李偉東， 何海龍， 孫振宇，李冰，李泊
（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021 ）
摘要：分析了轉(zhuǎn)爐冶煉用鎂質(zhì)熔劑（包括白云石、菱鎂石、輕燒白云石和輕燒鎂球）的造渣機(jī)理、冷卻效應(yīng)以及對轉(zhuǎn)爐脫磷、轉(zhuǎn)爐渣量、轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐的影響，總結(jié)出各鎂質(zhì)熔劑的使用原則，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐操作的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐煉鋼；鎂質(zhì)熔劑；白云石，菱鎂石，輕燒白云石，輕燒鎂球
轉(zhuǎn)爐煉鋼是通過添加鎂質(zhì)熔劑從而提高爐渣中的 MgO 含量， 將轉(zhuǎn)爐終渣中的 MgO 含量控制在合適的范圍，一般為 8%～12% ，然后采用濺渣護(hù)爐工藝使 MgO 達(dá)到飽和或過飽和的爐渣與爐襯磚粘結(jié)，從而減緩高 FeO 渣的侵蝕，實現(xiàn)保護(hù)爐襯表面，以提高爐襯使用壽命的目的［1］。常用的鎂質(zhì)熔劑包括白云石、輕燒白云石、菱鎂石、輕燒鎂球四種。 由于各種鎂質(zhì)熔劑冷卻效應(yīng)和 MgO 含量不同，所以加入量不同，獲得的冶金效果也不同，因此轉(zhuǎn)爐煉鋼選擇何種鎂質(zhì)熔劑需要深入的研究。
1 造渣機(jī)理分析
各鎂質(zhì)熔劑的主要理化指標(biāo)如表 1 所示。 鎂質(zhì)熔劑的造渣機(jī)理分析如下。
白云石的主要成分是 MgCa（CO3）2 ，是生產(chǎn)加工輕燒白云石的原料，其中 CaCO3 和 MgCO3 的分解溫度約為 800 ℃, 因此在轉(zhuǎn)爐熔池初始溫度的情況下（一般大于 1 100℃）分解出 CaO 和 MgO ，吸收大量熱的同時產(chǎn)生大量 CO2 ，分解反應(yīng)式見式（1）和式（2）。生白云石煅燒成輕燒白云石只需要熱量，而轉(zhuǎn)爐冶煉過程中存在大量的富余熱量，利用轉(zhuǎn)爐的多余熱量加熱生白云石， 使其在轉(zhuǎn)爐內(nèi)分解，也能夠生成 CaO 和 MgO 用于造渣［2］。
CaCO3 =CaO+CO2 （ 1 ）
MgCO3 =MgO+CO2 （ 2 ）
輕燒白云石在白云石煅燒時已經(jīng)完成了部分分解反應(yīng)，加入轉(zhuǎn)爐后，MgO 和 CaO 迅速渣化，內(nèi)部 MgCa（CO3）2 在轉(zhuǎn)爐內(nèi)完成后續(xù)的煅燒過程，進(jìn)一步分解成 MgO 和 CaO ，并放出 CO2 。
菱鎂石的主要成分是 MgCO3，是生產(chǎn)加工輕燒鎂球的原料，其在800 ℃左右的高溫能分解出MgO，吸收大量熱的同時產(chǎn)生大量CO2。冶煉過程加入菱鎂石造渣就是利用轉(zhuǎn)爐的多余熱量加熱菱鎂石，使其在轉(zhuǎn)爐內(nèi)分解，生成 MgO 用于造渣。分解反應(yīng)式同式（2）。
輕燒鎂球是將菱鎂石煅燒后的輕燒鎂粉、菱鎂石顆粒和水按一定比率混合， 放入混碾機(jī)進(jìn)行碾壓、攪拌、混合形成混合料，通過皮帶輸送機(jī)送入壓球機(jī)制備出產(chǎn)品，然后進(jìn)行堆放。 一般需要經(jīng)過48h陰干并形成強(qiáng)度后才可使用。輕燒鎂球加入轉(zhuǎn)爐后，輕燒鎂粉能夠迅速渣化，較小的菱鎂石顆粒能夠進(jìn)一步按（2）進(jìn)行分解反應(yīng)，從而為爐渣提供 MgO ，并放出 CO2。
2 冷卻效應(yīng)分析
轉(zhuǎn)爐煉鋼采用何種鎂質(zhì)熔劑取決于各鎂質(zhì)材料的冶金效果， 其中最主要的是由于各物料的冷卻效果不同，因此對轉(zhuǎn)爐熱平衡的影響差異較大，從而影響廢鋼的加入。 由于白云石、菱鎂石在轉(zhuǎn)爐內(nèi)融化需要大量熱，因此其溫降較大。 若規(guī)定廢鋼的冷卻效應(yīng)為 1.0 ，則跟蹤分析轉(zhuǎn)爐冶煉過程各鎂質(zhì)熔劑的實際溫降可得出其冷卻指數(shù)，見表 2 。
采用白云石和菱鎂石造渣對轉(zhuǎn)爐熱平衡影響大，主要原因一是其 MgO 含量偏低，且在爐內(nèi)煅燒不充分， 因此要將轉(zhuǎn)爐終渣中的 MgO 控制在8%～12% ，其加入量較大；二是其本身冷卻指數(shù)較大。而輕燒白云石和輕燒鎂球相當(dāng)于是在轉(zhuǎn)爐爐外完成了煅燒過程，因此冷卻指數(shù)小。
3 對轉(zhuǎn)爐脫磷的影響
轉(zhuǎn)爐煉鋼采用何種鎂質(zhì)熔劑還取決于各鎂質(zhì)材料對轉(zhuǎn)爐脫磷的影響， 因不同的鎂質(zhì)熔劑對轉(zhuǎn)爐造渣影響差異較大。
生白云石煉鋼一般在初期投入造渣，因此初期為了分解和熔化，會消耗大量的熱量，使熔池溫度維持在相對低的水平，符合了脫磷反應(yīng)需要相對低溫環(huán)境的要求。生白云石分解的 CO2 氣體彌散在初期渣中，有利于初期泡沫渣的形成，增大了氣一熔渣一金屬的反應(yīng)界面面積， 為脫磷反應(yīng)提供了優(yōu)良的動力學(xué)環(huán)境。 但由于其在轉(zhuǎn)爐內(nèi)需要一個從外向里逐步煅燒、分解、渣化的過程，導(dǎo)致其渣化速度較慢， 影響轉(zhuǎn)爐冶煉過程爐渣的流動性，從而影響轉(zhuǎn)爐爐渣的脫磷效果。
輕燒白云石是白云石煅燒后產(chǎn)生，物料表面大部分已完成分解反應(yīng)，加入轉(zhuǎn)爐后，在 FeO 和SiO2 的作用下能夠迅速渣化，在前期不僅提高爐渣堿度，而且能得到適量 MgO、流動性良好的爐渣，從而提高脫磷效果。輕燒白云石分解提供CaO，與加石灰增加 CaO 相比，減少了石灰塊的渣化過程，能夠快速提高前期爐渣的堿度。生產(chǎn)實踐證明，使用輕燒白云石代替部分石灰塊增加爐渣堿度，對爐渣脫磷更有利。但加入量過多會增大MgO 的過飽和度，降低爐渣流動性，還會造成輕燒白云石內(nèi)部的生白云石塊無法完全被煅燒， 降低了輕燒白云石有效成分的利用率，不利于脫磷［1］。
菱鎂石在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中加入， 與白云石一樣，需要一個從外向里逐步煅燒、分解、渣化的過程，由于其分解溫度略高于白云石，渣化速度也較慢，從而大大影響轉(zhuǎn)爐冶煉過程爐渣的流動性，影響轉(zhuǎn)爐爐渣的脫磷效果。
輕燒鎂球中包含菱鎂石煅燒后的鎂石粉和菱鎂石顆粒， 在輕燒鎂球中加入菱鎂石顆粒有助于提高輕燒鎂球的強(qiáng)度， 而且在輕燒鎂球加入轉(zhuǎn)爐時，可在菱鎂石顆粒的作用下迅速渣化，提高輕燒鎂球的渣化速度。 因此與白云石、菱鎂石相比，輕燒鎂球渣化速度較快，更有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。
若將對轉(zhuǎn)爐脫磷影響最小的輕燒白云石作為鎂質(zhì)造渣劑的爐次終點平均磷含量的基礎(chǔ)， 其它鎂質(zhì)熔劑平均轉(zhuǎn)爐終點磷含量與之對比作為轉(zhuǎn)爐終點磷指數(shù)， 則跟蹤分析轉(zhuǎn)爐冶煉過程各鎂質(zhì)熔劑的實際轉(zhuǎn)爐終點磷含量， 可得出各鎂質(zhì)熔劑的轉(zhuǎn)爐終點磷指數(shù)，如表 3 所示。 終點磷指數(shù)越大，轉(zhuǎn)爐平均終點磷含量越高。
4 對少渣冶煉的影響
由于各鎂質(zhì)熔劑的冷卻效應(yīng)和對脫磷的影響不同，因此會影響轉(zhuǎn)爐各類造渣劑的添加量，在一定程度上會影響轉(zhuǎn)爐少渣冶煉工藝的實施效果。
若使用白云石和菱鎂石作為鎂質(zhì)造渣劑，由于其冷卻指數(shù)大，直接影響到廢鋼和含鐵冷卻劑的使用，導(dǎo)致鐵水單耗增加，為了平衡鐵水硅含量，就得增加石灰用量，從而增加了冶煉用造渣劑的總量。同時，白云石、菱鎂石在爐內(nèi)往往煅燒不完全，其中 CaO 和 MgO 的有效利用率低，要使得轉(zhuǎn)爐爐渣達(dá)到規(guī)定的堿度和 MgO 含量，各物料的加入量隨之增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐冶煉渣量增加。 由于白云石含有一定的 CaO ，因此，在轉(zhuǎn)爐操作時傾向于MgO 含量按上限控制，最大限度減少石灰的用量，結(jié)果導(dǎo)致入爐渣量高于菱鎂石使用爐次。
輕燒白云石和輕燒鎂球冷卻指數(shù)較小，因此鐵水單耗相對較低，所需造渣劑總量也隨之減少。輕燒白云石的特點是在提供 MgO 的同時能夠提供 CaO ，而且與石灰相比，價格低、成渣速度快。因此一般在使用輕燒白云石時，MgO 含量按上限控制，以減少石灰的用量，最大限度的降低熔劑成本。但這在一定程度上增加了轉(zhuǎn)爐入爐渣量。而輕燒鎂球只是單純作為提供 MgO 的鎂質(zhì)熔劑使用，雖然其冷卻指數(shù)高于輕燒白云石，但其 MgO 含量高，使用總量較小，因此抵消了對鐵水單耗的影響。單從少渣冶煉角度看，使用輕燒鎂球更易于少渣冶煉效果的體現(xiàn)，能夠?qū)⒁睙捰每傇靠刂圃谳^低的水平。
跟蹤各鎂質(zhì)熔劑冶煉爐次得出入爐總渣量，若以入爐總渣量最小的輕燒鎂球渣量為基礎(chǔ)，各鎂質(zhì)熔劑的平均入爐渣量與之對比，可得出各鎂質(zhì)熔劑的渣量指數(shù)，如表 4 所示。渣量指數(shù)越大，入爐總渣量消耗越高。
5 對濺渣護(hù)爐的影響
濺渣護(hù)爐工藝需要 MgO 含量和粘度適宜的爐渣才能達(dá)到理想的效果。 不同的鎂質(zhì)熔劑對轉(zhuǎn)爐渣量和轉(zhuǎn)爐渣粘度的影響較大，直接影響濺渣護(hù)爐效果，因此需要采取不同的濺渣護(hù)爐工藝。
采用白云石和菱鎂石作為鎂質(zhì)造渣劑時，由于 MgO 含量偏低且在爐內(nèi)的煅燒不完全，因此要使終渣 MgO 含量達(dá)到控制的目標(biāo)值，投入量較大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐終渣渣量大，而且轉(zhuǎn)爐終渣偏粘。 但由于其終渣中有未煅燒的物料存在，在濺渣時，爐渣能夠在氮氣的作用下快速冷卻，無需加入菱鎂石等改質(zhì)劑，濺渣前期起渣快。但由于終渣過粘，往往濺渣護(hù)爐效果不佳。又由于其渣量大，因此需要較長的濺渣時間才能達(dá)到良好的濺渣護(hù)爐效果，因此往往選擇在出鋼后，先倒出一部分爐渣再濺渣，從而縮短濺渣護(hù)爐時間。
使用輕燒白云石爐次的煅燒相對較為充分，終渣中生料偏少，終渣偏稀，但總渣量相對偏小，一般濺渣時需要加入一定量的菱鎂石，達(dá)到快速冷卻爐渣，從而實現(xiàn)提高濺渣護(hù)爐效果，縮短濺渣護(hù)爐時間的目的。
使用輕燒鎂球爐次由于其 MgO 含量高，加入量較少，物料中無塊狀生料，不存在煅燒不充分的情況，因此能夠得到粘度適宜、總渣量較少的轉(zhuǎn)爐終渣。一般濺渣時，只需加入少量菱鎂石等冷卻劑，即能在較短時間內(nèi)達(dá)到良好的濺渣護(hù)爐效果。
跟蹤各鎂質(zhì)熔劑冶煉爐次，考慮鐵水條件、冶煉目標(biāo)堿度等因素，在初始條件相似的情況下對濺渣時間進(jìn)行對比，若以濺渣時間最短的輕燒鎂球冶煉爐次為基礎(chǔ)，各鎂質(zhì)熔劑的濺渣時間與之對比，可得出各鎂質(zhì)熔劑的濺渣時間指數(shù)如表 5所示。濺渣時間指數(shù)越大，濺渣時間越長。
6 鎂質(zhì)熔劑使用原則
由于各鎂質(zhì)熔劑的冷卻效應(yīng)、脫磷效果、濺渣護(hù)爐效果以及對轉(zhuǎn)爐少渣冶煉的影響存在差異，因此選用鎂質(zhì)熔劑種類時需考慮廢鋼資源情況、冶煉鋼種磷含量要求、 爐襯維護(hù)情況以及轉(zhuǎn)爐冶煉成本等因素，通過理論研究結(jié)合生產(chǎn)實踐，得出如下使用原則。
（1）產(chǎn)能最大化原則。在鐵水資源不足的情況下，提高廢鋼單耗可以最大程度的釋放煉鋼產(chǎn)能。此時應(yīng)以提高廢鋼單耗為主，采用廢鋼平衡轉(zhuǎn)爐的富裕熱量，此時不宜采用冷卻效應(yīng)較大的白云石和菱鎂石作為鎂質(zhì)熔劑，應(yīng)選擇輕燒白云石或輕燒鎂球。反之在鐵水資源充足時，轉(zhuǎn)爐鐵水單耗較高，富裕熱量較多時，應(yīng)以成本最小化為原則，可選擇冷卻效應(yīng)較大的白云石和菱鎂石作為鎂質(zhì)熔劑，若在此基礎(chǔ)上仍有熱量富裕，可考慮采用含鐵冷卻劑輔助降溫，或用石灰石代替部分石灰造渣。
（2）渣量最小化原則。轉(zhuǎn)爐少渣冶煉可有效降低轉(zhuǎn)爐的冶煉成本，因此在保證產(chǎn)能最大化的基礎(chǔ)上應(yīng)盡可能的降低轉(zhuǎn)爐冶煉渣量，此時需選擇渣量指數(shù)較小的輕燒白云石或輕燒鎂球作為鎂質(zhì)熔劑。
（3）成本最優(yōu)化原則。釋放轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能和少渣冶煉可有效降低轉(zhuǎn)爐冶煉成本，但渣量不是越小越好，渣量過小不利用轉(zhuǎn)爐冶煉低磷鋼，而且影響濺渣護(hù)爐效果。冶煉低磷鋼時，優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)爐終點磷指數(shù)較低的輕燒白云石，其次是輕燒鎂球。在轉(zhuǎn)爐爐役后期或爐襯狀態(tài)不佳時，優(yōu)先選擇輕燒鎂球，其次是輕燒白云石。在冶煉普通鋼種、轉(zhuǎn)爐爐襯狀態(tài)較好且轉(zhuǎn)爐廢鋼最大化后仍有富裕熱量時，可選擇白云石或菱鎂石作為鎂質(zhì)熔劑。
（4）合理搭配原則。轉(zhuǎn)爐選用鎂質(zhì)熔劑不必只選用一種，需合理搭配才能達(dá)到最佳效果。一般情況下，由于菱鎂石渣化速度較慢且對轉(zhuǎn)爐渣粘度影響較大，因此不作為主要的鎂質(zhì)熔劑在冶煉過程中使用，而是作為濺渣護(hù)爐改質(zhì)劑使用，可搭配含碳改質(zhì)劑。 經(jīng)過改質(zhì)處理后的爐渣，具有較高的熔點和適宜的粘度，而且能夠快速冷卻爐渣，提高濺渣護(hù)爐效果，縮短濺渣護(hù)爐時間。在使用輕燒白云石或輕燒鎂球作為鎂質(zhì)熔劑時，若轉(zhuǎn)爐仍有熱量富裕，也可搭配少部分白云石作為鎂質(zhì)熔劑。
（5）操作再現(xiàn)性原則。鎂質(zhì)熔劑可搭配使用，但頻繁更換鎂質(zhì)熔劑種類或頻繁改變各鎂質(zhì)熔劑的加入比率會造成操作的再現(xiàn)性低，不利于自動化煉鋼模型的自學(xué)習(xí)，不利于操作的穩(wěn)定性。 因此在一定時期內(nèi)，應(yīng)根據(jù)鋼鐵料資源情況，制定合理的廢鋼比，從而確定最佳的鎂質(zhì)熔劑搭配原則并保持穩(wěn)定，才能提高操作的再現(xiàn)性。
7 結(jié)論
轉(zhuǎn)爐冶煉用鎂質(zhì)熔劑主要有白云石、菱鎂石、輕燒白云石、輕燒鎂球。各鎂質(zhì)熔劑的造渣機(jī)理和冷卻效應(yīng)不同，因此對轉(zhuǎn)爐脫磷、少渣冶煉、濺渣護(hù)爐的影響也存在較大差異。在選擇鎂質(zhì)熔劑時要遵循產(chǎn)能最大化、渣量最小化、成本最優(yōu)化以及合理搭配原則，同時要兼顧轉(zhuǎn)爐操作再現(xiàn)性，才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐操作的穩(wěn)定性。