含钛铁液中高熔点物相析出及其护炉机理研究

摘要

高炉长寿是钢铁企业长期稳定运行的保障，同时也是降低生产成本的有效技术手段。在炼铁工业产能过剩、钢材价格波动、行业竞争激烈的今天，高炉长寿技术显得尤为重要。针对高炉长寿的问题，国内外进行了多方面的研究，但高炉炉缸区侵蚀问题仍未得到有效解决，导致高炉烧穿事故偶有发生，这是高炉长寿面临的重大难题。　　高炉冶炼时添加部分含钛物料是实现炉缸区在线修复的有效途径，也是国内外许多高炉目前采用的方法。加钛护炉的机理是在炉缸侵蚀区形成高熔点TiCXN1-X沉积物，实现炉缸侵蚀区的在线修补。但高炉冶炼含钛物料时容易出现炉渣粘稠、渣铁难分、出铁困难的等问题影响高炉顺行。因此，高炉加钛护炉必须与高炉系统行为相匹配。本论文重点开展了高炉加钛护炉基础热力学、含钛铁液护炉机理及含钛铁液护炉过程模拟的研究。通过研究得到以下主要结论：　　①热力学基础研究表明，原料中钛氧化物被还原的顺序为TiO2→Ti3O5→ [Ti]或TiCXN1-X。不同钛含量的熔融生铁凝固过程中，高熔点物相Fe3C和TiC是其主要的析出相，当Ti含量低于0.1wt%时Fe3C为单一析出相。随着钛含量的增加， TiC开始析出。当生铁中钛含量低于0.45wt%，Fe3C先于TiC析出。若生铁中钛含量高于0.45wt%，TiC先于Fe3C析出。　　② 高熔点物相析出在线实验研究结果表明，当铁液中的钛含量小于 0.47wt%时，Fe3C首先析出。当铁液中的钛含量达到0.47wt%时，TiC优先析出，随着温度和铁液中的钛含量的降低，Fe3C 析出。当铁液中的钛含量超过 0.47wt%时，钛含量达到了饱和状态，容易从铁液中析出Ti C。与理论计算结果基本吻合。随着钛含量增加至0.68wt％，在目标温度下液态铁中存在大量TiC。氮分压为1个大气压，铁液中的钛含量超过0.07wt%，TiN首先析出。基于此，对现有的钛的溶解度与温度之间的关系式进行了修正，修正后为：1g[%Ti]=-5099.88/T+2.48；氮分压为一个大气压，含钛铁液中钛溶解度与温度间修正关系式为lg[%Ti]=-7515.9/T+3.746。　　③ 含钛铁液溶解动力学研究表明内扩散型1-3(1-X)2/3+2(1-X)最符合碳饱和熔融生铁中铁钛合金溶解。溶解活化能E为442.97 kJ/mol，溶解过程可分为两个阶段——快速溶解阶段和缓慢溶解阶段。其中快速溶解阶段是护炉机理研究的依据，经过此溶解阶段能够达到实验要求。　　④ 基于自行搭建实验平台，进行了高熔点物相析出机理研究，结果表明含钛铁液凝固护炉过程为：炉底分为铁水区、边界层区、炉底砖区。铁水区从炉底中心开始至炉底边界层，温度逐渐缓慢降低，对应的铁水粘度增加。在边界层里，温度大幅度降低，铁水粘度快速上升。温度降低同时，边界层里Ti以TiCXN1-X的形式析出，边界层粘度进一步增大，生铁逐渐凝固，高熔点 TiCXN1-X将冷却后生铁钉扎在炉缸侵蚀区，从而形成以生铁为基体，TiCXN1-X钉扎在其中的保护层。　　⑤ 基于前期理论及实验研究，对含钛铁液护炉过程进行了模拟研究，结果表明随着时间的推移，冷却系统中冷却水带走的热量越多，铁液凝固层越厚。比较出水口水温与时间的关系，模拟结果与实验结果有一定的吻合度。本研究结果为高炉炉缸区侵蚀实现加钛护炉提供理论参考及可行的自动化控制手段。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.1.1 高炉长寿概况

1.1.2 高炉长寿技术

1.2 研究现状

1.2.1 国内外使用含钛铁液护炉研究

1.2.2 高炉冶炼含钛原料护炉机理

1.2.4 含钛物料的加入方式

1.3 本研究的目的及意义

2 含钛铁液护炉热力学研究

2.1 含钛铁液凝固热力学

2.1.1 不同含钛高熔点物相析出热力学

2.1.2 TiC形成热力学

2.2 含钛铁液高熔点物相析出实验研究

2.2.1 高熔点物相析出实验原料及设备

2.2.2 高熔点物相析出研究

2.3.1 铁液中钛溶解度测定方法

2.3.2 钛溶解度与温度关系式修正

2.4 本章小结

3 含钛铁液护炉机理研究

3.1.1原料及实验方案

3.1.2 溶解模型确定

3.2 含钛铁液护炉机理研究

3.2.1 实验原料与设备

3.2.2 高熔点物相析出测试过程

3.2.3 高熔点物相护炉机理

3.3 本章小结

4 含钛铁液护炉过程模拟研究

4.1 护炉过程模型的建立

4.1.1 模拟软件

4.1.2 基本假设与控制方程

4.1.3 初始条件与边界条件

4.1.4 物性参数与冷却系统工件条件

4.2 模拟结果与讨论

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

A.作者在硕士期间发表的论文目录

B.作者在硕士学位期间参与的科研项目

C.学位论文数据集

致谢