2021 年 2 月炼钢Feb.2021
李双江1，张媛2，张军国3，张飞1 ，卫广运1，马浩冉1
(1.河钢集团钢研总院，河北石家庄05U023;
2.河北科技大学理学院，河北石家庄()5()m8;
3.河钢集团唐钢公司第一钢轧厂，河北唐山063016)
摘要：基于河钢集团唐钢公司150 t转炉含钛铁水冶炼实绩，采用冶金热力学分析和现场试验相结合
的方法，研究了含钛铁水转炉造渣冶炼及其预处理喷氮预脱钛行为。研究结果表明：铁水钛的质量分数
在0.12 %以下时，转炉采用单渣法冶炼，可控制喷派。向含钛铁水中喷吹氮气，促使氮化钛类物质析
出，从而降低铁水钛含量的方法可行。铁水氮含量越高、温度越低，越有利于铁水脱钛反应的进行。平
衡条件下，铁水温度和钛的质量分数分别控制在1573 K和(>.12 %时，铁水中平衡溶解氮的质量分数在
13 X 1()^ ；铁水预处理喷氮气预脱钛，其脱钛率在2() %左右。
关键词：含钛铁水；转炉；单渣法；热力学；预脱钛
中图分类号：T F703文献标志码：A文章编号：1002-1043(2021)01-0023-04
Research on titanium-containing molten iron converter smelting and its
pre-detitanium behavior
LI Shuangjiang1, ZHANG Yuan2, ZHANG Junguo3, ZHANG Fei1, WEI Guangyun1 ,MA Haoran1
1. Technology and Research Institute of HBIS Group.Shijiazhuang 050023,China
2. College of Science,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,China
3. No. 1Steel Rolling MilUTangsteel Company of HBIS Group,Tangshan 063016,China
Abstract：Based on the smelting performance of titanium-containing molten iron in a 150 t converter
of HBIS Group Tangsteel Company, the behavior of titanium-containing molten iron converter slag
making and its de-titanium pretreatment with nitrogen injection were studied with metallurgical
thermodynamic analysis and field test. The results showed that the converter could control splash
with single slag method when the titanium mass fraction controlled below 0.12 % in molten iron.
The method of blowing nitrogen into the titanium-containing molten iron to promote the precipitation
of titanium nitrides, thereby reducing the content of titanium in molten iron was feasible. It was
beneficial for de-titanium reaction together with nitrogen mass fraction increasing and temperature
decreasing in molten iron. When the temperature of molten iron and titanium mass fraction were
controlled at 1573 K and 0.12 % respectively, the balanced dissolved nitrogen mass fraction in
molten iron was 13 x i〇~6under equilibrium conditions. The de-titanium rate was about 20 % in the
process of de-titanium pre t reatment by hot metal nitrogen injection.
Key words：titanium-containing molten iron；converter；single slag； thermodynamics；pre-detitanium
采用含钛矿冶炼是炼铁厂高炉常用的护炉方 法[w]。高炉采用廉价钛矿冶炼可以提高其寿命，降低炼铁成本，但同时会导致铁水钛含量升高，给 炼钢工序造成不利影响。突出表现为转炉冶炼前 期起渣快、泡沫化及喷溅严重，脱磷效果差，石灰 消耗增加，派渣护炉效果不佳。
在采用含钛铁水炼钢方面，国内外进行了一 定的研究。鞍钢基于含钛铁水炼钢，开发了含 Na20和K20的低熔点的渣铁分离剂[3]，优化了 预处理扒渣操作，转炉冶炼采用“双渣法”。首钢 针对钛质量分数在(>.15 %以上的高钛铁水，对转 炉炼钢“双渣法”工艺进行了改进，并对其成淹机
基金项目：河北省青年拔尖人才支持计划项目（[2()16]1(0 ；河北科技大学博士科研启动基金项目（81/1181290) 通信作者：张媛（卜彡85 —)，女.博士，讲师；E-mail:*********************；收稿日期：202()-()4_25
• 24 •
炼钢
第37卷
从图1中可以看出.为了防止喷鹏，转炉对部 分炉次选择性地进行了双渣法冶炼。从统计结果 分析，转炉双瘡率平均在15 %〜2() %，3月1日 转炉双渣率达到50 %以上。
研究选取双渣率最高的6个生产日，共计 178炉次进行分析，其造渣情况与铁水中T i 、S i 含 量的关系如阁2所示。
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 1! 12 13 14 15
2012年3月份生产日期
注：图上数据为双渣率/%
图1 15U t 转炉含钛铁水冶炼造渣实绩
Fig. 1 Performance of slag making method for titanium-containing molten iron
smelting in 150 t converter
如图1所示。
理进行了分析4，取得了较好效果。
河钢集团唐钢公司（以下简称河钢唐钢）高炉 采用含钛矿护炉.铁水T i 质量分数在().15 %左 右波动。转炉用上述铁水，采用单渣法冶炼时，部 分炉次发生了喷溅。考虑到拟冶炼钢种对磷控制 要求不高，单渣法又有操作简便等优势，同时兼顾 转炉喷溅控制，现场转炉根据含钛铁水条件不同， 采用差异化的造渣方式，取得了较好的应用效果。
本文基于河钢唐钢15(> t 转炉冶炼含钛铁水 炼钢实绩，总结分析了铁水钛含量与转炉造渣方 式的内在关系，指出了转炉采用单渣法冶炼含钛 铁水的可行性。在此基础上.提出了铁水预脱钛 方法，并进行了相关理论计算和现场试验研究，为 转炉单渣法冶炼含钛铁水提供一定的依据。
1铁水钛含量对转炉造渣的影响
河钢唐钢15(> t 转炉冶炼含钛铁水冶炼实绩 表明，随着铁水中T i 含量增加，转炉吹炼前期炉 渣泡沫化程度提高，限制了 C 0气体排出，容易造 成喷溅。对转炉用含钛铁水批量冶炼SS 4IK )、
SPHC 钢进行了统计，连续半月内转炉造渣情况
▲ SS400: N _ SPHC: N A SS400: Y □ SPHC: Y
奶〇P
A A
m l \ ■
□
▲
▲
Mar. 1
N
〇
Y
〇
〇
,
♦1
〇
C D ^D
〇
V
♦ # ♦
Mar. 3
Mar.6
N
〇
Y
〇
♦
♦
Mar. 10
CO .
〇
〇
CD
〇
〇
4
〇
〇
Mar. 13
♦
Mar. 15
1双渣炉数
I 非双渣炉数
ill
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.3
0.4
0.5 0.6 0.7 〇-3
0.4
0.5
0.6
0.7
w(Si) /%
N ：非双渣炉次 Y ：双渣炉次
图2转炉单双渣实绩与铁水T i 、S i 含量的关系
Fig. 2 Relationship between actual performance between single and double slag in converter and 1'i & Si content in molten iron
m
5 0
5 0 5 0
3 3 2 2 1 10
6284062842
1 1 o
o 2
1
1
o
o
0.0.
0.0.0.0.0.0•0.0•
%/
o l T
从图2中可以看出，铁水中T u S i 的含量越 高，转炉造双渣的炉次越多；反之，单渣法的炉次
越高。为了防止喷溅，当铁水T i 、S i 的质量分数
分别控制在(>.12 %、<>. 5 %以上时，绝大部分炉 次采用双渣法操作。但对于钛含量较低的铁水，
采用单楂法即可完成转炉吹炼。可见铁水成分，
第1期李双江，等：含钛铁水转炉冶炼及其预脱钛行为研究
• 25 •
0.08
2101937
2101938
2101939
2101940
炉次号
图3
预脱硫处理过程钢水T i 含量变化
Fig. 3 Changes of titanium content in molten steel
during desulfurization pretreatment process
从表1和图3可以看出，预处理深脱硫过程，
铁水T i 含量降低较明显。当铁水初始温度、喷吹 时间和喷吹流量分别控制在1 33() °C 左右、2()
m in 和140 m 3/h 时，终点铁水的T i 质量分数降 低2(> %左右。不同炉次显示了基本相同的变化 规律。
析出，降低熔池的钛含量，从而为转炉单渣法冶炼
含钛铁水创造条件。
2.2铁水脱钛热力学分析
铁水吹氮脱钛化学反应、吉布斯自由能变化 以及铁溶液内N 元素的相互作用系数分别如式 (1)[9]和表1所示[1H ]。
[Ti ] + [N ] = TiN (s )
AG q = -291 000 + 107.91 T J/mol
(1)
表2
铁溶液内其他元素对N 元素的作用系数4(1 873 K)
Table 2 Interaction coefficient of
nitrogen in iron solution
c
Si Mn P
S
V Ti
0.13
0.047-0.0210.0450.007 -0.093 -0.53
现场条件下，铁水温度与1 873 K 相差较大，
尤其是钛含量对转炉造渣操作的影响较大。上述生产实践表明，对于脱磷要求不高的钢
种.控制铁水T i 含量，转炉冶炼可以采用单渣法， 从而简化操作，提高生产效率。因此，降低人炉铁 水T i 含量对转炉单渣法操作具有重要意义。
2铁水预处理钛行为的研究
在铁水预处理温度条件下，向铁水中喷吹氮
气，增加铁水的溶解氮含量，使铁水氮含量过饱 和，促使T i 、N 化学反应形成TiN 类化合物，反应 形成的含钛类氮化物经扒渣处理后去除，从而在 一定程度上降低铁水钛含量。
学者们对氮在铁液或钢液中溶解行为进行了 研究[5]。氮在铁液中的溶解行为服从平方根定 律，铁水温度越低.氮的溶解度越小[6]。研究表 明，铁水中氮的平衡溶解含量与碳含量有关，铁水 中碳含量越高，平衡溶解氮含量越高[7]。铁水“三
表1含钛铁水脱硫预处理过程钛含量变化实绩
脱”过程中，溶解氮含量有所降低™。
2.1铁水脱硫过程钛含量变化实绩
研究基于含钛铁水喷粉（N 2载气）脱硫过程 钛含量变化，定性和定量表征铁水预脱钛可行性 及效果实绩。根据冶炼钢种要求不同，河钢唐钢 15(U 转炉对应的铁水脱硫预处理一般分为：简单 扒渣、浅脱硫扒渣和深脱硫扒渣三种方式。简单 扒渣不喷吹，浅脱硫扒渣喷吹时间短，两者铁水溶 解氮过饱和度低，氮化钛析出效果不显著。
鉴于上述情况，研究选取拟冶炼对铁水S 含 量要求较高的I F 钢，采用深脱硫扒渣操作.预处 理喷吹时间较长，铁水溶解氮过饱和，T i 、N 反应 形成TiN 能力强，铁水脱T i 预期效果突出。
取某批次拟冶炼I F 钢预处理过程连续4炉 次的铁水样，对样品进行化学分析，考察现场工艺 条件下铁水T i 含量的变化。具体的生产实绩如 表1和图3所7K 。
炉次号
铁水温度/铁水温度
°C 喷吹时间/
min 喷吹流量/
(m3 1)处理前
w(Ti )/%处理后
分析方法21019371 326
201400.1440.115化学21019381 32920
1400.1510.119化学21019391 331201400.1410.113化学2101940
1 330
20
140
0.143
0.118
化学
0.16
参照上述生产实绩，对于脱硫要求不高的 SPHC 、SS 40()等钢种，在预处理阶段，向含钛铁液 中喷吹氮气，提高铁水中氮的过饱和度.促进TiN %/
^^
1
^^
1
• 26 •
炼钢
第37卷
如利用1 «73 K 时的相互作用系数值计算会使结 果偏差较大，应采用相应温度条件下的 < 值。利 用正规溶液的热力学关系得出不同温度条件下的
如式(2)所示。
^ ■ (D
1
873 i —--------•
p
丁'
° i(l 873)
(2)
lg /
,=
e
t • zu ( j )(3)
.；-C ,S i ,M n .P .S .V ,T i
研究选用拟冶炼SPHC 钢用铁水的化学成分
为：w (C ) = 4_ 6 % , .w (Si ) = 0• 5 %，it ; (Mn )= 0.28 %,w (P ) = 0.102 %, it ' (S ) = 0.022 %,
m KV ) = ().(>2(J %，wKTi ) =<l . 155 %。铁水温度
分别取 1 523、1 573、1 623 K 。计算得出 /N(, 523 K) =4. 567, /n 〇 573 k > = 4.352, /n o 623 k > = 4. 1590 铁 水中的Ti -N 热力学优势区如图4所示。
低.不同温度条件下显示了基本相同的变化规律。
铁水温度越低.平衡铁水中溶解T i 含量所需的N 含量越低，即低温有利于铁水脱钛反应的进行。 在1 573 K 及研究选取的铁水成分条件下，控制铁 水中T i 的质量分数在U . 12 %时，铁水中平衡溶 解N 的质量分数在13X l (r “。
由上述分析综合考虑，预处理铁水的温度和 溶解氮的质量分数分别在1 583 K 以下和17 x 1(厂以上，铁水中溶解钛的质量分数可控制在
(1.12 %以下。
3铁水预脱钛试验研究3.1 试验方案
现场选取拟冶炼SPHC 钢用铁水预处理的5 个平行炉次开展试验，试验过程采用喷喷吹
N 2，喷插人深度距包底3 m ，喷吹结束进行扒渣 处理，扒渣量控制在7 k g /t 左右。具体的试验方 案如表3所示。
试验过程观察铁水渣面的波动情况，避免处 理过程中裸露铁水；记录喷吹气体前后铁水温度
1 623 K
20 30
40 50
w(N)/10'6
图4含钛铁水中Ti-N 优势区图
Fig. 4 Diagram of Ti-N advantage zone
in titanium-containing molten iron
从图4中可以看出，平衡条件下，随铁水中N
^•量的提高，形成T W 所需溶解T i 的含量逐渐降
波动，同时分析T i 含量的变化。
按照现场正常生产节奏，将预脱钛、扒渣后的 铁水兑人转炉冶炼相应钢种，考察转炉吹炼过程
中的造渣情况。
3.2试验结果与分析
SPHC 钢含钛铁水吹N ：脱钛预处理现场试验 结果如表4所示。结果表明，含钛铁水在预处理 过程采用喷吹N 2，可在一定程度上降低铁水中的 钛含量，其预脱钛率在20 %左右。
Table 3
表3
铁水预脱钛试验方案
Test scheme of pre-titanium removal in molten iron
试验炉次
铁水温度/
°C w(Ti )/
吹义时间/
喷吹流量/
% min (m3 • h 1)喷插入深度
(距包底)/m
5<1 350
(h 14(H ). 155
20
160
3
表4
含钛铁水吹N 2脱钛预处理试验结果
Table 4 Test results of pre-detitanium behavior of titanium-containing hot metal by blowing N2
预炼处理前
处理后
转炉冶炼
钢种
N '八
i 温度/X ： w(Ti )/%
温度/°C
w(Ti )/%
造渣 喷溅SPHC
21022511 3310. 145
1 3040. 11S 单渣无21022521 3350.1521 3110.121单渣无21022551 3340. 1491 3100.116单渣无2102256
1 3290. 1531 3050.119单渣无2102259
1 330
0. 144
1 303
0. 112
单渣
无
8
4
6
2
2 2
2
1
1 0.0.0.0.0.
%/0i >
(下转第38页)
•38 •炼钢第37卷
4结论
1)L F精炼开始达到稳定时，钢液中的夹杂物
主要以氧化铝夹杂存在。随着精炼过程的进行，
由于钢液与耐火材料、钢液与精炼渣之间的相互
作用，到L F精炼终点钢中夹杂物演变成近似球
形的D类夹杂物，主要存在形式为AI-Mg-Ca-(S)
类复合夹杂，其次还有少部分被CaS包裹的镁铝
尖晶石类夹杂物。
2) L F精炼终点D类夹杂中A1203质量百分 比与L F精炼初期相比有所降低，但依旧是夹杂
物中最主要的存在成分。同时，夹杂物中CaO或 MgO含量明显增加。
3) 根据FE-SEM面扫描分析结果，Al-Mg-Ca-(S)类复合夹杂存在两种形式：一种为CaS包裹
的Al-Mg-Ca夹杂，其中心夹杂物为组成为CaO-
Mg0-Al203，并且彼此分布均匀；另一种中心为
Mg0-Al203夹杂，外围被Ca0-Al203夹杂物包裹.
彼此界面清晰。
[参考文献]
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(上接第26页）
4结论
1) 铁水钛含量是影响转炉喷溅的重要因素。生产实绩表明，铁水钛的质量分数在0.12 %以下
时，转炉采用单渣法冶炼，可控制转炉喷溅。
2) 通过向含钛铁水中喷吹氮气，使铁水溶解 氮过饱和.促进铁水中氮化钛类物质析出，从而降
低铁水钛含量的方法是可行的。
3) 铁水氮含量越高、温度越低，越有利于铁水 脱钛反应的进行。平衡条件下.铁水温度和钛的
质量分数分别控制在1 573 K和U.丨2 %时，铁水
中平衡溶解氮的质量分数在13 X川6。
4) 含钛铁水预处理采用喷吹氮气预脱钛.其 脱钛率在20 %左右。
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