陳 海，張世紅，楊海平，王賢華，陳漢平

（華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074）

冶金石灰是現(xiàn)代冶煉生產(chǎn)中必不可少的造渣劑。石灰在煉鋼除渣過程中應(yīng)能迅速溶解，并具有較快的成渣速度，能較早地形成高堿度爐渣。因此，要求石灰的化學(xué)成分穩(wěn)定，而且主要成分氧化鈣含量高，雜質(zhì)成分少，并具有較高的活性度、較快的反應(yīng)能力。石灰窯煅燒石灰石過程中，減小粒徑有利于提高石灰的活性，但一般要求原料粒徑不小于30 mm［1］，這就使得～10 mm 的石灰石無法處理，只能丟棄或者外銷給建筑公司作鋪路石，附加值低且浪費(fèi)資源［2］。在石灰活性研究方面，前人做了大量工作。李曉君［3］通過實(shí)踐指出煅燒溫度、煅燒時(shí)間、原料粒徑、雜質(zhì)含量、窯內(nèi)壓力等因素對(duì)石灰石煅燒產(chǎn)物的活性會(huì)有影響；李道忠［4］通過對(duì)3種不同粒徑（10～20、20～30、30～40 mm）的石灰石進(jìn)行煅燒正交實(shí)驗(yàn)得出最優(yōu)工藝條件，即石灰石粒度為20～30 mm、煅燒溫度為1150℃、保溫時(shí)間為105 min左右；饒發(fā)明等［2］對(duì)武鋼烏龍泉礦5～20 mm小顆粒石灰石進(jìn)行煅燒實(shí)驗(yàn)，得出在1050～1100℃煅燒120 min能獲得活性最高為350～345 mL的活性石灰。可見，很多研究都是針對(duì)～10 mm粒徑的石灰石，說明這類石灰石具有一定的利用潛質(zhì)。筆者通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究驗(yàn)證小顆粒石灰石煅燒活性石灰的可能性，初步得出小顆粒石灰石煅燒活性石灰的適宜工藝條件，為設(shè)計(jì)有效利用～10 mm石灰石的新型石灰窯工藝奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 石灰石化學(xué)成分

實(shí)驗(yàn)選用湖北武穴石灰石，其化學(xué)成分（質(zhì)量分 數(shù) ）：Al2O3，3.33% ；SiO2，8.51% ；SO3，0.76% ；K2O，0.52%；CaO，47.86%；TiO2，0.06%；Fe2O3，1.17%。

1.2 煅燒實(shí)驗(yàn)方法

篩分出不同粒徑的石灰石（粒徑分別為0.5～1、1～2、2～3、3～5、5～10 mm）。稱取每種粒徑的石灰石各20 g放入剛玉坩堝，將坩堝放入恒溫馬弗爐中加熱煅燒（煅燒溫度分別為 900、950、1000、1050 ℃），煅燒一定時(shí)間后取出坩堝（煅燒時(shí)間分別為30、60、90、120 min），在干燥器中冷卻到室溫，即得到各種工況下煅燒的石灰。

1.3 石灰活性測(cè)定方法

根據(jù)YB/T 105—2005《冶金石灰物理檢驗(yàn)方法》測(cè)定石灰的活性度，具體步驟：準(zhǔn)確稱取粒度為1～5 mm的石灰50.0 g，加入2000～3000 mL的水中水化，同時(shí)用濃度為4 mol/L的鹽酸將石灰水化過程中產(chǎn)生的Ca（OH）2中和。從加入石灰試樣開始至試驗(yàn)結(jié)束，始終要在一定攪拌速度下進(jìn)行，并須隨時(shí)保持水化中和過程中的等量點(diǎn)。準(zhǔn)確記錄恰好10 min時(shí)鹽酸的消耗量。以10 min消耗鹽酸的體積（mL）表示石灰的活性度［5-6］。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 煅燒時(shí)間及溫度對(duì)石灰活性的影響

圖1給出了石灰石在不同溫度（a—900℃；b—950℃；c—1000℃；d—1050℃）煅燒所得產(chǎn)物的活性。由圖1a可以看出，各種粒徑石灰石的煅燒活性都隨著煅燒時(shí)間的增加而增大。這是因?yàn)椋蜏叵率沂纸夂苈?，隨著時(shí)間的增加石灰石分解率增加，生成的CaO量增加，使得活性增大。

由圖1b可以看出，曲線的變化趨勢(shì)與900℃時(shí)有明顯差別，各種粒徑石灰石的煅燒活性都隨著煅燒時(shí)間的增加先增大后減小。這是因?yàn)?，?dāng)煅燒時(shí)間太短時(shí)CaCO3分解不完全，生成CaO量少，出現(xiàn)生燒現(xiàn)象，使得活性度偏低；隨著煅燒時(shí)間的增加CaCO3分解逐漸趨向完全，活性度增加；隨著煅燒時(shí)間的繼續(xù)增加生成的CaO晶粒會(huì)發(fā)生重結(jié)晶，晶粒與晶粒之間會(huì)熔合形成大晶粒，這會(huì)使其很難與鹽酸反應(yīng)，因而活性會(huì)下降［3，7］，這就是過燒現(xiàn)象。 由圖1b看出，活性最佳煅燒時(shí)間是60 min，該工況下各種粒徑石灰石煅燒后活性都在320 mL以上。

由圖1c可以看出，各種粒徑石灰石的煅燒活性隨著煅燒時(shí)間的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是對(duì)于粒徑為0.5～5 mm的石灰石煅燒120 min所得石灰的活性要比煅燒90 min的活性好。有關(guān)文獻(xiàn)［8］中給出的解釋是碳酸鈣的分解過程是可逆反應(yīng)過程，根據(jù)系統(tǒng)溫度和周圍介質(zhì)中CO2分壓不同反應(yīng)可向任何一個(gè)方向進(jìn)行。為保證CaCO3完全分解，必須保持適當(dāng)高的反應(yīng)熱量，并降低周圍介質(zhì)中CO2分壓。由于實(shí)驗(yàn)溫度一定，且在相對(duì)小的空間中進(jìn)行，在該溫度下當(dāng)煅燒時(shí)間達(dá)到90 min時(shí)分解反應(yīng)加速，CO2濃度在物料表面急劇增大，CO2平衡分壓也變大，分解反應(yīng)所需溫度變高，此時(shí)的分解速率變慢，同時(shí)伴隨著生成碳酸鈣的逆反應(yīng)，使得氧化鈣活性降低。因此在靜態(tài)煅燒時(shí)應(yīng)盡量保證體系內(nèi)CO2能夠及時(shí)排出，促進(jìn)分解反應(yīng)快速進(jìn)行，這樣有利于CaO活性的提高。

由圖1d可以看出，各種粒徑石灰石煅燒產(chǎn)物活性隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這說明高溫下煅燒石灰石容易出現(xiàn)過燒，并且隨著煅燒時(shí)間的增加過燒會(huì)更嚴(yán)重［9］。

圖1 石灰石在不同溫度煅燒所得產(chǎn)物活性

由以上分析可見，在石灰石煅燒過程中，煅燒溫度和煅燒時(shí)間對(duì)石灰活性都有影響。煅燒溫度低、時(shí)間短，石灰石煅燒不完全；煅燒溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，石灰石又容易過燒，且溫度越高，過燒出現(xiàn)的越快。因此，要想提高石灰活性，煅燒溫度越高時(shí)間就要求越短，與文獻(xiàn)［4，6］提到的高溫快燒類似；反之，煅燒溫度較低時(shí)間就要適當(dāng)延長(zhǎng)。

2.2 粒徑對(duì)石灰活性的影響

表1給出了石灰石各種工況的煅燒產(chǎn)物活性。由表1可以看出，石灰活性并未隨著粒徑的增大而呈現(xiàn)單一趨勢(shì)，大致都是先增大后減小，這與相關(guān)文獻(xiàn)［10］的結(jié)論并不一致。這可能是因?yàn)?，石灰石粒徑越小在堆積狀態(tài)下顆粒之間的空隙越小，致使傳熱及氣體流通效果不好，煅燒過程受到抑制，石灰活性不佳。然而，當(dāng)粒徑很大時(shí)，在滴定過程中大量顆粒始終都是一個(gè)整體，沒有出現(xiàn)石灰遇水膨脹裂開的現(xiàn)象。這是由于，單個(gè)顆粒傳熱及CO2擴(kuò)散效果會(huì)變差同樣會(huì)抑制煅燒過程，同時(shí)在高溫下大粒徑石灰石的外層較內(nèi)部更加容易過燒，這些石灰石無論內(nèi)部是否過燒都已經(jīng)很難與鹽酸反應(yīng)，這樣石灰活性會(huì)很差［3］。因此，對(duì)于不同的工況存在最佳的顆粒粒徑，實(shí)驗(yàn)中大致都是2～3 mm。

表1 石灰石各種工況煅燒產(chǎn)物活性

3 結(jié)論

1）煅燒溫度和煅燒時(shí)間對(duì)石灰活性都有影響。煅燒溫度低、時(shí)間短，石灰石煅燒不完全，產(chǎn)物活性差；煅燒溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，石灰石又容易過燒，產(chǎn)物活性依然不高，且溫度越高過燒出現(xiàn)的越快。

2）對(duì)石灰石各種工況下的煅燒產(chǎn)物活性進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煅燒溫度為950℃、煅燒時(shí)間為60 min時(shí)所得產(chǎn)物活性最佳。

3）各種工況下的石灰活性并未隨著石灰石粒徑的增大而呈現(xiàn)單一趨勢(shì)，大致是先增大后減小。實(shí)驗(yàn)中石灰活性最佳的石灰石粒徑為2～3 mm。

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