（钢铁冶金专业论文）气烧矩形石灰竖窑布料器及气流分布研究.pdf

辽宁科技大学硕士论文摘要 摘要 冶金石灰作为转炉炼钢的造渣剂，是脱硫、脱磷、脱硅的重要原料， 因此要求冶金石灰必须具有很高的活性。提高冶金石灰的活性，可以减少 炼钢时石灰的用量，做到少渣吹炼等功效，这直接关系到企业的经济效益。 本文以凌钢l5 1 d t ，d 气烧矩形石灰竖窑为原型，按1 1 6 的比例建立有 机玻璃模型，用玉米楂模拟石灰石。实验模拟研究了竖窑内气流分布规律。 结果表明：在竖窑宽度方向，由于炉料堆尖位置靠近中心，气流不易吹透 料层中心。通过增加料仓数量和安装新型布料器这两项改造措施，来改善 物料分布，从而达到改善竖窑内气流分布的目的。 通过实验结果的分析比较，得出以下结论 ( 1 ) 在相同的条件下，四点上料与两点上料相比较，料柱的横向和 纵向透气性指数改善，主要是由于前者竖窑中心部位聚集了更多的大颗粒 物料，同时小颗粒物料更多地分布到了竖窑的边缘部位，确保了中心部位 良好的透气性； ( 2 ) 安装布料器后，在布料器的作用下，大颗粒物料逐渐向中心部 位滚动，小颗粒物料则以堆尖的形式向边缘集中，造成中心部位的气流得 到发展而边缘气流受到抑制； ( 3 ) 在有布料器且四点上料的情况下，粒度分布最理想，料柱横向 和纵向压差最小，透气性指数最高，能够生产出最佳质量的冶金石灰。 关键字：矩形石灰竖窑，活性石荻，气流分布，粒度分布 辽宁科技大学硕士论文 a b s t r a c t a sak i n do fs l a g g i n gm a t e r i a lb e i n ga p p l i e dt os t e e l m a k i n gp r o c e s s ， a c t i v el i m ei s ，a ni m p o r t a n tm a t e r i a li nd e s u l f u r i z a t i o n ，d e p h o s p h o r i z a t i o na n d d e s i l i c o n i z a t i o n ，s oa c t i v el i m em u s tp o s s e s st h ea t t r i b u t eo fa w f u l l yh i g h a c t i v i t y i m p r o v i n gt h ea c t i v i t yo fa c t i v el i m ec a na c h i e v eas e r i e so fb e n e f i t ， f o re x a m p l e ，r e d u c i n gq u a n t i t yo fl i m ea n ds l a gd u r i n gt h es t e e l m a k i n g p r o c e s sa n ds oo n ，w h i c hh a sd i r e c tr e l a t i o nt oe n t e r p r i s e se c o n o m i cp r o f i t i n t h i s p a p e r ，a c c o r d i n g t ot h e o r i g i n a l d i m e n s i o no ft h e15 0 t d g a s - b u r n i n gr e c t a n g l es h a f tl i m e k i l ni nl i n g y u a ni r o n & s t e e lc o ，l t d ，a m i n i a t u r em o d e lm a d eo fo r g a n i cg l a s si se s t a b l i s h e dw h o s es c a l ei so n et o s i x t e e n ，u s i n gs h e l l e dc o r ns i m u l a t i n gl i m e s t o n e i nt h i se x p e r i m e n ta i r f l o w d i s t r i b u t i o ni ns h a f tk i l ni ss i m u l a t e da n ds t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tf e w e t g a sb l o w si n t ot h ec e n t e rs e c t i o ni nw i d t hd i r e c t i o no fs h a f tk i l nb e c a u s et h e h e a pt o po ft h ec h a r g i n gi sn e a rt h ec e n t e r b yt h et w oi n n o v a t i o nm e a s u r e so f i n c r e a s i n gt h ea m o u n to ff i l l e r sa n df i x i n gn e wt y p e d is t r i b u t o r ，p a r t i c l e d i s t r i b u t i o ni si m p r o v e d ，a n dt h eg o a lo fi m p r o v i n ga i r f l o wd i s t r i b u t i o ni n s h a f tk i l ni sa t t a i n e d a f t e ra n a l y s i n ga n dc o m p a r i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ec o n c l u s i o n s s h o wa sf o l l o w s ( 1 ) u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n ，c o m p a r i n gf o u rf i l l e r sw i t ht w of i l l e r s ，t h e f o r m e r sh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lp e r m e a b i l i t yi n d e xa r eb o t hh i g h e r ，m o s t l y b e c a u s em o r eb i gg r a i na r ea s s e m b l e di nt h ec e n t e ro fs h a f tk i l na n dm o r e s m a l lg r a i na r ed i s t r i b u t e da tt h ee d g eo fs h a f tk i l n ，a s s u r i n gw e l lv e n t i n g q u a l i t ya tt h ec e n t e ro fp a c k e db e d ； ( 2 ) a f t e rd i s t r i b u t o ri sf i x e d ，d u et ot h ee f f e c to fd i s t r i b u t o r ，m o r eb i g g r a i nr o l lt o w a r dt h ec e n t e ro ft h es h a f tk i l ng r a d u a l l y ，m o r es m a l lg r a i nb e i n g c e n t r a l i z e da tt h ee d g eo ft h es h a f tk i l ni nt h ef o r mo fh e a pt o p ，w h i c h s t r e n g t h e n st h ea i r f l o wo ft h ec e n t e ra n dr e s t r a i n st h a to ft h ee d g e ； ( 3 ) a f t e rd i s t r i b u t o r i sf i x e da n dc h a r g i n g b yf o u r f i l l e r s ，p a r t i c l e d i s t r i b u t i o ni nt h es h a f tk i l ni sm o s ti d e a l 、t h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lp r e s s u r e 1 1 辽宁科技大学硕士论文 d r o po fp a c k e db e db e i n gl o w e s ta n dp e r m e a b i l i t yi n d e xb e i n gh i g h e s t ，w h i c h c a np r o d u c ea c t i v el i m eo fb e s tq u a l i t y k e yw o r d ：g a s b u r n i n gr e c t a n g l es h a f tl i m ek i l n ，a c t i v el i m e ，a i r f l o w d i s t r i b u t i o n ，p a r t i c l ed i s t r i b u t i o n 1 1 i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得辽宁科技大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 期：翘3 歹 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借 阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 签名：拉塞邈导师签名：丝望日期：哩， 。1。1。11_。1。一。一 辽宁科r - 大学硕士论文 前言 前言 随着国民经济的迅速发展，市场对钢铁产品的迅速增加。钢材作为一 种经济实用的材料在国民经济建设中起到越来越重要的作用，对钢材的质 量和性能等方面提出了越来越高的要求。因此对原料和辅助材料的生产提 出更高要求。 石灰是炼钢生产过程中主要辅料之一，高质量的冶金石灰对于钢铁企 业提高产品质量和经济效益起着重要作用。目前气烧竖窑生产石灰已被冶 金系统广泛采用并且有进一步加快发展的趋势，与焦炭竖窑相比，窑内气 流量大1 5 2 倍，透气性对窑况的影响更大，因而，气烧石灰竖窑对窑内 的透气性要求更严格。受竖窑结构形状制约，物料在窑内下降过程中遵循 自然规律，即粒度大的物料向边缘滚动，而小粒度的物料多集中于中心部 位。生产实践和实验证明：当物料下降到煅烧带时，大部分大块物料集中 在窑壁，小块物料堆尖位置靠近中心。在石灰石煅烧过程中，该种物料分 布导致气流向边缘发展，抑制中心气流的发展，造成窑内边缘过烧，中心 生烧，直接影响着石灰的质量。 为了揭示其内部的气流分布规律，指导工业生产和进一步的技术改 造，本文以凌钢1 5 0 t d 气烧石灰窑为原型，根据相似原理建立石灰窑模型， 进行模拟实验。通过测定安装布料器前后石灰窑内的静压和粒度分布，分 析石灰窑内气流分布的变化及其对石灰活性的影响。 1 1 石灰概况 第一章文献综述 石灰是一种用途广泛，功能多样的物质，主要应用在钢铁生产、建筑 工程、石油化工、轻工业和农业等多个行业中。目前钢铁工业石灰用量占 石灰总用量的5 0 以上，所以研究石灰生产及石灰性质都要针对钢铁生产 对石灰的要求展开。 随着钢铁工业的发展，石灰用量越来越大，应用范围越来越广，烧结、 炼铁、炼钢、炉外精炼、喷吹冶金等方面，都在使用石灰及其制品。钢铁 工业使用石灰，主要是用作造渣剂，炼钢是主要用户，建有配套的石灰车 间。 1 1 1 炼钢用活性石灰 活性石灰，是炼钢工业的基础材料，到目前为止，世界所有国家还没 有一种炼钢方法不用石灰作造渣剂。其质量的优劣直接影响到炼钢的速 度、产量、能源消耗，钢铁料消耗和钢的质量等技术经济指标及经济效益 【1 1 。过去，我国许多钢厂特别是中小型地方钢铁企业，大多把工作重点放 在炉体结构、铁水和废钢质量、吹炼操作等方面，而忽视了冶金石灰生产 的技术改进，甚至于靠收购农民石灰炼钢，无自己固定的专业石灰厂，更 谈不上优质活性石灰，致使冶金石灰质量差，消耗高，制约了炼钢的发展。 一般把活性度 3 0 0 m l 的石灰称作活性石灰，在钢铁冶金中，转炉炼 钢是活性石灰的主要用户，所以通常所说“冶金石灰”主要指活性石灰。 因为每炉钢冶炼时间很短、反应快，就要求冶金石灰有效成分c a o 含量较 高、矿物结晶细小、气孔率高、比表面大、体积密度小、杂质含量低、活 性度高、生烧率和过烧率小、粒度均匀。 与普通石灰相比，活性石灰可缩短炼钢时间，减少石灰和萤石用量， 提高钢水收得率、废钢比和炉衬寿命，经济效益明显，因此，世界上发达 国家已1 0 0 采用活性石灰炼钢，我国也早在1 9 8 3 年冶金部召开第一次全 国转炉炼钢会议时就明确地规定，转炉炼钢使用活性石灰是一项基本的技 2 辽宁科技大学硕士论文 第一章文献综述 术政策2 1 。 1 1 2 冶金石灰的活性度 活性度：是石灰水化的反应速度。单位：m l ( 4 n h c l ，4 0 c ，1 0 r a i n ) 。 活性度检验方法( 盐酸滴定法) 【3 】：向温度4 0 ，体积2 0 0 0 m l 的水 中滴入酚酞指示剂( 5 9 l ) 8 1 0 滴，同时将5 0 0 9 试样一次倒入水中消化， 并开始计算时间。当消化开始呈红色时，用4 m o l l 的盐酸，将石灰水化 过程中产生的c a ( o h ) 2 中和。从加入石灰试样开始至试验结束，始终要在 一定搅拌速度的状态下进行，并须随时保持水化中和过程中的等量点。准 确记录恰好1 0 m i n 时盐酸的消耗量。以1 0 m i n 消耗盐酸的毫升数表示石灰 的活性度。消耗盐酸量越大，活性度越高，石灰的质量就越好。 冶金部制定的“煅烧冶金石灰窑等级评比参考指标”也把活性度作为 主要考核指标，规定一等窑的石灰活性度要达到3 0 0 m l ( 4 n h c l ，4 0 ， 1 0 m i n ) 。 1 1 3 生成活性石灰的机理 活性石灰的生产就是把碳酸钙( c a c 0 3 ) 为主要成份的石灰石，加热分 解为氧化钙( c a o ) 和二氧化碳( c 0 2 ) 的过程。 热分解方程式：c a c 0 3 = c a o + c 0 2 4 2 2 k c a l 磁，即在常温标准状态 下，1 k g 碳酸钙( c a c 0 3 ) 热分解需要4 2 2 k c a l 的热量。石狄石的分解温度为 9 0 0 。 无论什么样的煅烧窑，其煅烧机理必须合理，煅烧效果必须恰到好处， 这样才能获得最佳的优质软烧( 轻烧) 石灰，否呗0 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【4 】，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。首先c a c 0 3 微粒被破坏、分解，同时伴随着c a o 的再结晶和晶体生长。当分解反应发 生时，占重量约4 0 的c 0 2 气体放出，使c a o 晶体形成疏散结构，并保 留着多晶结构( 单晶大小约o 2um 0 6um ) ，空隙率达到6 0 ( 氮气吸收法 测定表面积约为1 0 0 0 c m 3 g ) ，此时晶体发育不完全，存在着大量的缺陷， 使得石灰的活性最大【5 】，这种状态的轻烧石灰是理想的优质活性石灰，效 辽宁科技大学硕士论文第一章文献综述 果是最好的。 若c a o 处于高温带时间太长，其晶粒就会长大到1 0 “m 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。 石灰组成中有游离氧化钙和结合氧化钙，游离氧化钙中又分活性氧化 钙和非活性氧化钙 6 1 。非活性氧化钙在普通消解条件下，不能同水发生反 应，但有可能转化为活性氧化钙( 如磨细后) 。活性氧化钙则是在普通消解 条件下，能同水发生反应的那部分游离氧化钙，结合氧化钙是不可回复的， 故不能称为非活性氧化钙。氧化钙在石灰中存在形式可以用图l 一1 表示。 石灰的反应能力实际上可以看成是游离氧化钙总量中活性氧化钙的数量。 石灰石的煅烧是石灰石菱形晶格重新结晶转化为石灰的立方晶格的变化 过程。其变化所得晶体结构与形成新相晶核的速度和它的生长速度有关。 当前者大于后者时，所得到的为细粒晶体，其活性氧化钙分子数量多，具 有高的表面能；反之，所得为低表面能的粗粒晶体，其活性氧化钙分子数 量少。在石灰石快速加热煅烧下，所得到的为细粒晶体结构的石灰，活性 度就高；缓慢加热煅烧时，所得为粗晶体结构的，活性就低。 c a o 石灰 ： 磨细 c a o a 1 2 0 3 ，3 c a o a | 2 0 3 2 c a o - f e 2 0 3 ，c a o - f e 2 0 3 图l 一1 石灰中氧化钙存在形式 1 1 4 冶金石灰在炼钢中的造渣机理 冶金石灰的质量指标有两部分7 1 ，一是化学成分，有效c a o 含量要高， 有害杂质成分s i 0 2 、磷、硫要低。另一个质量指标是石灰的活性度，即石 灰中的c a o 具有活泼的化学性质，能快速参与造渣反应。炼钢加入石灰的 目的是脱硫、脱磷、脱硅，主要造渣反应有 4 辽宁科技大学硕士论文第一章文献综述 【f e s + ( c a o ) 一( c a s ) + ( f e o ) 一q 2 p 】十5 ( f e o ) + 4 ( c a o ) 一( 4 c a o p 2 0 5 ) + 5 【f e 】+ q ( c a o ) + 【s i + ( 0 2 ) _ + ( c a o s i 0 2 ) 或2 c a o s i 0 2 石灰中的c a o 不能以固态参与上述反应，必须进入渣中成为( c a o ) 才 能参与造渣反应，即只有熔入渣中的c a o 才是有效c a o ，未熔化的c a o 直接进入钢渣，只能增加渣量，不能起到造渣的作用。特别是转炉炼钢冶 炼时间短，c a o 必须具备高活性度才能在短时间内( 约1 0 15 m i n ) 造渣， 而活性石灰具有气孔率高，比表面积大，体积密度小，反应性能强，杂质 含量低，颗粒度均匀等特点，致使钢渣向石灰的扩散速度快，正好满足炼 钢造渣的要求。 1 1 5 活性石灰在炼钢中的技术经济效益 活性石灰，用于炼钢造渣可产生的技术经济效益i s 有：化渣快，冶炼 时间短；脱硫、脱磷效果好，因为炼钢脱硫、磷的共同条件是高碱度，活 性石灰因化渣快，可快速提高炉渣碱度，且石灰本身硫、磷含量低，因此， 冶炼中具有很好的脱硫、磷效果，提高了钢水质量；前期去磷率可达9 0 以上，比普通石灰高1 0 ，可减少石灰加入量，降低了炼钢成本；可减少 钢渣生成量，从而提高钢水收得率；热量损失小，废钢比增加；减少喷溅， 降低吹损率，由于活性石灰化渣好，冶炼过程平稳，所以喷溅减少，吹损 率可降低1 3 ，降低钢铁料消耗；炉衬侵蚀减轻，可提高炉龄，一是 活性石灰能迅速提高炉渣减度，二是活性石灰能使冶炼时间缩短，减少酸 性渣对碱性炉衬的侵蚀，三是减少了化渣剂使用，提高炉龄；便于自动控 制。 因此，活性冶金石灰在我国冶金企业得到很快的发展。 1 2 石灰窑窑型比选 目前，国内外用的石灰窑有1 0 余种，主要有回转窑、双膛窑、套筒 窑、双梁窑、气烧窑、机立窑等。 在冶金系统的活性石灰窑中，能生产出合格活性石灰的有：回转窑、 双膛窑、双梁窑、套简窑等，而数量最大的是竖窑，根据多年来国内外相 辽宁科技大学硕士论文第一章文靛综述 关的研究经验，了解到在石灰竖窑中具有代表性有：并流蓄热式双膛竖窑、 环形套筒竖窑、双梁蛏窑等。 任何窑型均有其特定的优点及缺点，窑型比选是建设活性石灰项目中 最重要的前期准备工作，主要是根据用户具体条件结合窑特点进行综合比 较，扬长避短，抓住主要矛盾。 1 2 1 回转窑 卧式回转窑靠窑体旋转，石灰石翻滚煅烧，它的特点是：煅烧石灰质 量好、活性度高( 3 6 0 m l 以上) 、产量大( 单窑能力5 0 0 t d 以上) 、生产稳定。 对石灰石粒度适应范围宽。回转窑的结圈【9 】是一个令人头痛的缺点，特别 是煤基回转窑，结圈现象尤甚，且一次性投资高( 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 3 5 0 k c a l k g ) 、粉灰比例高( 约 3 0 ) 。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。 1 2 2 并流蓄热式双膛竖窑( 迈尔兹窑) 目前国外用于煅烧细粒石灰的竖窑主要窑型为瑞士麦尔兹窑炉公司 设计建造的并流蓄热式细粒石灰双膛竖窑，该窑型已经在世界许多国家和 地区如：以色列、捷克、俄罗斯、意大利、土耳其、德国等投产应用1 1 0 。 并流蓄热式石灰双膛竖窑可用于煅烧2 0 4 0 m m 小颗粒石灰石【l ，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( 3 5 0 m l 以上) ，煅烧机理先进合理、能耗低( 单耗约8 5 0 k c a l k g ) 。缺点是投资较高、 操作复杂。 1 2 3 环形套筒竖窑 套筒式竖窑又名环形窑【1 2 l ，起源于德国肯巴赫威尔曼司特勒公司。 欧洲和日本用这种窑型较为普遍，我国大型钢铁企业也逐渐引入这种窑 型。 这种引进的套筒竖窑，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、外套之间环缝中上下移动。它的特点是：产量适 中、煅烧石灰质量好、活性度1 苛( 3 5 0 m l 左右) 。操作简单，但窑体结构复 6 辽宁科技大学硕士论文第r 章文献综述 杂，投资较高。 1 2 4 双梁竖窑 这种引进( 意大利弗卡斯) 的梁式竖窑【1 3 】，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( 3 5 0 m l 左 右) ，产量适中，粉灰量比例少、能耗较低( 能耗约9 0 0 k c a l k g ) ，投资较高， 国内业绩较少。 1 2 5 窑型初步分析 回转窑、双膛窑、双梁窑以及套筒窑的煅烧制度合理，传热均匀，生 产出的石灰活性高、质量好。但这几种窑对生产技术要求高，工程投资大， 不适合我国大多数中小型企业建设。因此，设计一种石灰质量好，造价低 的冶金石灰窑是很有必要的。 1 3 气烧石灰竖窑 气烧石灰竖窑( 简称气烧窑) 一，该窑型对燃气选择要求不高， 活性度大于3 3 0 m l 的活性石灰。 是国内冶金企业生产活性石灰的窑型之 范围宽，投资省，生产成本低，能生产 1 2 3 图1 2 气烧窑及三带示意图 1 一预热带：2 一煅烧带；3 一冷却带 辽宁科技大学砚士论文 第一章文献综述 气烧窑内部分为三个区域 h 】，即预热带、煅烧带、冷却带，如图1 2 所示。 预热带在窑的上部，其作用是使由煅烧带升上来的废气与新投入的石 灰石相遇，进行热交换，对将进入煅烧带的石灰石进行预热，因为石灰石 的分解温度为8 1 2 。c ，所以一般把预热带与煅烧带温度分界点定为8 5 0 c 。 煅烧带是在窑的中部，是窑内进行化学反应的主要区域，也是全窑温 度集中的地方，中心温度可达1 2 0 0 。c ，边缘区域的最低温度为8 1 5 。由 冷却区升上来的空气在此处起助燃作用。 冷却带是在窑下部，当煅烧好的生石灰下降到这个区域时，与鼓风机 送入的冷空气相遇产生热交换，生石灰被冷空气冷却到1 0 0 以下，然后 从窑底部卸出。进入窑内的空气则被生石灰预加热后，上升到煅烧带，参 加燃烧反应。 以上三个区域在气烧窑内的位置基本是固定的 1 5 1 ，而在固体燃料石灰 窑内的位置则不是固定的。气烧窑三带温度和烟气温度、入窑煤气、空气 的流量和压力都可通过仪表进行检测，操作工可根据检测数据掌握炉况， 并对煤气流量和空气流量进行调节控制，同时也可根据产品质量、矿石质 量、煤气的压力、流量和发热值、休风时间等因素及时调节风气配比和出 窑时间，稳定窑况和石灰质量。而在固体燃料石灰窑( 如焦炭石灰窑) 中， 物料入窑后，对燃烧状况无法进行调整，尤其在事故休风中，煅烧带会自 然慢慢上移，增加生烧，调节周期比气烧窑长。 1 3 t 气烧石灰竖窑的工艺特点 1 3 1 1 透气性要求更严格 回转窑对物料透气性没有什么特殊要求，故可用细碎矿石。竖窑靠炉 内气体的运动与固体物料进行热交换，物料间透气性的好坏影响石灰的生 过烧、产量和消耗等经济技术指标。气烧竖窑与焦炭竖窑相比，炉内气流 量大1 5 2 倍 7 1 ，透气性对炉况的影响更大。一般要求块度比不大于3 ， 最好在2 2 5 ，在入炉前进行筛分和水洗。目前采用3 0 7 0 m m 与4 0 8 0 r a m 粒度的较多。 辽宁科技大学硕士论文第一章文献综述 1 3 1 2 炉内温度更均匀，火力更柔和 固体燃料竖窑很难作到布料均匀和混料均匀，焦炭块周围存在局部高 温点，且布料时物料偏析，窑壁效应较显著，生烧率和过烧率较高( 一般 在1 0 以上) ，加之固体燃料逐步燃烧放热的过程比气体燃料慢，石灰在 高温阶段的停留时间长，c a o 晶体粗大，晶格缺陷少，故石灰活性差。气 烧竖窑在入炉压力和风气配比得当，控制好物料粒度时，火焰穿透整个炉 膛，整个炉膛内的煅烧带都处在均匀高温状态，不存在局部高温点，即火 焰均匀柔和。由于气体燃料是同时燃烧放热，可做到快速煅烧和快速冷却， 故石灰活性好。 1 3 1 3 容易调节控制 气烧竖窑三带温度和烟气温度、入炉煤气、空气的流量和压力都有检 测仪表，司炉工可根据检测数据掌握炉况，避免凭经验烧炉存在的人为因 素差异，控制性更强。另外，司炉工可根据产品质量、矿石质量、煤气的 压力、流量和发热值、体风时间等因素及时调节风气配比和出炉时间，稳 定炉况和石灰质量。焦炭石灰窑物料入炉后无法调整，休风后，煅烧带会 自然慢慢上移，生烧过多，调节周期比气烧窑长，而且气烧竖窑的调节手 段简单，而麦尔兹窑的换向调节则要复杂得多。 1 3 1 4 燃料选择要求不高，范围更宽 混料式焦炭竖窑要求焦炭强度高、灰分低，以提高抗粉碎性，确保透 气性，避免灰分杂质对石灰的污染。麦尔兹窑对燃料煤粉的要求更苛刻， 煤的灰分熔点1 3 0 0 ，灰分含量5 7 ，膨胀指数1 ，国内只有少数 几个煤矿的烟煤符合要求。而气烧竖窑对燃料的选择性宽，高炉煤气、转 炉煤气、发生炉煤气及它们与焦炉煤气或天然气的混合煤气均可选用。 1 3 1 5 对炉体预热带和炉顶材料的耐热性要求高 气烧窑大多采用c o 为主要可燃成分的低热值燃料，c o 比h 2 和c h 4 辽宁科技大学硬士论文 第一章文献综述 等的燃烧速度慢、热值比较低，加之炉内气体高压力和高流量，导致预热 带和烟气温度高，因此对炉体预热带和炉顶材料的耐热性要求高，并造成 热量浪费，造成气烧竖窑石灰的热量单耗高( 比麦尔兹窑高4 0 5 0 ) 。 1 3 2 气烧石灰竖窑的优点 采用气烧石灰竖窑，在以下几个方面取得了很好的效果u 6 ( 1 ) 由于煤气比煤粉和焦炭燃烧均匀，大大地增加了石灰的烧成率， 增加了产量； ( 2 ) 由于燃烧不含硫或含硫量很低的煤气，所以大大降低了石灰成 品的含硫量，为生产高质量的钢奠定了基础： ( 3 ) 节约和综合利用能源。气烧竖窑大都是利用钢铁厂富余放散的 高炉煤气、转炉煤气，有的使用发生炉煤气和混合煤气，由于煤气成本低， 使生产成本获得较大幅度的降低，减少了能耗，提高了经济效益【 1 ； ( 4 ) 设备简单，操作方便、，与回转窑、麦尔兹窑相比，机械设备吨 位轻，技术不复杂，易控制，设备故障少； ( 5 ) 投资费用少，见效快，经济效益显著。 气烧石灰竖窑比较适合我国国情，是国内冶金企业生产活性石灰较为 广泛采用的窑型之一。尤其是将焦炭竖窑改造为气烧竖窑是一条最经济、 快捷的途径。此外，气烧石灰竖窑的不断改进对推广普及具有重要意义。 1 3 3 气烧窑目前存在的不足 目前，气烧窑的不足之处是：护顶废气温度偏高，造成热耗较高，并 给除尘带来一定困难，易损坏炉顶设施；窑内气体流量大，压力高，对物 料透气性有一定要求( 与回转窑比) ；窑的密封性要求高，对煤气的安全操 作有特定的要求：由于受火焰穿透性的限制，窑的内径不能过大，在2 5 0 m 3 以上的大型窑炉推广尚有一些技术工作要做；只能烧3 0 m m 以上的矿石， 大量碎石无法利用。 1 4 影响石灰质量的主要因素 活性石灰性能活泼，反应能力强，在钢铁冶金中具有普通石灰所无法 1 0 辽宁科技大学硕士论文 第一章文献综述 比拟的优点，所以在生产过程中除要求原料( 石灰石) 化学成分和块度合适 外，还要制定合理的煅烧制度及科学的管理方法与工艺操作规程。在制定 各项操作章程之前，首先应了解其煅烧特点 1 8 】 ( 1 ) 煅烧时，石灰石表面温度不能超过1 l5 0 ，温度过高，表面形 成致密过烧层，使活性度降低； ( 2 ) 供热强度要合理，石灰石分解初期允许较大的供热强度，可达 1 0 0 0 0 2 5 0 0 0 k c a l m 2 。待基本分解完时，应逐渐降到 5 0 0 0 k c a l m 2 ，以保 证石灰石晶粒细、活性高； ( 3 ) 一旦分解结束，要立即降温冷却，以防石灰持续结晶致使晶粒 过大，活性降低。 1 4 1 原料条件 生产冶金石灰所用原料是石灰石，其主要成份是碳酸钙。石灰石的化 学成份、矿物组成以及物理性质随其形成时间的长短而变化，形成的时间 愈久石灰石愈致密、坚硬，形成的时间愈短，结构愈疏松【1 9 】。作为生产冶 金石灰的原料，其质量决定于它的结构、杂质的成分和含量以及这些杂质 在石灰石中的分布均匀程度，其粒度、形状、化学成分 2 0 j 等均能影响到石 灰的生过烧率，氧化钙含量和微观结构，最终影响到冶金石灰活性度的高 低。 1 4 1 1 粒度条件 在冶金石灰生产中，原料石灰石的粒度应控制在一定范围。因为石灰 石的粒度不仅会影响煅烧时间，也会引起生、过烧现象。如果粒度差别太 大，小粒度石灰石在短时间内就可完全分解，而大粒度的则需要较长时间。 若大粒度石灰石已完全分解，而小粒度的因在煅烧带停留时间过长造成过 烧而失去活性，反之大粒度的会形成夹心生烧而使活性度偏低。另一方面， 对于立式的窑炉来说，物料在炉内运动过程中，大小粒度的物料相互填充 影响炉内透气性，严重时使煅烧带气流分布不均，物料煅烧不均匀，生烧 和过烧会同时出现。因此保证粒度适中的石灰石至关重要，有利于提高石 灰窑的生产能力及石灰质量【2 1 1 。 辽宁科技大学硕士论文第一章文献综述 1 4 1 2 成分条件 石灰石的主要成分是c a c 0 3 ，还含有一定量的m g c 0 3 和少量的s i o ：、 a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、碱金属氧化物等杂质【2 2 l 。c a c 0 3 的含量表示石灰石的纯度， 它直接影响着石灰中c a o 的含量，是决定石灰活性度的主要指标，因此 c a c 0 3 的含量愈高愈好，生产中认为大于9 6 的石灰石较好。石灰石中的 杂质是有害成分，煅烧过程中分别与c a o 反应1 2 3 】 3 c a o + s i o 2 = 3 c a o s i 0 2 3 c a o + a 1 2 0 3 = 3 c a o a 1 2 0 3 2 c a o + f e 2 0 3 = 2 c a o f e 2 0 3 4 c a o + f e 2 0 3 + a 1 2 0 3 = 4 c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 生成的盐类大部分熔点低，在煅烧带常以液相存在，促进了c a o 颗粒 间的融合，使石灰结构紧缩，气孔率下降。此外，碱金属氧化物是很强的 助熔剂，很容易形成一些玻璃相、，这些熔融的化合物会堵塞石灰表面细孔， 使石灰反应能力下降；同时还会阻塞c 0 2 气体的排出，造成石灰的生烧， 甚至会粘结在一起形成渣块，从而降低石灰的活性度。所以冶金石灰生产 要求原料中杂质含量尽可能少，根据原料所含成分不同，国家统一把石灰 石划分为不同的等级2 4 1 ，见表l 一1 。 表l 一1 冶金石灰石工业标准( ) 1 4 2 煅烧条件 1 4 2 1 煅烧温度 煅烧温度2 5 1 不仅决定了石灰石的分解反应速度，而且也影响石灰晶体 粒度大小。如果煅烧温度偏低，温度梯度小，热量向中心的传输速度慢， 1 2 辽宁科技大学硕士论文第一章文献综述 石灰石分解就慢，在有效煅烧时间内石灰石不能完全分解，造成生烧，活 性度偏低；而当温度较高时，温度梯度大，中心易达到较高温度，石灰石 分解速度快，但随着温度的升高，石灰的再结晶和晶体的生长速度也较快， 石灰晶粒长大，体积密度增大，比表面积和气孔率减小，使石灰反应能力 下降，活性度降低。因此，生产要求煅烧温度要控制在合适的范围。图1 3 是根据日本研究者试验得出的数据做的石灰石体积随温度变化关系 图，当温度在1 2 0 0 以上时，体积收缩率明显增大，石灰块结构紧密，活 性度较低。据研究认为，不同的石灰石在理论上都存在一个理想的煅烧温 度。而在9 5 0 1 1 5 0 时，大部分石灰石都能烧成较高活性度的石灰，在 l o o o 1 0 5 0 时，石灰活性度最高。 1 4 2 2 煅烧时间 t 图1 3 石灰石体积随温度的变化关系 生产中原料粒度和成分稳定后，煅烧温度一定，煅烧时间也就基本确 定，不可偏差过大，否则，若煅烧时间过短，较大粒度的石灰石中心不易 达到分解温度【2 “，石灰石分解不完，会出现未烧透的现象，一般称作生烧； 反之，因煅烧时间过长，已完全分解的石灰在高温下晶体长大，c a o 晶体 发育趋于完全，使活性氧化钙向非活性氧化钙转化，使体积密度增大，产 生过烧现象。两者都会引起石灰活性度降低。有关资料指出：同类石灰石 在1 0 9 3 下煅烧2 h 所形成的气孔表面积若在9 2 7 下则需要煅烧8 h 1 2 7 】。 可见，煅烧时间与煅烧温度相关。 辽宁科技大学颂士论文第一章文献综述 1 4 2 3 煅烧温度与煅烧时问的关系 从理论上说，煅烧优质石灰，应先根据石灰石质量，确定最佳煅烧温 度，而煅烧时间在煅烧温度确定时也就一定了。实际生产中，根据需要， 产量经常波动，为了保证石灰质量的稳定【2 引，应由产量确定煅烧时间，再 由煅烧时间确定煅烧温度，所以实际煅烧温度不仅与理论最佳煅烧温度有 一定偏差，而且也应随原料粒度、产量等的波动而变化，但原料粒度、产 量等的波动应有一定范围，否则，将影响正常操作，引起质量波动。生产 中煅烧温度的调整是通过改变燃料用量和鼓风量来确定的。 1 5 在提高石灰质量方面前人所作的工作 在提高石灰质量方面，除了控制入窑石灰石的粒度和成份，以及确定 最佳煅烧时间和煅烧温度等方法以外，前人还采取了如下的一些措施 ( 1 ) 改善石灰窑的通风条件。在不超过电动机额定功率的前提下， 可以采用交流变频调速技术【2 9 j 改造通风机，可以根据不同的生产原料和对 石灰产品的不同要求，灵活方便地调整通风机的风量风压，改善石灰窑的 通风条件，以求达到煅烧石灰的最佳工艺条件。对于炼钢用冶金石灰，要 求其活性度高，表面不能烧结，采用交流变频调速装鼍可以很容易地把习 惯的全程恒压流送风制度改成分段变压变流量送风制度。这就意味着一个 批料的生产周期内，实行一段时间的高速高压送风，提高窑内气体流速， 升高窑温，促使石灰石外层分解；当外部石灰层形成后，温度向石料中心 传递速度明显降低，这时，实行低速低压送风，窑温也随之降低，以此保 持石料外部与中心部位尽可能均匀地达到c a c 0 3 分解的实际最低温度，从 而减少石灰的生烧和表面过烧现象，以提高石灰的活性度和c a o 含量，并 提高窑的利用系数。提高风压，相对地改善窑内料柱的透气性，这就允许 减少石灰石的入窑尺寸，为提高冶金石灰的煅烧质量创造有利条件。 ( 2 ) 调整石灰煅烧工艺。传统的竖窑煅烧石灰工艺是“先出灰后投 料” 3 0 l ，即料面见红出灰，出灰后再投料。在风机向炉内鼓风下，煅烧带 逐渐向上推移，当煅烧带前沿到达料面时，在炉顶观察，在料面可看见火 焰，即称为料面见红。这时开始出灰，出灰定高度，同时料面下降相应 辽宁科技大学硕士论文第一章文献综述 的高度，料面下降后炉内让出空间里的耐火砖被烧得通红，若此时投料， 由于布料器口到料面间的高度差增大，投入的石料在布料器的作用下，直 接撞击到四周的耐火砖和料面的石灰石，不仅使耐火砖受到不同程度的损 伤，而且投入的石料与料面的石灰石相碰，容易产生较多的碎石；此外， 因为石灰石必定含有定的夹杂纹路，此种夹杂物热膨胀系数大于c a o ， 就会造成投入的石料在火红的料面和周围耐火砖的高温作用下，瞬间急剧 受热而发生破碎，既影响炉内透气性，又造成碎灰率较高而团灰率较低， 从而影响石灰质量。 采用“先投料后出灰”的新工艺后，投入的石料落差大大减少，既减 少了旧工艺投料时石料对耐火砖的撞击，保护了耐火砖，而且投入的石料 经过一段时间的预热，再进入高温煅烧带，是符合煅烧石灰的原理，不致 于使石料瞬间急剧加热而产生破碎，同时减少了旧工艺投料时石料对耐火 砖的撞击，石料撞碎的比率要比旧工艺少得多，团灰率要比旧工艺高，改 善了炉内透气性，石灰质量得到了明显提高。 ( 3 ) 加入食盐h ”。加食盐煅烧的石灰与未加食盐煅烧的石灰相比， 气孔长、宽增大，气孔数量增多，且多数互通，这是因为煅烧石灰温度远 超过食盐中主要成分n a c i 的熔点8 0 1 ，致使n a c l 熔融而挥发形成n a c i 蒸气，而被挥发的n a c l 蒸气由于比重大于c 0 2 ，在c a c 0 3 旧相逐渐变成 c a o 新相过程中，n a c l 蒸气沉积笼罩在石灰石或石灰表面，甚至沿着 c a c 0 3 分解释放c 0 2 通道而扩散渗入到c a o 新相中晶格变形较大的缺陷， 微细裂缝以及晶粒之间等，一旦进入c a o 晶体中的n a c l 离子化合物，在 其位置上做远程无序的热运动，不但阻碍c a o 合并长大或再结晶发生的体 积收缩，甚至加剧晶粒无序排列，晶粒间距被振动而拉长、拉宽，形成开 通的多孔结晶体，而且n a c l 离子化合物在c a o 晶体中分布又不均匀，在 结晶过程中，二者收缩不一样以及n a c l 离子化合物的热运动的作用，产 生内应力，导致石灰内部裂纹、孔洞产生，最终形成疏松晶体结构，提高 了石灰的活性。此外，随着煅烧温度的升高，被挥发的n a c i 离子化合物 蒸气分压增大，扩散渗入c a o 晶体中的n a c l 离子化合物也就越多，引起 石灰活性提高的程度也就越大，不仅如此，随着煅烧温度升高，石灰石分 解速度加快，有利提高石灰产量。 ( 4 ) 增大高径比。传统的机械化竖窑截面大，高径比小，一般h # m ：d 辽宁科技大学硕士论文第一章文献综述 为5 6 ，易造成布料、出灰不均。通过加厚窑衬，减小截面，有利于均 匀布料和窑内气流的均匀分布，缩短在煅烧带的停留时间，减少石灰生烧， 预防过烧【”j 。 ( 5 ) 采取负压操作。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8 1 0 8 5 0 。c 开始分解，而内层由于表层c a o 的气 孔中充满分解析出的c 0 2 ，石灰石内层的c 0 2 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c a c 0 3 的分解速度，可缩短石灰石在窑内煅烧带的停留时间，从而提高石灰活性 度，增强其化学反应能力。 ( 6 ) 改进烧嘴。己获得国家实用新型专利的管式一烧嘴砖组合式烧 嘴 3 3 1 ，是用莫来石自流浇注料捣制而成，能有效地保护烧嘴头部，使煤气 与空气有效混合，稳定燃烧过程，缩短了竖窑的煅烧带。烧嘴喷射效果好， 火焰对料层的穿透能力加强，热气流的分布较为均匀，稳定提高了煅烧带 石灰的分解速度，为气烧窑的稳产、高产奠定了基础。 ( 7 ) 改进石灰窑自动控制技术。在石灰石焙烧进程中通过p l c 自动 控制技术 3 4 1 ，使控制中心与现场电气、仪表设备之间建立起动态连接关系， 可以动态显示生产过程和工艺流程画面、各种机电设备的工作状态及生产 工艺的各个运行参数，包括温度、压力、流量、成分分析、物位、称重等。 对生产全过程进行监视和控制，有效地简化系统结构，提高系统的精度和 可靠性，既节约能源，又降低成本，而且焙烧过程受控，焙烧工艺能够得 到满足，既减少废气的排放，保护环境，又提高石灰产量和质量。 1 6 辽宁科技大学硕士论文第二章课题的提出 2 1 课题背景 第二章课题的提出 目前，钢铁企业的炼钢厂通常使用竖窑煅烧活性石灰。受竖窑结构形 状制约，物料在窑内下降过程中遵循自然规律，即粒度大的物料向边缘滚 动，而小粒度的物料多集中于中心部位。生产实践和实验证明：当物料下 降到煅烧带时，大部分大块物料集中在窑壁，小块物料堆尖位置靠近中心。 在石灰石煅烧过程中，该种物料分布导致气流向边缘发展，抑制中心气流 的发展，造成窑内边缘过烧，中心生烧，直接影响着石灰的质量，此外， 边缘气流的过分发展，对窑壁耐火材料侵蚀严重，影响窑壁的使用寿命。 这就是竖窑产生的“窑壁效应”，新型矩形竖窑同样产生“窑壁效应”，其 内