1 前言��

　　冶金石灰是轉爐煉鋼的主要熔劑，其質量高低直接影響到煉鋼的質量、消耗和成本等主要技術經濟指標。萊蕪鋼鐵股份有限公司煉鋼廠（簡稱萊鋼煉鋼廠）有3座焦炭機械化石灰豎窯，其中2座傳統(tǒng)的150m3豎窯、1座170m3改進型石灰豎窯。豎窯有效利用系數(shù)0.7～0.8t/（m3.d）；石灰活性度為220～270mL。隨著鋼產量的大幅遞增和“四爐對四機”全連鑄生產技術的應用，石灰產質量已不能滿足現(xiàn)代轉爐煉鋼高強度、快節(jié)奏、高質量的生產需要。2001～2002年，借大修之機對2座傳統(tǒng)石灰豎窯進行高效化技術改造，并改進傳統(tǒng)的生產工藝，極大地提高了石灰窯有效利用系數(shù)和石灰活性度，取得了良好的效果和經濟效益。

2　高效石灰煅燒理論研究

　　豎窯有效利用系數(shù)和石灰活性度，除了與原燃料的物理和化學性能有關外，還與石灰的煅燒工藝與控制水平密切相關。煅燒工藝主要包括窯內氣相壓力（分解壓）、煅燒溫度和煅燒時間的控制。

2.1　CaCO3的分解壓力與分解溫度、速度的關系

　　CaCO3的分解過程是一個吸熱、多相反應，它的平衡常數(shù)表達式為：

　　CaCO3(s)＝ CaO(s) ＋CO2(g)

　　其平衡常數(shù)為：

　　Kp＝PCO2/P  （1）

　　式中P—標準大氣壓。

　　因此，CaCO3的分解溫度就是其分解壓（PCO2）等于氣相中CO2分壓（PCO2）時的分解溫度。用化學反應等溫方程式表示如下：

　　△G=－RTlnKp+RTLnQP=RTlnQP/Kp��  （2）

　　式中QP—非平衡時的比例常數(shù)。

　　只有QP＜Kp，△G＜0時，分解反應才能自動進行。據(jù)此創(chuàng)造條件來滿足石灰石的煅燒氣氛：

　　（1）減少產物[WTBZ]CO2氣體的壓力，即采用風機不斷抽出窯氣混合物，從而使QP降低。

　　（2）提高溫度，增大Kp。

　　根據(jù)CaCO3的分解反應，CaCO3的分解壓PCO2與分解溫度T的關系可用熱化學方程式表示如下：

　　lgPCO2＝－8920/T+7.54  (3)

　　式中T—分解溫度，K。

　　此方程可知，CaCO3在一定溫度下要對應一定的分解壓，并隨著溫度的升高而升高，而且升高的速率相當快，因此升高溫度是加速CaCO3化合物分解的有效措施。

　　在實際生產中，石灰在窯爐內煅燒并不是理想狀態(tài)下，石灰石表層在810～850℃開始分解，而內層由于分解表層CaO的氣孔中充滿分解析出的CO2，石灰石內層的CO2分壓比窯氣中高，分解溫度也相應要高。因此可通過引風機不斷抽出窯氣，采取負壓操作，加快CaCO3的分解速度，可縮短石灰石在窯內燒成帶的停留時間。

2.2　煅燒工藝對石灰活性度的影響

　　石灰的活性度取決于它的組織結構，石灰的組織結構與煅燒溫度和煅燒時間密切相關。影響石灰活性度的組織結構包括體積密度、氣孔率、比表面積和CaO礦物的晶粒尺寸。晶粒越小，比表面積越大，氣孔率越高，石灰活性就越高，化學反應能力就越強。

2.2.1　煅燒時間的影響  圖1為石灰體積密度與煅燒時間及溫度的關系。由圖1可以看出，隨著煅燒時間的延長，石灰的體積密度逐漸增大，從而使石灰氣孔率降低，比表面積縮小，CaO晶粒長大，石灰活性降低。石灰石在受熱分解時，放出了CO2，使石灰的晶粒上出現(xiàn)了空位，CaO晶粒處于不穩(wěn)定狀態(tài)，CaO分子比較活潑，因而活性高，這時快速冷卻，把石灰這種不穩(wěn)定的組織結構固定下來，石灰活性就會提高。

 

圖1 石灰體積密度與煅燒時間和煅燒溫度的關系

2.2.2　煅燒溫度的影響  煅燒溫度與石灰的性質關系見表1。由表1可知，石灰石在1000～1100℃左右的溫度下生產的石灰疏松多孔，CaO晶粒高度彌散，排列雜亂且晶格有畸變，使其具有大的比表面積和高的自由能（活性度高）。隨著溫度的升高，CaO晶體結構不斷發(fā)育，由雜亂排列逐漸排列緊湊，結構致密，石灰體積收縮，氣孔率下降，比表面積降低，石灰活性降低。因此煅燒石灰的溫度應控制在1200℃以下，最佳煅燒溫度為1000～1150℃。

表1 石灰的煅燒溫度與石灰性質的關系

溫度/℃ 結晶粒度/μm 體積密度/g.cm-3

比表面積/cm2.g-1

氣孔率/% 收縮率/% 過燒率/%

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：表中數(shù)據(jù)引用日本住友金屬株式會社測定數(shù)據(jù)。

3 傳統(tǒng)石灰豎窯高效化改造

　　提高設備工藝技術性能和自動化控制水平，是優(yōu)化、改進傳統(tǒng)石灰生產工藝的前提。根據(jù)高效石灰煅燒工藝的要求，進行了高效化、自動化和智能化設計與改造。

3.1　窯襯改造，減少截面，增大高徑比

　　傳統(tǒng)的機械化豎窯截面大，窯徑比小，一般H有效：D內徑為5～6，易造成布料、出灰不均，為此進行了設計改造。原爐殼直徑不變，加厚窯襯，內徑由原來的3.4m減少到2.9m；有效高度由原來的18m增加到18.2m，使窯徑比由原來的5.29提高到6.27，有效容積由原來的150m3變?yōu)?20m3。減少截面，有利于均勻布料和窯內氣流的均勻分布，縮短在燒成帶的停留時間，減少石灰生燒，預防過燒。

3.2　風帽及出灰結構創(chuàng)新設計

　　傳統(tǒng)機械化石灰窯鼓風系統(tǒng)由高壓離心風機和圓柱形風帽組成，氣流在窯內的分布趨向于四周爐壁，中間單位面積流量小，加劇了窯壁效應，易發(fā)生粘瘤。通過窯內氣流分布研究和優(yōu)化設計，改為層式風帽，如圖2所示。

 

圖2 風帽及出灰結構示意圖

1 層式風帽  2 出灰漏斗  3 圓盤出灰機  4 豎窯窯襯

　　采用半徑大小不同、具有三種導向角的層式風帽和容積回轉式羅茨風機，使窯體統(tǒng)一截面上氣流分布趨于一致。同時將原拖板出灰機改造為圓盤出灰機，并由傳統(tǒng)的雙層改為單層結構出灰流量調節(jié)范圍寬，且可調整圓盤出灰機正反轉，保證了物料在窯內均勻流動下沉和窯內氣流的合理分布。

3.3　混配設備工藝性能改進

　　原設計混配設備中，石灰石、焦炭是靠電磁振動給料機給料，磅秤稱量通過溜槽直接進入料車。稱量誤差和落下誤差可達1%，且物料在料車內嚴重偏析。改為變頻控制電極振動給料后，稱量后的物料進入中間斗，通過調節(jié)中間斗出料口的大小和石灰石、焦炭給料速度，保證了焦石混配的均勻性。

3.4　電氣儀表自動化、智能化控制技術的應用

　　控制系統(tǒng)采用西門子可編程控制器進行控制，使現(xiàn)場所有信號（溫度、壓力、流量、控制）全部進入PLC，按生產工藝流程進行集中監(jiān)視和控制。同時，上料卷揚主令控制器由傳統(tǒng)的LK系列的機械觸點式主令改為ZNLK智能主令，形成配套的PLC控制技術，提高了設備運行的可靠率和自動化控制水平。對窯體上二次風口、檢修門、溫度監(jiān)測點進行了合理配置和優(yōu)化，在窯體各部位安裝19個測溫點，可顯示、貯存和打印，隨時觀察分析窯內各帶的溫度及變化趨勢，有利于對窯況進行有效的控制與調節(jié)。

3.5　增設二次風與引風除塵系統(tǒng)

　　對原3座豎窯的3臺風機和其中1臺備用風機進行聯(lián)網(wǎng)改造，將另一臺備用風機改為二次風，并與3座豎窯聯(lián)網(wǎng)共用。在冷卻帶下部設置送風管道，沿爐體周圍均勻分布8只吹入邊風噴嘴和流量控制。同時，在預熱帶上部增設抽氣引風系統(tǒng)，由抽氣梁、袋式除塵器、引風機構成。抽氣梁為φ800mm的管道，中間接φ1000mm的風口，抽氣梁高度設置在料面500mm以下。并根據(jù)爐頂負壓要求，布料器上部增設閘板密封式儲料斗。

4　石灰煅燒工藝改進與新技術應用

4.1　快燒快冷煅燒工藝的應用

　　傳統(tǒng)石灰生產工藝采用“八進八出”進出料制度和廢氣直排式“正壓”控制，窯內物料循環(huán)慢，窯內透氣性差，造成窯內通風阻力大，石灰石分解壓力大，煅燒速度慢。經過試驗探索，研究應用淺進淺出 、快燒快冷石灰煅燒工藝，進出料制度采用周期性上料，周期288s，日上石量300t，不停風連續(xù)作業(yè)，每0.5h出灰一次；采用廢氣調控式“微負壓”控制，由200～250Pa改為-100～0Pa；煅燒區(qū)溫度控制在1000～1100℃。實施后，窯內物料循環(huán)由原來27h縮短到16h。

4.2　豎窯偏燒調控技術的應用

　　偏燒是豎窯石灰生產中易發(fā)生、難處理的工藝事故。發(fā)生偏燒時，一是窯內預熱帶和冷卻帶兩頭高，灰溫高，出灰量減少，必須減產；二是窯內一邊溫度高，一邊溫度低，造成大量的生燒石灰和過燒石灰。針對爐況偏燒難題，利用二次風進行爐況調控。根據(jù)熱電偶的顯示溫度，發(fā)現(xiàn)窯內煅燒帶溫度偏差大，有偏燒征兆時，及時打開爐內上火慢方向的二次風閥門，通過補償風量，加速燃燒、促其上移，避免偏燒問題的出現(xiàn)。

4.3　豎窯粘窯預防控制技術的應用

　　石灰窯正常生產條件下，三帶位置長期穩(wěn)定在某一位置，這對穩(wěn)定爐況、提高質量起到較好的作用。但也使煅燒帶所掛壁瘤充分熔融長大，導致因粘瘤引起偏燒。為了遏制所掛壁瘤充分熔融長大，通過定期性降料面操作，受到熱漲冷縮作用和石料沖刷，定期清理窯壁掛瘤，預防大面積粘瘤。

5　應用效果

　　2001年8月～2002年10月，萊鋼煉鋼廠先后在原2座150m3石灰窯上進行大修改造，提高了設備工藝控制能力和自動化控制水平，石灰生產的技術經濟指標大幅提升，如表2所示。

表2 豎窯高效改造前后主要工藝技術指標對比

項目 日產量/t 利用系數(shù)/t.(m3.d-1)

活性度/mL

CaO含量/% 生過燒率/% 噸鋼石灰消耗/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

　　石灰質量的提高，優(yōu)化了煉鋼工藝，噸鋼石灰單耗由2000年的59.67kg降低到2002年的45.05kg，進一步降低了噸鋼成本。

　　焦炭機械化豎窯通過高效化、智能化改造，實施快燒石灰煅燒工藝，可大幅提高石灰窯有效利用系數(shù)和石灰的活性度。用于煉鋼，可加快造渣速度，優(yōu)化煉鋼冶煉工藝，降低噸鋼石灰消耗。

關鍵字：豎窯 耐火材料