煤气的成分和含量变化，包括CO、CO₂、H₂等关键成分。通过对煤气成分的分析，操作人员可以了解炉内的化学反应进程，判断炉况的好坏，及时调整操作参数，如风量、风温、燃料比等，以保证高炉的高效、稳定运行。5.1.2操作技术进步的措施与经验承钢新3#高炉在操作技术上经历了不断的探索与进步，取得了显著成效。在过去的生产中，高炉存在一些突出问题，燃料消耗长期处于较高水平。由于钒钛矿冶炼特点，在块状带低温粉化率较高，形成渣铁后，炉渣中的TiO₂在高炉冶炼过程中过还原生成难熔Ti(C,N），造成渣铁分离困难、泡沫渣等现象，使渣铁流动性变差。当原燃料质量波动较大时，为维持高炉稳定，只能发展边缘气流、控制中上限炉温，这导致燃料消耗增加，铁损升高。较高的煤气利用率不能与稳定的炉况长期共存，炉况稳定性较差，限制了高炉生产效率的提升。针对这些问题，新3#高炉工作者积极探索，采取了一系列有效措施。在操作制度上，提出了“大风口、大矿批、大α角、大角差、取消中心加焦”的上下部调剂相结合的操作制度。“大风口”增加了鼓风动能，使风口前的焦炭燃烧更加充分，炉缸活跃程度显著提高，煤气在炉缸内的分布更加均匀，有效避免了炉缸中心堆积现象，为高炉的顺行提供了有力保障。“大矿批”操作减少了炉料在炉内的布料次数，使炉料分布更加均匀，改善了料柱的透气性，有利于煤气的上升和炉料的下降，促进了炉内化学反应的进行，提高了高炉的生产效率。“大α角”和“大角差”操作调整了炉料在炉喉的分布，抑制了边缘煤气流，发展了中心煤气流，使炉内煤气流分布更加合理，煤气利用率显著提高。“取消中心加焦”操作避免了中心焦炭过多导致的中心气流不畅问题，使中心气流得到充分发展，炉内温度分布更加均匀，炉料的还原反应更加充分，提高了生铁质量。新3#高炉注重对原燃料质量的控制和优化。加强对烧结矿、球团矿和焦炭等原燃料的质量检测，严格控制其化学成分、粒度分布和强度等指标。通过优化配矿方案，提高烧结矿的碱度和球团矿的比例，改善了炉料的冶金性能。同时，加强对原燃料的储存和管理，减少其在储存和运输过程中的质量变化，为高炉的稳定顺行提供了优质的原燃料保障。通过这些操作技术的改进和优化，新3#高炉取得了显著的进步。炉况实现了长周期稳定顺行，为高炉的高效生产奠定了坚实基础。成功掌握了大高炉钒钛矿冶炼大矿批操作，提高了生产效率。高炉主要经济技术指标明显优化，焦比突破350kg/t，综合焦比达到501kg/t，燃料比降低，煤气利用率提高，铁损降低，取得了良好的经济效益。5.2承钢高炉降低焦炭质量生产实践5.2.1降低成本的措施在钢铁行业竞争日益激烈的背景下，降低生铁成本成为承钢高炉生产的关键任务。为实现这一目标，承钢高炉采取了一系列针对性措施。在焦炭使用方面，停止配加优质焦炭，优化焦炭配比，提高外购一级焦及自产干熄焦比例，减少优质焦的使用量。这一举措在一定程度上降低了焦炭采购成本，但也对高炉生产带来了挑战，因为焦炭质量的改变可能影响高炉的透气性和炉况稳定性。在原料结构调整上，承钢高炉在烧结矿配料中减少外购普粉比例，提高本地钒粉比例。本地钒粉资源丰富，成本相对较低，增加其使用比例可以降低原料采购成本。同时，配吃廉价高硅块矿，如金宝块、库兰块、吉普森块、土耳其块等。这些高硅块矿价格较低，能够有效降低入炉料成本。但高硅块矿的使用也需要谨慎控制，因为其化学成分和物理性质与常规原料不同，可能对炉渣性能和高炉冶炼过程产生影响，需要在生产过程中密切关注炉渣的熔化温度、黏度、脱硫能力等指标，以及高炉的透气性、炉温稳定性等情况，及时调整操作参数，以保证高炉的正常运行。通过这些措施的实施，承钢高炉在降低生铁成本方面取得了一定成效。在优化焦炭配比和调整原料结构后，入炉料成本显著降低，为企业在激烈的市场竞争中赢得了成本优势。这些措施也对高炉的生产操作提出了更高要求，需要通过合理的调剂手段和精细的生产管理来确保炉况的稳定。5.2.2炉况稳定的保障措施在降低焦炭质量的过程中，为防止焦炭结构改变影响炉况稳定，承钢高炉采取了上部与下部调剂相结合、炉内与炉前密切配合的方法。在上部调剂方面，通过优化布料制度，合理调整矿批重量和布料角度，使炉料在炉内分布更加均匀，改善料柱的透气性。根据焦炭质量的变化，适当增加矿批重量，减少布料次数，使炉料在炉内形成更加稳定的料层结构，减少粉末对料柱透气性的影响。调整布料角度，控制边缘和中心煤气流的分布，使煤气在炉内的上升更加顺畅，提高煤气利用率，保证炉内热量分布均匀。下部调剂主要通过调整风口参数来实现。根据焦炭质量和炉况变化，适当扩大风口直径，增加鼓风动能，使风口前的焦炭燃烧更加充分，炉缸活跃程度提高。合理控制风口的进风角度和风速，使热风均匀地分布在炉缸内，避免炉缸局部过热或过冷，保证炉缸工作的均匀性和稳定性。炉内操作方面，密切关注炉温、炉渣碱度等关键参数的变化，及时调整喷煤量、风量等操作参数。当焦炭质量下降导致炉温波动时，通过调整喷煤量来稳定炉温，保证炉内化学反应的正常进行。严格控制炉渣碱度，根据炉渣的熔化温度、黏度等性能变化，调整炉渣成分，确保炉渣具有良好的流动性和脱硫能力，促进渣铁分离。炉前操作也至关重要，加强出铁管理，确保出铁顺畅。根据炉内铁水的生成情况，合理安排出铁时间和出铁量，避免铁水在炉内积压。加强对铁口的维护，保证铁口的深度和角度稳定，防止铁口过浅或角度异常导致出铁不畅。在出铁过程中，及时清理铁沟和渣沟，保证渣铁顺利排出，减少渣铁对炉缸的侵蚀。通过这些措施的有效实施，承钢高炉成功实现了炉况的平稳过渡，并取得了良好的技术指标。在降低焦炭质量的情况下，高炉的利用系数保持稳定，燃料比未出现明显上升，生铁质量也得到了有效保障。这表明通过合理的调剂手段和密切的生产配合，可以在降低成本的同时，确保高炉的稳定运行，为企业的可持续发展提供了有力支持。5.3承钢2500m³高炉钒钛矿冶炼的上下部调剂5.3.1上下部调剂操作制度经过不懈的探索，承钢新3号炉采用了“大风口、大矿批、大α角、大角差、取消中心加焦”的上下部调剂相结合的操作制度。在风口方面，增大风口直径，使得鼓风动能显著增加。鼓风动能的计算公式为E=\frac{1}{2}mv^{2}，其中m为鼓风质量流量，v为鼓风速度。通过增大风口直径，在相同风量条件下，鼓风速度增加，从而鼓风动能增大。这使得风口前的焦炭能够更充分地燃烧，炉缸的活跃程度大幅提高，煤气在炉缸内的分布更加均匀，有效避免了炉缸中心堆积现象，为高炉的稳定顺行奠定了坚实基础。矿批方面，将矿批重量扩大到75-76t，处于批重的特征曲线图微变区中。在该区域，煤气利用效率较高，有利于高炉的顺行和长寿。随着冶炼强度的提高和风量的增加，中心气流会相应加大，此时适当扩大批重，可以有效抑制中心气流，使炉内煤气流分布更加合理。在布料角度方面，采用大α角和大角差操作。α角的增大使得炉料在炉喉边缘的分布增多，能够有效抑制边缘煤气流；而大角差则进一步强化了对煤气流分布的调整效果，使中心煤气流得到更好的发展。通过这种方式，炉内煤气流分布更加合理，煤气利用率得到显著提高。煤气利用率的提高意味着更多的煤气化学能被有效利用，减少了燃料的消耗，提高了高炉的生产效率。取消中心加焦操作也是该操作制度的重要组成部分。在传统操作中，中心加焦容易导致中心焦炭过多，阻碍中心气流的顺畅上升，影响炉内反应的充分进行。取消中心加焦后，中心气流得以充分发展，炉内温度分布更加均匀，炉料的还原反应更加充分，从而提高了生铁质量。在取消中心加焦后，生铁中的硫含量降低了0.02%-0.03%，铁的回收率提高了2%-3%。5.3.2实施效果分析新3号炉“大风口、大矿批、大α角、大角差、取消中心加焦”的上下部调剂相结合的操作制度，取得了显著的实施效果。在高炉利用系数方面，得到了显著提高，从之前的水平提升至2.31-2.38t/m³・d。利用系数的提高意味着在单位时间内，单位高炉容积能够生产出更多的生铁，这直接提高了高炉的生产效率，增加了企业的产量和经济效益。这主要得益于操作制度改善了炉内的煤气分布和炉料的透气性，使炉内的化学反应更加充分和高效。燃料比也明显降低，降至518kg/t。燃料比的降低是高炉冶炼过程优化的重要体现，它表明在生产相同数量生铁时，所需的燃料量减少，从而降低了生产成本。这是由于合理的上下部调剂使炉内的热量利用更加充分，煤气的还原能力得到有效发挥，减少了燃料的不必要消耗。铁水Si+Ti含量降低，热负荷也随之降低。铁水Si+Ti含量的降低有利于改善铁水的质量，减少后续炼钢过程中的处理难度和成本。热负荷的降低则减轻了高炉冷却系统的负担，有利于高炉的长寿。在传统操作中，由于炉内反应不够充分和合理，铁水Si+Ti含量较高，热负荷较大，对高炉的寿命和生产稳定性产生不利影响。而新的