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。
关键字：竖窑 耐火材料
