一.概述

用普通大型高炉冶炼钒钛磁铁矿，特别是渣中To2 >:22%的高钛钒钛磁铁矿，过去在国内外被认为是不可能的。由于技术原因，用常规方法冶炼会出现粘渣、渣铁不清、炉膛堆积等现象，给正常生产带来困难。

攀枝花地区盛产钒钛磁铁矿，是中国三大铁矿石之一。与铁矿共生的钒钛资源在中国和世界占有重要地位。

经过60年代中期的大规模工业科学实验，解决了基础技术问题，开创了高炉冶炼钒钛矿技术，为攀枝花资源的开发利用奠定了基础。因此获得了国家发明奖。但泡沫渣、铁水粘罐、铁损高、品位低、渣量大等一些长期困扰生产的重要技术问题尚未解决，冶炼工艺和操作技术尚不完备。泡沫渣、铁水粘罐、粘渣、铁损高、脱硫能力低的成熟，导致攀钢高炉各项指标偏低。自1970年投产以来，高炉利用系数达到低设计指标(1-40t/m3·d)用了10年时间，之后长期徘徊在1.5-1.6t/m3·d的低水平，消耗高，焦比在620kg/t以上，经济效益差，连年亏损。

90年代中期，攀钢以钒钛磁铁矿高炉强化冶炼为重点，进行了系统的科技攻关，开展了一系列科学实验和理论研究，成功开发了钒钛磁铁矿高炉强化冶炼新技术，取得了重大突破性进展。各项指标都有大幅提升。在低品位原料条件下，高炉利用系数达到国内外先进水平。自1998年下半年以来，利用系数(未经换算的实际值)一直保持在2.0t/m3·d以上，1999年第一季度平均利用系数为2.143t/m3·d，焦比降至484kg/t，吨铁喷煤量为98.54。

表1攀钢1990-1998年主要技术经济指标

表1攀钢炼铁厂1990-1998年主要技术经济指标

二、主要技术问题的突破

泡沫渣、铁水粘罐、粘渣、铁损高、脱硫能力低是钒钛高炉冶炼试验中的重要技术问题，也是攀钢高炉投产后长期困扰生产的主要问题。

(一)泡沫渣问题

冶炼钒钛矿的高炉渣流入渣罐后，产生大量气体，使炉渣沸腾成泡沫溢出罐外。但波动后，罐内只有一半的渣，渣罐的容量不能充分利用。但由于高炉产出的渣铁不纯，炉内压差增大，鼓风被迫降低，冶炼强度无法提高。

通过理论研究和生产试验，弄清了泡沫渣的形成机理，找到了消除措施。

热力学分析表明，渣中的TiO2被TiC、饱和碳和无定形碳还原产生大量CO气体，这是沸腾的原因(图1)。

图1 TiC反应的△G与t的关系

从动力学分析，当渣中生成的CO气泡的生成速率和稳定性达到一定程度时，发泡渣就会沸腾。

Vt≥15.56u-0.3016

其中vt-气泡生成速度

炉渣中CTI (c，n)-Ti (c，n)的浓度

u-参数，取值范围为1 ~ 8

△G——成核活化能

△GF——气相和渣相体积自由能的变化

△GH-还原成CO的化学反应自由能的变化

根据主要参数的分析，可以得出泡沫渣形成的区间(图2)。

图2泡沫渣(高钛含量全钒钛渣)的形成条件

通过调整炉渣成分，控制炉渣中TiO2含量为23% ~ 24%，改变了钛渣的结构，降低了炉渣中TiO2的活性，提高了炉内高温区的氧势，从而抑制了TiO2的过度还原，有效消除了泡沫渣沸腾现象。

(2)铁水粘罐问题

粘铁是钒钛矿冶炼中的一种特殊现象。虽然普通矿石冶炼时铁水包是粘结的，但粘结料的熔化温度低于出钢温度，在下一次出钢时可以熔化，而且钢包的内衬随着刷洗越来越薄，一般可以用300 ~ 400次。但由于熔融钒钛中V和Ti的氧化物，其熔点很高，高于出钢温度，所以在下一次出钢时无法熔化，而且越厚的铁水越多，只能用几十次。严重影响了高炉的正常生产。

通过对粘罐机理的研究和澄清，发明了吹氧化罐和氧气喷枪熔罐技术来解决粘罐问题，并采取了冷扣罐、喷涂用蜡砖砌筑罐盖、炉前焖砂口操作防止炉渣进入罐内、铁水罐加入蛭石保温等措施，彻底解决了铁水罐粘罐问题。

(3)消除粘渣，减少铁损。

随着高炉还原过程的进行，炉渣中的部分二氧化钛被还原成钛碳氮化合物。TiC的熔点为3140℃±90℃，TiN的熔点为2950℃±50℃，远高于炉内最高温度。它们通常以几微米但比表面积大的固体颗粒分散在渣中并包裹在铁珠周围，使铁珠难以聚合，渣中铁含量增加，粘度增加几十倍，造成粘渣和铁损高。由于形成了“高温亲液胶体”和“网状结构”，其粘度已不能用牛顿力学计算。实验表明，1480℃时稠化渣的粘度η=2.817e105.34φ，其中

高炉在低硅和低钛的条件下操作，并且控制炉热水平以抑制TiO2的过度还原。采取特殊措施使增厚的炉渣增厚，活化炉膛。加强炉前操作，缩短渣铁在炉内停留时间，采用合理的炉料结构，将TiO2控制在合适的范围，从而有效消除粘渣，降低铁损。

(4)钛渣脱硫能力的提高

由于渣中TiO2 _ 2呈弱酸性，高钛渣的脱硫能力远低于普通高炉渣，Ls仅为5 ~ 9，而普通炉渣的Ls为20 ~ 30。

实验室研究表明，钛渣的碱度R可表示为

系数α = 0.7，β = 0.15，γ = 0.6。

通过科技攻关，选择合适的炉温和炉渣碱度，降低冶炼操作标准偏差，改善钛渣性能，增加流动性，强化冶炼，活化炉膛，提高入炉原料质量，提高风温，降低硫负荷，使钛渣脱硫能力提高，生铁质量明显提高，铁水平均硫含量由0.075%降至0.054%。

第三，优化炉料结构，提高钒钛烧结矿强度。

为提高原料质量，烧结矿碱度由1.2提高到1.75，避开了钒钛烧结矿的低强度范围，降低了粉化，使高炉炉料不再添加石灰石，从而降低焦比。

近年来，为落实精矿政策，改变渣量大给集约化冶炼带来的困难，提高入炉矿石品位是优化炉料结构的重点之一。通过适当提高钒钛铁精矿品位，增加烧结富矿粉用量，增加熔剂有效CaO，入炉矿石品位由1995年的45.47%提高到1998年的46.57%，1999年第一季度提高到47.01%。不仅入炉铁量增加，而且渣量减少，改善了炉内压差分布，降低了铁损和焦比，使攀钢高炉获得了品位提高1%，产量提高3%以上的效益。

高钛钒钛磁铁精矿的特点是TiO2、Al2O3高，SiO2低，球形度差，含液量低，是一种特别难烧的矿石。针对上述特点，成功开发了高负压厚料层操作、添加生石灰和钢渣、富氧点火、添加复合粘结剂、采用ISF偏析布料技术、二次添加燃料、烧结矿喷卤化物等一系列技术措施。明显提高了钒钛烧结矿的冷热强度，改善了质量，提高了产量。

四。优化高炉操作强化冶炼

在解决钒钛矿冶炼技术难题、实现生产正常化的基础上，围绕高炉冶炼，不断优化工艺操作参数和操作制度，创造了一套完善的工艺技术。它包括钒钛矿冶炼合理的热工制度和造渣制度，上调节高压操作，无料钟炉顶多环布料和中心炼焦技术，中调节控制合适的热流强度，下调节120 ~ 150 kJ/s的高鼓风动能，防止钛渣增厚的特殊措施，以达到活化炉膛、强化冶炼的目的。

攀钢高炉冶炼高钛钒钛矿，喷煤长期以来一直是技术领域的禁区。1967年，在首钢老2号高炉进行钒钛冶炼模拟试验时，两次喷煤粉尝试均告失败。由于一部分未完全燃烧的煤粉进入炉膛，与高温炉渣接触，形成渣焦反应，碳与之反应，生成高熔点的碳氮化钛。TiO2+3C=TiC+2CO2，△F0t = 125500-80.29t；TiO2+3C+1/2N2=TiN+2CO2，△F0t=90100-61.24T .炉渣变厚，渣铁难以分离，无法正常生产，被迫停止喷涂。

从20世纪80年代开始，攀钢高炉再次尝试喷吹煤粉。为了保证煤粉的快速完全燃烧，避免炉渣的增厚，开发发明了氧煤喷枪。据查新，这在当时是国内外首例。1991年，攀钢高炉氧煤混喷技术被列入八五国家科技攻关项目。进一步改进了喷吹系统，进行了不同结构的氧煤枪生产试验(图3)。取得了良好的效果，实现了用最少的氧气量进行最大喷煤量的目标。目前，喷煤量已达到120kg/t的平均水平

此外，攀钢高炉还开发了冶炼钒钛矿的富氧鼓风、炉前操作强化技术、焖砂口应用等。

图3氧煤枪结构示意图

为了建立高炉冶炼钒钛矿的数学模型，实现冶炼过程的分步自动控制，攀钢4号高炉开发了计算机专家系统。炉况判断和热状态判断两个子系统由美国西屋公司WDPF计算机开发。在热态下，铁水中钛含量的预测被用作控制高炉操作热水平的依据。[[Ti]]的预报采用自适应人工神经网络综合预报系统。炉况正常时，采用自适应系统，炉况不平顺时，在0.03%的误差范围内命中率为86.8%，具有一定的参考作用(图4、5、6。)

图4攀钢4号高炉炉况判断和操作指导专家系统结构图。

图5铁水钛含量综合预测系统结构

图6神经网络预测钛含量的结构

5.冶炼钒钛矿高炉炉体解剖及护炉研究。

为了进一步探索高炉冶炼钒钛矿的规律，对410厂0.8m3高炉进行了解剖试验。高炉用攀枝花钒钛矿冶炼，渣中TiO2为27% ~ 28%。

从解剖中可以看出，整个宏观情况从上到下仍然明显存在堵塞区、软熔区、滴落区和风口回旋区。图7显示了熔炉的横截面。

图7 0.8m ^ 3高炉钒钛磁铁矿冶炼断面状态

通过解剖实验，了解了铁、钒、钛等元素在高炉中的行为，炉内温度分布和Ti (C，N)的形成(图8)，对钒钛矿高炉冶炼的理论研究和生产实践具有重要的参考价值。

图8不同高度t、rferti和η的变化

冶炼钒钛矿可以保护高炉炉缸和炉底。这是在攀钢1号、2号、3号高炉大修停炉调研时观察到的。

冶炼钒钛矿的高炉炉缸和炉底的砖衬上有一层致密的沉积物。根据化学相、岩相、X射线和扫描电镜分析，它是一种多相物质，含有大量高熔点低价钛化合物、特殊形态的金属铁和其他炉渣矿物。沉积物的上部含有较多的黑云母，下部含有较多的Ti(C，N)固溶体。由于熔点高，最终熔化温度在1500℃以上，在此区域无法熔化，从而保护了炉底砖衬(图9)。

图9攀钢2号高炉炉缸炉底侵蚀情况。

冶炼钒钛矿对高炉、炉缸、炉底的侵蚀比冶炼普通矿石要温和得多，粘土砖制成的炉底寿命可保证10年以上。在冶炼普通矿石的高炉中加入少量含钛物料(TiO _ 27 ~ 15 kg/t)也能起到护炉作用。从1980年开始在国内高炉逐步推广，已有64座高炉使用攀枝花钒钛矿护炉，对延长高炉寿命起到了很大作用。

第六，系统理论的建立

经过大量的科学实验和生产实践，建立了世界首创的钒钛磁铁矿高炉冶炼系统理论。

该理论包括高炉冶炼钒钛磁铁矿的基本原理、钒钛磁铁矿的还原过程、铁、钒、钛等元素在高炉中的行为、钒钛氧化物还原反应的热力学和动力学、高钛渣的特性和机理、钒钛磁铁矿高炉冶炼规律和钒钛磁铁精矿的烧结特性。

在正确理论的指导下，攀钢高炉冶炼钒钛磁铁矿的生产技术得到了迅速发展。

七。结论。

攀钢高炉通过科学实验和技术研究，成功开发了钒钛磁铁矿强化冶炼新工艺，建立了良好的理论和应用技术，主要生产指标取得重大突破。在进矿品位仅为46%的情况下，使用难选钒钛矿，高炉利用系数可达2.0t/m3·d以上，居国内外同类高炉前列。