李德軍^1,2，趙  亮^1,2，葛春鈺³，李海強³，馬  強³，馮  寒³ 

（1.海洋裝備金屬材料及其應用全國重點實驗室，遼寧鞍山 114009；

2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009；

3.鞍鋼鑄鋼有限公司，遼寧鞍山 114021）

摘要：鎂碳磚是當今煉鋼工藝中使用量最大的耐火材料，如何處理和利用大量廢棄鎂碳質耐火材料成為急需解決的問題。為了能夠以較低成本將廢棄的鎂碳磚回收再利用降低煉鋼生產成本，根據轉爐煉鋼過程中爐渣的成分特點和成分要求，提出了用廢棄的鎂碳磚代替渣料白云石進行煉鋼造渣的新方法。在容量為100噸的頂吹轉爐上，對廢棄鎂碳磚的加入量、加入方式、粒度等參數對煉鋼過程的碳溫協調、廢鋼比、粘槍情況、爐襯浸蝕情況及降本增效情況進行了分析，結果表明：根據冶煉鋼種的不同，加入量控制在0.6～1.1噸/爐，加入方式與廢鋼同時加入，粒度控制在20～40mm最為合理，能夠達到如下有益效果(以冶煉Q345B鋼為例)：碳溫協調率可由原有的92.3%提高至95.5%；廢鋼比由原有的平均9.4%可提高至12.6%;可大幅降低粘槍事故的發生；爐襯浸蝕情況得到改善，補爐間隔由過去的40爐提高到了50爐，可降低煉鋼生產成本3.45元/噸鋼。

關鍵詞：轉爐；鎂碳磚；回收利用；造渣；成本

鎂碳磚是煉鋼生產過程中主要使用的耐火材料，其使用量占耐火材料總量的60%以上^[1-3]。這些以氧化鎂為主要成分的耐火材料在使用過程中，由于冶金化學反應，一方面會對鋼水產生一定的質量影響^[4]，一方面還會改變和影響其原有的成分和結構^[5-6]，為了防止出現安全事故，就要將其拆除。拆除下來的廢棄鎂碳磚其磚體分為原質層、變質層、反應層等三層結構^[7]。雖然廢棄的鎂碳磚依然是以氧化鎂為主要成分，但由于與鋼水接觸面的磚體結構發生了改變^[8]，其內部雜質含量較高，如果要將其直接作為耐火材料的再生原料使用，必須對其進行挑選，破碎等復雜的工藝過程，反而會使制磚成本升高。在國內目前僅有少量的作為補爐料和濺渣改性劑使用，效果不是很好，導致目前廢棄的鎂碳磚難以挖掘出潛在價值^[9-10]。

1 廢棄鎂碳磚代替白云石可行性分析

為了對廢棄的鋼包鎂碳磚進行重復利用，對拆除的鎂碳磚進行了成分分析，其結果如表1所示。

表1 用后廢棄鋼包鎂碳磚的化學成分，%

Table 1 Chemical composition of used MgO-C bricks from the ladle, %

從成分的分析結果上來看，用后廢棄的鎂碳磚中MgO的含量要比轉爐造渣過程中加入的白云石（MgO含量小于23%）及輕燒白云石（MgO含量小于35%）中的MgO的含量要高很多。眾所周知，轉爐在吹煉造渣過程中，由于白云石或輕燒白云石中含有一定量的MgO，在造渣時能夠調節渣的粘度和熔點，使爐渣能夠在冶煉前期快速形成，同時更為重要的是還能起到防止或減少高溫爐渣對轉爐爐襯的侵蝕，有利于爐齡的提高。從對用后廢棄的鎂碳磚的分析結果上看，完全可以滿足調整爐渣粘度和渣中氧化鎂含量的目的，為此，提出了用廢棄的鎂碳磚代替白云石的工藝方法，以此來最大程度發揮廢棄鎂碳磚的價值，降低冶煉成產成本。

2試驗過程

2.1 原料加工

由于從鋼包或轉爐拆除下來的鎂碳磚塊體比較大，直接加入轉爐不但在吹煉過程中很難快速熔化成渣，反而會給造渣帶來不利影響。為此，需要對拆除的鎂碳磚進行破碎加工。雖然粒度越小越有利于快速成渣，但是破碎工藝環節勢必會增加煉鋼成本，且破碎粒度大小與破碎成本是密切相關的，粒度越小破碎成本就越高。從成本角度上來看，只要粒度能夠滿足造渣條件即可，為此將廢棄鎂碳磚按粒度大小破碎成100～150mm，50～100mm、30～50mm、<30mm四個等級顆粒造渣原料備用。

2.2 試驗方法

 在公稱容量100噸的頂吹轉爐上以吹煉船板鋼進行試驗，將破碎好的顆粒原料輸送到轉爐的高位料倉（吹煉過程中加入）或是裝入廢鋼槽（吹煉前從爐口和廢鋼一同加入）。選取一種原料的加入方式，將破碎好的顆粒原料加入轉爐內，然后分析廢棄鎂碳磚造渣原料加入量、加入方式、粒度對煉鋼過程的碳溫協調、廢鋼比、粘槍情況、爐襯侵蝕情況等冶煉工藝參數的影響。為了便于統計分析，對上述工藝參數做出如下規定：碳溫協調以合格率進行評價，當轉爐出鋼時溫度和碳含量同時滿足出鋼要求，則碳溫協調為合格，否則視為不合格；廢鋼比為廢鋼裝入量與裝入轉爐內金屬料（鐵水與廢鋼）的重量的百分比；對粘槍情況的考察是以10爐試驗爐次中粘槍最嚴重的氧槍所掛渣鐵厚度作為評價指標；對爐襯侵蝕情況是以補爐間隔的爐數為考察指標。

3結果討論

3.1加入量的影響

造渣料加入量的多少，不僅會對最終的爐渣的物化特性有重要影響，還會影響轉爐的終點溫度，進而會影響到冶煉工藝指標。為了分析加入量的影響找出最佳的加入量，在氧槍開吹三分鐘后，將不同重量粒徑大小為20～40mm的鎂碳磚造渣料加入轉爐內，之后的吹煉過程不在另外加入白云石，然后對各考核指標進行統計分析，其結果如圖1、圖2所示。

圖1  加入量對碳溫協調合格率及廢鋼比的影響

Fig.1 Influence of addition volume on the carbon temperature coordination and scrap steel ratio

圖2  加入量對粘槍及爐襯侵蝕的影響

Fig.2 Influence of addition volume on the steel adhesion on oxygen lance and lining erosion

從圖1中可以看出，在不另加白云石的情況下，碳溫協調合格率隨著鎂碳磚造渣料加入量的增加逐漸提高，當加入量達到900kg時，碳溫協調合格率到達了最大值95.5%，之后隨著加入量的增加碳溫協調合格率反而會大幅降低。這主要是因為轉爐加入的造渣料數量少，在吹煉后期熱量就會造成過剩，導致出鋼溫度過高，隨著入爐渣料量的增加，吹煉過程中產生的熱量得到消耗，保證了出鋼溫度達到了出鋼要求，進而使碳溫協調合格率得到提高。但加入量超出1100kg后，由于爐渣惡化會出現返干、跑渣等現象，使部分熱量隨著溢渣而損失，導致碳溫協調合格率降低。從試驗的結果上看，鎂碳磚造渣料的加入量控制在600～1100kg/爐比較合理。從圖1上看出，加入量對廢鋼比的影響也比較大，由于隨著渣料加工量的增加，會導致部分吹煉放出的熱量被渣料所吸收，導致用來加熱熔化廢鋼的熱量減少，進而造成廢鋼比隨著加入量的增加而降低。加入量對氧槍的粘槍及爐襯的侵蝕情況也進行了統計。從圖2可以看出，在加入900kg廢棄鎂碳磚渣料后，氧槍的粘渣得到了明顯改善，其最嚴重的粘渣厚度小于8mm，完全可以忽略粘槍對吹煉工藝的影響。

3.2粒度的影響

從理論上來看雖然粒度越小其比表面積越大，在造渣過程中越容易快速成渣，但粒度過于小勢必會增加工藝成本。從實際的生產工況來看，在吹煉過程中過小粒度顆粒容易被煙氣帶走，反而對生產不利。為此，有必要對不同粒度的造渣料進行分析，從而確定合理的粒度。從對加入量的分析來看，加入量控制在0.6～1.1噸/爐比較理想，在此范圍內對不同粒度的鎂碳磚渣料對吹煉的工藝指標進行了分析，其結果如圖3、圖4所示。

圖3 粒度對碳溫協調合格率及廢鋼比的影響

Fig. 3 The influence of granularity on the carbon temperature coordination and scrap steel ratio

圖4 粒度對粘槍及爐襯侵蝕的影響

Fig. 4 The influence of granularity on steel adhesion on oxygen lance and lining erosion

從圖3可以看出渣料粒度對碳溫協調率和廢鋼比的影響，當粒度在20～40mm范圍時碳溫協調率及廢鋼比最好，當粒度小于20mm后碳溫協調率略有降低，這主要是因為當渣料粒度小于20mm后，當中部分細小的渣料會被轉爐吹煉時的煙氣帶走，給轉爐成渣帶來不利影響，進而影響到碳溫協調率。但當粒度過大也會大幅度降低碳溫協調率，這是因為隨著粒度的增大，渣料熔化成渣速度變慢，渣中會有部分固態的MgO顆粒存在，爐渣粘度增大并伴有返干的發生，極大地降低了轉爐的碳溫協調率和廢鋼比。此外，從圖4也可以看出，隨著爐渣粘度的增大，氧槍粘渣鐵的厚度也隨之增加。由于爐渣粘度的增大，降低了轉爐出鋼后的濺渣護爐效果，導致補爐間隔的縮短。

3.3加入方式的影響

為了比較不同的加入方式對碳溫協調率的影響，選取了粒度20～40mm加入量為900kg的廢棄鎂碳磚渣料。將選取的渣料分別以從高位料倉加入和同廢鋼一起在爐口加入兩種加入方式進行了對比分析，其結果如圖5所示。

圖5 不同加入方式對碳溫協調率的影響

Fig. 5 The influence of different addition means on the carbon temperature coordination

從圖5中可以看出，廢棄鎂碳磚渣料的加入方式對冶煉指標也有一定影響，將渣料裝入廢鋼槽后同廢鋼一同從爐口加入的效果要略好于從高位料倉加入。這主要是由于同廢鋼一同加入轉爐后，在轉爐裝入鐵水的過程中，鐵水對其沖擊具有很好的攪拌作用，不會使造渣過程產生溫度波動，為快速成渣創造了良好條件。

4效益分析

4.1鋼鐵料方面的效益分析

由于加入廢棄鎂碳磚后爐溫富余量較高，所以能夠多吃3～4噸廢鋼。廢鋼價格按960元/噸,鐵水價格按1144元/噸計算，每爐按多用3噸廢鋼，出鋼量按97噸進行計算，則噸鋼可產生如下效益：

3*（1144-960）/97=5.69元/噸鋼

4.2渣料方面的效益分析

每爐廢棄鎂碳磚渣料按0.9噸加入量計算，則對應的白云石加入量為2.25噸左右，為了使爐渣具有良好的脫磷性能要求，爐渣要保持在一定的堿度范圍內，雖然加入廢棄鎂碳磚能夠保持爐渣中氧化鎂的含量，但是CaO含量會降低，進而會導致爐渣堿度降低，所以還要額外加入白灰來提高爐渣堿度。額外補加的白灰量是以白云石的加入量中CaO含量進行折算，白云石中CaO含量為40%，則加入2.25噸白云石帶入的CaO量為2.25*40%=0.9噸，即加入1噸鎂碳磚需要額外加入0.9噸的白灰。廢棄鎂碳磚渣料按120元/噸，白云石按140元/噸，白灰按565元/噸計算，則加入廢棄鎂碳代替白云石后對成本的影響如下：

[2.25*140-（1*120+2.25*40%*565）]/97=-3.11元/噸鋼

4.3渣量減少的效益分析

加入廢棄鎂碳代替白云石后可以減少渣量為2.25-0.9-0.9=0.45噸/爐，渣中的Fe0含量按20%計算，則對成本的影響如下：

(0.45*20%*56/72)*1144/97=0.87元/噸鋼

從上述分析可知, 以廢棄鎂碳代替白云石對成本的綜合影響為：

5.69+0.87-3.11=3.45元/噸鋼

5結論

（1） 對于公稱容量100噸的轉爐，廢棄鎂碳磚渣料的加入量控制在0.6～1.1噸/爐比較合理；

（2） 廢棄鎂碳磚渣料的粒度控制在20～40mm最為合理，加入方式與廢鋼同時加入要好于從高位料倉加入；

（3） 廢棄鎂碳磚渣料代替白云石造渣料非?？尚校诟饕睙捴笜四軌虻玫教嵘耐瑫r，其經濟效益也很可觀，可降低煉鋼生產成本3.45元/噸鋼。

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