石灰煅烧技术.doc

《山东冶金》　　2003年炼钢增刊

石灰竖窑高效化技术改造与工艺创新
付博，武光君，马霄，孟召来
（莱芜钢铁股份有限公司 炼钢厂，山东 莱芜 271126）
摘　要：在活性石灰煅烧理论研究的基础上，对传统石灰竖窑进行高效化技术改造，并改进生产工艺，使石灰窑平均利用系数和石灰活性度等各项指标大幅提高，优化了炼钢工艺，吨钢石灰单耗由59.67kg降低至45.05kg。
关键词：石灰竖窑；利用系数；活性度
中图分类号：TQ175.6+53.6　　 文献标识码：B
HighEfficiency Technical Transformation and Process 
Innovation of Lime Shaft-kiln
FU Bo, WU Guang-jun, MA Xiao, MENG Zhao-lai
(The Steel-making Plant of Laiwu Iron and Steel Group Co. Ltd., Laiwu 271126 , China)
Abstract：On the basis of studying on calcinations theory of active lime, the conventional lime shaftkiln is technical transformed for higher efficiency purpose and the industrial process is improved. As the result the average utilization factor and lime activity of the lime is greatly improved, the process of steelmaking is optimized and the consumption of the lime is decreased from 59.67kg to 45.05kg.
Keywords：lime shaft-kiln；utilization coefficient；activity
1 前言
　　冶金石灰是转炉炼钢的主要熔剂，其质量高低直接影响到炼钢的质量、消耗和成本等主要技术经济指标。莱芜钢铁股份有限公司炼钢厂（简称莱钢炼钢厂）有3座焦炭机械化石灰竖窑，其中2座传统的150m3竖窑、1座170m3改进型石灰竖窑。竖窑有效利用系数0.7～0.8t/（m3.d）；石灰活性度为220～270mL。随着钢产量的大幅递增和“四炉对四机”全连铸生产技术的应用，石灰产质量已不能满足现代转炉炼钢高强度、快节奏、高质量的生产需要。2001～2002年，借大修之机对2座传统石灰竖窑进行高效化技术改造，并改进传统的生产工艺，极大地提高了石灰窑有效利用系数和石灰活性度，取得了良好的效果和经济效益。
2　高效石灰煅烧理论研究
　　竖窑有效利用系数和石灰活性度，除了与原燃料的物理和化学性能有关外，还与石灰的煅烧工艺与控制水平密切相关。煅烧工艺主要包括窑内气相压力（分解压）、煅烧温度和煅烧时间的控制。
2.1　CaCO3的分解压力与分解温度、速度的关系
　　CaCO3的分解过程是一个吸热、多相反应，它的平衡常数表达式为：
　　CaCO3(s)＝ CaO(s) ＋CO2(g)
　　其平衡常数为：
　　Kp＝PCO2/P  （1）
　　式中P—标准大气压。
　　因此，CaCO3的分解温度就是其分解压（PCO2）等于气相中CO2分压（PCO2）时的分解温度。用化学反应等温方程式表示如下：
　　△G=－RTlnKp+RTLnQP=RTlnQP/Kp  （2）
　　式中QP—非平衡时的比例常数。
　　只有QP＜Kp，△G＜0时，分解反应才能自动进行。据此创造条件来满足石灰石的煅烧气氛：
　　（1）减少产物[WTBZ]CO2气体的压力，即采用风机不断抽出窑气混合物，从而使QP降低。
　　（2）提高温度，增大Kp。
　　根据CaCO3的分解反应，CaCO3的分解压PCO2与分解温度T的关系可用热化学方程式表示如下：
　　lgPCO2＝－8920/T+7.54  (3)
　　式中T—分解温度，K。
　　此方程可知，CaCO3在一定温度下要对应一定的分解压，并随着温度的升高而升高，而且升高的速率相当快，因此升高温度是加速CaCO3化合物分解的有效措施。
　　在实际生产中，石灰在窑炉内煅烧并不是理想状态下，石灰石表层在810～850℃开始分解，而内层由于分解表层CaO的气孔中充满分解析出的CO2，石灰石内层的CO2分压比窑气中高，分解温度也相应要高。因此可通过引风机不断抽出窑气，采取负压操作，加快CaCO3的分解速度，可缩短石灰石在窑内烧成带的停留时间。
2.2　煅烧工艺对石灰活性度的影响
　　石灰的活性度取决于它的组织结构，石灰的组织结构与煅烧温度和煅烧时间密切相关。影响石灰活性度的组织结构包括体积密度、气孔率、比表面积和CaO矿物的晶粒尺寸。晶粒越小，比表面积越大，气孔率越高，石灰活性就越高，化学反应能力就越强。
2.2.1　煅烧时间的影响  图1为石灰体积密度与煅烧时间及温度的关系。由图1可以看出，随着煅烧时间的延长，石灰的体积密度逐渐增大，从而使石灰气孔率降低，比表面积缩小，CaO晶粒长大，石灰活性降低。石灰石在受热分解时，放出了CO2，使石灰的晶粒上出现了空位，CaO晶粒处于不稳定状态，CaO分子比较活泼，因而活性高，这时快速冷却，把石灰这种不稳定的组织结构固定下来，石灰活性就会提高。

图1 石灰体积密度与煅烧时间和煅烧温度的关系
2.2.2　煅烧温度的影响  煅烧温度与石灰的性质关系见表1。由表1可知，石灰石在1000～1100℃左右的温度下生产的石灰疏松多孔，CaO晶粒高度弥散，排列杂乱且晶格有畸变，使其具有大的比表面积和高的自由能（活性度高）。随着温度的升高，CaO晶体结构不断发育，由杂乱排列逐渐排列紧凑，结构致密，石灰体积收缩，气孔率下降，比表面积降低，石灰活性降低。因此煅烧石灰的温度应控制在1200℃以下，最佳煅烧温度为1000～1150℃。
表1 石灰的煅烧温度与石灰性质的关系
温度/℃
结晶粒度/μm
体积密度/g.cm-3
比表面积/cm2.g-1
气孔率/%
收缩率/%
过烧率/%
800
0.3
1.59
19.5
52.5
0

900
0.5～0.7
1.52
21.0
535.5
-2.0
5
1000
1.8
1.55
18.0
52.0
4.2
10
1100
4.0
1.62
16.5
50.0
10.0
20
1200
6～13
1.82
12.0
47.0
18.0
40
1300

2.05
4.50
35.0
18.0
50
1400

2.60
1.50
27.0
38.0
65
　　注：表中数据引用日本住友金属株式会社测定数据。
3 传统石灰竖窑高效化改造
　　提高设备工艺技术性能和自动化控制水平，是优化、改进传统石灰生产工艺的前提。根据高效石灰煅烧工艺的要求，进行了高效化、自动化和智能化设计与改造。
3.1　窑衬改造，减少截面，增大高径比
　　传统的机械化竖窑截面大，窑径比小，一般H有效：D内径为5～6，易造成布料、出灰不均，为此进行了设计改造。原炉壳直径不变，加厚窑衬，内径由原来的3.4m减少到2.9m；有效高度由原来的18m增加到18.2m，使窑径比由原来的5.29提高到6.27，有效容积由原来的150m3变为120m3。减少截面，有利于均匀布料和窑内气流的均匀分布，缩短在烧成带的停留时间，减少石灰生烧，预防过烧。
3.2　风帽及出灰结构创新设计
　　传统机械化石灰窑鼓风系统由高压离心风机和圆柱形风帽组成，气流在窑内的分布趋向于四周炉壁，中间单位面积流量小，加剧了窑壁效应，易发生粘瘤。通过窑内气流分布研究和优化设计，改为层式风帽，如图2所示。

图2 风帽及出灰结构示意图
1 层式风帽  2 出灰漏斗  3 圆盘出灰机  4 竖窑窑衬
　　采用半径大小不同、具有三种导向角的层式风帽和容积回转式罗茨风机，使窑体统一截面上气流分布趋于一致。同时将原拖板出灰机改造为圆盘出灰机，并由传统的双层改为单层结构出灰流量调节范围宽，且可调整圆盘出灰机正反转，保证了物料在窑内均匀流动下沉和窑内气流的合理分布。
3.3　混配设备工艺性能改进
　　原设计混配设备中，石灰石、焦炭是靠电磁振动给料机给料，磅秤称量通过溜槽直接进入料车。称量误差和落下误差可达1%，且物料在料车内严重偏析。改为变频控制电极振动给料后，称量后的物料进入中间斗，通过调节中间斗出料口的大小和石灰石、焦炭给料速度，保证了焦石混配的均匀性。
3.4　电气仪表自动化、智能化控制技术的应用
　　控制系统采用西门子可编程控制器进行控制，使现场所有信号（温度、压力、流量、控制）全部进入PLC，按生产工艺流程进行集中监视和控制。同时，上料卷扬主令控制器由传统的LK系列的机械触点式主令改为ZNLK智能主令，形成配套的PLC控制技术，提高了设备运行的可靠率和自动化控制水平。对窑体上二次风口、检修门、温度监测点进行了合理配置和优化，在窑体各部位安装19个测温点，可显示、贮存和打印，随时观察分析窑内各带的温度及变化趋势，有利于对窑况进行有效的控制与调节。
3.5　增设二次风与引风除尘系统
　　对原3座竖窑的3台风机和其中1台备用风机进行联网改造，将另一台备用风机改为二次风，并与3座竖窑联网共用。在冷却带下部设置送风管道，沿炉体周围均匀分布8只吹入边风喷嘴和流量控制。同时，在预热带上部增设抽气引风系统，由抽气梁、袋式除尘器、引风机构成。抽气梁为φ800mm的管道，中间接φ1000mm的风口，抽气梁高度设置在料面500mm以下。并根据炉顶负压要求，布料器上部增设闸板密封式储料斗。
4　石灰煅烧工艺改进与新技术应用
4.1　快烧快冷煅烧工艺的应用
　　传统石灰生产工艺采用“八进八出”进出料制度和废气直排式“正压”控制，窑内物料循环慢，窑内透气性差，造成窑内通风阻力大，石灰石分解压力大，煅烧速度慢。经过试验探索，研究应用浅进浅出 、快烧快冷石灰煅烧工艺，进出料制度采用周期性上料，周期288s，日上石量300t，不停风连续作业，每0.5h出灰一次；采用废气调控式“微负压”控制，由200～250Pa改为-100～0Pa；煅烧区温度控制在1000～1100℃。实施后，窑内物料循环由原来27h缩短到16h。
4.2　竖窑偏烧调控技术的应用
　　偏烧是竖窑石灰生产中易发生、难处理的工艺事故。发生偏烧时，一是窑内预热带和冷却带两头高，灰温高，出灰量减少，必须减产；二是窑内一边温度高，一边温度低，造成大量的生烧石灰和过烧石灰。针对炉况偏烧难题，利用二次风进行炉况调控。根据热电偶的显示温度，发现窑内煅烧带温度偏差大，有偏烧征兆时，及时打开炉内上火慢方向的二次风阀门，通过补偿风量，加速燃烧、促其上移，避免偏烧问题的出现。
4.3　竖窑粘窑预防控制技术的应用
　　石灰窑正常生产条件下，三带位置长期稳定在某一位置，这对稳定炉况、提高质量起到较好的作用。但也使煅烧带所挂壁瘤充分熔融长大，导致因粘瘤引起偏烧。为了遏制所挂壁瘤充分熔融长大，通过定期性降料面操作，受到热涨冷缩作用和石料冲刷，定期清理窑壁挂瘤，预防大面积粘瘤。
5　应用效果
　　2001年8月～2002年10月，莱钢炼钢厂先后在原2座150m3石灰窑上进行大修改造，提高了设备工艺控制能力和自动化控制水平，石灰生产的技术经济指标大幅提升，如表2所示。
表2 竖窑高效改造前后主要工艺技术指标对比
项目
日产量/t
利用系数/t.(m3.d-1)
活性度/mL
CaO含量/%
生过烧率/%
吨钢石灰消耗/kg.t-1
改造前
105～115
0.73
220～270
86～87
12～15
59.69
改造后
145～155
1.25
320～360
88～90
5～7
45.05
　　石灰质量的提高，优化了炼钢工艺，吨钢石灰单耗由2000年的59.67kg降低到2002年的45.05kg，进一步降低了吨钢成本。
　　焦炭机械化竖窑通过高效化、智能化改造，实施快烧石灰煅烧工艺，可大幅提高石灰窑有效利用系数和石灰的活性度。用于炼钢，可加快造渣速度，优化炼钢冶炼工艺，降低吨钢石灰消耗。

《山东冶金》　　2003年增刊

浅谈济钢新建石灰窑窑型的确定
毕衍涛，赵培建，安源
（济南钢铁集团总公司， 山东 济南 250101）
摘　要：通过对世界上先进的石灰窑窑型的各项指标比较，结合济钢的实际情况，确定选择意大利弗卡斯公司的套筒窑为新建石灰窑的窑型。
关键词：石灰窑；窑型；活性石灰
中图分类号：TQ177.2+6　　 文献标识码：B
Talking About Confirmation of New Lime Kiln Type at Jigang
BI Yan-tao, ZHAO Pei-jian，AN Yuan
(Jinan Iron and Steel Group, Jinan 250101, China)
Abstract：Through comparing with several parameters of lime kiln type of advanced level in the world and combining the practical condition of Jigang,Terruzzi Fercalx SPA,Italy， is confirmed and selected as a new lime kiln type.
Keywords：lime kiln；kiln type；active lime
1 前言
　　“十五”期间，济南钢铁集团总公司（简称济钢）将实施战略性结构调整，依托国债技改，建设120t转炉、炉外精炼、大板坯连铸机等设施，这将改变济钢产品结构以普通中厚板为主的落后面貌。120t转炉对炼钢石灰的需求数量和质量都提出了更高的要求，其化学成分要求详见表1。

表1 120t转炉需用石灰的化学成分％
CaO
MgO
SiO2
P
S
CO2
≥91.3
≤0.7
≤2.8
≤0.02
0.03
≤2.0
　　除有化学成分要求外，120t转炉对石灰其它质量指标要求如下：
　活性度：≥350mL（4NHCl 10min滴定值）
　生过烧率：≤8％
　石灰粒度：10～50mm
　水分含量：≤1％
　济钢现有的石灰生产设施主要是4座150m3的气烧石灰竖窑，生产的冶金石灰活性度小于280mL，各种性能指标远远不能满足120t转炉的需要。因此，建设活性石灰工程是济钢“十五”规划不可缺少的配套辅助工程。
2 活性石灰的特点
　　活性石灰是一种性能活泼、反应能力强、在炼钢造渣过程中熔解速度快、含硫、磷等有害杂质少、氧化钙含量高的优质软烧石灰。具有体积密度小、气孔率高、比表面积大、氧化钙的矿物结晶细小等物理特性。活性石灰用于转炉炼钢，与普通冶金石灰相比，可缩短冶炼吹氧时间10％左右、钢水收得率提高1％、石灰消耗减少20％、废钢比提高2.5%左右，同时有利于炼钢过程的脱硫、脱磷及提高转炉炉衬寿命等，发达国家已全部采用活性石灰炼钢。根据济钢对活性石灰的需求，决定建设一座日产500t活性石灰窑。
3 各类石灰窑型的比较
3.1 国内外比较
　　国际上生产活性石灰的窑型有回转窑、双膛竖窑、套筒竖窑、双梁竖窑等，而国内生产活性石灰的窑型主要是回转窑。一座年产17万t活性石灰的引进竖窑投资在5000～6000万元左右，一座年产18万t活性石灰的国产回转窑投资在1亿元左右。回转窑燃料要求严格（高热值煤气、油等），燃料消耗很高，故本工程按引进窑型考虑。
3.2 引进窑型比较
　　国际上生产活性石灰的窑型有两大类：一类是回转窑，如美国KVS公司的回转窑、美国幅勒矿业公司的回转窑等；另一类是竖窑，如瑞士麦尔兹公司的并流蓄热式双膛竖窑、意大利弗卡斯公司的双梁竖窑和环形套筒竖窑、意大利西姆公司的双D窑等。对比回转窑和竖窑，一般认为，回转窑生产石灰质量最佳，适用于大规模生产，但占地面积大、投资高且热耗偏高，适用于煅烧小粒度石灰；竖窑生产石灰质量略低于回转窑，但占地面积小、投资低、热耗低，对于济钢拟建设的日产500t活性石灰窑，因规模不是很大，且资金、场地等比较紧张，故引进窑型按竖窑考虑。
　　重点比较并流蓄热式双膛竖窑、环形套筒竖窑和双D窑，具体情况见表2。
表2 活性石灰竖窑窑型综合比较
比较项目
套筒窑
双膛窑（MAERZ）
双D窑（CIM）
备注
煅烧原理
部分逆流部分并流煅烧
全程并流煅烧
全程并流煅烧

石灰活性度
≥350mL，最高可达400mL
≥350mL，最高可达400mL
≥350mL，最高可达400mL
4NHCl 10min滴定，是国内外实际生产数据
单位热耗/kJ.(kg石灰)-1
3762～3971
3553～3762
3511～3552

单位电耗/ kW.h.(t石灰)-1
22～25
22～28
25

年作业率/%
约98
约91～94
约91～94
不含配套设施的影响
大、中修周期/年
5～10
4～8
4～8

使用燃料种类
流体燃料
流体燃料
流体燃料
燃气、燃油、煤粉
燃气加压要求/kPa
约15
约40
约40
指入窑燃气的压力
窑内工作压力/Pa
负压，约196~－3430
正压，约39200
正压，约39200

窑体密封要求
因负压要求不高
因正压要求较高
因正压要求较高

设备总重量
较小
较大
较大
参照已建成项目
引进设备重量
较小
较大
较大

引进用汇量/万美元
约100
约115
约113

电力容量
小
大
大

控制复杂程度
简单
复杂
复杂
指竖窑系统控制
耐材复杂程度
复杂
较复杂
较复杂
指砖型及砌筑
故障率
较低
较高
较高

操作与维护难易程度
简单，负压操作，可在线维修与检测
复杂，需频繁换喷枪及清理通道
复杂，需频繁换喷枪及清理通道

投资需求量
较小
较高
较高

国内引进数量/座
9（化工5、冶金4）
9（冶金）
2（化工1、冶金1）
截至1998年
全世界总数量/座
约300
约300
约300

　　从表2中可以看出，套筒窑的主要特点是：
     (1)整个窑体为负压操作，检查、维修、维护便利，且环保条件和劳动条件好；
　 (2)作业率高。年作业率可达98％以上，平均5年中修1次；
　 (3)适用燃料范围宽，可使用热值在7560kJ/m3以上的低热值煤气，且煤气压力为15kPa左右的常规压力。这符合济钢低热值转炉煤气特点；
　 (4)窑体设备简单，大部分设备可在国内制造，引进的关键设备重量小，相对双膛竖窑投资较低；
　 (5)能耗较低。采用冷却气热量回输、废气换热等多种形式回收热量，热耗较低，一般每千克石灰热耗为3780kJ，大大低于回转窑、焦炭竖窑、普通气烧竖窑等窑型。
3.3 济钢引进窑型的确定
　　从各项指标看，套筒竖窑是一种先进的窑型，也比较适合济钢的实际情况。但套筒窑存在的最大问题是：每座套筒窑内有12座拱桥，目前在国内冶金行业使用的4座套筒窑均程度不一地出现了拱桥塌落的现象。外方认为，国内套筒窑拱桥塌落的根本原因在于耐火材料质量不过关，耐材运输、储藏及筑炉、开炉等均存在问题，与设计关系不大。为此，济钢一方面提请弗卡斯公司在考虑中国耐材市场现状的前提下对拱桥的材质、设计进行改进，另一方面，要求弗卡斯公司对拱桥的寿命负全责，即拱桥的耐火材料由弗卡斯公司购买，拱桥砌筑时弗卡斯公司要进行全面的技术指导，并享有充分的权利，但弗卡斯公司必须保证拱桥5年之内不塌落。
4 结论
4.1 活性石灰在钢铁冶金中具有普通石灰所无法比拟的优点。目前，世界上生产冶金石灰的先进窑型基本可分两大类，回转窑和竖窑。根据济钢的实际情况，选择弗卡斯套筒竖窑为新建石灰窑的窑型。
4.2 在采取措施有效解决套筒窑塌桥问题的前提下，套筒竖窑不失为一种很好的窑型。

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