西安建筑科技大学硕士学位论文

回转窑焙烧优质活性冶金石灰的质量研究

专 业：材料工程

研 究 生：习小诚

指导教师：巨建涛 高级工程师

谢世运 高级工程师

摘 要

石灰作为钢铁工业重要辅助原料，它是冶炼过程中的重要熔剂。冶金活性石 灰由石灰石原料通过石灰窑焙烧而成，活性度是衡量其质量优劣的一项重要指标。 冶炼过程中，使用活性高的石灰能减少冶炼时间，提高脱硫、脱磷的效果，达到 提高生铁、钢水的质量，节省原料、提高炉龄的效果。随着钢铁工业的快速发展， 对石灰质量的要求越来越高，如何提高石灰质量也是冶金生产的一项重要任务。

分析了国内外活性石灰生产工艺特点，其中回转窑焙烧石灰系统具有产量大、 设备工艺简单、产品质量高等优点，在冶金石灰生产中占有很大的比例。本文在 调研的基础上，对新钢石灰厂的回转窑系统在原料、设备和工艺等方面进行分析， 提出了在生产过程中存在的问题并提出了改进措施，使回转窑运行更加稳定，促 进了石灰质量的提高。

对石灰石焙烧机理和石灰石分解的热力学、动力学进行分析，在实验室条件 下研究原料粒度、焙烧温度、时间等因素对石灰质量的影响规律。研究结果表明： 粒度在 20-40mm 的石灰石原料在 1200℃下焙烧 60min 条件下得到的石灰的活性度 最高，最高可达到 398ml。

基于上述研究，进行了石灰石焙烧的工业试验，研究了在实际生产实践中， 原燃料、回转窑设备和热工制度对石灰活性度的影响，并对生产中存在的问题进 行改进。改进后新钢石灰厂回转窑窑况稳定，石灰质量波动较小， 有效 CaO 含量 达到 93.10%，平均活性度在 385ml 以上，达到国内先进水平。

关键词 ：回转窑； 冶金石灰； 活性度； 焙烧； 研究

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The research on high quality of active lime roasted in rotary

kiln

Specialty: Materials Engineering

Name : Xi Xiaocheng

Instructor: Associate professor Ju Jiantao

Associate professor Xie Shiyun

ABSTRACT

As an important auxiliary material for iron and steel industry, lime is an important flux in the smelting process. Metallurgical active lime is mainly made from limestone through the lime kiln roasting, and activity is the main measure of its quality . With high activity lime, not only the refining time can be reduced but also the effect of desulfurization and dephosphorization be improved during the smelting process. As a consequence, the quality of pig iron and molten steel can be improved, raw materials can be saved and the furnace can be improved. With the rapid development of the iron and steel industry the requirements for quality of metallurgical lime have exigent. Accordingly, It has been an important task that how to improve the quality of lime in metallurgical production.

The technological characteristics of active lime production at home and abroad was analyzed, of which rotary kiln is characterized by large production, simple process equipment and high quality product and accounts for a significant proportion in metallurgical lime production. Besides, based on the investigation, the paper analyses rotary kiln system of XINYU IRON & STEEL GROUP CO.;LTD, in aspects of raw materials, equipment and technology. Also, we pointed out the existing problems in the production process and proposed several measures to procure rotary kiln more stability and promote improvement of the quality of the lime.

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We not only analyse calcinations mechanism, decomposition of thermodynamics and thermodynamics of calcite, but also conduct study on the influence of raw material particle size, temperature, time and other factors on the quality of lime under laboratory conditions. Results showed that the lime activity is the highest when the limestone of which particle size is in about 20 to 40 mm has been calcined at 1200 ° C for 60min, and the maximum can reach 398ml.

Based on the above research, the industrial-scale tests of calcining technology for activating lime were performed in the rotary kiln. The effects of raw materials, fuel, rotary equipment and thermal system on activity of lime were examined in the production practice, and the problems that exist in the production were improved. After the improvement ,the rotary kiln conditions becomes more stability, quality of lime is in smaller fluctuations, and the content of CaO reached 93.10% and the mean activity is lime more than 385 ml, meaning products have achieved high level in the country.

key words: rotary kiln; metallurgical lime; activity; roasted; research

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目 录

第一章 绪论........................................................ 1
1.1 石灰概述 ...................................................... 1
1.2 冶金活性石灰在国内的发展现状 .................................. 1
1.3 冶金活性石灰在国外的发展现状 .................................. 4
1.4 生产石灰的主要窑炉分析 ........................................ 5
1.4.1 并流蓄热式双膛竖窑......................................... 6
1.4.2 双D 窑..................................................... 8
1.4.3 套筒式竖窑................................................ 10
1.4.4 梁式烧嘴竖窑.............................................. 11
1.4.5 回转窑.................................................... 13
1.5 课题的提出和主要研究内容 ..................................... 16
1.5.1 课题提出的背景 ........................................... 16
1.5.2 课题研究的目的和意义 ..................................... 17
1.5.3 课题研究的主要内容 ....................................... 17
第二章 新钢回转窑生产活性石灰的生产实践分析........................ 19
2.1 新钢回转窑焙烧石灰工艺流程 ................................... 19
2.1.1 原料系统 ................................................. 20
2.1.2 焙烧系统 ................................................. 21
2.1.3 燃烧系统 ................................................. 22
2.1.4 窑尾除尘系统 ............................................. 23
2.1.5 余热发电系统 ............................................. 23
2.2 回转窑设备常见故障及分析 ..................................... 23
2.2.1 燃烧器 ................................................... 24
2.2.2 预热器 ................................................... 25
2.2.3 出料系统 ................................................. 26
2.2.4 回转窑窑体 ............................................... 26
2.3 本章小结 ..................................................... 30
第三章 影响活性石灰质量的实验研究.................................. 32

I

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3.1 石灰石焙烧机理 ............................................... 32
3.1.1 石灰石分解的热力学分析 ................................... 32
3.1.2 石灰石分解的动力学分析 ................................... 33
3.2 试验方法与研究内容 ........................................... 34
3.2.1 实验设备 ................................................. 35
3.2.2 试验材料与方法 ........................................... 35
3.3 实验结果及分析 ............................................... 36
3.3.1 焙烧温度对石灰活性的影响 ................................. 36
3.3.2 焙烧时间对石灰活性的影响 ................................. 37
3.3.3 粒度对石灰活性的影响 ..................................... 39
3.4 本章小结 ..................................................... 40
第四章 石灰石焙烧工业试验.......................................... 41
4.1 试验原料 ..................................................... 41
4.2 试验结果及分析 ............................................... 42
4.2.1 石灰石原料对石灰质量的影响 ............................... 43
4.2.2 燃料对石灰质量的影响 ..................................... 43
4.2.3 转速及风量对石灰质量的影响 ............................... 44
4.3 短时设备故障时工艺参数优化 ................................... 46
4.3.1 停窑前焙烧参数调整操作.................................... 46
4.3.2 留火保温操作 ............................................. 47
4.3.3 检修后开窑操作 ........................................... 47
4.4 现行的工艺参数及技术指标 ..................................... 48
4.5 本章小结 ..................................................... 50
第五章 结论........................................................ 51
参考文献........................................................... 52
致谢............................................................... 55
攻读硕士学位期间发表的论文......................................... 55

II

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第一章 绪论

1.1 石灰概述

石灰是炼钢过程中的造渣材料，主要成分为 CaO，是脱硫、脱氧、脱磷提高 钢液纯净度和减少热损失不可或缺的材料。白色块状或粉状，硬度较低，莫氏硬 度在 2-3 之间，按其反应性能的高低分为活性石灰、轻烧石灰、中烧石灰、过烧 石灰四类^[1] 。

石灰的使用具有悠久的历史，埃及的金字塔中就有使用石灰浆的现象；古罗 马时代，石灰在建筑中作为壁画材料；4000 多年以前，我国就有使用石灰的历 史记载。在安阳地区后岗村“龙山文化”遗址中，就有使用石灰的建筑物。

在二十世纪之前，石灰的主要作用是建筑材料，对于石灰的质量好坏的判断 是通过观察是否烧透和是否有留芯现象。由于缺乏石灰焙烧机理，加上生产工艺 相对落后，在焙烧石灰过程中能耗高、污染严重、员工劳动强度高且石灰质量差。

进入二十世纪到中期，伴随着钢铁工业的发展，石灰除了用在建筑行业外， 开始用于冶金行业，促进了石灰生产技术的快速发展。在这个阶段，石灰焙烧理 论有了长足发展，形成了完整的石灰焙烧理论。石灰质量得到了大幅度的提高， 建立了石灰质量评价体系，同时石灰生产设备也得到了很大程度地改革，实现了 连续、规模化石灰生产方式。

二十世纪中期至今，伴随着全球经济的飞速发展和世界大战的爆发，加快了 钢铁工业的发展。石灰作为炼钢重要辅助性原料，也就到了飞速发展。在这个阶 段，对石灰石的焙烧进行了深入的研究，并提出了活性石灰的概念，并制订了活 性石灰质量控制、评价体系。石灰综合能耗大幅度降低，烟气得到有效控制。石 灰石生产实现了工业化、自动化、智能化、规模化模式，生产效率高。正由于这 些因素，普通冶金石灰逐渐被活性冶金石灰所代替^[2] 。

1.2 冶金活性石灰在国内的发展现状

活性石灰，是一种质量好的轻烧石灰，具有气孔率很高、比表面积大、反应 性能好、杂质较低、粒度均匀和一定的强度的优点，活性石灰的活性度一般在 300ml 以上(4mol/L HCl，40±1℃，10min 盐酸滴定值)^[3] 。CaO 含量、活性度是衡

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量石灰质量最重要的技术经济指标之一，具体的理化指标如表 1.1 所示^[4] 。 表 1.1 冶金石灰的理化指标(%)

类别	品级	CaO	CaO+MgO	MgO	灼减	活性度， ml
	特级	≥92.0			≤2	≥360
通金	一级	≥90.0			≤4	≥320
普冶 石灰	二级	≥88.0	—	＜5.0	≤5	≥280
	三级	≥85.0			≤7	≥250
	四级	≥80.0			≤9	≥180
	特级		≥93.0		≤2	≥360
镁质冶金	一级		≥91.0	50	≤4	≥280
石灰	二级	—	≥86.0	≥.	≤6	≥230
	三级		≥81.0		≤8	≥200

石灰在钢铁生产中是消耗量较大的辅助原料，是一种重要熔剂和造渣材料， 起着脱硫、磷的作用，其质量的好坏直接影响着钢铁行业的经济效益和社会效益。

近十年来，我国钢铁工业发展迅猛，采用优质活性石灰，已在冶金行业中取 得了共识。据不完全统计，全国粗钢产量 2001 年约为 1.5 亿吨，2005 年为 3.56 亿吨，2011 年达到 7.3 亿吨水平。随着粗钢的增加，活性石灰的消耗量也在迅速 增加。从中长期来看，钢铁工业仍然是我国国民经济的重要基础产业和支柱产业。 全国钢铁工业的石灰产能和质量也获得了同步增长，特别是近几年以来，推广了 回转窑、套筒窑、迈尔兹窑、弗卡斯窑及国产气烧竖窑等，石灰增产量超过了 1000 万 t^[5] ，基本满足了钢铁工业迅猛增长对石灰的需求。活性冶金石灰也由 2005 年的 375 万吨增加到 900 万吨，增幅为 140%，远大于石灰产能的增幅，但占炼 钢需求优质活性石灰比例仍不足 30%。

相同的生产条件下，石灰质量的好坏往往取决于石灰石原料的质量好坏。由 于不同石灰石的性质和成分有很大的差异，焙烧过程的要求和烧成石灰质量也不 同。结合焙烧石灰窑型和燃气的实际差异，对石灰石也提出了成分、粒度和结构 的要求。通常，石灰石化学成分如表 1.2^[6] 。

表 1.2 石灰石化学成分(%)

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类别	品级	CaO	CaO +MgO	MgO		SiO2
			不小于		不大于
	PS540	54.0				1.5
	PS530	53.0				1.5
普通石灰石	PS520	52.0	—	3.0		2.2
	PS510	51.0				3.0
	PS500	50.0				3.5
	GMS545		54.5			1.5
	GMS540		54.0			1.5
镁质石灰石	GMS535	—	53.5	8.0		2.2
	GMS525		52.5			2.5
	GMS515		51.5			3.0

近几年，我们国家的企业分别从日本、美国、意大利、德国等发达国家购买 了先进的石灰窑设备，例如环形套筒窑、双筒蓄热式窑、回转窑、竖式石灰窑。 然后根据我国企业自身的原料、能源结构等特点，经消化后、改进成具有自己知 识产权的工艺技术，并成功的应用到了其他的企业中，取得了良好的效果和经济 效益。

在我国使用最为广泛和成熟的工艺技术是回转窑，很多重点企业经过引进和 自主研发后建有该工艺流程。主要原因是回转窑有其他设备难以企及的优点，如 对原料的要求较低，加热过程中原料受热均匀，生产出来的产品活性较高，活性 度甚至能达到 400ml 以上。宝钢从日本引进两条日产活性石灰 600 吨的回转窑生 产线，投资额约 2.4 亿元。

经过“十一五”技术改造，冶金石灰窑型、设备装备水平得到明显提升，现国 内已拥有回转窑、套筒窑、双膛窑等各类活性石灰窑几十种类型。全国冶金石灰 产能具有国际、国内先进水平的占总产能的比例由 2005 年 25.3%上升到 2010 年 的 47.8%，而落后产能比例则由 60.7%下降到 40.7%^[7] 。

通过对 2005 年至 2011 年中国石灰协会发表的中国石灰行业发展报告的经济 技术指标对比分析，可以得出冶金石灰生产的几大特点：

(1) 气烧竖窑生产的冶金活性石灰质量提升很大，各项性能也有很大的改 变，其中活性度平均增加了 20ml 左右；

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