李德军^1,2，赵  亮^1,2，葛春钰³，李海强³，马  强³，冯  寒³ 

（1.海洋装备金属材料及其应用全国重点实验室，辽宁鞍山 114009；

2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山 114009；

3.鞍钢铸钢有限公司，辽宁鞍山 114021）

摘要：镁碳砖是当今炼钢工艺中使用量最大的耐火材料，如何处理和利用大量废弃镁碳质耐火材料成为急需解决的问题。为了能够以较低成本将废弃的镁碳砖回收再利用降低炼钢生产成本，根据转炉炼钢过程中炉渣的成分特点和成分要求，提出了用废弃的镁碳砖代替渣料白云石进行炼钢造渣的新方法。在容量为100吨的顶吹转炉上，对废弃镁碳砖的加入量、加入方式、粒度等参数对炼钢过程的碳温协调、废钢比、粘枪情况、炉衬浸蚀情况及降本增效情况进行了分析，结果表明：根据冶炼钢种的不同，加入量控制在0.6～1.1吨/炉，加入方式与废钢同时加入，粒度控制在20～40mm最为合理，能够达到如下有益效果(以冶炼Q345B钢为例)：碳温协调率可由原有的92.3%提高至95.5%；废钢比由原有的平均9.4%可提高至12.6%;可大幅降低粘枪事故的发生；炉衬浸蚀情况得到改善，补炉间隔由过去的40炉提高到了50炉，可降低炼钢生产成本3.45元/吨钢。

关键词：转炉；镁碳砖；回收利用；造渣；成本

镁碳砖是炼钢生产过程中主要使用的耐火材料，其使用量占耐火材料总量的60%以上^[1-3]。这些以氧化镁为主要成分的耐火材料在使用过程中，由于冶金化学反应，一方面会对钢水产生一定的质量影响^[4]，一方面还会改变和影响其原有的成分和结构^[5-6]，为了防止出现安全事故，就要将其拆除。拆除下来的废弃镁碳砖其砖体分为原质层、变质层、反应层等三层结构^[7]。虽然废弃的镁碳砖依然是以氧化镁为主要成分，但由于与钢水接触面的砖体结构发生了改变^[8]，其内部杂质含量较高，如果要将其直接作为耐火材料的再生原料使用，必须对其进行挑选，破碎等复杂的工艺过程，反而会使制砖成本升高。在国内目前仅有少量的作为补炉料和溅渣改性剂使用，效果不是很好，导致目前废弃的镁碳砖难以挖掘出潜在价值^[9-10]。

1 废弃镁碳砖代替白云石可行性分析

为了对废弃的钢包镁碳砖进行重复利用，对拆除的镁碳砖进行了成分分析，其结果如表1所示。

表1 用后废弃钢包镁碳砖的化学成分，%

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

从成分的分析结果上来看，用后废弃的镁碳砖中MgO的含量要比转炉造渣过程中加入的白云石（MgO含量小于23%）及轻烧白云石（MgO含量小于35%）中的MgO的含量要高很多。众所周知，转炉在吹炼造渣过程中，由于白云石或轻烧白云石中含有一定量的MgO，在造渣时能够调节渣的粘度和熔点，使炉渣能够在冶炼前期快速形成，同时更为重要的是还能起到防止或减少高温炉渣对转炉炉衬的侵蚀，有利于炉龄的提高。从对用后废弃的镁碳砖的分析结果上看，完全可以满足调整炉渣粘度和渣中氧化镁含量的目的，为此，提出了用废弃的镁碳砖代替白云石的工艺方法，以此来最大程度发挥废弃镁碳砖的价值，降低冶炼成产成本。

2试验过程

2.1 原料加工

由于从钢包或转炉拆除下来的镁碳砖块体比较大，直接加入转炉不但在吹炼过程中很难快速熔化成渣，反而会给造渣带来不利影响。为此，需要对拆除的镁碳砖进行破碎加工。虽然粒度越小越有利于快速成渣，但是破碎工艺环节势必会增加炼钢成本，且破碎粒度大小与破碎成本是密切相关的，粒度越小破碎成本就越高。从成本角度上来看，只要粒度能够满足造渣条件即可，为此将废弃镁碳砖按粒度大小破碎成100～150mm，50～100mm、30～50mm、<30mm四个等级颗粒造渣原料备用。

2.2 试验方法

 在公称容量100吨的顶吹转炉上以吹炼船板钢进行试验，将破碎好的颗粒原料输送到转炉的高位料仓（吹炼过程中加入）或是装入废钢槽（吹炼前从炉口和废钢一同加入）。选取一种原料的加入方式，将破碎好的颗粒原料加入转炉内，然后分析废弃镁碳砖造渣原料加入量、加入方式、粒度对炼钢过程的碳温协调、废钢比、粘枪情况、炉衬侵蚀情况等冶炼工艺参数的影响。为了便于统计分析，对上述工艺参数做出如下规定：碳温协调以合格率进行评价，当转炉出钢时温度和碳含量同时满足出钢要求，则碳温协调为合格，否则视为不合格；废钢比为废钢装入量与装入转炉内金属料（铁水与废钢）的重量的百分比；对粘枪情况的考察是以10炉试验炉次中粘枪最严重的氧枪所挂渣铁厚度作为评价指标；对炉衬侵蚀情况是以补炉间隔的炉数为考察指标。

3结果讨论

3.1加入量的影响

造渣料加入量的多少，不仅会对最终的炉渣的物化特性有重要影响，还会影响转炉的终点温度，进而会影响到冶炼工艺指标。为了分析加入量的影响找出最佳的加入量，在氧枪开吹三分钟后，将不同重量粒径大小为20～40mm的镁碳砖造渣料加入转炉内，之后的吹炼过程不在另外加入白云石，然后对各考核指标进行统计分析，其结果如图1、图2所示。

图1  加入量对碳温协调合格率及废钢比的影响

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

图2  加入量对粘枪及炉衬侵蚀的影响

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

从图1中可以看出，在不另加白云石的情况下，碳温协调合格率随着镁碳砖造渣料加入量的增加逐渐提高，当加入量达到900kg时，碳温协调合格率到达了最大值95.5%，之后随着加入量的增加碳温协调合格率反而会大幅降低。这主要是因为转炉加入的造渣料数量少，在吹炼后期热量就会造成过剩，导致出钢温度过高，随着入炉渣料量的增加，吹炼过程中产生的热量得到消耗，保证了出钢温度达到了出钢要求，进而使碳温协调合格率得到提高。但加入量超出1100kg后，由于炉渣恶化会出现返干、跑渣等现象，使部分热量随着溢渣而损失，导致碳温协调合格率降低。从试验的结果上看，镁碳砖造渣料的加入量控制在600～1100kg/炉比较合理。从图1上看出，加入量对废钢比的影响也比较大，由于随着渣料加工量的增加，会导致部分吹炼放出的热量被渣料所吸收，导致用来加热熔化废钢的热量减少，进而造成废钢比随着加入量的增加而降低。加入量对氧枪的粘枪及炉衬的侵蚀情况也进行了统计。从图2可以看出，在加入900kg废弃镁碳砖渣料后，氧枪的粘渣得到了明显改善，其最严重的粘渣厚度小于8mm，完全可以忽略粘枪对吹炼工艺的影响。

3.2粒度的影响

从理论上来看虽然粒度越小其比表面积越大，在造渣过程中越容易快速成渣，但粒度过于小势必会增加工艺成本。从实际的生产工况来看，在吹炼过程中过小粒度颗粒容易被烟气带走，反而对生产不利。为此，有必要对不同粒度的造渣料进行分析，从而确定合理的粒度。从对加入量的分析来看，加入量控制在0.6～1.1吨/炉比较理想，在此范围内对不同粒度的镁碳砖渣料对吹炼的工艺指标进行了分析，其结果如图3、图4所示。

图3 粒度对碳温协调合格率及废钢比的影响

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

图4 粒度对粘枪及炉衬侵蚀的影响

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

从图3可以看出渣料粒度对碳温协调率和废钢比的影响，当粒度在20～40mm范围时碳温协调率及废钢比最好，当粒度小于20mm后碳温协调率略有降低，这主要是因为当渣料粒度小于20mm后，当中部分细小的渣料会被转炉吹炼时的烟气带走，给转炉成渣带来不利影响，进而影响到碳温协调率。但当粒度过大也会大幅度降低碳温协调率，这是因为随着粒度的增大，渣料熔化成渣速度变慢，渣中会有部分固态的MgO颗粒存在，炉渣粘度增大并伴有返干的发生，极大地降低了转炉的碳温协调率和废钢比。此外，从图4也可以看出，随着炉渣粘度的增大，氧枪粘渣铁的厚度也随之增加。由于炉渣粘度的增大，降低了转炉出钢后的溅渣护炉效果，导致补炉间隔的缩短。

3.3加入方式的影响

为了比较不同的加入方式对碳温协调率的影响，选取了粒度20～40mm加入量为900kg的废弃镁碳砖渣料。将选取的渣料分别以从高位料仓加入和同废钢一起在炉口加入两种加入方式进行了对比分析，其结果如图5所示。

图5 不同加入方式对碳温协调率的影响

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

从图5中可以看出，废弃镁碳砖渣料的加入方式对冶炼指标也有一定影响，将渣料装入废钢槽后同废钢一同从炉口加入的效果要略好于从高位料仓加入。这主要是由于同废钢一同加入转炉后，在转炉装入铁水的过程中，铁水对其冲击具有很好的搅拌作用，不会使造渣过程产生温度波动，为快速成渣创造了良好条件。

4效益分析

4.1钢铁料方面的效益分析

由于加入废弃镁碳砖后炉温富余量较高，所以能够多吃3～4吨废钢。废钢价格按960元/吨,铁水价格按1144元/吨计算，每炉按多用3吨废钢，出钢量按97吨进行计算，则吨钢可产生如下效益：

3*（1144-960）/97=5.69元/吨钢

4.2渣料方面的效益分析

每炉废弃镁碳砖渣料按0.9吨加入量计算，则对应的白云石加入量为2.25吨左右，为了使炉渣具有良好的脱磷性能要求，炉渣要保持在一定的碱度范围内，虽然加入废弃镁碳砖能够保持炉渣中氧化镁的含量，但是CaO含量会降低，进而会导致炉渣碱度降低，所以还要额外加入白灰来提高炉渣碱度。额外补加的白灰量是以白云石的加入量中CaO含量进行折算，白云石中CaO含量为40%，则加入2.25吨白云石带入的CaO量为2.25*40%=0.9吨，即加入1吨镁碳砖需要额外加入0.9吨的白灰。废弃镁碳砖渣料按120元/吨，白云石按140元/吨，白灰按565元/吨计算，则加入废弃镁碳代替白云石后对成本的影响如下：

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

4.3渣量减少的效益分析

加入废弃镁碳代替白云石后可以减少渣量为2.25-0.9-0.9=0.45吨/炉，渣中的Fe0含量按20%计算，则对成本的影响如下：

(0.45*20%*56/72)*1144/97=0.87元/吨钢

从上述分析可知, 以废弃镁碳代替白云石对成本的综合影响为：

5.69+0.87-3.11=3.45元/吨钢

5结论

（1） 对于公称容量100吨的转炉，废弃镁碳砖渣料的加入量控制在0.6～1.1吨/炉比较合理；

（2） 废弃镁碳砖渣料的粒度控制在20～40mm最为合理，加入方式与废钢同时加入要好于从高位料仓加入；

（3） 废弃镁碳砖渣料代替白云石造渣料非常可行，在各冶炼指标能够得到提升的同时，其经济效益也很可观，可降低炼钢生产成本3.45元/吨钢。

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