廢舊耐火材料用作鋼鐵冶金熔劑的研究進展

余吳明 慕 鑫 杜傳明 馬北越 于景坤

東北大學冶金學院 遼寧沈陽 110819

耐火材料是鋼鐵冶金中的重要輔助材料，同時也是易耗品［1］。目前，我國冶金工業每年的耐火材料使用量超過2 000萬t。耐火材料主要由優質耐火原料（如電熔剛玉、棕剛玉、電熔鎂砂、特級礬土等）組成，且在使用過程中成分和礦物組成變化不大，因此，廢舊耐火材料是一種有價值的資源［2－4］。我國鋼鐵企業廢舊耐火材料資源化利用率較低，除了少部分銷售給耐火材料企業外，大部分被當作工業固廢直接填埋或堆存。這不僅造成了資源的嚴重浪費，也帶來了嚴重的環境負擔［5－8］。因此，鋼鐵企業急需尋求廢舊耐火材料高效資源化利用的新路徑，以實現降本增效和綠色可持續發展。

在本文中，介紹了廢舊耐火材料的利用現狀，重點總結了國外先進鋼鐵企業將廢舊耐火材料作為冶金熔劑的應用實踐，并對今后廢舊耐火材料再利用的前景和研究重點進行了展望。

1 廢舊耐火材料利用現狀

鋼鐵企業廢舊耐火材料主要來自高溫容器（如出鐵溝、混鐵車、電爐、轉爐、鐵水包、鋼包等）中修或大修時拆下的殘余工作襯和更換的永久襯，以及塞棒、水口等用后功能耐火材料［2］。

國外廢舊耐火材料利用率已達到80%以上［9－10］，主要有兩種利用途徑［11－12］：1）經處理加工成耐火材料或冶金輔料，在企業內就地消化；2）耐火材料公司直接回收，經加工處理后獲得耐火原料以制備再生耐火材料，或用作建筑材料［13］。日本鋼鐵企業主要把廢舊耐火材料用作造渣劑及型砂的代用品，一些鋼鐵企業以廢耐火磚為主要原料，開發出了鋼包底周邊搗打料、鋼包澆注料以及定形產品［14－15］。美國鋼鐵企業將廢舊耐火材料應用于脫硫劑、造渣劑、濺渣護爐劑、鋁酸鈣水泥、耐火混凝土骨料、鋪路料等方面，取得較好的使用效果［16－18］。韓國浦項鋼鐵將廢舊耐火材料統一回收，經過揀選，破碎成40 mm以下顆粒，分別作為新耐火材料的原料，濺渣護爐料等冶金輔料和鋪路料等［19］。

我國廢舊耐火材料的利用率遠低于發達國家，綜合利用率未超過30%，大部分廢舊耐火材料被當成固廢處理［20］。

2 國外廢舊耐火材料作為冶金熔劑的再利用

2.1 廢舊MgO質耐火材料

瑞典冶金研究所（MEFOS）和瑞典鋼鐵（SSAB）合作開發了廢舊MgO質耐火材料再利用技術，將廢舊鎂碳磚用作轉爐煉鋼熔劑，替代部分輕燒白云石。鎂碳磚破碎、篩分后，將300 kg 25～5 mm的顆粒裝入大袋中，與其他熔劑一起投入轉爐內，可減少600 kg輕燒白云石。為了補償渣中CaO含量，需要額外添加生石灰。將使用廢舊鎂碳磚顆粒的轉爐與未使用的進行對比結果表明：鋼渣化學組成沒有明顯差異，并且其他技術指標如出鋼量、鋼液成分也沒有顯著區別［21］。

多家歐洲鋼鐵企業使用廢舊MgO質耐火材料作為電爐爐渣調節劑。通常是將粉碎的鎂碳磚或白云石磚與輕燒白云石和石灰混合后一起加入爐內。使用廢舊MgO質耐火材料需要關注的是MgO在渣中的溶解速度，因為MgO以重燒白云石或電熔氧化鎂形式存在［22－24］。Umakoshi等［25］研究了輕燒白云石在FetO－CaO－SiO2渣系中的溶解速度，發現表觀孔隙率對輕燒白云石的溶解速率無明顯影響。挪威某企業將鋼包中白云石質耐火磚拆除回收，經破碎、磁選、篩分后作為熔劑加入到電弧爐中使用，每年可消耗約1 000 t。

意大利鋼鐵企業Ferriere Nord和Stefana均配有廢舊耐火材料回收設備。廢舊耐火材料主要是鋼包、中間包、電爐等內襯用白云石質耐火磚。將廢舊耐火材料與精煉渣混合后，通過特殊噴嘴加入到電弧爐中作為造渣劑，可替代一部分生石灰。采用該工藝后，能顯著減少石灰的消耗量，實現了物料平衡，而且未增加電弧爐內襯的熔損［26－27］。

意大利某鋼廠使用廢舊鎂碳磚作為爐渣調節劑，出鋼后爐渣中MgO含量處于飽和狀態。但在LF精煉和真空脫氣過程中，由于爐渣成分和溫度發生變化，MgO飽和度顯著提高，導致渣中MgO含量低于其飽和值，易造成鋼包內襯的熔損。在LF精煉過程中向爐渣中加入廢舊鎂碳磚，使MgO含量增加至14%（w），能顯著減少對鋼包耐火材料的侵蝕［28］。

日本大同特鋼知多廠每月產生900 t廢舊耐火材料，其中，500 t可回收利用，綜合利用率超過58%（w）。高堿性的白云石質耐火磚主要用作煉鋼造渣劑，或作為LF爐和電爐的修補料，實現廠內再利用。廢舊多孔磚和透氣磚主要作為不定形原料使用。MgO含量較高的尖晶石磚粉碎后用作LF爐造渣劑，每噸鋼加入3 kg尖晶石粉，可減少螢石和輕燒白云石的消耗，但需添加生石灰來彌補CaO含量。使用廢尖晶石磚作為熔劑不會造成渣線耐火材料的熔損，也未對鋼液成分、化渣性、脫硫能力等產生影響。因尖晶石磚中含有Al2O3，提高廢尖晶石磚的添加量不會增加熔渣黏度，也不會降低脫硫能力，因此，可減少螢石添加量。對于AOD爐襯中的白云石磚，可用作電爐渣助熔劑，不會影響熔渣中Cr2O3含量［29］。

為了考察電爐、鋼包、RH等爐襯廢舊耐火材料破碎篩分后，小于50 mm的顆粒料對爐渣脫磷能力的影響，日本大同特鋼分別向爐渣中加入500、1 000、1 500 kg顆粒料進行試驗，并相應地減少CaO的加入量。結果表明，出鋼后鋼水中磷含量接近標準值的上限。因此，使用小于50 mm廢舊耐火材料的顆粒料時，其加入量每爐要低于500 kg［30］。

日本JFE鋼鐵株式會社發明了一種轉爐鋼渣MgO含量調節劑和煉鋼方法：將以MgO為主要組成的耐火磚粉碎為≤5 mm，并加入結合劑和水進行混練、壓塊。當轉爐冶煉廢鋼比超過10%時，在吹煉開始后，將這些塊狀料投入爐內熔化，可將爐渣的MgO含量調整為6%（w）左右，接近飽和濃度。使用這些塊狀料可促進化渣，減少轉爐內襯熔損，延長耐火材料壽命［31］。

日新制鋼將轉爐鎂碳磚拆解時產生的小于20 mm的顆粒料，在吹煉2 min內投入轉爐中作為煉鋼熔劑使用后發現：當鎂碳磚顆粒料粒徑小于20 mm時，與輕燒白云石一樣，能增加鋼渣中的MgO含量，防止耐火材料熔損［32］。此外，日新制鋼還將廢舊鎂碳磚粉碎為≤5 mm，加入結合劑和水，壓制成塊狀料，并通過料倉加入轉爐內［33］。結果表明：這些塊狀料能在渣中快速溶解，提高爐渣中MgO含量，有利于化渣。因此，使用廢舊鎂碳磚可與輕燒白云石產生一樣的冶煉效果。

美國多家鋼鐵企業聯合開展了廢舊鎂碳磚作為電弧爐爐渣改性劑的研究。發現只有鎂碳磚顆粒足夠細，才能使其在渣中溶解；但當粒徑過細時，耐火材料粉料會進入粉塵回收系統，因此，也需要抑制粉塵的形成。將廢舊耐火材料破碎篩分后，通過磁選分離，高Al2O3質耐火材料主要用作鋼包精煉劑或澆注料，白云石質耐火材料主要用作電爐造渣劑［34－36］。

Ispat Mexicana鋼廠將廢舊鎂碳磚破碎為粒徑＜3 mm，裝包后通過料倉加入電弧爐內作為造渣劑。將添加廢舊鎂碳磚的爐次與添加生石灰和輕燒白云石的普通爐次進行對比發現，當使用廢舊鎂碳磚時，爐渣中MgO平均含量達到9.5%（w），接近飽和狀態，遠高于普通爐次中MgO含量。使用廢舊鎂碳磚作為造渣劑能帶來以下益處：1）每爐造渣劑的消耗量減少1.3 t；2）改善了泡沫渣的形成條件；3）每噸鋼電能消耗降低15～20 kW·h；4）縮短3 min熔化時間；5）延長了爐襯耐火材料壽命。經濟效益分析表明：每座電爐每年能降低生產成本125萬美元［37－38］。

2.2 廢舊Al2O3質耐火材料

挪威Fundia Bygg鋼廠將廢舊高鋁磚和鋁鎂尖晶石磚破碎為≤8 mm，加入結合劑并壓制成塊用作LF爐造渣劑，并與傳統造渣劑進行了對比。結果表明，廢高鋁磚具有較好的化渣效果，但這些爐次的平均脫硫率略低于使用傳統造渣劑的脫硫率。這主要因為高鋁磚含有26%（w）的SiO2，因此，需要額外加入生石灰來提高堿度。廢鋁鎂尖晶石磚能在LF渣中作助熔劑。廢鋁鎂尖晶石磚中Al2O3含量遠高于造渣劑中的，因此，可降低熔劑的使用量。當使用廢鋁鎂尖晶石磚時，爐渣脫硫率略有降低，但仍能滿足鋼液脫硫的需求。與使用傳統造渣劑相比，使用廢舊高鋁磚和鋁鎂尖晶石磚能使熔劑成本降低約50%［22］。

3 結語和展望

國外先進鋼鐵企業廢舊耐火材料資源化利用的情況表明，將廢舊耐火材料作為冶金熔劑返回煉鋼流程再利用在理論和技術上是可行的，是實現廢舊耐火材料資源化利用的有效途徑之一。為了提高國內廢舊耐火材料利用率，應借鑒國外先進鋼鐵企業的成功經驗，研究相應的廢舊耐火材料資源化利用工藝，以加快推進資源循環利用，實現綠色可持續發展。但是，國外鋼鐵企業關于廢舊耐火材料再利用的具體工藝參數和工藝細節等核心技術并未公開報道，而且各鋼廠采用的冶煉工藝以及使用的廢舊耐火材料成分也存在差異。因此，需要結合各鋼鐵企業的實際生產情況，開發匹配現有冶煉工藝的廢舊耐火材料再利用技術是未來的研究方向。