第一章 煅烧理论
第一节 石灰煅烧概论
一、石灰概述
以主要成份为碳酸钙CaCO3石灰石为主要原料，经过适当温度的煅烧所得到的一种气硬性胶凝材料，其主要成份为氧化钙（CaO），此种材料就叫做生石灰。 1、生石灰的主要性质
⑴ 颜色：白色，随着化学纯度不同而亮度不同，最纯的石灰最白，低纯度和生烧的石灰其亮度低，其颜色是由杂质，主要是铁元素很等着的色。有时也呈暗灰色、浅黄色。生石灰常常比原来的石灰石白。
⑵ 气味：稍有臭味，伴有刺激性感觉。
⑶ 组织：生石灰全部是结晶质，结晶的大小与排列依生石灰的不同而显著不同，其中，有看起来像无定形的东西，但实际上它是由微昌粒组成的。
⑷ 空隙率：市场上销售的生石灰的空隙率随石灰石的结构，煅烧温度和时间等不同而在宽达18～48%（平均35%）的范围里变化
⑸ 比重：完全死烧了的时候为3.34～3.40。一般市场上销售的生石灰比重为3.0左右 ⑹ 假比重：在1.6～2.8的宽范围变动，一般市场上销售的生石灰其平均值为2.0～2.2 ，堆比重为 1.1～1.7g/cm3 ⑺ 导热率：（0.0015～0.002）cal/cm3.s.℃ ⑻ 熔点、沸点：分别为2572℃和2850℃
⑼ 安息角：是将石灰自然堆放时，其斜面也水平面构成的倾斜角，大约为40～50度
2、炼钢生产对石灰的质量要求
石灰石呈碱性，是最理想的造渣原料。氧气转炉对于石灰有如下要求： ⑴ 石灰的氧化钙含量要高； ⑵ 石灰要有高的活性度； ⑶ 应有高的气孔率； ⑷ 应有低的体积密度； ⑸ 石灰的比表面积要大
3、活性石灰在钢铁冶金中的重要作用
不同的炼钢方法对于石灰的活性度要求也是不一样的。平炉、电炉冶炼时间较长，有充分的时间造渣，因此对于石灰的活性度要注也不是那么严格，而氧气转炉炼钢的冶
工艺部分
炼时间缩短到十几分钟，要求很快溶解成渣，所以要求石灰具有较高的化学纯度，活泼的化学反应性能，加入炼钢炉能快速反应化渣，脱去钢水中的杂质，所以采用高效活性石灰是改进炼钢工艺中的很重要的一个面。活性石灰代替普通石灰在炼钢中具有如下的技术经济效果：
1）加快化渣速度，缩短冶炼时间（吹氧时间可缩短10%左右）。 2）提高炼钢热效率，废钢比增加（可相应提高废钢比1.5～2.5%）。 3）提高钢水收得率，降低钢铁料消耗（钢水收得率可提高1%左右）。
4）提高脱硫、脱磷效果，改进钢质量（脱硫脱磷可比普通石灰提高10～30%）。 5）炉衬侵蚀减轻，炉龄提高（一般可提高炉龄20%） 二、石灰石在煅烧过程中进行的反应
煅烧石灰石时，窑内的化学反应为石灰石受热后分解成生石灰与二氧化碳，其反应式如下：
CaCO3 = CaO + CO2
这是一个吸热反应，热量的来源主要是燃料，另外，这个反应是可逆的。因此，为使反应自左向右进行，必须指定温度和压力条件，温度越高反应越完全，在750℃时，CaCO3分解开始明显，但反应很慢，在898℃时，CaCO3分解就相当快了。425.2千卡热量需要60.74克标准煤，约为石灰石重量的6%，制取1公斤氧化钙，理论上需要消耗1.786公斤碳酸钙，这时需要的消耗理为452.2千卡×1.786＝759.4×4.1868KJ，相当于108.4克标准煤。实际上，煅烧石灰所需的热耗都大于理论值，这将直接取决于窑的类型和工艺技术水平，热的利用效率等。1公斤MgCO3的分解热为343×4.1868KJ，而制取1公斤氧化镁需要煅烧2.1公斤MgCO3，所需要的热量为343千卡×2.1＝720.3×4.1868KJ，由于MgO的烧结温度比CaO低，所以分解MgCO3消耗的热也较CaCO3少。煅烧石灰石所需要的热，均由燃料在窑内燃烧所至，燃料的燃烧需要足够的氧气，若送入窑内的空气量不足，燃烧就会不完全而产生CO，在位置较高的煅烧层中，还存在着还原层，CO2被炽热的碳部分地还原为CO： C＋CO2 2CO－42.0×4.1868KJ
在煅烧较高的地方和空气中有剩余的氧，大部分CO被气化成为CO2： 2CO＋O2 2CO＋136.2千卡
当一氧化碳升到窑（料）面与空气接触燃烧生成二氧化碳 CO＋1/2O2＝CO2＋67.6千卡×4.1868KJ
应当指出，在窑顶的一氧化碳遇到空气燃烧产生的热量是白白浪费掉的，所以， 窑气中每增1%的一氧化碳，相当于浪费料6～7%。因此，当一公斤碳完全燃烧时能 释放出7900×4.1868KJ的热量，而不完全燃烧时仅能释放出23×4.1868KJ左右 的热量，所损失的热量相当于总和的710.1%（一氧化碳在窑气中的含量一般不应 超过1.2%）石灰石各主要成份是碳酸钙，同样还存在着各种有害物质，所以，在 高温的燃烧过程中进行着下述反应：
CaCO3＝CaO＋CO2 碳酸钙的分解
MgCO3＝MgO+CO2 碳酸镁的分解 C+O=CO2 碳的完全燃烧 CO2+C=2CO2 二氧化碳的还原 CO2+C=2CO 一氧化碳的燃烧 2H2+O2=2H2O 氢的燃烧 S+O2=SO2 硫的燃烧 从上面列举的还很不完全的反应中可以看得出，在石灰窑中不仅进行着氧化过程 ，也进行着还原过程。困此，烧制出的石灰是有各种颜色。 三、石灰石的分解温度
生石灰（简称石灰、白灰）是由石灰石（主要成分CaCO3）在高温（一般大于900℃）下发生分解反应而生成的，CaCO3分解温度是指其CO2分解压的温度，因此在气相中PCO2不同时，CaCO3分解温度是不同的，在一标准大气压下，纯CO2气相中，CaCO3的分解温度为898～910℃。
工业窑炉内气氛中还有其它的气体，因此PCO2小于标准大气压，因此，在煅烧过程中，石灰石料块表面部分实际上在810～850℃就已经开始分解了。 四、分解速度
石灰石（CaCO3）的分解速度依赖于温度的高低，若煅烧温度为900℃，每小时能烧透3mm/h；1000℃时是14mm/h，1000℃时是10mm/h，1200℃时是25mm/h。随着温度的升高，分解速度呈平方形式升增长，但温度过高时，内部还未分解，而在表面已经被烧死，影响煅烧速度。
在恒定外部温度下，越靠近石灰石中心，CO2逸出的阻力就越大，分解速度越慢，从实际上来讲，直径为150mm的球形石灰石，在1050℃条件下，在窑内煅烧需要20个小时才能烧透，与理论值相差5小时。
在一定的介质温度下，石灰石的分解速度有一个大致的范围，如果入窑的石灰石粒径差很大，如30～120mm，则小粒径的石灰石尚未通过煅烧带就已经分解完毕，而后继续在高温的烧成带停留一段时间，其结果必然出现石灰晶柱长大和烧结。而那些粒径大的石灰石，则由于其完全分解所需时间超过了它在高温带可能停留的时间而出现中心部分生烧。
对于小粒径的石灰石，如回转窑生产15～45mm的石灰石，虽然粒径为1∶3，但由于中小颗粒的石灰石完全分解后只需在煅烧带停留较短的时间，而颗粒较大的也能分解完毕。因此在确定炉型后，必须选择合适的石灰石粒径区间。石灰石在煅烧中生成的石灰层，由于气空率大，而且较石灰石的导热系数低，使得热很难传到被煅烧的石灰石内部，被煅烧的石灰石粒度越大，石灰层厚度就越大，CO2的逸出也越困难。煅烧大粒径的石灰石时，必须以降低煅烧温度，牺牲煅烧速度和降低竖炉利用系数为代价，才能生产出符合需要的石灰石。 五、煅烧度
石灰的煅烧度一般分类为软烧（soft）、硬烧(hard)、死烧(dead)。石灰石分解时释
放占其重量40%左右的CO2，所以在分解瞬间的生石灰（）具有结晶细、比表面积大、空隙度大（但个晶粒间空隙小）、假比重小、反应性能强等性质，这种状态的生石灰称为软烧石灰。这种石灰若在高温下长时间煅烧，细的晶粒逐渐熔合，总体积收缩，这种状态的石灰一般称为硬烧石灰。再进一步提高煅烧度，消化反应速度变得极低。称之为死烧石灰。
六、杂质对煅烧的影响
在石灰煅烧中有害杂质主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3，纯CaO的熔点很高，达2572℃。但由于杂质的存在，在煅烧过程中，表面张力、蒸发浓缩、扩张等作用开始的温度却是该物质熔点的大约60%。例如在CaO-SiO2系化合物中α-C2S的熔点是2130℃，但在煅烧过程中于1280℃左右的温度就已经开始生成其结晶了。在大致900℃的低温以下，石灰石中的杂质SiO2、Al2O3、Fe2O3与石灰反应的量很少，但若温度进一步提高，则会发生以下一些次生反应：
2CaO + SiO2 → 2CaO·SiO2 3CaO + SiO2 → 3CaO·SiO2 3CaO + Al2O3 → 3CaO·Al2O3
4CaO + Al2O3 + Fe2O3 → 4CaO·Al2O3·Fe2O3
这些反应生成物堵塞生石灰的细孔，使石灰活性度下降。这些杂质数量很大时，在高温时形成融熔状态，使石灰相互粘结，造成结瘤，使窑况恶化。因此应避免杂质的引入，采取筛分和水洗能去除原料中混入的部分杂质，改善原料质量。
第二节 原料石灰石
1.石灰石的定义和分类
石灰石是一种天然的沉积岩，亦称水成岩，石灰石以化学式CaCO3为主，具有细粒的结晶结构，从颜色来看，以青灰、浅灰的色泽为好，杂质含量少，另外，还可采用化学试剂进行测试：把少量的稀盐酸滴在岩石上，发出嘶嘶声并放出二氧化碳气泡的便是石灰石。
一般来说，含有碳化物和沥青杂质的石灰石为灰色、黑色；有微细沉积的，与有机杂质的呈微蓝色；有海绿石或铁（镁）氧化物的呈浅绿色；米色、淡粉红色、没有光泽则含较多的氧化镁；灰色、灰褐色、红黑色、棕色则含有铁、锰氧化物；乳白色有晶体光泽的，含有少量的氧化硅；色泽较深的，含有硫化氢较多。 按矿床类型，石灰石分为普通石灰石、高镁石灰石两类。 2、可以烧制生石灰的石灰石分类
用于炼制石灰石的原料是碳酸盐类岩石（或矿物），其主要成份是CaCO3。具体说烧制石灰的原料基本有以下几种：
（一）由磷酸盐类岩石经接触变质或区域变质而成具有结晶结构的大理石。 （二）普通的石灰石。
（三）多孔石灰石（包括贝壳石灰石、石灰质凝石灰石、鱼卵石、石灰华）。 （四）白垩（土状结构、具有疏松的特点）。 （五）贝壳。
3、石灰石和白云石的区别 可以从以下几个方面区别： （一）理化
（1）石灰石的主要成份是CaCO3；白云石是碳酸钙和碳酸镁的复盐（CaCO3、MgC O3）。
（2）石灰石具有细粒的结构，微结晶体球形或近似立方体；白云石属三方晶体系 ，菱面晶体；其结构是粒状的、致密的、板状的和鳞状的。 （3）硬度
石灰石的极限抗压强度400～1000公斤/厘米2； 白云石的极限抗压强度1000～1400公斤/厘米2。
（4）白云石遇冷酸起泡缓慢，不如石灰石剧烈，也无丝丝声，但在被加热为10% 浓度的盐酸作用下能产生沸腾现象。 （二）颜色
白云石因常含有铁、铝、硅等氧化物体质，其颜色与所含杂质有关，呈灰白和浅 红，并有玻璃光泽。
白云石化学成分为CaMg[CO3]2，晶体属三方晶系的碳酸盐矿物。白云石的晶体结构与方解石类似，晶形为菱面体，晶面常弯曲成马鞍状，聚片双晶常见，多呈块状、粒状集合体。纯白云石为白色，因含其他元素和杂质有时呈灰绿、灰黄、粉红等色，玻璃光泽。三组菱面体解理完全，性脆。摩氏硬度3.5-4，比重2.8-2.9。矿物粉末在冷稀盐酸中反应缓慢。
鉴定特征：以硬度稍大，在冷稀盐酸中反应缓慢等特征，可与相似的方解石相区别。 白云石是组成白云岩和白云质灰岩的主要矿物成分。白云石可用作冶金熔剂、耐火材料、建筑材料和玻璃、陶瓷的配料。 4、煅烧对石灰石的质量要求 （1）石灰石的有用成份：CaCO3
（2）石灰石的所含有害物：SiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O、K2O、P、S；
（3）石灰石以泥土、沙粒形态粘附的有害物：SiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O、K2O、P、S；
在石灰煅烧中有害杂质是SiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O、K2O等。这些杂质从比较低的温度（900℃）就开始和烧成的石灰CaO发生反应，促进CaO颗粒间的融合，其结果导致颗粒间收缩，反应生成物堵塞生石灰的细孔，使石灰反应性能下降。同时也堵塞石灰石脱除CO2后所剩余的通道，造成石灰石难分解，产生带芯石灰。这些杂质数量很大时，在高温时形成融熔状态，使石灰相互粘结，形成结瘤，使石灰煅烧炉失常。
对石灰煅烧产生影响的杂质，通常要求：SiO2+Al2O3+Fe2O3≤5%，但是，由于所采用