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：分析了轉爐冶煉用鎂質熔劑（包括白云石、菱鎂石、輕燒白云石和輕燒鎂球）的造渣機理、冷卻效應以及對轉爐脫磷、轉爐渣量、轉爐濺渣護爐的影響，總結出各鎂質熔劑的使用原則，以實現轉爐操作的穩定性。
關鍵詞：轉爐煉鋼；鎂質熔劑；白云石，菱鎂石，輕燒白云石，輕燒鎂球
轉爐煉鋼是通過添加鎂質熔劑從而提高爐渣中的 MgO 含量， 將轉爐終渣中的 MgO 含量控制在合適的范圍，一般為 8%～12% ，然后采用濺渣護爐工藝使 MgO 達到飽和或過飽和的爐渣與爐襯磚粘結，從而減緩高 FeO 渣的侵蝕，實現保護爐襯表面，以提高爐襯使用壽命的目的［1］。常用的鎂質熔劑包括白云石、輕燒白云石、菱鎂石、輕燒鎂球四種。 由于各種鎂質熔劑冷卻效應和 MgO 含量不同，所以加入量不同，獲得的冶金效果也不同，因此轉爐煉鋼選擇何種鎂質熔劑需要深入的研究。
1 造渣機理分析
各鎂質熔劑的主要理化指標如表 1 所示。 鎂質熔劑的造渣機理分析如下。
白云石的主要成分是 MgCa（CO3）2 ，是生產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生大量 CO2 ，分解反應式見式（1）和式（2）。生白云石煅燒成輕燒白云石只需要熱量，而轉爐冶煉過程中存在大量的富余熱量，利用轉爐的多余熱量加熱生白云石， 使其在轉爐內分解，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完成了部分分解反應，加入轉爐后，MgO 和 CaO 迅速渣化，內部 MgCa（CO3）2 在轉爐內完成后續的煅燒過程，進一步分解成 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生大量CO2。冶煉過程加入菱鎂石造渣就是利用轉爐的多余熱量加熱菱鎂石，使其在轉爐內分解，生成 MgO 用于造渣。分解反應式同式（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， 放入混碾機進行碾壓、攪拌、混合形成混合料，通過皮帶輸送機送入壓球機制備出產品，然后進行堆放。 一般需要經過48h陰干并形成強度后才可使用。輕燒鎂球加入轉爐后，輕燒鎂粉能夠迅速渣化，較小的菱鎂石顆粒能夠進一步按（2）進行分解反應，從而為爐渣提供 MgO ，并放出 CO2。
2 冷卻效應分析
轉爐煉鋼采用何種鎂質熔劑取決于各鎂質材料的冶金效果， 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、菱鎂石在轉爐內融化需要大量熱，因此其溫降較大。 若規定廢鋼的冷卻效應為 1.0 ，則跟蹤分析轉爐冶煉過程各鎂質熔劑的實際溫降可得出其冷卻指數，見表 2 。
采用白云石和菱鎂石造渣對轉爐熱平衡影響大，主要原因一是其 MgO 含量偏低，且在爐內煅燒不充分， 因此要將轉爐終渣中的 MgO 控制在8%～12% ，其加入量較大；二是其本身冷卻指數較大。而輕燒白云石和輕燒鎂球相當于是在轉爐爐外完成了煅燒過程，因此冷卻指數小。
3 對轉爐脫磷的影響
轉爐煉鋼采用何種鎂質熔劑還取決于各鎂質材料對轉爐脫磷的影響， 因不同的鎂質熔劑對轉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，符合了脫磷反應需要相對低溫環境的要求。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界面面積， 為脫磷反應提供了優良的動力學環境。 但由于其在轉爐內需要一個從外向里逐步煅燒、分解、渣化的過程，導致其渣化速度較慢， 影響轉爐冶煉過程爐渣的流動性，從而影響轉爐爐渣的脫磷效果。
輕燒白云石是白云石煅燒后產生，物料表面大部分已完成分解反應，加入轉爐后，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，從而大大影響轉爐冶煉過程爐渣的流動性，影響轉爐爐渣的脫磷效果。
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度， 而且在輕燒鎂球加入轉爐時，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，更有利于脫磷反應的進行。
若將對轉爐脫磷影響最小的輕燒白云石作為鎂質造渣劑的爐次終點平均磷含量的基礎， 其它鎂質熔劑平均轉爐終點磷含量與之對比作為轉爐終點磷指數， 則跟蹤分析轉爐冶煉過程各鎂質熔劑的實際轉爐終點磷含量， 可得出各鎂質熔劑的轉爐終點磷指數，如表 3 所示。 終點磷指數越大，轉爐平均終點磷含量越高。
4 對少渣冶煉的影響
由于各鎂質熔劑的冷卻效應和對脫磷的影響不同，因此會影響轉爐各類造渣劑的添加量，在一定程度上會影響轉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造渣劑，由于其冷卻指數大，直接影響到廢鋼和含鐵冷卻劑的使用，導致鐵水單耗增加，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、菱鎂石在爐內往往煅燒不完全，其中 CaO 和 MgO 的有效利用率低，要使得轉爐爐渣達到規定的堿度和 MgO 含量，各物料的加入量隨之增加，導致轉爐冶煉渣量增加。 由于白云石含有一定的 CaO ，因此，在轉爐操作時傾向于MgO 含量按上限控制，最大限度減少石灰的用量，結果導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爐入爐渣量。而輕燒鎂球只是單純作為提供 MgO 的鎂質熔劑使用，雖然其冷卻指數高于輕燒白云石，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，能夠將冶煉用總渣量控制在較低的水平。
跟蹤各鎂質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，各鎂質熔劑的平均入爐渣量與之對比，可得出各鎂質熔劑的渣量指數，如表 4 所示。渣量指數越大，入爐總渣量消耗越高。
5 對濺渣護爐的影響
濺渣護爐工藝需要 MgO 含量和粘度適宜的爐渣才能達到理想的效果。 不同的鎂質熔劑對轉爐渣量和轉爐渣粘度的影響較大，直接影響濺渣護爐效果，因此需要采取不同的濺渣護爐工藝。
采用白云石和菱鎂石作為鎂質造渣劑時，由于 MgO 含量偏低且在爐內的煅燒不完全，因此要使終渣 MgO 含量達到控制的目標值，投入量較大，導致轉爐終渣渣量大，而且轉爐終渣偏粘。 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劑，濺渣前期起渣快。但由于終渣過粘，往往濺渣護爐效果不佳。又由于其渣量大，因此需要較長的濺渣時間才能達到良好的濺渣護爐效果，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，達到快速冷卻爐渣，從而實現提高濺渣護爐效果，縮短濺渣護爐時間的目的。
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，即能在較短時間內達到良好的濺渣護爐效果。
跟蹤各鎂質熔劑冶煉爐次，考慮鐵水條件、冶煉目標堿度等因素，在初始條件相似的情況下對濺渣時間進行對比，若以濺渣時間最短的輕燒鎂球冶煉爐次為基礎，各鎂質熔劑的濺渣時間與之對比，可得出各鎂質熔劑的濺渣時間指數如表 5所示。濺渣時間指數越大，濺渣時間越長。
6 鎂質熔劑使用原則
由于各鎂質熔劑的冷卻效應、脫磷效果、濺渣護爐效果以及對轉爐少渣冶煉的影響存在差異，因此選用鎂質熔劑種類時需考慮廢鋼資源情況、冶煉鋼種磷含量要求、 爐襯維護情況以及轉爐冶煉成本等因素，通過理論研究結合生產實踐，得出如下使用原則。
（1）產能最大化原則。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能。此時應以提高廢鋼單耗為主，采用廢鋼平衡轉爐的富裕熱量，此時不宜采用冷卻效應較大的白云石和菱鎂石作為鎂質熔劑，應選擇輕燒白云石或輕燒鎂球。反之在鐵水資源充足時，轉爐鐵水單耗較高，富裕熱量較多時，應以成本最小化為原則，可選擇冷卻效應較大的白云石和菱鎂石作為鎂質熔劑，若在此基礎上仍有熱量富裕，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。轉爐少渣冶煉可有效降低轉爐的冶煉成本，因此在保證產能最大化的基礎上應盡可能的降低轉爐冶煉渣量，此時需選擇渣量指數較小的輕燒白云石或輕燒鎂球作為鎂質熔劑。
（3）成本最優化原則。釋放轉爐產能和少渣冶煉可有效降低轉爐冶煉成本，但渣量不是越小越好，渣量過小不利用轉爐冶煉低磷鋼，而且影響濺渣護爐效果。冶煉低磷鋼時，優先選擇轉爐終點磷指數較低的輕燒白云石，其次是輕燒鎂球。在轉爐爐役后期或爐襯狀態不佳時，優先選擇輕燒鎂球，其次是輕燒白云石。在冶煉普通鋼種、轉爐爐襯狀態較好且轉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熔劑。
（4）合理搭配原則。轉爐選用鎂質熔劑不必只選用一種，需合理搭配才能達到最佳效果。一般情況下，由于菱鎂石渣化速度較慢且對轉爐渣粘度影響較大，因此不作為主要的鎂質熔劑在冶煉過程中使用，而是作為濺渣護爐改質劑使用，可搭配含碳改質劑。 經過改質處理后的爐渣，具有較高的熔點和適宜的粘度，而且能夠快速冷卻爐渣，提高濺渣護爐效果，縮短濺渣護爐時間。在使用輕燒白云石或輕燒鎂球作為鎂質熔劑時，若轉爐仍有熱量富裕，也可搭配少部分白云石作為鎂質熔劑。
（5）操作再現性原則。鎂質熔劑可搭配使用，但頻繁更換鎂質熔劑種類或頻繁改變各鎂質熔劑的加入比率會造成操作的再現性低，不利于自動化煉鋼模型的自學習，不利于操作的穩定性。 因此在一定時期內，應根據鋼鐵料資源情況，制定合理的廢鋼比，從而確定最佳的鎂質熔劑搭配原則并保持穩定，才能提高操作的再現性。
7 結論
轉爐冶煉用鎂質熔劑主要有白云石、菱鎂石、輕燒白云石、輕燒鎂球。各鎂質熔劑的造渣機理和冷卻效應不同，因此對轉爐脫磷、少渣冶煉、濺渣護爐的影響也存在較大差異。在選擇鎂質熔劑時要遵循產能最大化、渣量最小化、成本最優化以及合理搭配原則，同時要兼顧轉爐操作再現性，才能實現轉爐操作的穩定性。