用后鎂碳磚基轉爐終渣改質劑的配料優化

鄭 萬，任金琴，溫正勇，許威威，馮學龍，鄭永飛，劉 磊

(1.武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢，430081)

用后鎂碳磚基轉爐終渣改質劑的配料優化

鄭 萬1,2，任金琴2，溫正勇2，許威威2，馮學龍2，鄭永飛2，劉 磊2

(1.武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢，430081)

以用后鎂碳磚為原料制備轉爐冶煉終渣改質劑，分析不同粒度回收料的化學成分，研究改質劑配料組成選擇以及物料配比對改質劑強度的影響，優化用后鎂碳磚基改質劑的配料組成。結果表明，用后鎂碳磚回收料粒度不同，其氧化鎂及碳含量差別較大，以用后鎂碳磚為原料制備改質劑時，粒度為<0.1、0.1～0.6、0.6～1 mm的鎂碳磚細粉配比應為3∶4∶3，菱鎂石粒度應為1～3 mm；在用后鎂碳磚及菱鎂石的鎂質原料組成下，改質劑的強度隨水量的增加而增大、隨黏結劑用量的增加而降低；優化后的用后鎂碳磚基改質劑的配料組成為：60.2%的用后鎂碳磚、25.7% 的菱鎂石、10%的石墨粉、0.1%的黏結劑以及10%的水。

轉爐渣；改質劑；用后鎂碳磚；配料組成；氧化鎂；強度

回收利用用后耐火材料制備冶金輔料是冶金企業循環經濟的重要途徑之一，利用用后鎂碳磚制備轉爐冶煉終渣改質劑，可充分利用其鎂砂及碳組分，無需考慮其理化指標的變化對再生耐火材料性能產生的影響[1]。但用后鎂碳磚中鎂砂為高溫(1590 ℃左右)燒結氧化鎂顆粒，其晶粒粗大、化學反應活性差[2]，會影響改質劑在熔渣中的溶解速度及改質效果。因此，有必要對用后鎂碳磚為原料制備轉爐終渣改質劑的配料進行優化選擇，以滿足轉爐長壽的要求。

卓勝等[3]為利用除塵灰中含量較高的氧化鎂成分，研制出除塵灰含量達50%的終渣調整劑，其調渣及濺渣護爐效果均優于現有鎂質護爐料。胡四海等[4]將輕燒鎂粉、菱鎂石顆粒和水按不同配比混合，研究了配比、成型壓力對試樣理化性能的影響，同時發現采用不同輕燒鎂粉和菱鎂石顆粒配比可調整試樣的灼減量，以滿足不同改質劑的需要。石家智等[5]研究發現，欲改善成型改質劑強度，需加強對水分的控制，并且加入一定的骨料顆粒，有助于進一步提高輕燒鎂球產品的內部結構強度。另外，為了達到運輸過程對改質劑的強度要求，需要合理搭配改質劑原料組成的粒度[6]。為了確保濺渣護爐效果及工藝要求，鋼渣改質劑也有較嚴格的氧化鎂、碳含量要求[7]。

本文分析不同粒度用后鎂碳磚回收料的化學成分，研究鎂質原料的配比對改質劑灼減量的影響以及不同配料組成對改質劑強度的影響，并優化改質劑的配料組成，以期為用后鎂碳磚制備轉爐終渣改質劑提供依據。

1 試驗

1.1 原料制備及分析

將用后鎂碳磚破碎細磨后，篩選出粒度分別為<0.1、0.1～0.6、0.6～1 mm的用后鎂碳磚回收料，采用ICP等離子光譜儀對其進行化學成分分析。

1.2 鎂質原料的灼減量測定

將不同配比的用后鎂碳磚和菱鎂石混合料80 g置于100 ℃干燥箱中烘干3 h，取出稱取其質量m1，再將烘干后的混合料放入1000 ℃的馬弗爐中灼燒1 h，取出稱取其質量m2，則混合料的灼減量M為：

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1.3 改質劑強度檢測

將不同配比的用后鎂碳磚細粉、菱鎂石顆粒、碳粉、黏結劑和水，分別按一定順序依次加入并混合均勻，在TYE-2000壓力試驗機上以300kN的壓力壓制成型，制備成直徑為36mm、高為30mm的改質劑試樣，再經過110 ℃×24h烘干，將干燥合格的試樣從0.77m的高處自由落下到10mm厚的鋼板上，進行落下強度檢測。

2 結果與分析

2.1 用后鎂碳磚基轉爐終渣改質劑配料組成

2.1.1 不同粒度用后鎂碳磚的化學成分及顆粒配比

不同粒度的用后鎂碳磚回收料化學成分如表1所示。從表1中可見，隨著用后鎂碳磚粒度的減小，其氧化鎂含量逐漸降低，碳含量逐漸增加。粒度小于0.1mm的回收料與粒度為0.6～1mm的回收料相比，其氧化鎂含量的減少值為13.88%，而碳含量的增加值為7.05%。由此可見，回收料的粒度不同，其化學成分差異較大。這主要是因為用后鎂碳磚在破碎過程中顆粒間的碾壓及摩擦使黏附在其表面的石墨脫落后匯集到小顆粒中。因此，在配料計算中應根據粒度大小及配比核算氧化鎂及碳含量。

表1 不同粒度用后鎂碳磚的化學成分

Table 1 Chemical compositions of wasted magnesia-carbon bricks with different particle sizes

改質劑的強度是其使用性能的基本要求，改質劑原料中用后鎂碳磚粒度組成應滿足一定要求，才能使材料達到緊密堆積，通常制備改質劑的鎂質原料粒度為0～3 mm[3]。以用后鎂碳磚制備改質劑時，考慮用后鎂碳磚顆粒的反應性，將回收料顆粒大小控制在1 mm以下，選擇0.1～0.6 mm和0.6～1 mm的回收料作為中等粒度的顆粒料，粒度小于0.1 mm的回收料作為小顆粒料。粒度為<0.1、0.1～0.6、0.6～1 mm用后鎂碳磚回收料的配比選擇為3∶4∶3。

2.1.2 改質劑配料中其他物料的選擇

轉爐終渣改質劑要求迅速提高渣中的氧化鎂含量，同時需一定的碳含量來降低渣中氧化鐵含量，以降低渣的黏度并提高濺渣護爐的效果。當改質劑中的碳含量達到15%后，碳含量的進一步增加對終渣黏度的影響不大[8]。由于鎂質原料本身碳含量為6%左右，為使改質劑中的碳含量達到15%要求，配料中需額外配加含碳物料。根據用后鎂碳磚的碳含量及其顆粒配比，本研究選擇加入一定量的鱗片石墨，以保證改質劑中的碳含量達到15%的要求。

為了提高用后鎂碳磚基改質劑在渣中的化學反應性，一方面，按照未反應核模型，應盡量降低回收料粒度；另一方面，改質劑投入渣中應能夠迅速分散成細小顆粒。鑒于用后鎂碳磚回收料含有高溫(1550 ℃以上)燒結氧化鎂和少量碳，難以滿足改質劑在渣中快速爆裂的要求，而菱鎂石能在580 ℃左右發生分解，產生二氧化碳氣體，而使改質劑爆裂[7]，因此，改質劑原料中需要配加一定比例的菱鎂石。菱鎂石具有原位熱分解反應性能，分解的氧化鎂活性高，可以采用較大的顆粒，同時作為改質劑的骨料，為確保改質劑強度，選用菱鎂石粒度為1～3 mm。

2.1.3 改質劑配料中鎂質原料的配比

為了確保改質劑進入轉爐高溫渣中不產生過量的氣體，以免造成濺渣的危害，鋼廠要求改質劑灼減量應小于25%[4]。但一定的灼減量有助于提高改質劑的反應性及改質效率，其灼減量應大于10%，因此改質劑灼減量需控制在10%～25%的范圍內。

表2為不同鎂質原料配比下改質劑的灼減量。從表2中可見，隨著菱鎂石顆粒料的增加，改質劑的灼減量逐漸增加，這是因為用后鎂碳磚在1550 ℃以上高溫才能快速爆裂，而菱鎂石在500～700 ℃范圍內發生分解，產生二氧化碳氣體，因此，用后鎂碳磚回收料與菱鎂石顆粒料合理的配比可以調整試樣的灼減量，以滿足改質劑的要求。

表2 不同鎂質原料配比下改質劑的灼減量(wB/%)

Table 2 Ignition loss of the modifier with different contents of magnesian materials

測試分析可知用后鎂碳磚及菱鎂石中氧化鎂的含量分別約為80%、46%，對兩種鎂質原料進行合理的配比才能達到改質劑氧化鎂含量要求(不小于60%)，同時改質劑中碳含量要求不低于3% 。通過計算，當用后鎂碳磚和菱鎂石的配料量分別為60.2%、25.7%時，其帶入59.79%的氧化鎂及4.5%的碳，基本符合改質劑質量指標的下限要求；又根據改質劑的灼減量需控制在10%～25%的要求，計算得到菱鎂石的配料量應在19.3%～48%范圍內，且用后鎂碳磚及菱鎂石總配料量需控制在86%左右，才能達到改質劑強度特征值的要求(不低于10次)。

2.2 物料配比對改質劑強度的影響

根據上述研究結果，選擇用后鎂碳磚、菱鎂石和鱗片石墨來研制轉爐終渣改質劑，不同物料配比下改質劑強度值如表3所示。

2.2.1 黏結劑用量對改質劑強度的影響

從表4中可看出，1#、2#和3#試樣在其他配料比相同的條件下，黏結劑用量由0.1%增至0.2%時，改質劑的強度降低33%左右，黏結劑用量繼續增至0.3%時，改質劑強度保持不變。這是因為，當添加0.1%的黏結劑時，覆蓋在原料表面的黏結劑可增加顆粒間的流動性，壓制時不但可以填充顆粒間的空隙，提高材料的致密度，同時顆粒間的范德華力也增加了顆粒間的結合力。黏結劑遇水后成為黏稠狀膠凝材料，當顆粒表面黏結劑較多時，易使液體的黏度變大，顆粒間黏著力增大[9]，從而減小顆粒的遷移和運動能力，壓制時顆粒不易移動,不能較好地填充改質劑內部空隙，降低了改質劑的致密度，從而降低了改質劑強度。因此，添加0.1%的黏結劑較為合適。

2.2.2 水量對改質劑強度的影響

從表4中可看出，5#、6#和7#試樣在固體骨料和黏結劑配料比相同的條件下，改質劑的強度隨著水量的增加而增大，當水量由5%增至10%時，改質劑強度提高了3倍。這是由于水量對于黏結劑在顆粒表面的遷移、運動起著重要的作用[10]，當水量增加時，可以濕潤顆粒的表面，使黏結劑均勻覆蓋在顆粒表面[4]。當受到壓力作用時，顆粒間易滑移而使不同粒度的顆粒填充到不同大小的空隙間，提高改質劑的致密度。同時水分的增加，提高了氧化鎂顆粒與水接觸的幾率，產生更多黏稠狀的膠凝材料氫氧化鎂，增加顆粒間的機械能，使顆粒緊緊凝結在一起，從而提高改質劑的強度。但水分進一步增加，較多的水分會增加改質劑烘干的能耗，且烘干產生的水蒸氣會使改質劑內部的結構松動而降低其強度，因此，一般將水量控制在10%以內。

2.2.3 用后鎂碳磚用量對改質劑強度的影響

從表4中可看出，3#、4#和5#試樣在黏結劑和水配料比相同的條件下，當用后鎂碳磚用量由47.1%升至55.7%時，改質劑的強度提高，當其用量增至60.2%時，改質劑的強度明顯降低。這是由于用后鎂碳磚回收料顆粒比較細小，菱鎂石顆粒粒度較大，當用后鎂碳磚用量較少、菱鎂石骨料顆粒較多時，改質劑壓制成型時空隙較多，而中小顆粒較少不易填充骨架間的內部空隙，在受力條件下，易從骨料間的空隙處破碎而使材料強度降低[11]；當用后鎂碳磚用量較多、菱鎂石骨料顆粒較少時，改質劑壓制成型過程中，使無骨料的部分由小顆粒填充而成，受到沖擊時易在此部分斷裂或破壞，降低了改質劑強度。綜合考慮試樣的灼減量、氧化鎂含量以及強度要求，則用后鎂碳磚和菱鎂石的用量分別為60.2%、25.7%。

3 結論

(1)用后鎂碳磚回收料粒度不同，其氧化鎂及碳含量差別較大。以用后鎂碳磚為原料制備改質劑時，粒度為<0.1、0.1～0.6 、0.6～1 mm 的鎂碳磚細粉配比應為3∶4∶3。

(2)在用后鎂碳磚及菱鎂石的鎂質原料組成下，改質劑的強度隨水量的增加而增大、隨黏結劑含量的增加而降低。

(3)綜合考慮改質劑灼減量、氧化鎂含量以及強度要求，優化后的用后鎂碳磚基改質劑的配料組成為：60.2%的用后鎂碳磚、25.7% 的菱鎂石、10%的石墨粉、0.1%的黏結劑以及10%的水。

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[責任編輯 張惠芳]

Burdening optimization of wasted MgO-C brick-based converter final slag modifier

ZhengWan1,2,RenJinqin2,WenZhengyong2,XuWeiwei2,FengXuelong2,ZhengYongfei2,LiuLei2

(1.State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081, China;2.Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education,Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081, China)

With wasted MgO-C bricks as the raw material, converter final slag modifier was developed.Chemical compositions of wasted magnesia-carbon bricks with different particle sizes were analyzed.In order to optimize the formulation of wasted MgO-C brick-based modifier,the selection of starting materials and its effect on the strength of slag modifier were studied.The results show that different sizes of recycled MgO-C brick material have different contents of magnesium oxide and carbon.When preparing the slag modifier with wasted MgO-C bricks,the mass ratio of its fine powder with particle size <0.1 mm, at 0.1～0.6 mm and at 0.6～1 mm should be 3∶4∶3 and the grain size of magnesite should be 1～3 mm.The strength of slag modifier increases with the increment of water content and decreases with increasing binder content.The optimized formula for the preparation of wasted MgO-C brick-based slag modifier is 60.2% of wasted magnesia-carbon bricks,25.7% of magnesite,10% of flake graphite,0.1% of binder and 10% of water,respectively.

converter slag；wasted magnesia-carbon brick; burdening；MgO；strength

2014-09-18

武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室開放基金資助項目(EMRU201201).

鄭 萬(1965-)，男，武漢科技大學教授，博士.E-mail:zhwan@126.com

TF09

A

1674-3644(2015)01-0023-04