回转窑生产转炉炼钢用高质量石灰的研究

回转窑生产转炉炼钢用高质量石灰的研究

林森仪

宝钢湛江钢铁有限公司

摘 要：随着钢铁质量和产量的持续提升，炼钢过程中对于石灰质量的要求也在持续提升，在这种情况下，活性石灰被广泛应用于炼铁过程中。基于此，本文对活性石灰特性及在炼钢中的作用进行了分析，阐述了活性石灰的煅烧机理，总结了国内外先进石灰窑型的生产特点及炼钢用石灰质量的提高途径，加深企业对“活性石灰”的认识，为冶金企业建设“活性石灰”生产线起到良好的借鉴和参考作用。

关键词：活性石灰；特性及作用；煅烧机理；石灰窑

引 言

冶金石灰作为炼钢用的“造渣剂”，它的重要性已逐步得到人们的重视和认知。它不仅影响着钢水的冶炼过程，还直接影响钢水的最终质量。国际上已广泛采用品质好、反应快、造渣彻底的优质“活性石灰”取代过去使用的“普通石灰”为冶炼优质钢水奠定了基础。活性石灰的应用，加快了冶炼造渣速度、缩短了冶炼时间、降低了吨钢石灰消耗、减少了杂质带入、大大提高了钢水的质量，给企业带来了显著的综合效益，在钢铁行业已形成共识。20年代末至今，国内各大钢铁企业，纷纷建设一流活性石灰生产线，石灰窑配套的主体设施均采用引进或消化外来技术自行建造，石灰产品质量明显优于传统式窑生产的产品。所以活性石灰的应用正成为大趋势在飞速普及发展。

1. 活性石灰特性及在炼钢中的作用

1.1活性石灰的特性

活性石灰是一种化学性能活泼 、反应能力强， 在炼钢造渣过程中熔解速度快， 含 S、P 等有害元素少的优质软烧石灰。它的质量优劣主要采用“活性度”这一指标来衡量。活性度体现了石灰在熔渣中与其它物质的反应能力， 表观现象为石灰在熔渣中的熔化速度 。由于直接在钢水中测定较困难， 所以一般以测试石灰在水中的反应速度来代替， 即以石灰水活性来表示 。活性度的测试方法为:取50g 试样， 与水混匀成饱和溶液再加入酚酞试剂后呈粉红色， 再用浓度为4N( 摩尔) 的 HCl( 盐酸) 在 40℃±1℃的环境温度下，连续10min( 分钟) 滴定， 彻底中和后滴入HCl 的毫升数( 滴定值) 即为“活性度”值。溶解盐酸量越大， 活性度越高， 石灰的质量就越好。

关于活性石灰， 国家行业部门制定了相关标准，冶金石灰一级以上( 即活性度在 300ml 以上) 称为活性石灰， 对粒度也有一定要求。通过先进窑型合理煅烧出的活性石灰有以下主要的性能特点:

( 1) 体积密度小:1.5 g/cm 3 ～ 1.7 g/cm 3 ；

( 2) 气孔率高 :50 %；

( 3) 比表面积大:1.5 m 2 / Kg ～ 2.0 m 2 / Kg ；

( 4) 矿物结晶细小:0.1 μm～ 3 μm ；

( 5) 活性度高:≥300 ml ；

( 6) 残余 CO 2 含量 :≤2 %；

1.2石灰在炼钢中的作用

石灰是炼钢的主要渣剂，其产品的质量直接影响钢水的质量。使用优质石灰可以优化炼钢的生产条件，加快渣的形成，提高脱磷和脱硫的效率，稳定操作，缩短冶炼时间，增加炉的使用年限，因此可直接提高炼钢生产的经济效益，为精品钢材的生产提供优质钢水。因此，随着钢铁工业的发展，对冶金石灰提出了新的质量要求。

去除硫、磷、硅、砷等杂质。铁水或废钢作为炼钢的主要原材料，含有不同程度的S、P、Si、As等，即有益又有害。其中S、P和Si在绝大多数的钢种中，影响钢材的物理和机械加工性能，As主要在耐热钢和核电用钢中有严格限制。石灰以其丰富的原料来源和合理的价格，并能与S、P、Si、As的氧化物形成不同的化合物，是去除S、P、Si和As的首选。因此，石灰是去除钢中S、P、Si、As的最佳材料。

二、活性石灰的生产煅烧机理及影响因素

　 活性石灰的生产就是把碳酸钙( CaCO 3 ) 为主要成份的石灰石， 加热分解为氧化钙( CaO) 和二氧化碳( CO 2 ) 的过程。

2.1热分解过程热值分析

热分解方程式:CaCO 3 =CaO+CO 2 -422Kcal/Kg即在常温标准状态下， 1Kg 碳酸钙( CaCO 3 ) 热分解需要 422Kcal 的热量 。石 灰石的分 解温度 为900℃， 具体热值分析为:

1. CaCO 3 从 20℃加热到 900℃， 需要给热 234Kcal/Kg ；

2. 900℃时的 CaCO 3 分解所需 热量为 396Kcal/Kg ；

3. CaO 从 900℃冷却到 20℃时放热 105 Kcal/Kg ；

4. CO 2 从 900℃冷却到 20℃时放热 103 Kcal/Kg ；

最终结果: H=(a+b)-(c+d)=630-208=422 Kcal/Kg。

所以得出结论:在煅烧过程中，(a+b)项是必须供给的最低限度热值630 Kcal/Kg，它是恒定值，再考虑到石灰窑的各种热损失，总供热值应大于最低限度值；(c+d)项是余热利用值208 Kcal/Kg，它是评价一座石灰窑经济性的重要因素。

2.2煅烧机理及效果分析

无论什么样的煅烧窑，其煅烧机理必须合理，煅烧效果必面恰到好处，这样才能获得最佳的优质软烧(轻烧)石灰，否则就会发生“生烧”或“过烧”现象，使产品质量下降。

石灰石煅烧是堆积料热分解，所以布火点和各断面炉温的均匀性是关键，而石灰石料在炉内各温度带运动时间控制也非常重要。炉料经过预热、加热、分解、冷却的过程，占重量约40%的CO 2气体放出，使CaO形成了细小的晶粒(单晶大小约0.2μm～0.6μm)，空隙率达到60%(氮气吸收法测定表面积约为1 000cm 3/g)，这种状态的轻烧石灰是理想的优质活性石灰，效果是最好的。

若CaO处于高温带时间太长，其晶粒就会长大到10μm左右，体积也会收缩，活性度变小，最后形成了“过烧”石灰。当然如果煅烧时机未成熟或加热效果不佳，也会使石灰石不能烧透，形成“生烧”石灰。

2.3影响石灰煅烧质量的主要因素

（1）石灰石质量及粒度大小:石灰石的CaO含量和结晶结构是烧出好质量石灰的前提，而石灰石粒度配比合理(大/小=2/1)，可改善炉内气流运动状态、增强物料的加热分解效果。

（2）煅烧窑型的选择:合理结构的煅烧窑可为生产“轻烧”石灰创造条件，布火点均匀、物流及各段温度控制恰当，煅烧效果就好。

（3）燃料及供热方式:气体燃料比固、液体燃料加热效果好，燃料中要采用低S、P含量的燃料。供热方式是供热点布置在堆积料中间，强制正压供热，或高温气流穿层加热，效果更好。

（3）其它因素:炉料的运行方式，加料、出灰方式及窑体密封效果，自动化控制生产水平、工人的技术素质等。

三、国内外先进石灰生产窑型特点

　 国内外冶金企业主要采用“卧式”和“立式”两种窑型煅烧石灰。经过对冶金石灰窑考察研究，我们对各类窑型特点有了详细的了解。“立式”窑种类较多，无论过去“传统竖窑”及“机械化立窑”，还是改进后的“废气调控式竖窑”“斜膛竖窑”，均无法达到理想化石灰煅烧温度场，生烧或过烧现象无法最大限度地克服，尽管投资少，建设期短，但石灰质量无法保证(活性度均在250ml～300ml之间)，故选择此类窑型并无技术优势。以下介绍几种较好的生产窑型，它不但能生产出高质量的活性石灰，且具有各自独特的生产特点。

3.1卧式回转窑

卧式回转窑靠窑体旋转，石灰石翻滚中煅烧，它的特点是:煅烧石灰质量好、活性度高(360ml以上)、产量大(单窑能力500t/d以上)、生产稳定。对石灰石粒度适应范围宽。一次性投资高(约1亿万元)、占地面积大(是竖窑的4倍～6倍)、能耗高(热耗约1 350Kcal/Kg)、粉灰比例高(约30%)。这类窑型适合炼钢用灰量比较大的大型钢铁联合企业建设。

3.2并流蓄热式双膛竖窑(MAERZ)

这种引进(瑞士迈尔兹)的双膛竖窑，两个炉膛轮流加热和装、出料，使炉气余热能充分回收利用(预热入窑冷料)，它的特点是:燃料适应性广、产量适中、煅烧石灰质量好、活性度高(350ml以上)，煅烧机理先进合理、能耗低(单耗约850 Kcal/Kg)。缺点是投资较高、操作复杂。这类窑型在我国引进的事例较多，业绩也较多，适合大、中、小型钢厂或特钢企业建设。

3.3套筒竖窑(BASK)

这种引进(德国贝肯巴赫)的套筒竖窑，由耐火材料砌筑的窑身(外套)和上下两段内胆(内套)组成，炉膛在内、外套之间环缝中下降移动。它的特点是:产量适中、煅烧石灰质量好、活性度高(350ml左右)。操作简单但窑体结构复杂，投资较高，这类窑型适合大、中、小型钢厂或特钢企业建设。

3.4梁式竖窑(FERCALX)

这种引进(意大利弗卡斯)的梁式竖窑，炉内设置上、下两层供热支撑梁，炉内负压操作，它的特点是:煅烧石灰质量好、活性度高(350ml左右)，产量适中，粉灰量比例少、能耗较低(能耗约900 Kcal/Kg)，投资较高，国内业绩较少。这种窑适合大、中、小型钢厂或特钢企业建设。

以上几种窑型在国内已得到广泛应用和大力推广，实践证明生产的石灰质量好，给钢铁企业带来了较好的综合效益(与过去普通石灰相比，吨钢生产成本可下降约20元～30元)，获得了冶金企业的普遍认同。提高炼钢用石灰质量的途径要从以下几方面着手:

(1)从原料、燃料的质量抓起:原料是基础，从选矿开始就要选用成分优良、粒度合理、表面洁净的优质矿石。燃料也要根据企业具体情况选用杂质少、易于获取的优质燃料，保证宽松的原、燃料供给条件。

(2)需要制定合理的煅烧制度:理论分析石灰石在900℃左右分解，供给热量≥630 Kcal/Kg，但受企业具体情况(如矿石结构、燃料供给、窑体传热速度及CO 2气体扩散等)环境制约，加热最高温度和供热能力就相应调整。必须制定合理的煅烧制度，保证石灰石的“轻烧”(软烧)过程的实现。

(3)选用适当合理的现代化先进窑型:在各种原始条件具备后，应选用具有一定装备水平的先进窑型。现在煅烧窑种类较多，企业要根据生产规模、石灰产品质量要求、总图布局、原燃料条件、投资能力等因素综合分析，来决策拟建的石灰煅烧窑型。

(4)严格科学管理、制定各项合理规章制度:任何先进生产线，作为系统工程都要以人为本，培养专业岗位人材，才能生产出优质产品。要从开矿、选矿、配料、煅烧、自动化控制、产品检验等各环节制定科学的操作规程和规章制度，并严格执行。

四、结束语

综上所述，作为炼钢过程中非常重要的一种辅料，活性石灰的质量直接与钢铁的质量相关。因此，钢铁厂必须要做好对于活性石灰的生产与质量控制工作，只有这样才能得到更优质的钢铁产品，提高自身的市场竞争力，促使自身实现进一步发展。

参考文献

1. 活性石灰回转窑系统节能降耗探索与实践[J]. 杨长宁.  黑龙江科技信息. 2016(01)

2. 不同性质石灰石高温煅烧后的石灰活性度研究[J]. 汪筱渊,薛正良,李建立.  炼钢. 2016(03)

3. 活性石灰竖式预热器预热过程的数值模拟与结构优化[J]. 刘星安.  现代制造技术与装备. 2017(01)